一種周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法及應(yīng)用
1.本發(fā)明屬于飛秒激光先進(jìn)微納制造領(lǐng)域，具體是涉及一種周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
2.納米加工技術(shù)是影響國家未來核心競爭力的重要戰(zhàn)略研究方向之一，也是新經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)的支撐技術(shù)之一。作為一門新興的綜合性加工技術(shù)，它集成了現(xiàn)代光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、測量及材料等先進(jìn)技術(shù)成就，使加工的精度從1960年代的微米級提高到目前的10nm級，并極大地改善了各種產(chǎn)品的性能和可靠性。目前廣泛用于微納加工制造的成熟技術(shù)包括電子束曝光，聚焦離子束刻蝕，納米壓印，激光直寫和化學(xué)合成等。然而這些技術(shù)，或依賴昂貴且復(fù)雜的操作系統(tǒng)；或依賴特殊的材料；或制備效率低下，不能進(jìn)行大面積加工；或加工過程可控性不高。因此，開發(fā)可快速制備、大面積加工、低成本的、可控的表面微納結(jié)構(gòu)制造方法，具有重要的科學(xué)意義和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
3.自從birnbaum在1965年使用連續(xù)激光照射砷化鎵半導(dǎo)體材料首次觀察到表面周期性條紋結(jié)構(gòu)后，該現(xiàn)象引起了人們廣泛的關(guān)注。尤其是隨著高能量飛秒激光的普及，人們在研究飛秒激光與金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)相互作用的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了大量的新現(xiàn)象。過去二十年，人們的研究重心主要在飛秒激光誘導(dǎo)低空間頻率周期性條紋結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，并提出了廣為接受的三種模型：1)基于sipe理論的飛秒激光與表面散射波干涉作用理論；2)飛秒激光與表面等離激元干涉作用理論；3)自組織理論。根據(jù)這三種模型，人們已基本能解釋絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因此，近年來，為了拓展飛秒激光誘導(dǎo)自組織周期性條紋的應(yīng)用，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)移到了如何其規(guī)則度上。
4.雖然人們對激光誘導(dǎo)自組織條紋結(jié)構(gòu)的研究已超過了半個(gè)世紀(jì)，但該方法仍未能作為微納加工技術(shù)得到有效的推廣。其根本原因是激光誘導(dǎo)自組織過程不可控，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的條紋結(jié)構(gòu)長程無序，具有很大的隨機(jī)性。為了解決這一問題，人們提出了一些方案。比如，利用飛秒激光誘導(dǎo)熱化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生由氧化物顆粒堆積，取向沿激光偏振方向的條紋結(jié)構(gòu)。這種條紋結(jié)構(gòu)的形成過程存在一個(gè)非局域反饋效應(yīng)，能在一定程度上提高自組織周期性結(jié)構(gòu)的規(guī)整度。又如，利用高能量飛秒激光誘導(dǎo)的“強(qiáng)燒蝕”(strong ablation)效應(yīng)，使表面材料迅速氣化蒸發(fā)。再如，利用光學(xué)損耗高的金屬材料(ti,cr,mo)等減小表面等離激元的衰減長度來提升表面電磁波的相干性。
5.上述方法均可一定程度上提高自組織條紋結(jié)構(gòu)的規(guī)則度，但都有一個(gè)前提，那就是需要采用小光斑(光斑直徑一般《10個(gè)波長)逐點(diǎn)掃描的方式進(jìn)行。這是因?yàn)楫?dāng)使用大光斑時(shí)，在光斑照射區(qū)域存在大量隨機(jī)的表面缺陷，這些缺陷會(huì)作為隨機(jī)的“種子”，導(dǎo)致自組織條紋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分叉和紊亂。采用小光斑掃描雖然可以有效地減少穩(wěn)態(tài)曝光區(qū)域內(nèi)隨機(jī)“種子”的數(shù)量，提升周期性條紋結(jié)構(gòu)的規(guī)則度，但這并不能確保得到非常準(zhǔn)直的周期性條紋結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)樵诠獍咭苿?dòng)的過程中，在光斑中心的位置仍然會(huì)不斷出現(xiàn)新的隨機(jī)的“種子”結(jié)構(gòu)。這些后續(xù)的“隨機(jī)種子”和之前形成的條紋在空間上可能存在些許錯(cuò)位，從而導(dǎo)致
最終形成的周期性條紋出現(xiàn)彎曲。此外，現(xiàn)有的小光斑逐點(diǎn)掃描技術(shù)存在加工效率較低，且只能實(shí)現(xiàn)兩維平面上的相對規(guī)則，而在激光傳輸方向，產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)其尺寸仍不夠規(guī)則等問題。
6.通過上述分析我們可知，造成自組織條紋結(jié)構(gòu)不規(guī)則、紊亂的根本原因是材料表面缺陷造成的“隨機(jī)種子”。因此，抑制隨機(jī)種子的形成是有效提升自組織條紋的三維規(guī)整度及加工效率的關(guān)鍵。
7.例如公開號為cn 112008232 a的專利文獻(xiàn)公開了一種覆有ito薄膜的玻璃表面制備周期條紋結(jié)構(gòu)的方法，采用在玻璃表面覆有一層低燒蝕閾值的ito薄膜，利用圓柱透鏡聚焦的飛秒激光束在玻璃表面形成激光焦斑誘導(dǎo)產(chǎn)生周期條紋生長的方法，通過低于玻璃燒蝕閾值十倍的激光能流密度在玻璃表面制備寬度為激光束直徑的長條形周期條紋結(jié)構(gòu)。該方法是利用在在玻璃表面覆有一層低燒蝕閾值的ito薄膜實(shí)現(xiàn)對玻璃表面周期條紋的加工，其采用的激光密度高達(dá)400mj/cm2，其仍然是基于燒蝕機(jī)理進(jìn)行的加工，其需要結(jié)合樣品x、y和z軸方向的移動(dòng)，反復(fù)加工，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)周期性條紋的加工，加工效率極為低下。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
8.本發(fā)明涉及一種提高激光誘導(dǎo)周期性氧化條紋整齊度的方法，具體地說是利用“人工種子”的方法，誘導(dǎo)氧化條紋沿著種子的方向，最終形成整齊度極高的周期性條紋結(jié)構(gòu)。該方法能夠顯著提高氧化條紋的整齊度，為大面積加工整齊的條紋打下基礎(chǔ)。且該方法用于微納制造可明顯減小制造成本，縮短加工周期。
9.本發(fā)明利用“人工種子”在硅薄膜上很好的抑制了“隨機(jī)種子”的生成，最終實(shí)現(xiàn)利用大光斑快速、可控地制備高度規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)。
10.一種周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法，包括：在一表面加工條紋結(jié)構(gòu)；利用飛秒激光照射所述表面，在飛秒激光作用下和條紋結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)下，所述表面對應(yīng)區(qū)域形成周期性分布的氧化物條紋；所述條紋結(jié)構(gòu)的方向與入射的飛秒激光的偏振方向一致。
11.本發(fā)明首先通過在特定表面進(jìn)行“人工種子”(即條紋結(jié)構(gòu))的預(yù)制備，而后用飛秒激光照射，因在種子上有效減小了產(chǎn)生氧化條紋的閾值，氧化條紋首先在種子處產(chǎn)生。接著由于非局域反饋的影響，條紋會(huì)在種子周圍依次生長開來。最終形成的周期性氧化條紋都嚴(yán)格平行于“人工種子”，因而得到極高整齊度的條紋結(jié)構(gòu)。
12.本發(fā)明的上述制造方法同時(shí)還可以作為一種提高激光誘導(dǎo)周期性氧化條紋整齊度的方法使用。
13.本發(fā)明的條紋結(jié)構(gòu)可以采用現(xiàn)有的工藝制備得到，比如電子束曝光，聚焦離子束刻蝕，納米壓印，激光直寫，化學(xué)合成，三維打印等中的一種或多種的結(jié)合。作為優(yōu)選，本發(fā)明中，所述“人工種子”條紋結(jié)構(gòu)，是利用一臺高度聚焦的連續(xù)激光刻蝕得到的，配合高精度的電動(dòng)平移臺勻速移動(dòng)樣品可以得到筆直的種子。本發(fā)明先使用連續(xù)激光刻蝕出一條整齊的凹槽，再使用飛秒激光照射金屬或半導(dǎo)體薄膜，通過調(diào)控入射光的偏振形態(tài)與凹槽方向平行，此時(shí)可產(chǎn)生整齊度非常高的周期性氧化條紋。
14.本發(fā)明中，偏振方向平行于種子方向的飛秒激光作用在種子處的表面(比如硅薄膜)上形成的氧化條紋嚴(yán)格沿著平行于種子的方向。制備足夠長的種子，配合足夠大的光斑，可實(shí)現(xiàn)大面積、快速的制備亞波長周期性條紋。本發(fā)明可以突破傳統(tǒng)掃描式激光直寫加
工工藝中的光學(xué)衍射極限，快速形成周期為亞波長的光柵結(jié)構(gòu)。
15.在規(guī)模上可采用單束大光斑激光曝光產(chǎn)生，也可以大光斑配合二維平移臺掃描來產(chǎn)生更大面積的微納條紋結(jié)構(gòu)制備。制備過程中，可利用散射激光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)條紋形成過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。作為優(yōu)選，所述條紋結(jié)構(gòu)為凹槽結(jié)構(gòu)、凸起結(jié)構(gòu)或者兩者相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。
16.作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述條紋結(jié)構(gòu)為凹槽結(jié)構(gòu)或凸起結(jié)構(gòu)的直線條紋結(jié)構(gòu)。制造時(shí)，先用連續(xù)激光刻出一個(gè)準(zhǔn)直度很高的凹槽，然后將偏振方向平行于凹槽的飛秒激光作用在此凹槽上，將會(huì)首先在凹槽上產(chǎn)生氧化條紋，隨后會(huì)在凹槽附近衍化生長出完全平行于凹槽的其他氧化條紋。此時(shí)產(chǎn)生的氧化條紋光柵結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)直度會(huì)非常高。
17.作為優(yōu)選，所述條紋結(jié)構(gòu)的寬度為0.2～1μm，深度為3～20nm。所述條紋結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)選為200～500nm寬，3～10nm深的凹槽結(jié)構(gòu)。作為一種具體的實(shí)施方案，還包括用于產(chǎn)生準(zhǔn)直凹槽的532nm連續(xù)激光，高度聚焦的532nm，50mw的連續(xù)激光作用在薄膜上，可產(chǎn)生300nm寬，5nm左右深的的凹槽。作為另一種優(yōu)選方案，還包括用于產(chǎn)生準(zhǔn)直凹槽的電動(dòng)平移臺。聚焦的532nm連續(xù)激光作用在薄膜樣品上，放置在電動(dòng)平移臺上的樣品可以通過平移臺的精準(zhǔn)的移動(dòng)而移動(dòng)。
18.作為優(yōu)選，所述表面為一薄膜表面，薄膜厚度為100～500nm。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述薄膜為硅薄膜，厚度為200～400nm。
19.作為優(yōu)選，所述表面中含有在飛秒激光作用下能夠產(chǎn)生氧化反應(yīng)形成氧化顆粒的物質(zhì)或者材料。或者所使用的薄膜材料在激光照射下會(huì)發(fā)生的氧化過程。從而通過入射波與氧化物的散射波發(fā)生干涉，形成周期性分布的氧化物條紋。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述材料選自硅、鈦、鎢、氮化鈦等其他有可以氧化的材料中的一種或多種。作為優(yōu)選，所述表面由上述材料加工而成。
20.本發(fā)明中，形成的氧化物條紋，其取向平行于激光偏振方向。
21.本發(fā)明中，氧化物條紋周期與入射激光波長有關(guān)，但始終略小于激光的波長。氧化物條紋周期與薄膜的厚度密切相關(guān)。作為優(yōu)選，所述氧化物條紋的周期取決于入射激光波長或/和所述表面所在結(jié)構(gòu)的厚度；既可以通過調(diào)整入射激光波長或/和所述表面所在結(jié)構(gòu)(例如薄膜)的厚度，調(diào)整氧化物條紋的周期。
22.本發(fā)明中，具有所述氧化物條紋的表面區(qū)域面積取決于激光作用區(qū)域。所制備光柵的面積可以通過控制入射光斑的大小和種子的長度來控制。上述飛秒激光作用可配合一個(gè)可控二維平移臺，用于光柵的氧化條紋，可實(shí)現(xiàn)快速的大面積加工制備光柵結(jié)構(gòu)。
23.一種具有周期性條紋的結(jié)構(gòu)，由上述任一技術(shù)方案所述的方法制備得到。
24.作為優(yōu)選，所述具有周期性條紋的結(jié)構(gòu)為光柵結(jié)構(gòu)或者掩模結(jié)構(gòu)。
25.其中，所述光柵結(jié)構(gòu)或者掩模結(jié)構(gòu)一般包括光柵基底或掩模基底，以及設(shè)置在光柵基底或掩模基底上光柵條紋或者掩模圖案，所述光柵條紋或者掩模圖案可由本發(fā)明的上述周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法加工得到。本發(fā)明提供了一種光柵的制備方法，利用上述任一項(xiàng)所述的周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法制備得到。利用本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的快速加工制備。
26.本發(fā)明提供了一種光柵結(jié)構(gòu)，由上述任一技術(shù)方案所述的方法制備得到，所述光柵結(jié)構(gòu)為周期為亞波長的光柵結(jié)構(gòu)。
27.光柵周期可以通過控制入射激光的波長或者表面所在結(jié)構(gòu)厚度來調(diào)控。所制備光
柵的面積可以通過控制入射光斑的大小和種子的長度來控制。
28.作為優(yōu)選，本發(fā)明可以平整度較高的玻璃或藍(lán)寶石為基底，利用真空磁控濺射(也可以是現(xiàn)有的其它方法)鍍上硅薄膜(或者其他滿足要求的材料)。平整度高的薄膜的條件更有利于形成整齊的氧化條紋。
29.為了便于加工，作為優(yōu)選，需將飛秒激光聚焦在樣品上，以便達(dá)到足夠高的功率密度來使硅表面發(fā)生氧化。
30.作為優(yōu)選，激光照射薄膜前需確定光斑所處的偏振模式，偏振需平行于種子方向。
31.本發(fā)明中，所述氧化條紋微納結(jié)構(gòu)通過一束聚焦的飛秒脈沖激光持續(xù)照射種子附近，利用正反饋氧化效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)平行于偏振方向的氧化條紋的生長。
32.作為優(yōu)選，所用激光為飛秒脈沖激光；激光能量分布可以是高斯光斑，也可以是平頂光斑，聚焦后的功率密度遠(yuǎn)低于薄膜的燒蝕閾值。激光能量為在人工種子存在時(shí)，對應(yīng)的表面或者薄膜表面材料對應(yīng)的氧化閾值；比如針對硅膜，在人工種子作用下，氧化閾值為0.023j/cm2。所述飛秒脈沖激光的能量密度為0.023～0.05j/cm2。
33.本發(fā)明中，所述的飛秒脈沖激光，其重復(fù)頻率和中心波長不限，激光聚焦至樣品表面誘導(dǎo)氧化反應(yīng)。以一個(gè)半波片配合檢偏器(或者衰減片)逐漸提高脈沖激光的入射能量。
34.在上述方案中，利用“人工種子”的方法對樣品進(jìn)行預(yù)制備，其優(yōu)勢在于，可以顯著地提高形成氧化條紋的整齊度。制備好設(shè)定形狀的種子條紋，調(diào)試好飛秒激光能量密度，使其作用在種子上，可一次性曝光樣品，實(shí)現(xiàn)整個(gè)光斑作用區(qū)域內(nèi)的高規(guī)整度的條紋的加工。用光斑分析儀監(jiān)測透射光斑，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
35.作為優(yōu)選，所述的“人工種子”的長度可任意長。利用本發(fā)明的方法，可以快速地用大激光光斑掃過整個(gè)種子所在區(qū)域，實(shí)現(xiàn)任意大面積的加工。也可以在激光能量充足的情況下，對光斑進(jìn)行擴(kuò)束，以實(shí)現(xiàn)最大范圍內(nèi)的一次性加工。
36.本發(fā)明對粘附在特定表面(比如襯底上的薄膜材料)預(yù)制備“人工種子”后再進(jìn)行激光照射，使得該表面形成氧化物(表面中可氧化材料與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng))顆粒。入射激光與氧化物顆粒的偶極散射波發(fā)生干涉，在所述表面形成周期性的干涉條紋。在干涉相長的地方，氧化反應(yīng)得到進(jìn)一步加強(qiáng)，而干涉相消處，幾乎不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此最終在薄膜上形成周期性分布的準(zhǔn)直度極高的氧化物條紋。
37.一種掩模結(jié)構(gòu)，由上述任一技術(shù)方案所述的方法制備得到。
38.本發(fā)明中，所述的激光照射后形成的氧化條紋光柵結(jié)構(gòu)，將來還可以作為掩膜使用。在其表面鍍上不同的薄膜來形成不同薄膜的光柵結(jié)構(gòu)。
39.一種用于制備具有周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的設(shè)備，包括：
40.飛秒激光發(fā)射器，用于提供所需的飛秒激光；
41.光強(qiáng)調(diào)節(jié)元件，調(diào)整輸入的激光的能量；
42.偏振調(diào)節(jié)光學(xué)元件，將入射的激光偏振調(diào)整為所需偏振態(tài)；
43.光斑分析儀，用于觀測所需的激光光斑模式。
44.透鏡元件，將調(diào)整好光強(qiáng)和偏振方向后的激光聚焦入射至所述硅薄膜上。
45.在入射激光偏振方向已經(jīng)確定，且符合加工需要時(shí)，即入射激光的偏振方向與待加工條紋的方向一致時(shí)，上述偏振調(diào)節(jié)光學(xué)元件也可以省略。
46.在加工條件(激光照射時(shí)間等)已經(jīng)預(yù)先確定時(shí)，所述光斑分析儀也可以省略。
47.所述光強(qiáng)調(diào)節(jié)元件一般包括光學(xué)半波片和光學(xué)檢偏器，當(dāng)然也可是能夠?qū)崿F(xiàn)能量大小調(diào)整的衰減片，用于調(diào)整激光光強(qiáng)，以得到我們所需能量的激光。
48.作為優(yōu)選，還包括用于調(diào)節(jié)激光光斑作用在硅膜的空間位置、同時(shí)用于觀察激光作用過程的圖像采集工業(yè)相機(jī)。
49.制造過程中，激光從半波片或者其他將改變激光模式的元器件發(fā)射出來，然后經(jīng)過透鏡，將光斑聚焦在樣品上。激光照射過程中，散射光強(qiáng)度會(huì)隨著氧化條紋的生成以及生長過程逐漸改變。當(dāng)透過光強(qiáng)度在特定時(shí)間(取決于激光重復(fù)頻率)范圍內(nèi)不再變化時(shí)，此時(shí)可停止激光照射。
50.本發(fā)明首先利用真空濺射設(shè)備在藍(lán)寶石襯底上鍍上100～500納米的硅薄膜。然后利用飛秒脈沖激光照射在樣品上，使樣品發(fā)生氧化并逐漸生長成周期性條紋。制備過程中，利用光斑分析儀器檢測透射激光光斑，實(shí)現(xiàn)氧化條紋光柵結(jié)構(gòu)形成過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
51.本發(fā)明中，利用飛秒激光制備光柵結(jié)構(gòu)突出優(yōu)勢在于，僅僅通過一個(gè)簡單的“人工種子”的誘導(dǎo)便可得到極高準(zhǔn)直度的氧化條紋結(jié)構(gòu)。不需要任何額外的加工工藝。直接，簡單，明了，可控。同時(shí)，其產(chǎn)生氧化條紋光柵結(jié)構(gòu)所需的能量密度低于長脈沖和連續(xù)激光，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于表面的燒蝕閾值，可以避免燒蝕產(chǎn)生，因此，可實(shí)現(xiàn)微納范圍內(nèi)大面積的亞波長微納條紋結(jié)構(gòu)的精密加工。另外，氧化條紋光柵結(jié)構(gòu)的周期與入射波長成正比，通過操控入射激光波長便可簡單的控制光柵周期，且光柵結(jié)構(gòu)都處于亞波長范圍內(nèi)，這將極大的簡化高精密微納加工的過程。
52.本發(fā)明中，利用飛秒激光直接照射出亞波長周期的微納條紋結(jié)構(gòu)，相對于激光直寫加工，雙光子聚合，干涉光刻，或者利用納米壓印，是一種全新的機(jī)理。此方法的突出優(yōu)勢在于，更直接，更簡單，更高效。條紋周期在亞波長范圍內(nèi)，極大地降低了加工時(shí)間，難度和成本。
53.根據(jù)實(shí)際需求，可進(jìn)一步得到任意大面積的高規(guī)整度條紋，只需增加種子的長度，將大光斑的激光掃過種子區(qū)域即可。
54.另外，本發(fā)明中，由于人工種子的存在，需要的飛秒激光的能量更低(低于表面材料未加工種子條紋的氧化閾值)，可以同時(shí)抑制隨機(jī)種子的影響。
附圖說明
55.圖1為實(shí)施例利用飛秒激光誘導(dǎo)氧化條紋自組織形成周期性條紋光柵結(jié)構(gòu)的裝置。
56.圖2為利用50mw，532nm激光聚焦在硅薄膜表面制作成的一條寬度為300nm的筆直的“人工種子”。
57.圖3中(a)是在光鏡暗場模式下的“人工種子”，(b)是利用原子力顯微鏡(afm)掃描分析后繪制的“人工種子”的凹槽深度。
58.圖4為利用與“人工種子”方向平行的線偏振的飛秒激光作用在種子上的示意圖。
59.圖5中(a)是在光鏡暗場模式下的經(jīng)過飛秒激光作用后在“人工種子”上生長的氧化條紋，(b)是利用原子力顯微鏡(afm)掃描分析后繪制的“人工種子”處氧化條紋的高度。
60.圖6中(a)是飛秒激光作用在具有“人工種子”的200納米厚硅膜上產(chǎn)生的平行于偏振方向的氧化條紋光柵結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片；(b)是對(a)形成的氧化條紋做傅里葉變換
圖；(c)是飛秒激光作用在沒有“人工種子”的200納米厚硅膜上產(chǎn)生的平行于偏振方向的氧化條紋光柵結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片；(d)是對(c)形成的氧化條紋做傅里葉變換圖；(e)(f)是對(a)進(jìn)行edx分析后對應(yīng)的硅和氧成分的圖。
61.圖7為在沒有“人工種子”的200納米厚硅膜上，經(jīng)過飛秒激光作用后的掃描電鏡圖。
具體實(shí)施方式
62.下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
63.如圖1所示，一種利用飛秒激光誘導(dǎo)氧化條紋自組織形成周期性條紋光柵結(jié)構(gòu)的裝置。包括半波片4，檢偏器5，半波片6，聚焦透鏡7，工業(yè)相機(jī)8。其中光學(xué)元件半波片4和檢偏器5配套用于連續(xù)改變激光的能量。飛秒激光的重復(fù)頻率不限，本實(shí)例中的重復(fù)頻率為5000赫茲。半波片6用于調(diào)節(jié)線偏振激光的方向。飛秒激光器發(fā)射的激光3經(jīng)透鏡7聚焦至粘附在襯底1的硅膜2上。
64.本實(shí)例中，透鏡7的焦距長度為20厘米，采用的飛秒激光的能量分布可以是高斯光斑，飛秒激光中心波長為1030納米，脈沖寬度為130fs，焦點(diǎn)處的光斑直徑為120微米。本實(shí)例中，我們利用磁控濺射鍍膜裝置，在厚度為500微米的藍(lán)寶石襯底上制備厚度為200納米的硅膜。
65.首先利用現(xiàn)有工藝預(yù)先在200納米的硅膜表面加工直線的凹槽條紋結(jié)構(gòu)的“人工種子”；然后利用飛秒激光照射“人工種子”對應(yīng)的區(qū)域。
66.在進(jìn)行周期性條紋加工時(shí)，當(dāng)?shù)湍芰考す饩劢怪疗秸墓枘け砻妫饕还枘し瓷洌虼嗽趥?cè)向的工業(yè)相機(jī)8幾乎探測不到散射光。旋轉(zhuǎn)半波片4以逐漸提高入射的激光能量直至達(dá)到硅的氧化閾值后，硅膜表面出現(xiàn)少量的氧化物顆粒，此時(shí)通過工業(yè)相機(jī)8能實(shí)時(shí)觀察到散射光增強(qiáng)。保持入射激光能量不變，并檢測工業(yè)相機(jī)8中拍攝到的散射光斑變化。隨著照射脈沖數(shù)量的逐漸增加，散射光斑基本不再改變后，停止激光照射。隨后利用掃描電子顯微鏡便可觀察到規(guī)模上出現(xiàn)周期性變化的條紋。
67.如圖2所示，本實(shí)例中，利用50mw，532nm激光聚焦在硅薄膜表面制作成的一條寬度為300nm的筆直的“人工種子”。利用光學(xué)顯微鏡對加工的“人工種子”進(jìn)行分析，見圖3中(a)所示；利用原子力顯微鏡掃描分析，可知得到的“人工種子”為約深度為580nm的凹槽條紋結(jié)構(gòu)，見圖3中(b)所示。
68.圖4為利用與“人工種子”方向平行的線偏振的飛秒激光作用在種子上的示意圖。本實(shí)施例中，在200納米厚的規(guī)模上形成規(guī)則的條紋的激光閾值是0.023j/cm2(作用時(shí)間為10～20秒)。因此，這種規(guī)則條紋的形成機(jī)制完全不同于傳統(tǒng)的激光燒蝕，因?yàn)楣璧臒g閾值為0.2j/cm2。同時(shí)為了進(jìn)一步驗(yàn)證“人工種子”對氧化閾值的影響，我們采用能量密度為0.023j/cm2的飛秒激光對同樣的硅薄膜進(jìn)行照射，得到的電鏡圖見圖7，由圖7可知，采用能量密度為0.023j/cm2的飛秒激光不足以使得薄膜發(fā)生氧化反應(yīng)從而產(chǎn)生周期性氧化條紋。
69.同時(shí)利用光學(xué)顯微鏡對激光作用后的“人工種子”進(jìn)行檢測，如圖5中(a)所示，經(jīng)過飛秒激光作用后在“人工種子”上生長的氧化條紋。利用原子力顯微鏡(afm)掃描分析，得到“人工種子”處氧化條紋的高度為180nm左右，寬度約為0.6μm左右。
70.圖6中(a)是按照本發(fā)明的方法，飛秒激光作用在具有“人工種子”的200納米厚硅
膜上產(chǎn)生的平行于偏振方向的氧化條紋光柵結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片(作用時(shí)間為15s)；經(jīng)單束線偏振的飛秒激光照射后，在200納米厚的硅膜上形成了周期為950納米的規(guī)則光柵結(jié)構(gòu)，形狀規(guī)則，幾乎不存在隨機(jī)種子產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象。(b)是對(a)形成的氧化條紋做傅里葉變換圖，由(b)可知本發(fā)明得到條紋的準(zhǔn)直度很高，條紋方向角的散值δθ(the dispersion in the lipss orientation angle(dloa))僅為4.5
°
；(c)是采用飛秒激光(重復(fù)頻率為5000赫茲，飛秒激光中心波長為1030納米，激光能量密度為0.028j/cm2，作用時(shí)間為15s)作用在沒有“人工種子”的200納米厚硅膜上產(chǎn)生的平行于偏振方向的氧化條紋光柵結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片；由該圖可知，在沒有“人工種子”誘導(dǎo)時(shí)，受隨機(jī)種子的影響，條紋的規(guī)整性不如本發(fā)明方法加工得到的周期性條紋結(jié)構(gòu)。(d)是對(c)形成的氧化條紋做傅里葉變換圖；由(b)和(d)可知，相對于沒有“人工種子”誘導(dǎo)的加工工藝，采用本發(fā)明的方法加工過的周期性條紋準(zhǔn)直度更高；(e)、(f)分別是對(a)進(jìn)行edx分析后對應(yīng)的硅和氧成分的圖，由(e)、(f)可知，被飛秒激光照射的區(qū)域，生成了硅的氧化物顆粒。
技術(shù)特征：
1.一種周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，包括：在一表面加工條紋結(jié)構(gòu)；利用飛秒激光照射所述表面，在飛秒激光作用下和條紋結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)下，所述表面對應(yīng)區(qū)域形成周期性分布的氧化物條紋；所述條紋結(jié)構(gòu)的方向與入射的飛秒激光的偏振方向一致。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述表面為一薄膜表面，薄膜厚度為100～500nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述表面中含有在飛秒激光作用下能夠產(chǎn)生氧化反應(yīng)形成氧化顆粒的物質(zhì)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述物質(zhì)選自硅、鈦、鎢、氮化鈦中的一種或多種。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述氧化物條紋的周期取決于入射激光波長或/和所述表面所在結(jié)構(gòu)的厚度；具有所述氧化物條紋的表面區(qū)域面積取決于激光作用區(qū)域。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述條紋結(jié)構(gòu)為凹槽結(jié)構(gòu)、凸起結(jié)構(gòu)或者兩者相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述條紋結(jié)構(gòu)為凹槽結(jié)構(gòu)或凸起結(jié)構(gòu)的直線條紋，所述條紋結(jié)構(gòu)的寬度為0.2～1μm，深度為3～20nm。8.一種具有周期性條紋的結(jié)構(gòu)，其特征在于，由權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的方法制備得到。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有周期性條紋的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述具有周期性條紋的結(jié)構(gòu)為光柵或者掩模。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種周期性氧化條紋結(jié)構(gòu)的制造方法，包括：在一表面加工條紋結(jié)構(gòu)；利用飛秒激光照射所述表面，在飛秒激光作用下和條紋結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)下，所述表面對應(yīng)區(qū)域形成周期性分布的氧化物條紋；所述條紋結(jié)構(gòu)的方向與入射的飛秒激光的偏振方向一致。本發(fā)明也同時(shí)公開了一種上述方法的應(yīng)用。本發(fā)明中通過一個(gè)簡單的“人工種子”的誘導(dǎo)便可得到極高準(zhǔn)直度的氧化條紋結(jié)構(gòu)。不需要任何額外的加工工藝。直接，簡單，明了，可控。同時(shí)，其產(chǎn)生氧化條紋光柵結(jié)構(gòu)所需的能量密度低于長脈沖和連續(xù)激光，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于表面的燒蝕閾值，可以避免燒蝕產(chǎn)生，因此，可實(shí)現(xiàn)微納范圍內(nèi)大面積的亞波長微納條紋結(jié)構(gòu)的精密加工。的精密加工。的精密加工。
