应用在超材料制备中的光刻仪和微结构图案光刻方法与流程

本发明涉及超材料领域，具体来说，涉及一种应用在超材料制备中的光刻仪和微结构图案光刻方法。

背景技术：

在相关技术中，在制备超材料器件时，主要有以下几个方式，一种为利用光刻技术的方案，具体为：选用不同光源如紫外光、x射线、电子束、离子束等，将模板的图像曝光到光敏胶，然后进行金属沉积，最后去胶得到金属图案；另一种则是利用模板沉积技术，金属可通过模板的通孔结构沉积在基底上，这样形成金属图案。但是上述两种方案均需要使用掩板或模板，并且在改变超材料元胞形状时，则需要重制掩板或模板，显然工艺复杂。

而为了避免在改变金属图案时对掩板和模板的依赖性，相关技术中还有利用喷墨打印和激光打印技术的方案，虽然这种方案在一定程度上简化了制备工艺，但是金属图案的制造效率较低，从而造成超材料器件的制造效率低的问题。

针对相关技术中的超材料器件的制造工艺复杂以及制造效率低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的超材料器件的制造工艺复杂以及制造效率低的问题，本发明提出一种应用在超材料制备中的光刻仪和微结构图案光刻方法，能够简化超材料器件的制造工艺，提高超材料器件的制造效率。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种应用在超材料制备中的光刻仪。

该光刻仪包括：

用于将接收的激光束分为两束以上相干光并输出的分束器；

用于接收并调整两束以上相干光中的至少一束第一相干光的相位并对调整相位后的至少一束第一相干光进行输出的普克尔斯盒；

其中，普克尔斯盒所输出的至少一束第一相干光与分束器所输出的未被普克尔斯盒接收调整的第二相干光在基板上发生干涉从而在基板上形成微结构图案。

其中，该光刻仪进一步包括：

在至少一束第一相干光与第二相干光在基板上发生干涉时用于控制基板移动从而在基板上形成微结构图案的第一控制器。

可选的，该光刻仪进一步包括：

用于接收第二相干光作衰减处理并将衰减处理后的第二相干光输出至基板上的光衰减器。

可选的，该光刻仪进一步包括：

用于对普克尔斯盒输出的第一相干光和对光衰减器输出的第二相干光进行滤波处理并输出至基板上的多个空间滤波器。

相应的，该光刻仪可进一步包括：

用于将普克尔斯盒输出的第一相干光和对光衰减器输出的第二相干光分别反射至相应的空间滤波器的多个平面镜。

可选的，该光刻仪进一步包括：

用于通过控制输入到普克尔斯盒的偏压来调节普克尔斯盒内的晶体的折射率的第二控制器。

其中，普克尔斯盒的数量为一个以上。

此外，该基板为酚醛树脂基板、环氧树脂基板或聚酰胺基板。

可选的，该光刻仪进一步包括：

用于根据微结构图案的排列方式来选择普克尔斯盒数量的数量选择单元。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应用在超材料制备中的微结构图案光刻方法。

该微结构图案光刻方法包括以下步骤：

将接收的激光束分为两束以上相干光；

调整两束以上相干光中的至少一束相干光的相位，得到相位调整相干光， 其中，两束以上相干光中未调整相位的相干光为相位未调整相干光；

将相位调整相干光与相位未调整相干光在涂覆有光敏胶的基板上发生干涉从而在基板上形成微结构图案。

其中，在将相位调整相干光与相位未调整相干光在涂覆有光敏胶的基板上发生干涉从而在基板上形成微结构图案时，可将相位调整相干光与相位未调整相干光在涂覆有光敏胶的基板上发生干涉形成干涉强光点，控制干涉强光点移动和/或控制基板移动从而在基板上形成微结构图案。

其中，通过调整两束以上相干光中的至少一束相干光的相位来改变相位调整相干光与相位未调整相干光之间的光程差使得相位调整相干光与相位未调整相干光能够发生干涉。

可选的，该微结构图案光刻方法还包括，在将相位调整相干光与相位未调整相干光在涂覆有光敏胶的基板上发生干涉之前，对相位未调整相干光作衰减处理，得到衰减处理后的相干光，使衰减处理后的相干光的光强度与相位调整相干光的光强度相同。

可选的，该微结构图案光刻方法进一步包括：

对衰减处理后的相干光与相位调整相干光分别进行滤波处理。

可选的，相位调整相干光的数量为多个，可根据微结构图案的排列方式来选择相位调整相干光的数量。

本发明通过采用激光干涉形成的系列周期性图案，能够简化制造工艺；通过采用普克尔斯盒进行光程差调节，使得光程差为波长整数倍的两束光产生干涉，干涉处的光强度高，能够使设置在基板上的光敏胶进行固化，从而在光敏胶下方形成干涉图案，并实现干涉图案的精准移动，形成周期排布的微结构图案，不仅提高了制备效率还提高了图案的制造精准度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的应用在超材料制备中的光刻仪的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的应用在超材料制备中的微结构图案光刻方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的应用在超材料制备中的微结构图案光刻方法的详细流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种应用在超材料制备中的光刻仪。

如图1所示，根据本发明实施例的用在超材料制备中的光刻仪包括：

分束器1，用于将接收的激光束分为两束以上相干光(这里示意了两束相干光)并输出；

普克尔斯盒5，用于接收该分束器1分出的两束以上相干光中的至少一束第一相干光(这里为一束第一相干光)并对该第一相干光的相位进行调整并输出；

其中，普克尔斯盒5所输出的第一相干光与分束器1所输出的未被普克尔斯盒5接收调整的第二相干光在基板上发生干涉从而在基板上形成微结构图案。

借助于本发明的上述技术方案，通过使用激光干涉来形成系列周期性光斑，能够简化微结构图案的制造工艺，提高超材料的制备效率；并且不使用掩板或模板，可直接将微结构图形进行复制和实现，缩短微结构图案的形成时间。

其中，本发明的激光干涉成像原理如下：两个及以上的相干光波形成干涉，光程差为波长整数倍的地方强度大，从而使得强度大的地方的光敏胶固化，而半波长奇数倍的地方强度小，光敏胶并未固化，这样干涉图样就会被固化光敏胶记录，那么经过金属化过程后就可形成周期性排列的金属图案，以此制备微结构图案。下面对图1所示的光刻仪以及执行过程作详细描述。

为了形成微结构图案，需要预先设置一基板，该基板可以是酚醛树脂基板、或是环氧树脂基板，又或是聚酰胺基板，其中，在图1所示的实施例中，该基板为环氧树脂基板。

在形成微结构图案之前，为了形成金属微结构图案，需要在该基板的上表面全部涂覆金属材料，接着在该金属材料上旋涂光敏胶；

然后将经过上述处理的基板放置在可控激光干涉光刻仪上等待金属图案的形成。

如图1所示，在本实施例中，为了形成金属图案，根据本发明的光刻仪可包括分束器1，其将激光束分为两束相干光束，其中，该分束器的原理部件可以是劳埃德镜、棱镜或衍射光栅。

两束相干光束在反射到基板上后，在基板上发生干涉即可形成干涉条纹，而为了在基板上形成周期排布的金属图案，因此，在本实施例中设置了普克尔斯盒5。

其中，本发明实施例的光刻仪还可包括第二控制器(未示出)，用于通过调节输入该普克尔斯盒5的外加电场(即外加偏压)，来调节该普克尔斯盒5内晶体的折射率。

其中，该普克尔斯盒5的作用在于，当入射到该普克尔斯盒5的一束相干光入射到该晶体时，由于晶体的折射率已经变化，那么就可改变入射的该束相干光的相位，由此可以调整两束相干光到基板的光程差，从而使得在基板上形成的干涉条纹移动，进而形成周期排列的干涉条纹。其中，由于基板上涂覆有光敏胶，因此，形成干涉条纹处的光敏胶固化。

其中，本发明通过采用普克尔斯盒，用电场强度(外加偏压)精确控制介质折射率，调整光程差，从而周期性的移动光斑，实现周期性光斑的可控并实现精细移动，显然这是使用基板或激光头的机械移动均难以达到的精准控制。

在形成了周期排列的上述干涉条纹后，就可将基板上未固化的光敏胶清洗，对该基板进行金属材料的刻蚀，其中，形成有干涉条纹处的金属材料上由于具有固化的光敏胶，因此，在对该基板进行金属材料的刻蚀时，固化的光敏胶可对其下的金属材料起到保护的作用；最后再去掉固化光敏胶，就在基板上形成了周期排列的金属微结构图案，完成超材料的制备。

其中，在上述实施例中为了形成周期排布的微结构图案，采用的是对普克尔斯盒5的外加偏压进行控制，从而使得微结构图案在基板上移动，进而形成周期排布的微结构图案；从另一方面来说，还可以通过控制基板移动来实现周期排布的微结构图案的形成，具体而言，在一个实施例中，根据本发明实施例的光刻仪还可包括第一控制器(未示出)，在至少一束第一相干光与第二相干光在基板上发生干涉时用于控制基板移动从而在基板上形成周期排布的微结构图案，提高微结构图案的形成效率。

此外，在上述实施例中，由于相干光经过普克尔斯盒5后，光束的强度存在衰减。因此，为了使得两束相干光的光强度相一致，干涉图案更加清晰，根据本发明实施例的光刻仪还可包括光衰减器2，用于接收两束相干光的另一束未被普克尔斯盒5接收的相干光并作衰减处理，从而使得衰减处理后的该相干光的光强度与普克尔斯盒所输出的一束第一相干光的光强度相同。这样就使得这两束光的干涉效果最佳，形成的干涉条纹也更清晰，使得制备的金属图案的条纹也更清晰。

此外，为了改善干涉图样的成像质量，在一个实施例中，根据本发明实施例的光刻仪还可包括：多个空间滤波器4(这里为2个)，分别用于对普克尔斯盒5输出的第一相干光和对光衰减器2输出的第二相干光进行滤波处理(例如去噪声、边缘增强处理等)并输出至基板从而发生干涉，形成干涉条纹。

另外，为了将普克尔斯盒5输出的第一相干光和对光衰减器2输出的第二相干光反射到基板发生干涉，根据本发明实施例的制备系统还可包括：

多个平面镜3，用于将普克尔斯盒5输出的第一相干光和对光衰减器2输出的第二相干光分别反射至相应光路的空间滤波器4。

虽然，在图1所示的实施例中采用了两束相干光来形成干涉图样，但是为了形成不同样式的干涉图样，在其他实施例中，还可采用两束以上的相干光来形成干涉图样(即，点状光斑)，通过第二控制器控制普克尔斯盒5改变晶体折射率，从而调节相干光之间的光程差，控制光斑移动；或是通过第一控制器控制基板移动，即可得到周期排列的所需的微结构图案。

优选的，在一个实施例中，根据本发明实施例的普克尔斯盒的数量与干涉图案的排列方式相关。因此，在一个实施例中，根据本发明实施例的光刻仪还 包括数量选择单元(未示出)，用于根据微结构图案的排列方式来选择普克尔斯盒数量。

在一个具体的例子中，需要制备矩形阵列微结构的超材料。将环氧树脂基板上涂覆金属材料，然后旋涂上光敏胶，放置于光刻仪上(具体步骤如前文)。为了在基板上形成矩形阵列的微结构图案，在本实施例中，根据本发明实施例的数量选择单元选择两个轴向(例如相互垂直的x轴和y轴)的普克尔斯盒；并且光刻仪采用351nm激光器，分出四束相干光，这样通过四光束干涉的方式，就可在基板上形成矩形阵列。同时通过第二控制器调节两个轴向(例如相互垂直的x轴和y轴)的普克尔斯盒，就可移动光斑，在固化的光敏胶下形成周期排列的开口圆环；再洗去未固化的光敏胶和未固化的光敏胶下的金属材料后就可得到具有金属微结构的超材料。

由于本发明采用控制单元对普克尔斯盒的晶体的折射率进行调节，因此能够更好的控制干涉图案之间的间距，且与传统光刻工艺制造的超材料具有相同的性能，还能缩短超材料的制造时间至少一半以上。

在另一个具体的实施例中，需要制备蜂窝状(等边六边形)阵列微结构超材料。将环氧树脂基板上涂覆金属材料，然后旋涂上光敏胶，放置于光刻仪上(具体步骤如前文)。在本实施例中，根据本发明实施例的数量选择单元选择三个轴向(两两垂直设置，x轴、y轴、z轴)的普克尔斯盒；并且采用351nm激光器，分出六束相干光，这样通过每两束相干光发生干涉的方式，就可在基板上形成蜂窝阵列。同时通过第二控制器调节三个轴向(两两垂直设置，x轴、y轴、z轴)的普克尔斯盒，移动光斑，在固化的光敏胶下形成周期排列的开口圆环；再洗去未固化的光敏胶和未固化的光敏胶下的金属材料后就可得到具有金属微结构的超材料。

另外，借助本发明的制备系统还可以制备光子晶体这种超材料。具体为：将环氧树脂基板旋涂上光敏胶，放置于可控激光干涉光刻仪上。采用351nm激光器，以四光束干涉的方式，在基板上形成矩形阵列。调整光束之间的夹角，就可以调节形成的干涉图案之间的间距，这样即得到不同元胞大小的光子晶体，每种夹角对应一种光子晶体，例如夹角为120度，得到的光子晶体在接收到白光后，能够反射红光；例如夹角为160度，得到的光子晶体在接收到白光 后，能够反射蓝光。

通过上述具体实施例可以看出，本发明的普克尔斯盒的数量为一个以上，具体数量可以根据微结构图案的排列方式进行灵活调整。

对于本发明上述实施例中的无需掩板或模板的超材料的光刻仪，可应用于太赫兹波以至红外波段超材料的制备，并且具有快速成型、精细控制的优点。

根据本发明的实施例，提供了一种应用在超材料制备中的微结构图案光刻方法。

如图2所示，根据本发明实施例的应用在超材料制备中的微结构图案光刻方法包括以下步骤：

步骤s201，将接收的激光束分为两束以上相干光；

步骤s203，调整两束以上相干光中的至少一束相干光的相位，得到相位调整相干光，其中，两束以上相干光中未调整相位的相干光为相位未调整相干光；

步骤s205，将相位调整相干光与相位未调整相干光在涂覆有光敏胶的基板上发生干涉从而在基板上形成微结构图案。

其中，在一个实施例中，在步骤s205中，在将相位调整相干光与相位未调整相干光在涂覆有光敏胶的基板上发生干涉从而在基板上形成微结构图案时，可将相位调整相干光与相位未调整相干光在涂覆有光敏胶的基板上发生干涉形成干涉强光点，并控制干涉强光点移动和/或控制基板移动从而在基板上形成微结构图案。

其中，在另一个实施例中，在步骤s205中，可通过调整两束以上相干光中的至少一束相干光的相位来改变相位调整相干光与相位未调整相干光之间的光程差使得相位调整相干光与相位未调整相干光能够发生干涉。

在一个具体的实例中，根据本发明实施例的微结构光刻方法可按照如图3所示的流程实现，具体如下：

首先，将接收的激光束作分束处理，得到两束以上相干光；

然后，对一束相干光作调整相位处理，另一束相干光作衰减处理；

具体而言，由于在对其中一束相干光作调整相位处理时，会降低该束相干光的光强度，为了保证两束相干光在发生干涉时，强度最大，可使两束相干光 的光强度一致，因此，在一个实施例中，在将相位调整相干光与相位未调整相干光在涂覆有光敏胶的基板上发生干涉之前，对相位未调整相干光作衰减处理，得到衰减处理后的相干光，使衰减处理后的相干光的光强度与相位调整相干光的光强度相同。

接着，为了使两束相干光反射到基板上发生干涉，需要对两束光均作反射处理；

然后，为了保证两束发生干涉的相干光的光质量，可以对衰减处理后的相干光与相位调整相干光分别进行滤波处理；

最后，经过滤波处理后的两束相干光就可在基板上发生干涉，形成干涉加强点条纹，而由于后续分束的相干光所作处理同上述步骤，这样就可控制该干涉较强条纹在基板上移动，从而形成周期排布的金属微结构图案。

可选的，在一个实施例中，虽然，在上述具体实例中只列举了一束相位调整相干光，但是在不同的应用场景中，该相位调整相干光的数量可以为多个，这样就可根据微结构图案的排列方式来选择相位调整相干光的数量。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过使用普克尔斯盒进行光刻控制，无机械移动或转动，可以实现对微结构图案的周期形成提供更精准的图像控制，并且制备的微结构图案一致性高、精度高、窄线宽；同时，在形成微结构图案的过程中无需掩模板，不仅简化了制造工艺，也避免了微结构图案对掩模板的依赖。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。