三光束激光干涉光刻法制備生物復眼表面微結構

關會英,司玉蘭,曹　亮，梁志海

(1．吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022；2．長春理工大學 國家納米測量與制造技術中心，吉林 長春 130022；3.東北工業集團吉林江機公司 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眼表面微結構

關會英1,司玉蘭1,曹亮2*，梁志海3

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

摘要：許多生物復眼表面具有大視場、高時間分辨率、高反射率以及超疏水、防霧等優異性能，工程應用潛力巨大.仿生學研究表明，復眼表面微觀結構對其特定功能的實現具有關鍵作用.本文利用三光束激光干涉光刻技術在單晶硅基底表面制備了仿腹色蜉復眼表面微結構，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特征尺寸下最優激光加工工藝參數為激光能量為40 mJ，曝光時間為15 s為最優試驗條件.

關鍵詞：表面仿生；復眼結構；激光干涉光刻技術；微納米加工

自然一直是工程創新的重要源泉，生物復眼如蒼蠅、蜻蜓等由于具有大視場、高時間分辨率及高反射率等優異的光學性能而備受關注[1-3]，最近又有發現某些昆蟲復眼表面，如蚊子、家蠅等還具有超疏水、防霧等性能[4-5].仿生學研究表明，復眼表面微觀結構對其特定功能的實現具有關鍵作用.因此，許多物理的、化學的方法被提出，用于制備生物復眼表面微觀結構，如低溫原子層沉積技術[6]，the conformal-evaporated-film-by-rotation (CEFR) technique[7]，熱壓印技術[8]，可控納米粒子刻蝕技術[9-11]，紫外納米壓印光刻技術[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.

復眼表面是典型的微米、納米或二者復合的凸起型周期陣列結構，其一顯著特點在于小眼之間幾乎緊密排列，目前傳統的光刻技術，很難實現如此小的線距，而激光干涉光刻則可以突破這一瓶頸[13-14].激光干涉光刻技術是一種新興的制備3D周期或半周期結構微納米結構的方法之一，具有工序簡單、成本低廉、加工效率高等諸多優點.其應用已拓展到仿生學領域，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眼表面微結構則研究相對較少[19-20]，因此，本文利用三光束激光干涉光刻技術在硅片表面制備了腹色蜉復眼表面微米級周期陣列結構，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激光加工工藝參數，該研究為后續性能研究提供物質基礎，并為其它特征尺寸陣列結構的制備提供參考.

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干涉光刻原理及數值模擬

激光干涉光刻技術可以利用兩光束、三光束或多光束在空間相遇并發生干涉現象，在二維平面及三維空間上得到一定光強分布的周期或準周期性結構.

(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，當我們只關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重要，通常可以略去不寫，而只用復振幅來表示一個間歇波.平面波的復振幅為

(3)

光強等于復振幅的模的平方，也直接等于復振幅與其共軛復數的乘積：

(4)

干涉光強是相干光波的復振幅線性疊加后的光強.

(5)

由于在相干光波的交疊區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，因此干涉的結果是引起光場中強度的重新分布.

光束的選擇與結果圖案形貌有關，條紋結構可選擇雙光束，三角形點陣或孔陣結構可選擇三光束，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　人工復眼表面制備過程干涉光強分布模擬結果

從圖1中可以看出，顏色從紅色到藍色，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構，與復眼結構類似.

1.2.2光路計算及激光干涉系統搭建

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眼表面干涉系統光路圖

本文中的激光干涉系統主要由激光器、分光系統、折光系統等組成，系統由三個反射鏡M1、M2、M3作為折光系統和兩個分光鏡BS1、BS2作為分光系統組成.具體干涉過程是利用分光和折光系統，將激光器(波長1 064 nm)發出的一束激光分成三束，將入射角調整為2°，使得三束相干光相交于一點并發生相干，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，以便于調節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腹色蜉復眼及人工復眼表面的表征

復眼及人工復眼表面結構利用掃描電鏡(JEPL,JSM-6700LF)觀察.SEM觀察前，除常規的固定、脫水，干燥、粘臺和噴金外，應注意昆蟲復眼鍍金厚度應在15～20 nm.

2結果與討論

2.1　單光束激光能量討論

從圖3(a)可以看出，當激光能量為38 mJ，曝光不充分，周期不顯著.而當能量增加至40 mJ時(如圖3(b))，孔洞較深，同時激光熔覆堆積現象比較嚴重，說明能量足夠，但曝光次數較多.圖3(a)說明，當能量加大至45 mJ時，孔洞直徑明顯加大，曝光過度，由于能量過高，激光加工飛屑氣化，故表面幾乎無熔覆堆積，周期結構由點陣演變為孔陣，結果失真，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，但曝光次數過少也同樣會導致曝光不充分，而(d)顯然是另外一個極限狀態，即曝光次數過多，可以清晰看出硅片表面破損嚴重，疲勞現象加劇，周期不顯著.同比(b)和(c)結果較好，但進一步觀察(c)表面激光飛屑熔覆現象堆積現象較(b)嚴重，故可以得出，激光能量為40 mJ，曝光時間為15 s相比較優.

(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為最優試驗條件.

2.3　腹色蜉復眼及人工復眼表面SEM觀察

圖5(a)為腹色蜉復眼表面SEM照片.如圖所示，腹色蜉復眼外觀呈橢球形，由數百個小眼組成，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，進一步放大結果顯示，其小眼表面較為平整光滑并無更微小的納米級結構(見插圖).

(a)腹色蜉復眼表面，插圖為單個復眼表面放大后形貌；

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

圖5(b)為人工腹色蜉復眼表面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眼形貌、尺寸接近一致的仿生凸起陣列表面，與模擬結果基本吻合，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果表面，導致單個小眼形貌有差異，另外由于硅片表面高溫熔覆，凸起結構表面欠光滑，如插圖所示.

3結論

本文利用三光束激光干涉光刻技術在單晶硅基底表面制備了仿腹色蜉復眼表面微結構，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下最優激光加工工藝參數為激光能量為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致人工表面形貌與真實復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

文獻標志碼：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.013