飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法技术

飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法，属于3D微纳加工技术领域，包括复合加工系统搭建，加工前标记制作，映射关系建立，待加工工件的数据拆分，以及精密加工过程中的横向对准和纵向对准。本发明专利技术将飞秒激光直写技术所具有的高分辨率和卓越的设计灵活性特性与DMD无掩模光刻技术所具有的快速连续制造特性完美结合，取长补短，获得了高效高精度的加工效果。获得了高效高精度的加工效果。获得了高效高精度的加工效果。

Femtosecond laser direct writing combined with DMD maskless lithography

【技术实现步骤摘要】
飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法


[0001]本专利技术属于3D微纳加工
，特别是涉及到飞秒激光直写和DMD无掩模光刻两种加工技术相结合。

技术介绍

[0002]3D打印技术使新的、前所未有的工程和生产可能性成为可能，在21世纪将产生巨大的影响。在微纳领域，面积大且局部高精度结构的需求越来越多。例如超疏水结构、生物支架、微光学元件、微机械组件或嵌入微过滤器的微流控芯片都是典型的应用实例。目前的制造技术在高效率的制造这类三维、多尺寸结构方面的能力仍然有限。
[0003]飞秒激光直写技术由于其可编程设计性、真实三维处理能力和高空间分辨率(低于100nm)等优势，被发展成为一种极具发展前景的三维微/纳米结构制备方法。然而，由于飞秒激光直写技术的逐点扫描的加工方式，其处理效率较低，通常使这种方法不适用于打印厘米尺度的大尺寸结构。为了提高加工效率，人们开发了多种方法，如多光束干涉、衍射光学元件和空间光调制技术。然而，对于复杂的微纳结构制作，这些技术并不成熟(如无法制作或结构过于粗糙)。
[0004]另外一种3D加工技术—基于数字微镜器件(DMD)的无掩模光刻在多个领域也有广泛的应用，如微流控器件、组织工程、增材制造、显微光学制造等。与飞秒激光直写技术不同的是，DMD无掩模光刻技术的特点是效率高但分辨率低。 DMD无掩模光刻技术通过一次曝光可以完成一层的制作，这样通过逐层地曝光可实现准三维的制备。然而，由于每层的投影图形是由微米级的像素点组成，制备的结构表面粗糙度和精度低，制备亚微米结构存在一定的困难。
[0005]综上所述现有技术当中亟需要一种技术来解决这些问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是：提供飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法，将飞秒激光直写技术所具有的高分辨率和卓越的设计灵活性特性与 DMD无掩模光刻技术所具有的快速连续制造特性完美结合，取长补短，获得了高效高精度的加工效果。
[0007]飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
[0008]步骤一、搭建复合加工系统
[0009]搭建DMD无掩膜光刻系统，包括光源系统Ⅰ、光路传输系统Ⅰ、DMD芯片、三维精密移动系统Ⅰ、CCD实时监测系统Ⅰ以及软件控制系统Ⅰ；搭建飞秒激光直写系统，包括光源系统Ⅱ、光路传输系统Ⅱ、三维精密移动系统Ⅱ、CCD实时监测系统Ⅱ以及软件控制系统Ⅱ，DMD无掩膜光刻系统与飞秒激光直写系统之间通过传输装置连接；
[0010]步骤二、标记制作
[0011]将基片置于DMD无掩模光刻系统中曝光遮挡物，镀500nm厚铬膜，置于丙酮溶液去
除遮挡物，形成标记；
[0012]步骤三、映射关系建立
[0013]建立DMD无掩膜光刻系统CCD与DMD芯片的映射关系，以及建立飞秒激光直写系统CCD像素与光斑位移的映射关系；
[0014]步骤四、待加工结构数据拆分
[0015]按照加工精度、效率最大化、对准难度最小化将待加工结构拆分成DMD无掩模光刻部分和飞秒激光直写加工部分；
[0016]步骤五、结构加工
[0017]利用步骤二图像处理识别标记位置，再通过步骤三映射关系得出对应DMD 掩模图，实现第一次对准，通过图像处理将飞秒激光光斑与圆形标记中心进行第二次对准，进行复合加工。
[0018]所述步骤一中DMD无掩膜光刻系统的光源系统Ⅰ采用375nm紫外光源；DMD 芯片采用1024
×
768个微镜组成，单个微镜尺寸为13.68μm*13.68μm；飞秒激光直写系统的光源系统Ⅱ采用中心波长780nm，重复频率80MHz，脉宽120fs 的泵浦固体激光器。
[0019]所述步骤二的标记制作包括四个部分，分别为
[0020]玻璃基底准备，将玻璃基底依次在丙酮和无水乙醇溶液中超声清洗15min，之后用去离子水冲洗干净，用气枪吹干；在洁净的基片表面旋涂3微米后S1813 正性光刻胶，90℃前烘1分钟，置于防潮箱中备用；
[0021]遮挡物制作，利用DMD无掩模光刻技术在玻璃基底上对S1813正性光刻胶曝光，制作圆柱作为遮挡物；
[0022]镀膜，利用磁控溅射方法在其表面创建高度不透明的铬金属层；
[0023]丙酮处理，将镀好膜的基底浸泡在丙酮溶液中，超声清洗10min，去除圆柱遮挡结构，形成圆形标记。
[0024]所述步骤三中DMD无掩模光刻系统CCD与DMD的映射关系建立，通过DMD 加载已知坐标的点阵掩模图，投影在CCD视场中，提取CCD图形像素信息，通过Matlab软件将提取的信息与原掩模图建立位置和像素间的映射关系；
[0025]飞秒激光直写系统CCD像素与光斑位移的映射关系建立，飞秒激光直写系统在光路中放入衰减片，打开光闸，激光光斑投影在CCD视场中；Matlab软件提取光斑中心在CCD中的图形信息(x1,y1)，通过控制软件在x、y方向分别移动10μm，提取两次移动后光斑中心在CCD中的图形信息(x2,y2)(x3,y3)；建立如上式最小二乘法拟合关系式，计算分别(x2,y2)(x3,y3)与(x1,y1)之间的像素差，获得飞秒系统位移与CCD之间的映射关系。
[0026]所述步骤五结构加工的两次对准包括纵向两次对准和横向两次对准，
[0027]纵向两次对准的条件为，第一次DMD无掩模光刻系统对准，光源掺入1.1％质量比的紫外吸收剂，减小DMD无掩模光刻曝光深度，提高纵向分辨率；第二次飞秒激光直写对准采用在光路中临时置入调焦光源和分辨率板的图像调焦技术，通过调节加工物镜高度，通过条纹清晰可分辨的成像状态间接反映激光聚焦状态；
[0028]横向两次对准的条件为，通过实时图像处理将加工位置调至与参照物相对应位置，将带有圆形标记的基片置于DMD无掩模光刻系统CCD视场中，利用自制的图像处理程序提取CCD识别的圆心(x,y)，通过预先得出的映射关系计算出 DMD映射掩模图圆心坐标(x1,
y1)，再将设计好的掩模图圆心调至(x1,y1)，实现第一次对准加工；曝光后将基片由DMD无掩模光刻系统传输到飞秒激光直写系统固定，再次通过图像处理识别掩模板圆心坐标(x2,y2)，利用映射关系计算出光斑相对于(x2,y2)需要移动的距离，调节振镜，使得光斑与掩模板圆心重合，实现第二次对准加工。
[0029]通过上述设计方案，本专利技术可以带来如下有益效果：飞秒激光直写与DMD 无掩模光刻复合加工方法，将飞秒激光直写技术所具有的高分辨率和卓越的设计灵活性特性与DMD无掩模光刻技术所具有的快速连续制造特性完美结合，取长补短，获得了高效高精度的加工效果。
附图说明
[0030]以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的说明：
[0031]图1为本专利技术飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法系统示意图。
[0032]图2为本专利技术飞秒激光直写与DMD无掩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，步骤一、搭建复合加工系统搭建DMD无掩膜光刻系统，包括光源系统Ⅰ、光路传输系统Ⅰ、DMD芯片、三维精密移动系统Ⅰ、CCD实时监测系统Ⅰ以及软件控制系统Ⅰ；搭建飞秒激光直写系统，包括光源系统Ⅱ、光路传输系统Ⅱ、三维精密移动系统Ⅱ、CCD实时监测系统Ⅱ以及软件控制系统Ⅱ，DMD无掩膜光刻系统与飞秒激光直写系统之间通过传输装置连接；步骤二、标记制作将基片置于DMD无掩模光刻系统中曝光遮挡物，镀500nm厚铬膜，置于丙酮溶液去除遮挡物，形成标记；步骤三、映射关系建立建立DMD无掩膜光刻系统CCD与DMD芯片的映射关系，以及建立飞秒激光直写系统CCD像素与光斑位移的映射关系；步骤四、待加工结构数据拆分按照加工精度、效率最大化、对准难度最小化将待加工结构拆分成DMD无掩模光刻部分和飞秒激光直写加工部分；步骤五、结构加工利用步骤二图像处理识别标记位置，再通过步骤三映射关系得出对应DMD掩模图，实现第一次对准，通过图像处理将飞秒激光光斑与圆形标记中心进行第二次对准，进行复合加工。2.根据权利要求1所述的飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法，其特征是：所述步骤一中DMD无掩膜光刻系统的光源系统Ⅰ采用375nm紫外光源；DMD芯片采用1024
×
768个微镜组成，单个微镜尺寸为13.68μm*13.68μm；飞秒激光直写系统的光源系统Ⅱ采用中心波长780nm，重复频率80MHz，脉宽120fs的泵浦固体激光器。3.根据权利要求1所述的飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法，其特征是：所述步骤二的标记制作包括四个部分，分别为玻璃基底准备，将玻璃基底依次在丙酮和无水乙醇溶液中超声清洗15min，之后用去离子水冲洗干净，用气枪吹干；在洁净的基片表面旋涂3微米后S1813正性光刻胶，90℃前烘1分钟，置于防潮箱中备用；遮挡物制作，利用DMD无掩模光刻技术在玻璃基底上对S1813正性光刻胶曝光，制作圆柱作为遮挡物；镀膜，利用磁控溅射方法在其表面创建高度不透明的铬金属层；丙酮处理，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘华，谭明月，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：