專利名稱：飛秒激光在金屬薄膜上制備周期性微結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與金屬薄膜的周期性微結(jié)構(gòu)有關(guān)，特別是一種利用飛秒激光相干場(chǎng)在金屬薄膜上誘導(dǎo)周期性微結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
金屬薄膜的周期性微結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域和高密度信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，常規(guī)的金屬薄膜微結(jié)構(gòu)的制備方法包括電子束光刻以及納秒脈沖激光直寫(xiě)等方法，然而均存在比較明顯的不足之處，例如，光刻技術(shù)由于工藝流程多而且使用光刻膠，所以既耗時(shí)又非常昂貴，尤其對(duì)于亞微米尺寸的微結(jié)構(gòu)更是如此；而納秒激光直寫(xiě)技術(shù)由于有熔化過(guò)程出現(xiàn)，因此其加工精度、加工質(zhì)量都受到顯著影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服在先技術(shù)的不足，提供一種飛秒激光在金屬薄膜上制備周期性微結(jié)構(gòu)的方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種飛秒激光在金屬薄膜上制備周期性微結(jié)構(gòu)的方法的基本實(shí)質(zhì)是將一束光飛秒激光分成兩束，經(jīng)透鏡聚焦實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的相干迭加，并使之作用于沉積在石英、普通玻璃或硅基體上的金屬薄膜，產(chǎn)生周期性微結(jié)構(gòu)。具體步驟是1、用脈沖寬度為50～120fs、波長(zhǎng)為325～1200nm的超短脈沖激光，經(jīng)分束器分成兩束，然后由兩個(gè)凸透鏡聚焦，在焦點(diǎn)處嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)空間與時(shí)間上的相干，如

圖1所示；2、用沉積在石英、普通玻璃或硅基體上的金屬薄膜；3、制單脈沖能量、脈沖頻率和脈沖寬度，使激光作用于金屬薄膜而不損傷基體，從而在兩光束相干的微區(qū)內(nèi)誘導(dǎo)出周期性微結(jié)構(gòu)。
上述具體做法的第一點(diǎn)，選用飛秒脈沖激光的原因是當(dāng)激光的脈沖寬度為飛秒量級(jí)時(shí)，聚焦條件下的飛秒脈沖激光具有極高的功率密度，瞬間即能達(dá)到金屬材料的破壞閾值。飛秒脈沖激光相干能夠形成周期性的相干場(chǎng)，從而能引發(fā)材料周期性的結(jié)構(gòu)變化。
上述具體做法的第二點(diǎn)，石英和硅是微電子及微光學(xué)器件上常用的基體材料。
上述具體做法的第三點(diǎn)，激光脈沖與金屬薄膜的作用時(shí)間小于電子冷卻時(shí)間和晶格加熱時(shí)間，因而不會(huì)產(chǎn)生熔化過(guò)程且沒(méi)有熱影響區(qū)，所以，當(dāng)脈沖寬度為飛秒的兩束激光經(jīng)凸透鏡聚焦并在焦點(diǎn)相干后能夠在金屬薄膜上形成周期性微結(jié)構(gòu)而不損傷基體。
所說(shuō)的金屬薄膜可為金、鉻、銅、鋁、銀、或其它金屬薄膜。
所說(shuō)的金屬薄膜的厚度可為10～200nm。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本方法利用飛秒激光脈沖，在實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間上的相干后，誘導(dǎo)周期微結(jié)構(gòu)，具有制備工藝簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)；(2)本方法利用飛秒激光的相干場(chǎng)，使相干強(qiáng)度達(dá)到單光束強(qiáng)度的4倍，因此較低的入射光強(qiáng)(材料損傷閾值的1/4)就能誘導(dǎo)出周期性微結(jié)構(gòu)；(3)本方法可在幾微米到幾十微米的微區(qū)上產(chǎn)生周期性結(jié)構(gòu)，微區(qū)尺寸可通過(guò)改變?nèi)肷涔庵睆胶途劢雇哥R的焦距來(lái)控制；微區(qū)內(nèi)最低線寬可達(dá)500nm，所以這種周期性微結(jié)構(gòu)可以滿足微電子、高密度信息存儲(chǔ)以及微光學(xué)等領(lǐng)域的需要。
圖2為實(shí)施例1脈沖寬度為120fs的相干脈沖激光誘導(dǎo)石英基體上的金薄膜制備的周期性微結(jié)構(gòu)。圖片是用光學(xué)顯微鏡(100×/0.9物鏡)觀察到的結(jié)果。
實(shí)施例1選用鈦寶石飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光，脈沖寬度為120fs，波長(zhǎng)為800nm，脈沖頻率為1Hz，脈沖能量為50μJ的激光束，通過(guò)分束器將光束以1∶1的比例分成兩束，光束直徑為5mm，兩束光的相干借助于倍頻晶體產(chǎn)生的二次諧波來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩束光的夾角為40°，用焦距為100mm的兩個(gè)聚焦透鏡將兩光束聚焦在金膜上，樣品由計(jì)算機(jī)操縱的三維移動(dòng)平臺(tái)控制，焦點(diǎn)處光斑直徑約為40μm。這樣在激光相干誘導(dǎo)區(qū)形成了周期微結(jié)構(gòu)。用光學(xué)顯微鏡(100×/0.9物鏡)聚焦到玻璃樣品中的激光誘導(dǎo)區(qū)，觀察到周期微結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)構(gòu)周期為1.3μm，金膜線度約為600nm。
實(shí)施例2選用脈沖寬度為120fs，波長(zhǎng)為400nm，脈沖頻率為10Hz，脈沖能量為50μJ的激光，通過(guò)分束器將光束以1∶1的比例分成兩束，光束直徑為5mm，兩束光的相干借助于倍頻晶體產(chǎn)生的二次諧波來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩束光的夾角為30°，用焦距為100mm的兩個(gè)聚焦透鏡將兩光束聚焦在鋁膜上，樣品由計(jì)算機(jī)操縱的三維移動(dòng)平臺(tái)控制，焦點(diǎn)處光斑直徑約為40μm。這樣在激光相干誘導(dǎo)區(qū)形成了周期微結(jié)構(gòu)。用光學(xué)顯微鏡(100×/0.9物鏡)聚焦到玻璃樣品中的激光誘導(dǎo)區(qū)，觀察到結(jié)構(gòu)周期為1.5μm，鋁膜線度約為700nm。
實(shí)施例3選用脈沖寬度為120fs，波長(zhǎng)為400nm，脈沖頻率為10Hz，脈沖能量為50μJ的激光，通過(guò)分束片將光束以1∶1的比例分成兩束，光束直徑為5mm，兩束光的相干借助于倍頻晶體產(chǎn)生的二次諧波來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩束光的夾角為45°，用焦距為100mm的兩個(gè)聚焦透鏡將兩光束聚焦在鉻膜上，樣品由計(jì)算機(jī)操縱的三維移動(dòng)平臺(tái)控制，焦點(diǎn)處光斑直徑約為40μm。這樣在激光相干誘導(dǎo)區(qū)形成了周期微結(jié)構(gòu)。用光學(xué)顯微鏡(100×/0.9物鏡)聚焦到玻璃樣品中的激光誘導(dǎo)區(qū)，觀察到結(jié)構(gòu)周期為1.1μm，鉻膜線度約為500nm。
權(quán)利要求
1.一種飛秒激光在金屬薄膜上制備周期性微結(jié)構(gòu)的方法，其特征是將一束光飛秒激光分成兩束，經(jīng)透鏡聚焦實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的相干迭加，聚焦幅照沉積在基體上的金屬薄膜上，產(chǎn)生周期性微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光在金屬薄膜上制備周期性微結(jié)構(gòu)的方法，其具體步驟如下(1)選用脈沖寬度為50～120fs、波長(zhǎng)為325～1200nm的超短脈沖激光，經(jīng)分束器分成兩束，然后由兩個(gè)凸透鏡聚焦，在焦點(diǎn)處嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)空間與時(shí)間上的相干；(2)選用沉積在石英、普通玻璃或硅基體上的金屬薄膜；(3)控制單脈沖能量、脈沖頻率和脈沖寬度，使激光作用于金屬薄膜時(shí)不損傷基體，從而在兩光束相干的微區(qū)內(nèi)誘導(dǎo)出周期性微結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光在金屬薄膜上制備周期性微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所說(shuō)的基體可為石英玻璃、或普通玻璃、或硅材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光在金屬薄膜上制備周期性微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所說(shuō)的金屬薄膜可為金、鉻、銅、鋁、銀、或其它金屬薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的飛秒激光在金屬薄膜上制備周期性微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所說(shuō)的金屬薄膜的厚度為10～200nm.
全文摘要
一種飛秒激光在金屬薄膜上制備周期性微結(jié)構(gòu)的方法，將由鈦寶石飛秒激光器產(chǎn)生的一束光分成兩束，經(jīng)透鏡聚焦實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的相干迭加，作用于沉積在石英、普通玻璃或硅基體上的金屬(金、鉻、銅、鋁和銀等)薄膜上，控制激光的脈寬、脈沖頻率和單脈沖能量，使之可燒蝕金屬薄膜而不破壞基體；固定干涉的激光束，利用計(jì)算機(jī)操縱的三維平臺(tái)控制樣品的移動(dòng)，從而制備出金屬薄膜的周期性微結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1448755SQ0311683
公開(kāi)日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月9日
發(fā)明者趙全忠, 曲士良, 趙崇軍, 姜雄偉, 邱建榮, 朱從善 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所