专利名称：一种利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法
技术领域：
本发明属于微纳结构与器件制备和飞秒激光微纳加工领域，特别是一种 利用飞秒激光在硬质材料上制备微纳结构与器件压印模版的方法。
技术背景微纳压印技术是在微纳米尺度获得复制结构的一种而快速、低成本的方 法。该技术可以将印章上的结构按需复制到大的表面上，被广泛用于微纳结构 加工。微纳压印技术采用有微纳米图案的刚性模具将基片上的压印材料压出 微纳米级花纹，再对压印件进行常规的刻蚀、剥离等加工，最终制成纳米结 构和器件。它可以大批量重复性地在大面积上制备纳米图形结构，并且所制 出的高分辨率图案具有相当好的均匀性和重复性。该技术还有制作成本极低、简单易行、效率高等优点。因此，与极端紫外线光刻、x射线光刻、电子束刻印等工艺相比，微纳压印技术具有突出的竞争力和广阔的应用前景。微纳压印技术中微纳压印模版制备是其中的关键环节，由于微纳压印模 版常使用硬质材料，而硬质材料的微纳加工一直是国际上微纳加工技术领域 的难点，尤其是硬质材料的复杂三维微纳加工。目前，已报道的微纳压印模版制备方法主要有平面工艺离子交换法、光敏石英玻璃法、全息法、菲涅耳波带透镜法、溶胶一凝胶法、光刻胶熔融法、PMMAX光照射及熔融法、电子 束刻蚀，以及激光刻蚀法等，然而这些方法均存在明显不足比如加工精度不足、材料选择性差、难以加工出复杂三维微纳结构等等，难以满足性能优异的微纳压印模版制备要求。发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用飞秒激光制备微 纳压印模版的方法。在微纳压印模版的制备过程中，该方法将飞秒激光三维 微纳加工技术目前成熟的压印技术相结合，不仅简化了制备工艺，降低了成 本，提高了压印模版加工精度，而且扩大材料选择范围，突破微纳压印模版 尺寸的限制。更为重要的是，该方法为实现高重复性、低成本微纳结构与器 件批量生产奠定基础，大大促进飞秒激光微纳加工技术与微纳压印技术的产 业化发展。本发明的技术方案是这样解决的将一束飞秒激光经显微物镜聚焦在硬质材料表面，通过飞秒激光对材料 的刻蚀以及三维精密移动平台配合，实现微纳压印模版的制备，具体步骤如 下1) 选取制作微纳压印模版的硬质材料；2) 将用于制作微纳压印模版的硬质材料固定在三维精密移动平台上，选 用脉冲宽度为30 150fs、波长为325 1200nm的超短脉冲激光，经一个显微 物镜聚焦到材料表面；3) 超短脉冲激光单脉冲能量10nJ 5mJ、脉冲重复频率10Hz 100kHz、脉 冲宽度30~150fs、三维精密移动平台移动速率0.1^im/s 0.6mm/s，使激光聚 焦在硬质材料表面，加工微纳压印模版；4) 在加工出微纳压印模版的基本形貌后，采取第二次形貌重复扫描的方法，超短脉冲激光单脉冲能量10nJ 5^J、脉冲重复频率10Hz 100kHz、脉冲 宽度30~150fs，以及三维精密移动平台移动速率0.1|iim/s~100^im/s，以控制 微纳压印模版的形貌的精度与表面粗糙度，制得微纳压印模版。所述的微纳压印模版的硬质材料为石英玻璃、硅、殷钢或不锈钢。所述的显微物镜数值孔径(N.A)为0.15 0.95。由激光加载系统和材料夹持系统以及监控系统依次连接而成，其中激光 加载系统由飞秒激光器、望远系统、可控光开关、可变衰减器、反射镜、显 微物镜组成。由飞秒激光器输出的飞秒激光，经过可控光开关，由反射镜导 入显微物镜聚焦。所述材料夹持系统由三维精密移动平台、样品台、以及计算机组成。用 来夹持材料的样品台固定在三维精密移动平台上，控制计算机与三维精密移 动平台相连。所述监控系统由CCD摄象机组成。该系统对加工过程实现实时监控。 本发明的优点在于(1) 本发明利用飞秒激光微纳加工技术制备微纳压印模版，具有制备工艺 简单、材料选择性强、加工尺寸范围大、精度较高等特点。(2) 本发明所制备微纳压印模版，可以满足各项性能优异、重复性高的微 纳批量化生产需要，大大降低微纳制造成本。(3) 本发明所述装置操作性强、适用范围广。可以广泛适用于各种基材的 微纳压印模版制备，促进微纳压印的发展和飞秒激光微纳加工产业化 进程。
图1为本发明S00nm飞秒激光在硬质材料上制备微纳压印模版的方法的 示意图。图2为本发明400nm飞秒激光在硬质材料上制备微纳压印模版的的方法 的示意图。图3微透镜模版的加工轨迹的示意图；图4是4X4阵列微透镜阵列压印模版的示意图；下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，由飞秒激光器1输出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波 长为800nm，脉冲频率为lkHz，激光单脉冲能量3.5pJ，激光平均功率为3.5mw 的激光束，可控开关2、反射镜4进入数值孔径(N.A)为0.5的显微物镜5 聚焦到尺寸制备压印模版的硬质材料表面。硬质材料6固定在样品台7上， 其移动通过由计算机9控制的三维精密移动平台8实现。硬质材料6按照制 作模版所需的加工轨迹进行移动并完成模版的加工，整个加工过程通过CCD 摄象机3实现实时监控。参照图2所示，由飞秒激光器l发出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波 长为800nm，脉冲频率为lkHz，激光单脉冲能量5pJ，激光平均功率为5mw 的激光束，通过光开关2、倍频晶体10后转换为脉冲宽度为50fs，波长为 400nm,脉冲频率为lkHz，脉冲能量为300pJ的400nm的飞秒激光，再通过滤 光片11、反射镜4、数值孔径(N.A)为0.5的显微物镜5将400nm飞秒激光 光束聚焦在硬质材料6上，硬质材料6固定在样品台7上，其移动通过由计 算机9控制的三维精密移动平台8实现。硬质材料6按照制作模版所需的加工轨迹进行移动并完成模版的加工，整个加工过程通过CCD摄象机3实现 实时监控。参照图3所示，图为飞秒激光在硬质材料6上实现微透镜模版的加工轨 迹，其移动通过由计算机9控制的三维精密移动平台8实现。先由圆形螺旋 线轨迹又顶部向底部方向加工，直至加工到底部完成圆形螺旋线；其次，再 经过过顶球面切线加工，并每加工完一个过顶球面切线，移动5度后再进行 顶球面切线加工，直至完成360。转动，回到最初的过顶球面切线位置，完成 一个微透镜压印模版的加工。参照图4所示，依次按照图3所示方法，以中心距127pm，单微透镜模 版直径60pm，球冠高25pm的要求，加工出16个微透镜阵列压印模版，并 最后组成一个4X4微透镜阵列压印模版。 实施例1:钛宝石飞秒激光器输出飞秒激光，脉冲宽度30fs，波长为800nm，重复 频率为lkHz,激光平均功率为3.5mw，用数值孔径(N.A)为0.5、放大倍 数50倍的显微物镜聚焦在尺寸为5mmX5mmX lmm石英玻璃材料表面，聚 焦光斑直径约1.5)im，样品由计算机控制的三维精密移动平台实现移动，移 动速率为200^im/s，并按照屈4所示的加工轨迹进行微透镜模版的加工。并 依次重复加工出图5所示的4X4阵列微透镜阵列压印模版制备，微透镜直径 60nm，高度25(xm，微透镜间距中心距127pm。 实施例2:选取脉冲宽度30fs，波长为400nm,重复频率为lkHz，激光平均功率为 5mw，用数值孔径(N.A)为0.5、放大倍数50倍的显微物镜聚焦在尺寸为5mmX5mmXlmm石英石英玻璃材料表面，聚焦光斑直径约1.5nm，样品由 计算机控制的三维精密移动平台实现移动，移动速率为200|um/S，并按照图 4所示的加工轨迹进行微透镜模版的加工。并依次重复加工出图5所示的4 X4阵列微透镜阵列压印模版制备，微透镜直径60pm，高度25[im，微透镜 间距中心距127pm。 实施例3:钛宝石飞秒激光器输出飞秒激光，脉冲宽度30fs，波长为800nm，重复 频率为lkHz，激光平均功率为3.5mw，用数值孔径(N.A)为0.5、放大倍 数50倍的显微物镜聚焦在尺寸为5mmX5mmX lmm硅材料表面，聚焦光斑 直径约1.5pm，样品由计算机控制的三维精密移动平台实现移动，移动速率 为200|Lim/S，并按照图4所示的加工轨迹进行微透镜模版的加工。并依次重 复加工出图5所示的4X4阵列微透镜阵列压印模版制备，微透镜直径60pm， 高度25^im，微透镜间距中心距127pm。 实施例4:钛宝石飞秒激光器输出飞秒激光，脉冲宽度30fs，波长为800nm，重复 频率为lkHz，激光平均功率为3.5mw,用数值孔径(N.A)为0.5、放大倍 数50倍的显微物镜聚焦在尺寸为5mmX5mmXlmm殷钢材料表面，聚焦光 斑直径约1.5pm，样品由计算机控制的三维精密移动平台实现移动，移动速 率为200pm/s，并按照图4所示的加工轨迹进行微透镜模版的加工。并依次 重复加工出图5所示的4X4阵列微透镜阵列压印模版制备，微透镜直径 60pm，高度25pm，微透镜间距中心距127nm。 实施例5钛宝石飞秒激光器输出飞秒激光，脉冲宽度30fs，波长为800nm，重复 频率为lkHz，激光平均功率为3.5mw，用数值孔径(N.A)为0.5、放大倍 数50倍的显微物镜聚焦在尺寸为5mmX5mmX lmm不锈钢材料表面，聚焦 光斑直径约1.5pm，样品由计算机控制的三维精密移动平台实现移动，移动 速率为200)im/s，并按照图4所示的加工轨迹进行微透镜模版的加工。并依 次重复加工出图5所示的4X4阵列微透镜阵列压印模版制备，微透镜直径 60|iim，高度25^m，微透镜间距中心距127nm。
权利要求
1、一种利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法，其特征在于，将一束飞秒激光经显微物镜聚焦在硬质材料表面，通过飞秒激光对材料的刻蚀以及三维精密移动平台配合，实现微纳压印模版的制备，具体步骤如下1)选取制作微纳压印模版的硬质材料；2)将用于制作微纳压印模版的硬质材料固定在三维精密移动平台上，选用脉冲宽度为30～150fs、波长为325～1200nm的超短脉冲激光，经一个显微物镜聚焦到材料表面；3)超短脉冲激光单脉冲能量10nJ～5mJ、脉冲重复频率10Hz～100kHz、脉冲宽度30～150fs、三维精密移动平台移动速率0.1μm/s～0.6mm/s，使激光聚焦在硬质材料表面，加工微纳压印模版；4)在加工出微纳压印模版的基本形貌后，采取第二次形貌重复扫描的方法，超短脉冲激光单脉冲能量10nJ～5μJ、脉冲重复频率10Hz～100kHz、脉冲宽度30～150fs，以及三维精密移动平台移动速率0.1μm/s～100μm/s，以控制微纳压印模版的形貌的精度与表面粗糙度，制得微纳压印模版。
2、 根据权利要求1所述的利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法，其特 征在于，所述的微纳压印模版的硬质材料为石英玻璃、硅、殷钢或不锈钢。
3、 根据权利要求1所述的利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法，其特 征在于，所述的显微物镜数值孔径(N.A)为0.15~0.95。
全文摘要
本发明公开了一种利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法，该方法将适合制作微纳压印模具的硬质材料固定在三维精密平移台上，利用显微物镜将一束飞秒激光聚焦在样品表面，根据微纳结构与器件压印模斑的结构设计，通过飞秒激光刻蚀和三维精密移动平台的配合运动对材料进行微纳加工，实现微纳压印模版的制备。该发明将飞秒激光微纳加工技术同成熟的压印成型技术结合，可以批量制备出复杂及三维的微纳结构与器件，大大提高了微纳结构与器件的制备效率，促进了微纳压印技术与飞秒激光微纳加工技术的发展。
文档编号B23K26/00GK101329508SQ20081015046
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月25日 优先权日2008年7月25日
发明者洵 侯, 刘贺炜, 司金海, 青 杨, 烽 陈 申请人:西安交通大学