專利名稱：一種仿真飛蛾復(fù)眼光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用多光束激光干涉技術(shù)仿真飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案的方法和系統(tǒng)，屬于對仿真光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
蛾眼結(jié)構(gòu)是一種光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)。1967年，Bernhard發(fā)現(xiàn)一種夜行性飛蛾，其眼角膜幾乎不產(chǎn)生對紅外光的反射，其原理已廣泛研究至今[1]。飛蛾復(fù)眼由很多單眼組成， 這種構(gòu)造讓它們具有非常好的減反射效率。研究人員受蛾眼結(jié)構(gòu)的減反射特性啟發(fā)，在太陽能電池表面制作出類似蛾眼結(jié)構(gòu)并且周期性分布的陣列結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到太陽能電池更高的轉(zhuǎn)換效率[2，3]。目前太陽能電池減反射結(jié)構(gòu)的制作常被采用方法有(1)堿腐蝕、酸腐蝕、電化學(xué)腐蝕方法。雖然工藝簡單，但是腐蝕后表面結(jié)構(gòu)的結(jié)果帶有一定的隨機(jī)性，腐蝕后與反射率有直接關(guān)系的單元尺寸都在一個較大的變化范圍之內(nèi)，要想獲得最低的反射率，必須精確控制反應(yīng)進(jìn)程，而且反應(yīng)過程中使用的腐蝕液會對人和環(huán)境造成很大污染[3-5]。(2)等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法。用該方法沉積SiNx薄膜用于晶硅基片的減反射膜的制作，但是PECVD沉積非常昂貴。此外，商用化的SiNx薄膜通常是專門針對波長大約600nm 減反射的，在包含部分入射太陽能的其它波長范圍，反射損失快速增加。另外，對于多層膜而言，由于鍍膜材料的限制，其與基體材料不同的化學(xué)和物理特性，將導(dǎo)致附著效果、熱匹配和膜層穩(wěn)定性受到影響。激光干涉納米制造是當(dāng)前具備快速、低成本和大面積納米結(jié)構(gòu)制造優(yōu)勢和潛力的技術(shù)之一。激光干涉納米光刻是利用兩束或兩束以上的光束相干疊加時，會產(chǎn)生強度周期性調(diào)制的光強能量分布，當(dāng)這種周期調(diào)制的光強能量分布與材料相互作用時， 可在材料表面制造出納米結(jié)構(gòu)，襯底可以是平面或曲面。該技術(shù)較離子束光刻IBL(ion beam lithography)、電子束光亥Ij EBL(electron beam lithography)和掃描探頭光刻 SPL(scanning probe lithography)技術(shù)而言更適合于批量生產(chǎn)。較納米壓印 NIL(nano imprint lithography)存在圖案形狀是隨機(jī)可調(diào)和可在曲面上完成等優(yōu)勢。因此，本發(fā)明提出利用激光干涉技術(shù)制備仿真飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案的方法和系統(tǒng)，屬于對現(xiàn)有光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案實現(xiàn)方法及系統(tǒng)的改進(jìn)[8]。參考文獻(xiàn)1. J. Rao,R. Winfield and L. Keeney, “ Moth-eye-structured light-emitting diodes"，Optics Communications, Vol. 283, pp.2446-2450,2010.2.C. Ting, C. Chen and C. P. Chou, "Subwavelength structures for broadband antiref lection application，，，Optics Communications, Vol. 282, pp. 434-438, 2009.3. Y. Li,J. Zhang and B. Yang,"Antireflective surfaces based on biomimetic nanopillared arrays，，，Nano Today, Vol. 5, pp. 117-127, 2010.4. S. Chattopadhyay, Y. F. Huang, Y. J. Jen, A. Ganguly, K. H. Chen and L. C. Chen,"Anti-reflecting and photonic nanostructures，，，Materials Science and Engineering R, Vol. 69,pp 1-35,2010.5.B. Liu and W. Yeh, "Antireflective surface fabricated from colloidal silica nanoparticles", Colloids and Surfaces A :Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 356, pp 145-149,2010.6. D. M. Roller, N. Galler, H. Ditlbacher, A. Hohenau, A. Leitner,F. R. Aussenegg, J. R. Kren," Direct fabrication of micro/nano f1 uidic channels by electron beam lithography" , Microelectronic Engineering, Vol. 86,pp.1314-1316,2009.7. K. Yamada, M. Umetani , T. Tamura, Y. Tanaka, H. Kasa and J. Nishii, "Antireflective structure imprinted on the surface of optical glass by SiC mold”，Applied Surface Science, Vol.255, pp 4267-4270，20098. T. Chang, K. Cheng, T. Chou, C. Su, H. Yang and S. Luo, "Hybrid-polymer nanostructures forming an anti-reflection film using two-beam interferenceand ultraviolet nanoimprint lithography，，，Microelectronic Engineering, Vol. 86, pp.874-877,2009.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了更好的實現(xiàn)高仿真度的飛蛾復(fù)眼減反射結(jié)構(gòu)圖案，提出一種利用多光束激光干涉技術(shù)仿真飛蛾復(fù)眼減反射周期性結(jié)構(gòu)圖案的方法和系統(tǒng)，采用六光束干涉的方法仿真飛蛾復(fù)眼結(jié)構(gòu)圖案。本系統(tǒng)包括激光器，擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，分束與折光系統(tǒng)，偏振片， 半波片，CCD等。由激光器發(fā)出的激光束，由分束與折光系統(tǒng)將激光束分成六束相干光，通過系統(tǒng)中每路光中放置的半波片和偏振片的鏡組，將六束相干光的各個光路的偏振狀態(tài)和光強度分別進(jìn)行控制，使相干光束獲得干涉，在CCD或成像表面上形成高仿真度的飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案，干涉圖案的形狀和質(zhì)量更精確可控。對于六光束的其中三束光與另外三束光采用正交入射的方法，設(shè)定三光束中的兩束光的入射角相同，另外一束光的入射角不同于這兩束光，使各個光路的激光光束入射角范圍為0°到90°，并且設(shè)定各束相干光的偏振狀態(tài)一致，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)后，得到高仿真度的飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案。通過變換和調(diào)整光路中分束與折光系統(tǒng)中的分光元件和折光鏡之間的相對擺放位置和角度，改變相干光束的入射角，從而調(diào)整飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案的參數(shù)，使系統(tǒng)圖案的特征尺寸可從納米級至微米級可調(diào)，工作波段具有可控性?；诂F(xiàn)有的光路條件下，可視需要增減光束數(shù)及改變每束光的參數(shù)來得到預(yù)期想要得到的圖形。激光干涉光刻是一種以其大面積、高效率、低成本制作微納圖案而廣泛受到關(guān)注。 其能夠制作微米級、納米級及微納混合的周期性圖案，對于微納周期性圖案可通過改變?nèi)肷涔獾娜肷浣恰⒖臻g角等來實現(xiàn)。利用激光干涉光刻的方法制作周期性陣列圖形可直接制作在太陽能電池表面，不受外來材料干擾，耐用、持久，并具有低成本、能制作大面積周期性圖形的優(yōu)點。目前蛾眼結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)多是實現(xiàn)了飛蛾復(fù)眼中單眼的均勻周期性排布。本發(fā)明利用激光干涉的方法產(chǎn)生了飛蛾復(fù)眼的減反射結(jié)構(gòu)圖案，填補了高仿真度飛蛾復(fù)眼減反射結(jié)構(gòu)的研究在國內(nèi)外研究領(lǐng)域的空白。本發(fā)明所產(chǎn)生的圖案為實現(xiàn)激光干涉光刻技術(shù)在基質(zhì)材料上制作大面積、高仿真度飛蛾復(fù)眼減反射結(jié)構(gòu)提供了新的途徑。本發(fā)明與現(xiàn)有方法和系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點由于光路中在每一束相干光中設(shè)置了光學(xué)偏振器件，對每一束光的偏振狀態(tài)和光強度分別進(jìn)行調(diào)控，以提高干涉圖形的對比度，使干涉圖形的形狀和質(zhì)量更精確可控等優(yōu)點。由于激光干涉技術(shù)仿真飛蛾復(fù)眼周期性結(jié)構(gòu)圖案可以通過設(shè)定特定入射角及偏振狀態(tài)，從而實現(xiàn)不同周期，不同密度的飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案，具有周期性好、圖案密度可調(diào)性好的優(yōu)點。由于激光干涉技術(shù)可產(chǎn)生納米級到微米級可調(diào)的結(jié)構(gòu)圖案，具有圖形特征尺寸小、組合靈活的優(yōu)點。由于激光干涉技術(shù)制作本發(fā)明所產(chǎn)生的圖案無需掩膜，曝光場面積大，效率高，制作工藝相對簡單，具有快速、大面積、高效、低成本實現(xiàn)飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案的優(yōu)點。由于激光干涉技術(shù)制作本發(fā)明所產(chǎn)生的微納結(jié)構(gòu)可以通過機(jī)械移動基片工件臺或者干涉光學(xué)系統(tǒng)的方法實現(xiàn)大面積周期性結(jié)構(gòu)的制備，具有制作大面積周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明采用六光束干涉實現(xiàn)飛蛾復(fù)眼結(jié)構(gòu)圖案的系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明采用六光束干涉實現(xiàn)飛蛾復(fù)眼結(jié)構(gòu)圖案的系統(tǒng)光路圖；圖3和圖4為本發(fā)明產(chǎn)生的飛蛾復(fù)眼二維結(jié)構(gòu)仿真圖案；圖5為CXD采集的六光束激光干涉形成的飛蛾復(fù)眼結(jié)構(gòu)圖案。
具體實施例方式如圖1所示，為本發(fā)明采用六光束干涉實現(xiàn)飛蛾復(fù)眼光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案的系統(tǒng)示意圖，采用的激光干涉的系統(tǒng)包括激光器1，擴(kuò)束鏡2，準(zhǔn)直系統(tǒng)3，反射鏡4，偏振器件5， 分束與折光系統(tǒng)6，CCD 7。由激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束2和準(zhǔn)直3后，被反射鏡4折轉(zhuǎn)光路，通過偏振器件5將光束變成線偏振光，再由分束與折光系統(tǒng)6先將激光束分成六個相干光束，再將六束光的每三束光分別在X、Y平面內(nèi)入射，使它們以一定的入射角同時照射到CCD 7上，形成飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案。采用圖2所示的六光束干涉實現(xiàn)飛蛾復(fù)眼結(jié)構(gòu)圖案的系統(tǒng)光路圖，分束與折光系統(tǒng)分別由五個分光元件4、5、7、8、13和九個折光鏡2、3、6、9、10、11、12、14、15組成。激光束由激光器1出射，進(jìn)入分束與折光系統(tǒng)，五個分光元件4、5、7、8、13中的每一個分光元件依次將入射的光束分成二束光出射，九個折光鏡2、3、6、9、10、11、12、14、15置于分光元件之后，起轉(zhuǎn)折光路的作用，調(diào)整分束與折光系統(tǒng)中分光鏡和折光鏡的擺放位置和角度，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)18后，使六束相干光中的各光束以各自預(yù)先設(shè)定的空間入射角同時照射到CCD 16上。調(diào)整每束光路中的半波片及偏振片鏡組17，使參與干涉的每一束相干光的光強和偏振狀態(tài)一致，得到圖5所示的飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案。
權(quán)利要求
1.一種采用六光束激光干涉技術(shù)產(chǎn)生飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案的方法和系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括激光器，擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，分束與折光系統(tǒng)，偏振片，半波片，CCD 等。由激光器發(fā)出的激光束，由分束與折光系統(tǒng)將激光束分成六束相干光，通過系統(tǒng)中每路光中放置的半波片和偏振片的鏡組，將六束相干光的各個光路的偏振狀態(tài)和光強度分別進(jìn)行控制，使相干光束獲得干涉，在CCD或成像表面上形成高仿真度的飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法和系統(tǒng)，其特征在于，選擇六束相干光，使其中三束光在同一平面內(nèi)，另外三束光在另一平面內(nèi)，并且兩平面互相垂直。設(shè)定三光束中的兩束光在法線兩側(cè)并入射角相同，其余光束的入射角不同于這兩束光，使各個光路的激光光束入射角范圍為0°到90°，并且設(shè)定各束相干光的偏振狀態(tài)一致，干涉形成高仿真度的飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的方法和系統(tǒng)，其特征在于，相干光束數(shù)也可以是六束以上， 選擇相干光束滿足權(quán)利要求1的條件，實現(xiàn)多于六光束的干涉，形成高仿真度的飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的方法和系統(tǒng)，其特征在于，通過變換和調(diào)整光路中分束與折光系統(tǒng)中的分光元件和折光鏡之間的相對擺放位置和角度，改變相干光束的入射角或空間角，從而調(diào)整飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案的參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的方法和系統(tǒng)，其特征在于，可以改變六光束干涉入射光束的波長、入射角、空間角、偏振狀態(tài)、位相、光強等參數(shù)，使系統(tǒng)干涉圖案的特征尺寸可從納米級至微米級可調(diào)，從而得到不同周期、密度、特征尺寸和對比度的飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案，工作波段具有可控性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的方法和系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)的干涉圖案特征尺寸通過用線位移或角位移控制系統(tǒng)改變?nèi)肷涔獾娜肷浣?、空間角實現(xiàn)飛蛾復(fù)眼結(jié)構(gòu)圖案周期從納米級到微米級可調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的方法和系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)可以通過擴(kuò)束系統(tǒng)實現(xiàn)大面積飛蛾復(fù)眼周期性光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的方法和系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)可以通過多次曝光及逐行掃描的方式，實現(xiàn)大面積周期性飛蛾復(fù)眼光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)的制備。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法和系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)可以通過機(jī)械移動基片工件臺或者干涉光學(xué)系統(tǒng)的途徑實現(xiàn)大面積周期性飛蛾復(fù)眼光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)的制備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多光束激光干涉技術(shù)產(chǎn)生飛蛾復(fù)眼周期性減反結(jié)構(gòu)圖案的方法和系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光器，擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，分束與折光系統(tǒng)，半波片，偏振片，CCD等組成，其特征是用激光干涉系統(tǒng)，將六或六個以上相干激光束組合，對干涉場內(nèi)的光強度分布進(jìn)行強弱調(diào)制，用調(diào)制后重新分布的光強度分布，獲得微米或納米級飛蛾復(fù)眼周期性結(jié)構(gòu)圖案。用該方法極大程度地實現(xiàn)了飛蛾復(fù)眼周期性陣列結(jié)構(gòu)的仿真，并且通過調(diào)整干涉系統(tǒng)的入射角及空間角，來調(diào)整結(jié)構(gòu)圖案的周期和特征尺寸從納米級到微米級，使納米級、微米級結(jié)構(gòu)的制造更加便捷，精確實現(xiàn)仿生飛蛾復(fù)眼減反結(jié)構(gòu)的制備，從而提高光的吸收效率。
文檔編號G03F7/20GK102269936SQ20111014571
公開日2011年12月7日 申請日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者于淼, 劉洋, 宋正勛, 徐佳, 王作斌, 王大鵬, 翁占坤, 胡貞, 趙振明 申請人:長春理工大學(xué)