[發(fā)明專利]基于多尺度多光子光刻技術(shù)的微納米三維結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)和方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110368181.3
• 申請(qǐng)日: 2021-04-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113050390A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏鶴鳴;韓龍;徐瑞陽(yáng);吳彰理;龐拂飛;王廷云
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號(hào): G03F7/20
• 分類號(hào): G03F7/20
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多尺度多光子光刻技術(shù)的微納米三維結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)和方法，屬于光學(xué)微納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)包括支撐結(jié)構(gòu)、基板、光敏聚合物容器池、物鏡、第一光學(xué)結(jié)構(gòu)、第二光學(xué)結(jié)構(gòu)、光學(xué)成像裝置和控制器；所述的控制器用于控制第一光學(xué)結(jié)構(gòu)、第二光學(xué)結(jié)構(gòu)的啟閉及工作參數(shù)，光學(xué)成像裝置用于獲取物鏡的成像信息；所述的第一光學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)射第一波長(zhǎng)的光，通過(guò)物鏡聚焦在光敏聚合物中，引發(fā)單光子聚合；所述的第二光學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)射第二波長(zhǎng)的光，通過(guò)物鏡聚焦在光敏聚合物中，引發(fā)多光子聚合。對(duì)待打印的微納米三維結(jié)構(gòu)的打印數(shù)據(jù)進(jìn)行高、低分辨率分割，逐層打印，在保證打印精度的基礎(chǔ)上提高了打印速度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)微納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多尺度多光子光刻技術(shù)的微納米三維結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

隨著微納光學(xué)的發(fā)展，微納光子器件逐步趨向小型化、結(jié)構(gòu)多樣化以及高度集成化。如何進(jìn)一步提高微納結(jié)構(gòu)的制備一直是一個(gè)難題。

目前呈現(xiàn)出眾多的微納光子器件制備技術(shù)，例如基于飛秒激光的雙光子聚合技術(shù)、基于微鏡陣列結(jié)構(gòu)的單光子聚合技術(shù)、電子束光刻技術(shù)以及其他先進(jìn)的制備技術(shù)。其中，電子束光刻技術(shù)具有極高的精度但加工耗時(shí)且成本高；基于微鏡陣列結(jié)構(gòu)的單光子聚合技術(shù)，通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)層層制備，該方法加工速度快且具有微米級(jí)的精度；基于飛秒激光的雙光子聚合技術(shù)作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的激光加工技術(shù)之一，可以突破光學(xué)衍射極限實(shí)現(xiàn)亞微米尺度任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維加工，具有其他同類技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)優(yōu)化控制以及光敏聚合物參數(shù)的改進(jìn)，目前飛秒激光多光子聚合用于微納加工已成功實(shí)現(xiàn)了納米尺度的分辨率。然而，其加工尺寸受到一定的限制。若制備毫米級(jí)或厘米級(jí)且具有微納精度的器件時(shí)，該技術(shù)加工相當(dāng)耗時(shí)，少則數(shù)小時(shí)多則數(shù)天才能完成，這嚴(yán)重制約了系統(tǒng)加工高性能光學(xué)器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的加工技術(shù)高精度但加工尺寸受限，以及大加工尺寸但精度相對(duì)低下的難題，本發(fā)明提出了一種基于多尺度多光子光刻技術(shù)的微納米三維結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)和方法。本發(fā)明利用了多尺度多光子光刻技術(shù)，采用兩個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)，第一光學(xué)結(jié)構(gòu)用來(lái)提供第一個(gè)波長(zhǎng)的光，以在光敏聚合物中引發(fā)單光子聚合過(guò)程；第二個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)用來(lái)提供第二個(gè)波長(zhǎng)的光，以在光敏聚合物中引發(fā)雙光子聚合過(guò)程。對(duì)待打印的微納米三維結(jié)構(gòu)的打印數(shù)據(jù)進(jìn)行高、低分辨率分割，逐層打印，在保證打印精度的基礎(chǔ)上提高了打印速度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的其中一個(gè)目的在于提供一種基于多尺度多光子光刻技術(shù)的微納米三維結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)，包括支撐結(jié)構(gòu)、基板、光敏聚合物容器池、物鏡、第一光學(xué)結(jié)構(gòu)、第二光學(xué)結(jié)構(gòu)、光學(xué)成像裝置和控制器；所述的控制器用于控制第一光學(xué)結(jié)構(gòu)、第二光學(xué)結(jié)構(gòu)的啟閉及工作參數(shù)，光學(xué)成像裝置用于獲取物鏡的成像信息；

所述的光敏聚合物容器池固定在支撐結(jié)構(gòu)上，基板通過(guò)多軸工作臺(tái)懸掛在光敏聚合物容器池的正上方，物鏡安裝在光敏聚合物容器池的正下方，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直方向上的移動(dòng)；所述的第一光學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)射第一波長(zhǎng)的光，通過(guò)物鏡聚焦在光敏聚合物中，引發(fā)單光子聚合；所述的第二光學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)射第二波長(zhǎng)的光，通過(guò)物鏡聚焦在光敏聚合物中，引發(fā)多光子聚合。

本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種基于上述系統(tǒng)的微納米三維結(jié)構(gòu)制備方法，包括以下步驟：

1)啟動(dòng)系統(tǒng)，在光敏聚合物容器池中灌裝光敏聚合物，通過(guò)多軸工作臺(tái)使得基板沉浸到光敏聚合物容器池中，基板的下底面與光敏聚合物容器池的下底面之間留出待打印空隙；通過(guò)光學(xué)成像裝置實(shí)時(shí)獲取物鏡的成像信息；

2)獲取待打印的微納米三維結(jié)構(gòu)的模型數(shù)據(jù)，將模型數(shù)據(jù)中的低分辨率結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)放入第一個(gè)數(shù)據(jù)組，將模型數(shù)據(jù)中的高分辨率結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)放入第二個(gè)數(shù)據(jù)組；

3)將兩個(gè)數(shù)據(jù)組的三維數(shù)據(jù)按照由底層到頂層的方向進(jìn)行切片，將第一個(gè)數(shù)據(jù)組中的低分辨率結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像圖案及對(duì)應(yīng)的層值，作為單光子光刻數(shù)據(jù)；所述的圖像圖案對(duì)應(yīng)于用于形成低分辨率結(jié)構(gòu)的光圖案；