大尺寸双光子光刻打印台的制作方法

本实用新型涉及微纳结构光刻领域，尤其涉及一种大尺寸双光子光刻打印台。

背景技术：

激光技术是20世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。四十多年来，随着小型电子产品和微电子元器件需求量的日益增长，对于加工材料(尤其是聚合物材料以及高熔点材料)的精密处理已日渐成为激光在工业应用中发展最快的领域之一。激光加工是激光产业的重要应用，与常规的机械加工相比，激光加工更精密、更准确、更迅速。

飞秒激光光刻技术具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维微结构加工等优点，这些特性是传统的激光加工技术所无法取代的。

近十年人们对激光双光子微加工进行了深入的研究。双光子聚合是物质在发生双光子吸收后所引发的一种光聚合过程，双光子吸收是指物质的一个分子同时吸收两个光子，双光子吸收的发生主要在脉冲激光所产生的超强激光焦点处，光路上其它地方的激光强度不足以产生双光子吸收，并且由于所用光波长较长，能量较低，相应的单光子吸收过程不能发生。因此，双光子过程具有良好的空间选择性。与现有的其他工艺相比，双光子聚合能够制造更高分辨率的三维微纳结构。

双光子光刻制作大尺寸光学器件，是通过二维移动台进行移动拼接光刻实现的。在实现过程中，盖玻片放置于打印台上，盖玻片与载波片之间放入光刻胶材料，通过二维移动台控制盖玻片与载波片移动，分区域光刻，制作大尺寸维纳光学器件。采用该方法的特点是，盖玻片、载玻片和二维移动台同步移动。其缺点是，所能实现的维纳光学器件，由固定在载物台上的暴露出来的盖波片的尺寸决定。为了实现大尺寸维纳光学器件的制造，就需要一个大尺寸的盖玻片和载波片，在其间充满光刻胶，而实际用于光刻的光刻胶仅为充满的光刻胶的小部分，存在浪费光刻胶浪费的问题。

技术实现要素：

为了使用双光子光刻技术实现大尺寸微纳光学器件的制作，本实用新型提供一种大尺寸双光子光刻打印台。

本实用新型提供了如下技术方案：

一种大尺寸双光子光刻打印台，包括载玻片和盖玻片，还包括：

载物台，承载所述的盖玻片；

移动台，位于载物台上方，承载所述的载玻片；

电机，驱动移动台相对于载物台做三维方向的移动；

控制单元，控制电机的移动。

在双光子光刻时，通过物镜汇聚后飞秒激光从盖玻片下方射入，照射盖玻片与盖玻片之间的液态光刻胶，在位于载玻片附近的一个小区域的液态光刻胶内发生双光子聚合效应，固化形成微纳三维结构，固化后的光刻胶将吸附于载玻片上。

一个视场内的微纳结构光刻完成后，电机带动移动台(载玻片)向上移动，远离盖玻片上的液态光刻胶；之后电机带动移动台(载玻片)到下一个光刻视场位置并下移，再对新的视场区域进行双光子聚合光刻。

在整个光刻过程中，盖玻片固定在载物台上不存在移动，微纳结构光学元件的尺寸由移动台的移动范围决定，而不是受限于暴露出来的盖玻片的尺寸，从而实现大尺寸微纳光学器件的加工制作。

为了实现微纳结构光学元件的高精度光刻，必须控制移动台的移动精度。优选的，所述电机的移动精度为μm量级。可以使移动台的移动误差控制在0.1um以内。

在载玻片与盖玻片之间单次填充的液态光刻胶量可能会难以满足制作大尺寸微纳结构光学元件，优选的，本实用新型的大尺寸双光子光刻打印台还包括补胶管，所述的补胶管固定在载物台上，用于向盖玻片上补充光刻胶。液态光刻胶可由补胶管进行补充，以保证光刻时该视场内充满光刻胶。

优选的，本实用新型的大尺寸双光子光刻打印台还包括接触探针，所述的接触探针固定在载物台上，用于限制载玻片与盖玻片之间的距离。

电机带动移动平台下移时，接触探针用于限制载玻片与盖玻片之间的距离，控制载玻片与盖玻片之间光刻胶的厚度。

优选的，所述的接触探针可拆卸地固定在所述的载物台上。

接触探针可拆卸地固定在载物台上，可根据所要光刻的微纳结构光学元件的厚度，更换不同高度的接触探针。

进一步优选的，所述的接触探针包括：

探针，底部固定在所述的载物台上，顶部用于抵触移动台；

薄膜压力传感器，设置在探针的底部，用于采集探针与载物台之间的压力并传输给控制单元。

电机带动移动平台下移时，移动台抵压探针，薄膜压力传感器实时采集探针与载物台之间的压力并传输给控制单元，当探针与载物台之间的压力达到预设的阈值时，控制单元控制电机停止下移。

优选的，所述的载玻片和盖玻片的材质为平整度和透明度高的石英玻璃。

与现有技术，本实用新型的有益效果为：

在整个光刻过程中，本实用新型的盖玻片固定在载物台上不存在移动，微纳结构光学元件的尺寸由移动台的移动范围决定，而不是受限于暴露出来的盖玻片的尺寸，从而实现大尺寸微纳光学器件的加工制作。另外可根据光刻胶的使用情况注入光刻胶，减少了不必要的光刻胶浪费，节省成本。

附图说明

图1为大尺寸双光子光刻打印台的结构示意图；

图2为光刻胶固化后转移示意图；

图3为接触探针的结构示意图；

附图中：1、载玻片，2、盖玻片，3、移动台，4、载物台，5、光刻胶，51、液态光刻胶，52、光固化后的光刻胶，6、补胶管，7、接触探针，71、探针，72、薄膜压力传感器，8、物镜。

具体实施方式

为了更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及其效果，下面结合优选实施例及其附图对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，大尺寸双光子光刻打印台包括移动台3、载物台4，载玻片1固定在移动台3上，盖玻片4固定在载物台4上，液态光刻胶夹持在载玻片1和盖玻片2之间，载物台4上还固定有补胶管6，补胶管6的出胶口位于载玻片1和盖玻片2之间。载物台4上还可拆卸地安装有接触探针7，接触探针7的顶部与移动台相抵触，用于限定载玻片1和盖玻片2之间的距离。

移动台由电机(图中未示出)驱动，相对于盖玻片在三维方向上移动。电机受控于控制单元。

物镜8位于盖玻片2的下方，物镜8射出的激光从盖玻片射入，照射光刻胶。物镜8和聚焦部分为双光子聚合曝光系统的器件，不是本实用新型的描述重点内容，为了完整性，仍然将其绘制在了系统中。

在双光子光刻时，通过物镜汇聚后飞秒激光在光刻胶材料内发生双光子聚合效应，将位于载玻片附近的一个小区域的液态光刻胶，固化形成微纳三维结构，固化后的光刻胶将吸附于载玻片上。

物镜一个视场的微纳结构光刻完成后，电机带动载玻片1向上移动，远离液态光刻胶5，之后电机移动载玻片1到下一个光刻视场位置并下移，直到移动台接触到接触探针后停止移动。对该视场区域进行双光子聚合光刻，补胶管6通过固定支架固定于载物台4上，补充光刻胶。在整个光刻过程中，盖玻片2被固定，不存在移动。微纳结构光学元件的尺寸由移动台1的移动范围决定，而不是受限于暴露出来的盖玻片的尺寸。

所使用的电机为高精度电机，其移动误差在0.1um以内。

光刻胶固化转移如图2所示。在光刻过程中，从载玻片1与光刻胶接触的平面开始光刻，通过分层光刻的方式形成微纳三维结构。光刻时，通过双光子聚合效应，液态光刻胶被固化，粘附于载玻片1上，后续被固化的液态光刻胶会粘附于先前固化的光刻胶上。一个视场打印完成后，载玻片1被移动台向上移动后，液态光刻胶具有流动性，固化的光刻胶移出部分会被液态光刻胶填充。使用固定于载物台4上的一个补胶管6，通过外部压力，将少量光刻胶通过补胶管注入，以补充被固化部分损失的光刻胶。采用该方式，可以持续的打印大尺寸微纳光学器件，而减少光刻胶的浪费和损失。

接触探针7的结构如图3所示，接触探针7由两部分组成，分别为金属三角形探针71和底部的薄膜压力传感器72。当探针71收到外力挤压后，底部的薄膜压力传感器72受力后产生一信号，通过线缆传递给控制单元，控制单元控制电机终止z方向的移动。

接触探针7的高度为h，而盖玻片2的厚度为hs，所能打印的微纳三维光学器件的厚度(光刻胶厚度，不含基板)为h-hs。对于不同厚度要求的微纳光学器件，可以通过更换不同厚度的盖玻片或者更换不同高度的接触探针7来实现。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施举例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。