三光束激光干涉光刻法制備生物復(fù)眼表面微結(jié)構(gòu)

關(guān)會英,司玉蘭,曹　亮，梁志海

(1．吉林化工學(xué)院 機電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2．長春理工大學(xué) 國家納米測量與制造技術(shù)中心，吉林 長春 130022；3.東北工業(yè)集團吉林江機公司 辦公室，吉林 吉林 132021)

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三光束激光干涉光刻法制備生物復(fù)眼表面微結(jié)構(gòu)

關(guān)會英1,司玉蘭1,曹亮2*，梁志海3

(1．吉林化工學(xué)院 機電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2．長春理工大學(xué) 國家納米測量與制造技術(shù)中心，吉林 長春 130022；3.東北工業(yè)集團吉林江機公司 辦公室，吉林 吉林 132021)

摘要：許多生物復(fù)眼表面具有大視場、高時間分辨率、高反射率以及超疏水、防霧等優(yōu)異性能，工程應(yīng)用潛力巨大.仿生學(xué)研究表明，復(fù)眼表面微觀結(jié)構(gòu)對其特定功能的實現(xiàn)具有關(guān)鍵作用.本文利用三光束激光干涉光刻技術(shù)在單晶硅基底表面制備了仿腹色蜉復(fù)眼表面微結(jié)構(gòu)，并討論了激光能量及曝光時間對加工表面形貌的影響，從而獲得了20 μm特征尺寸下最優(yōu)激光加工工藝參數(shù)為激光能量為40 mJ，曝光時間為15 s為最優(yōu)試驗條件.

關(guān)鍵詞：表面仿生；復(fù)眼結(jié)構(gòu)；激光干涉光刻技術(shù)；微納米加工

自然一直是工程創(chuàng)新的重要源泉，生物復(fù)眼如蒼蠅、蜻蜓等由于具有大視場、高時間分辨率及高反射率等優(yōu)異的光學(xué)性能而備受關(guān)注[1-3]，最近又有發(fā)現(xiàn)某些昆蟲復(fù)眼表面，如蚊子、家蠅等還具有超疏水、防霧等性能[4-5].仿生學(xué)研究表明，復(fù)眼表面微觀結(jié)構(gòu)對其特定功能的實現(xiàn)具有關(guān)鍵作用.因此，許多物理的、化學(xué)的方法被提出，用于制備生物復(fù)眼表面微觀結(jié)構(gòu)，如低溫原子層沉積技術(shù)[6]，the conformal-evaporated-film-by-rotation (CEFR) technique[7]，熱壓印技術(shù)[8]，可控納米粒子刻蝕技術(shù)[9-11]，紫外納米壓印光刻技術(shù)[12]等.但這些方法存在造價較高，試驗條件比較苛刻，不利于大面積制備等問題.

復(fù)眼表面是典型的微米、納米或二者復(fù)合的凸起型周期陣列結(jié)構(gòu)，其一顯著特點在于小眼之間幾乎緊密排列，目前傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，很難實現(xiàn)如此小的線距，而激光干涉光刻則可以突破這一瓶頸[13-14].激光干涉光刻技術(shù)是一種新興的制備3D周期或半周期結(jié)構(gòu)微納米結(jié)構(gòu)的方法之一，具有工序簡單、成本低廉、加工效率高等諸多優(yōu)點.其應(yīng)用已拓展到仿生學(xué)領(lǐng)域，如制備紅玫瑰花葉[15-16]、水稻葉[17]、荷葉[18]等.但利用此法制備生物復(fù)眼表面微結(jié)構(gòu)則研究相對較少[19-20]，因此，本文利用三光束激光干涉光刻技術(shù)在硅片表面制備了腹色蜉復(fù)眼表面微米級周期陣列結(jié)構(gòu)，并討論了激光能量及曝光時間對加工表面形貌的影響，從而獲得了該尺寸下最優(yōu)激光加工工藝參數(shù)，該研究為后續(xù)性能研究提供物質(zhì)基礎(chǔ)，并為其它特征尺寸陣列結(jié)構(gòu)的制備提供參考.

1實驗部分

1.1　試劑與儀器

所用基材是電阻為10 Ω的單晶硅，激光光源是高壓脈沖激光，波長為1 064 nm，激光頻率大約為1 000 mJ/cm2，曝光頻率為10 Hz.激光束直徑大約為9 mm，脈沖持續(xù)時間為9 ns.干涉光束的能量利用激光功率和能量計來測量.

1.2　實驗過程

1.2.1干涉光刻原理及數(shù)值模擬

激光干涉光刻技術(shù)可以利用兩光束、三光束或多光束在空間相遇并發(fā)生干涉現(xiàn)象，在二維平面及三維空間上得到一定光強分布的周期或準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu).

(1)

為

(2)

對于簡諧波傳播到的各點，場振動的時間位相因子e-iωt都相同，因此，當(dāng)我們只關(guān)心場振動的空間分布時，(如光的干涉，衍射等一些問題中)，時間位相因子就無關(guān)重要，通?？梢月匀ゲ粚?，而只用復(fù)振幅來表示一個間歇波.平面波的復(fù)振幅為

(3)

光強等于復(fù)振幅的模的平方，也直接等于復(fù)振幅與其共軛復(fù)數(shù)的乘積：

(4)

干涉光強是相干光波的復(fù)振幅線性疊加后的光強.

(5)

由于在相干光波的交疊區(qū)域中不同位置處相干光波之間的相位差不同，干涉光強也不同，因此干涉的結(jié)果是引起光場中強度的重新分布.

光束的選擇與結(jié)果圖案形貌有關(guān)，條紋結(jié)構(gòu)可選擇雙光束，三角形點陣或孔陣結(jié)構(gòu)可選擇三光束，四邊形排布點陣或者孔陣可選擇四光束，光束越多，入射角和偏振角均對圖案形貌的影響越大.對于復(fù)眼表面來講，其排列與正三角點陣一致，因此，這里選擇三光束干涉.

在這個試驗中，由周期為小眼直徑20 μm，我們首先用Matlab模擬三光束干涉光刻的光強分布，如圖1所示.

x(um)圖1　人工復(fù)眼表面制備過程干涉光強分布模擬結(jié)果

從圖1中可以看出，顏色從紅色到藍(lán)色，干涉光強依次減弱，獲得周期T=20 μm的正三角形緊密排列的凸起陣列結(jié)構(gòu)，與復(fù)眼結(jié)構(gòu)類似.

1.2.2光路計算及激光干涉系統(tǒng)搭建

干涉周期大小取決于激光入射角及波長，這里周期為小眼直徑20 μm，所選激光波長λ=1 064 nm，光強呈高斯分布，

(6)

求得入射角θ=1.76°，光路搭建過程中按2°計算.

圖2　三光束激光干涉光刻法制備人工復(fù)眼表面干涉系統(tǒng)光路圖

本文中的激光干涉系統(tǒng)主要由激光器、分光系統(tǒng)、折光系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)由三個反射鏡M1、M2、M3作為折光系統(tǒng)和兩個分光鏡BS1、BS2作為分光系統(tǒng)組成.具體干涉過程是利用分光和折光系統(tǒng)，將激光器(波長1 064 nm)發(fā)出的一束激光分成三束，將入射角調(diào)整為2°，使得三束相干光相交于一點并發(fā)生相干，在每束相干光的光路中添加了半波片(H)和偏振片(P)組成的鏡組，以便于調(diào)節(jié)相干光的強度和偏振方向從而提高干涉圖形的對比度，干涉結(jié)果寫入硅片表面上，整個試驗過程在無塵間、減振平臺上進行.

1.2.3腹色蜉復(fù)眼及人工復(fù)眼表面的表征

復(fù)眼及人工復(fù)眼表面結(jié)構(gòu)利用掃描電鏡(JEPL,JSM-6700LF)觀察.SEM觀察前，除常規(guī)的固定、脫水，干燥、粘臺和噴金外，應(yīng)注意昆蟲復(fù)眼鍍金厚度應(yīng)在15～20 nm.

2結(jié)果與討論

2.1　單光束激光能量討論

從圖3(a)可以看出，當(dāng)激光能量為38 mJ，曝光不充分，周期不顯著.而當(dāng)能量增加至40 mJ時(如圖3(b))，孔洞較深，同時激光熔覆堆積現(xiàn)象比較嚴(yán)重，說明能量足夠，但曝光次數(shù)較多.圖3(a)說明，當(dāng)能量加大至45 mJ時，孔洞直徑明顯加大，曝光過度，由于能量過高，激光加工飛屑?xì)饣?，故表面幾乎無熔覆堆積，周期結(jié)構(gòu)由點陣演變?yōu)榭钻嚕Y(jié)果失真，如圖3(c)所示.因此激光能量為40 mJ比較適合.

(a) 激光能量為38 mJ；

(b) 激光能量為40 mJ；

(c) 激光能量為45 mJ圖3　三光束干涉SEM照片

曝光頻率為10 Hz，曝光時間為25 s

2.2　曝光時間討論

從圖4(a)明顯可以看出，盡管能量足夠，但曝光次數(shù)過少也同樣會導(dǎo)致曝光不充分，而(d)顯然是另外一個極限狀態(tài)，即曝光次數(shù)過多，可以清晰看出硅片表面破損嚴(yán)重，疲勞現(xiàn)象加劇，周期不顯著.同比(b)和(c)結(jié)果較好，但進一步觀察(c)表面激光飛屑熔覆現(xiàn)象堆積現(xiàn)象較(b)嚴(yán)重，故可以得出，激光能量為40 mJ，曝光時間為15 s相比較優(yōu).

(a)曝光時間為10 s；

(b)曝光時間為15 s；

(c)曝光時間為20 s；

(d)曝光時間為30 s.圖4　三光束干涉SEM照片

綜上所述，激光能量為40 mJ，曝光時間為15 s為最優(yōu)試驗條件.

2.3　腹色蜉復(fù)眼及人工復(fù)眼表面SEM觀察

圖5(a)為腹色蜉復(fù)眼表面SEM照片.如圖所示，腹色蜉復(fù)眼外觀呈橢球形，由數(shù)百個小眼組成，小眼大小趨于一致，排列緊密，單個小眼可視表面類似半球形，直徑為20 μm左右，進一步放大結(jié)果顯示，其小眼表面較為平整光滑并無更微小的納米級結(jié)構(gòu)(見插圖).

(a)腹色蜉復(fù)眼表面，插圖為單個復(fù)眼表面放大后形貌；

(b)人工腹色蜉復(fù)眼表面，插圖為單個復(fù)眼表面放大后形貌圖5　腹色蜉復(fù)眼及人工腹色蜉復(fù)眼表面SEM照片

圖5(b)為人工腹色蜉復(fù)眼表面SEM照片，從圖中可以看出利用三光束干涉光刻方法可獲得與腹色蜉復(fù)眼形貌、尺寸接近一致的仿生凸起陣列表面，與模擬結(jié)果基本吻合，單個凸起基部尺寸在20 μm左右，呈六方緊密排列，不足之處加工過程中生成的二氧化硅沉積在結(jié)果表面，導(dǎo)致單個小眼形貌有差異，另外由于硅片表面高溫熔覆，凸起結(jié)構(gòu)表面欠光滑，如插圖所示.

3結(jié)論

本文利用三光束激光干涉光刻技術(shù)在單晶硅基底表面制備了仿腹色蜉復(fù)眼表面微結(jié)構(gòu)，并討論了激光能量及曝光時間對加工表面形貌的影響，從而獲得了特征尺寸為20 μm下最優(yōu)激光加工工藝參數(shù)為激光能量為40 mJ，曝光頻率為10 Hz，曝光時間為15 s.硅片表面由于激光高溫熔覆生成了二氧化硅導(dǎo)致人工表面形貌與真實復(fù)眼表面形貌有一定差異，有待改進.

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Fabrication of Compound Eye Structures on Silicon by Direct

Three-Beam Laser Interference Lithography

GAUN Hui-ying1,SI Yu-lan1,CAO Liang2*，LIANG Zhi-hai3

(College of Mechanical & Electrical Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin City 132022,China；2.CNM and JR3CN,Changchun University of Science and Technology,Changchun City 130022,China;3.Notheast Industries Group,Jilin Jiangji Company,Jilin City 132021,China)

Abstract:Many excellent performance such as a large field of view,high time resolution,high reflectivity,superhydrophobicity and antifogging properties were found on biological compound eye surfaces continuously.Bionics research shows,the microstructure of compound eye surfaces play a key role in realizing specific function.In this paper,the artificial Ephemera pictiventris McLachlan compound eyes was fabricated via laser lithography technology(LIL)based on three-beam interference on a silicon substrate,and the influence of laser energy and exposure time on the surface morphology was discussed.The results show that laser energy is 40 mJ and the exposure time is 15 s are optimal laser processing parameters for the 20 μm feature size.

Key words:surface bionic；compound eyes structure；laser lithography technology(LIL)；micro-and nano processing

文章編號：1007-2853(2015)11-0055-04

作者簡介：戚勝(1981-)，男，吉林省吉林市人，吉林化工學(xué)院講師，碩士，主要從事能源動力方面的研究.

收稿日期：2015-08-05

中圖分類號：TB 17

文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.013