三光束激光干涉光刻法制备生物复眼表面微结构

关会英,司玉兰,曹　亮，梁志海

(1．吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022；2．长春理工大学 国家纳米测量与制造技术中心，吉林 长春 130022；3.东北工业集团吉林江机公司 办公室，吉林 吉林 132021)



三光束激光干涉光刻法制备生物复眼表面微结构

关会英1,司玉兰1,曹亮2*，梁志海3

(1．吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022；2．长春理工大学 国家纳米测量与制造技术中心，吉林 长春 130022；3.东北工业集团吉林江机公司 办公室，吉林 吉林 132021)

摘要：许多生物复眼表面具有大视场、高时间分辨率、高反射率以及超疏水、防雾等优异性能，工程应用潜力巨大.仿生学研究表明，复眼表面微观结构对其特定功能的实现具有关键作用.本文利用三光束激光干涉光刻技术在单晶硅基底表面制备了仿腹色蜉复眼表面微结构，并讨论了激光能量及曝光时间对加工表面形貌的影响，从而获得了20 μm特征尺寸下最优激光加工工艺参数为激光能量为40 mJ，曝光时间为15 s为最优试验条件.

关键词：表面仿生；复眼结构；激光干涉光刻技术；微纳米加工

自然一直是工程创新的重要源泉，生物复眼如苍蝇、蜻蜓等由于具有大视场、高时间分辨率及高反射率等优异的光学性能而备受关注[1-3]，最近又有发现某些昆虫复眼表面，如蚊子、家蝇等还具有超疏水、防雾等性能[4-5].仿生学研究表明，复眼表面微观结构对其特定功能的实现具有关键作用.因此，许多物理的、化学的方法被提出，用于制备生物复眼表面微观结构，如低温原子层沉积技术[6]，the conformal-evaporated-film-by-rotation (CEFR) technique[7]，热压印技术[8]，可控纳米粒子刻蚀技术[9-11]，紫外纳米压印光刻技术[12]等.但这些方法存在造价较高，试验条件比较苛刻，不利于大面积制备等问题.

复眼表面是典型的微米、纳米或二者复合的凸起型周期阵列结构，其一显著特点在于小眼之间几乎紧密排列，目前传统的光刻技术，很难实现如此小的线距，而激光干涉光刻则可以突破这一瓶颈[13-14].激光干涉光刻技术是一种新兴的制备3D周期或半周期结构微纳米结构的方法之一，具有工序简单、成本低廉、加工效率高等诸多优点.其应用已拓展到仿生学领域，如制备红玫瑰花叶[15-16]、水稻叶[17]、荷叶[18]等.但利用此法制备生物复眼表面微结构则研究相对较少[19-20]，因此，本文利用三光束激光干涉光刻技术在硅片表面制备了腹色蜉复眼表面微米级周期阵列结构，并讨论了激光能量及曝光时间对加工表面形貌的影响，从而获得了该尺寸下最优激光加工工艺参数，该研究为后续性能研究提供物质基础，并为其它特征尺寸阵列结构的制备提供参考.

1实验部分

1.1　试剂与仪器

所用基材是电阻为10 Ω的单晶硅，激光光源是高压脉冲激光，波长为1 064 nm，激光频率大约为1 000 mJ/cm2，曝光频率为10 Hz.激光束直径大约为9 mm，脉冲持续时间为9 ns.干涉光束的能量利用激光功率和能量计来测量.

1.2　实验过程

1.2.1干涉光刻原理及数值模拟

激光干涉光刻技术可以利用两光束、三光束或多光束在空间相遇并发生干涉现象，在二维平面及三维空间上得到一定光强分布的周期或准周期性结构.

(1)

为

(2)

对于简谐波传播到的各点，场振动的时间位相因子e-iωt都相同，因此，当我们只关心场振动的空间分布时，(如光的干涉，衍射等一些问题中)，时间位相因子就无关重要，通常可以略去不写，而只用复振幅来表示一个间歇波.平面波的复振幅为

(3)

光强等于复振幅的模的平方，也直接等于复振幅与其共轭复数的乘积：

(4)

干涉光强是相干光波的复振幅线性叠加后的光强.

(5)

由于在相干光波的交叠区域中不同位置处相干光波之间的相位差不同，干涉光强也不同，因此干涉的结果是引起光场中强度的重新分布.

光束的选择与结果图案形貌有关，条纹结构可选择双光束，三角形点阵或孔阵结构可选择三光束，四边形排布点阵或者孔阵可选择四光束，光束越多，入射角和偏振角均对图案形貌的影响越大.对于复眼表面来讲，其排列与正三角点阵一致，因此，这里选择三光束干涉.

在这个试验中，由周期为小眼直径20 μm，我们首先用Matlab模拟三光束干涉光刻的光强分布，如图1所示.

x(um)图1　人工复眼表面制备过程干涉光强分布模拟结果

从图1中可以看出，颜色从红色到蓝色，干涉光强依次减弱，获得周期T=20 μm的正三角形紧密排列的凸起阵列结构，与复眼结构类似.

1.2.2光路计算及激光干涉系统搭建

干涉周期大小取决于激光入射角及波长，这里周期为小眼直径20 μm，所选激光波长λ=1 064 nm，光强呈高斯分布，

(6)

求得入射角θ=1.76°，光路搭建过程中按2°计算.

图2　三光束激光干涉光刻法制备人工复眼表面干涉系统光路图

本文中的激光干涉系统主要由激光器、分光系统、折光系统等组成，系统由三个反射镜M1、M2、M3作为折光系统和两个分光镜BS1、BS2作为分光系统组成.具体干涉过程是利用分光和折光系统，将激光器(波长1 064 nm)发出的一束激光分成三束，将入射角调整为2°，使得三束相干光相交于一点并发生相干，在每束相干光的光路中添加了半波片(H)和偏振片(P)组成的镜组，以便于调节相干光的强度和偏振方向从而提高干涉图形的对比度，干涉结果写入硅片表面上，整个试验过程在无尘间、减振平台上进行.

1.2.3腹色蜉复眼及人工复眼表面的表征

复眼及人工复眼表面结构利用扫描电镜(JEPL,JSM-6700LF)观察.SEM观察前，除常规的固定、脱水，干燥、粘台和喷金外，应注意昆虫复眼镀金厚度应在15～20 nm.

2结果与讨论

2.1　单光束激光能量讨论

从图3(a)可以看出，当激光能量为38 mJ，曝光不充分，周期不显著.而当能量增加至40 mJ时(如图3(b))，孔洞较深，同时激光熔覆堆积现象比较严重，说明能量足够，但曝光次数较多.图3(a)说明，当能量加大至45 mJ时，孔洞直径明显加大，曝光过度，由于能量过高，激光加工飞屑气化，故表面几乎无熔覆堆积，周期结构由点阵演变为孔阵，结果失真，如图3(c)所示.因此激光能量为40 mJ比较适合.

(a) 激光能量为38 mJ；

(b) 激光能量为40 mJ；

(c) 激光能量为45 mJ图3　三光束干涉SEM照片

曝光频率为10 Hz，曝光时间为25 s

2.2　曝光时间讨论

从图4(a)明显可以看出，尽管能量足够，但曝光次数过少也同样会导致曝光不充分，而(d)显然是另外一个极限状态，即曝光次数过多，可以清晰看出硅片表面破损严重，疲劳现象加剧，周期不显著.同比(b)和(c)结果较好，但进一步观察(c)表面激光飞屑熔覆现象堆积现象较(b)严重，故可以得出，激光能量为40 mJ，曝光时间为15 s相比较优.

(a)曝光时间为10 s；

(b)曝光时间为15 s；

(c)曝光时间为20 s；

(d)曝光时间为30 s.图4　三光束干涉SEM照片

综上所述，激光能量为40 mJ，曝光时间为15 s为最优试验条件.

2.3　腹色蜉复眼及人工复眼表面SEM观察

图5(a)为腹色蜉复眼表面SEM照片.如图所示，腹色蜉复眼外观呈椭球形，由数百个小眼组成，小眼大小趋于一致，排列紧密，单个小眼可视表面类似半球形，直径为20 μm左右，进一步放大结果显示，其小眼表面较为平整光滑并无更微小的纳米级结构(见插图).

(a)腹色蜉复眼表面，插图为单个复眼表面放大后形貌；

(b)人工腹色蜉复眼表面，插图为单个复眼表面放大后形貌图5　腹色蜉复眼及人工腹色蜉复眼表面SEM照片

图5(b)为人工腹色蜉复眼表面SEM照片，从图中可以看出利用三光束干涉光刻方法可获得与腹色蜉复眼形貌、尺寸接近一致的仿生凸起阵列表面，与模拟结果基本吻合，单个凸起基部尺寸在20 μm左右，呈六方紧密排列，不足之处加工过程中生成的二氧化硅沉积在结果表面，导致单个小眼形貌有差异，另外由于硅片表面高温熔覆，凸起结构表面欠光滑，如插图所示.

3结论

本文利用三光束激光干涉光刻技术在单晶硅基底表面制备了仿腹色蜉复眼表面微结构，并讨论了激光能量及曝光时间对加工表面形貌的影响，从而获得了特征尺寸为20 μm下最优激光加工工艺参数为激光能量为40 mJ，曝光频率为10 Hz，曝光时间为15 s.硅片表面由于激光高温熔覆生成了二氧化硅导致人工表面形貌与真实复眼表面形貌有一定差异，有待改进.

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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

文章编号：1007-2853(2015)11-0055-04

作者简介：戚胜(1981-)，男，吉林省吉林市人，吉林化工学院讲师，硕士，主要从事能源动力方面的研究.

收稿日期：2015-08-05

中图分类号：TB 17

文献标志码：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.013