飞秒激光湿法刻蚀微纳制造

飞秒激光湿法刻蚀微纳制造
陈烽;杨青;边浩;杜广庆;柳克银;孟祥卫;邓泽方;山超
【摘要】飞秒激光微加工作为一种新型微纳制造技术,在复杂三维构型制作方面具有其独特的优势,但激光加工效率问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用,提出一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法,以提高飞秒激光微加工的效率为突破口,通过调控激光与物质相互作用获得材料的目标靶向改性,进而结合化学湿法刻蚀实现硬质材料上的高效和高精度三维微加工,采用这一方法制作出的微透镜尺寸为80 μm,球冠高6.7 μm,表面粗糙度小于10 nm.利用这种方法,实现了不同结构与特性的高质量微透镜阵列的超精密制备,在石英内部也实现了螺旋微通道的复杂三维结构,螺旋通道直径为20μm,长径比超过100.
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2014(035)001
【总页数】5页(P150-154)
【关键词】飞秒激光;微纳制造;湿法刻蚀;微透镜;微通道
【作者】陈烽;杨青;边浩;杜广庆;柳克银;孟祥卫;邓泽方;山超
【作者单位】西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049
【正文语种】中文
【中图分类】TN249
引言
飞秒激光是20世纪末迅速发展起来的一种超快激光光源，与长脉冲激光以及连续激光不同，它具有超短的脉冲持续时间和超高的峰值功率等特性，当其与物质相互作用时，能够以极快的速度将能量注入到很小的作用区域，瞬间内的高能量密度沉积可使电子的吸收和运动方式瞬间发生剧烈变化。

因此，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，从而在根本上改变了激光与物质相互作用的瞬态微观机制，使飞秒激光与物质相互作用的过程成为具有超高精度、超高空间分辨率的非热熔“冷”处理过程，这有利于更细微结构的高精度加工。

由于飞秒激光在三维高精度微结构制备中所表现出的优越特性，自20世纪90年代以后，飞秒激光微纳制造
已成为微加工领域的热点研究方向之一。

在飞秒激光微纳加工技术中，飞秒激光双光子聚合（two-photon polymerization，TPP）是最为成熟的一种技术，被认为能够实现几乎任意形貌的三维微纳结构。

1999年，美国的cumpstom等人利用该技术在树脂内部加工出
光子晶体结构［1］。

2001年，日本Sun（孙洪波教授）等人正是利用该技术，
在光刻胶中制备出尺寸为10μm的“纳米牛”结构。

作为该技术的代表性成果，
这一结果发表在当年的《Nature》杂志上［2］。

利用该方法可以制备任意形貌微透镜阵列，加工误差小于5%，表面粗糙度能够控制在纳米量级。

但该方法仍然存在一些缺点。

比如，加工效率低下，不适合大尺寸复杂三维结构的制作，且加工材料也限于光敏聚合物［3－5］。

利用飞秒激光直接进行材料去除也是普遍采用的
一种技术，我们在2009年采用自上而下（top-down）刻蚀工艺与激光抛光工艺
结合的方法，首先采用逐层扫描刻蚀形成球冠结构，然后用过顶弧线扫描的方法对球冠结构进行抛光，实现了直径为50μm，高度为13.2μm，能够初步实现聚焦、成像等功能的玻璃微透镜［6］。

该方法可用于超硬材料表面光滑曲面微结构的高精度三维微加工。

然而该方法在制作效率上同样存在缺陷，比如加工这样一个透镜需要约30min，而制作一个4×4的微透镜阵列则需要将近8h。

显然，这种方法无法用于大规模微透镜阵列器件的制备。

激光加工效率的问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用。

近期，我们提出了一种新的飞秒激光微纳制造方法——飞秒激光湿法刻蚀，可以实现在石英、玻璃等材料上三维微结构的快速、高精度制作，从而在硬质工程材料三维结构的高效微纳制造方面取得了一次重要的突破［7－12］。

在玻璃上利用飞秒激光湿法刻蚀实现了形貌可控微透镜阵列制备，并将该工艺同复制工艺相结合，实现多种微透镜阵列的高效率、低成本制备，在石英材料内部采用该方法也实现了任意长度均匀微通道的制备［13－14］。

1 飞秒激光湿法刻蚀制备微透镜阵列
飞秒激光经物镜聚焦后，在其焦点处会形成高温高压的极端物理场，在这种极端条件下会造成材料化学键键角的减小，辐照区材料的化学反应活性增加，并伴随着自组装纳米结构的形成，形成局域的光影响区。

材料光影响区与化学腐蚀液中的反应速度会远大于未经激光辐照的区域。

从而可以在后续的化学湿法刻蚀中实现材料的快速去除和三维结构的形成。

利用上述原理能够在石英玻璃表面快速加工出高质量的凹透镜阵列结构。

具体实现方法如图1（a）所示。

首先，用聚焦飞秒激光逐点辐照玻璃样品表面，曝光点在材料上形成球形光影响区，通过排布激光的曝光点将改变透镜的分布和具体形貌；随后，将样品置入HF溶液进行化学湿法腐蚀。

通过精确控制化学溶液的浓度、腐蚀时间以及环境温度可以对光影响区腐蚀的速率，从而对微透镜的尺寸和形貌进行精确控制。

实验中，我们所用的飞秒激光光源为多通钛宝石光学参量放大系统，中心波长为800nm，脉宽为30fs，重复频率为1kHz。

样品通过一个三维控制平台来进行精
确控制，平台精度＜1μm，单向重复定位精度高于±0.7μm，双向重复定位精度高于±2.2μm。

平台可以通过电脑编程控制来实现对加工平台的控制。

凹透镜结构制备好以后，我们通过光学显微镜（Nikon V100）、激光共聚焦显微镜（LCM，S-130，OPTELICS）、场发射电子显微镜（SEM，JSM-7000F，JOEL）以及原子力显微镜（AFM，NT-MDT）等对结果进行表征。

图1（b）为利用该方法制备的凹透镜阵列SEM图，透镜间距为100μm，直径为60μm，实验中，所采用的激光脉冲能量为2.5μJ，HF酸的浓度为5%。

SEM测
试结果表明该方法加工出的微透镜表面质量非常良好。

图1（c）是凹透镜的光学
虚像成像图。

可以看出所成的像非常清晰，这也说明我们利用飞秒激光湿法刻蚀所制备的微透镜光学性能良好。

利用AFM对凹结构底部区域测得其平均粗糙度为
9.87nm，说明飞秒激光湿法刻蚀制备的微结构得到光学级的表面粗糙度。

图1 飞秒激光湿法刻蚀方法制备平面微透镜阵列Fig.1 Fabrication of planar microlens array by femtosecond laser wet etch method
1.1 高填充比微透镜阵列制备
高填充比（high fill factor）微透镜阵列能够增加单位面积内微透镜的个数，有助于提高图像传感器的敏感度以及显示器或者照明器件的投射光源的连续性。

利用飞秒激光湿法刻蚀工艺，成功制备出多种100%填充率的微透镜阵列。

透镜的形状包括矩形、六角形、三角性以及八边形和菱形的复合微透镜阵列。

制备出的六边形微透镜阵列如图2所示，该透镜尺寸（六边形对顶点距离）为80μm，深度为
6.7μm。

飞秒激光湿法刻蚀工艺能实现石英玻璃表面负透镜阵列的加工，由于石英玻璃具有良好的机械强度与热学性能，非常适合作为复制用的模板。

我们将飞秒激光湿法刻蚀工艺同纳米压印工艺结合，可进一步实现微透镜阵列的低成本高效制备。

通过PMMA热压印技术，将玻璃表面凹透镜阵列反向复制在聚合物上，实现了凸透镜阵列的加工。

以上述六边形玻璃微透镜阵列为模板，在PMMA基板上压印复制出了六边形凸透镜阵列，结果如图3所示。

凸透镜的直径为80μm，高度为6.7μm。

1.2 平面多焦点微透镜阵列制备
由于每一组激光曝光点间距较小，在化学刻蚀过程中，每个辐照点所形成圆形凹面结构相互连接，就形成多个凹透镜叠加在一起的复杂曲面结构。

通过调整辐照点的位置，可以形成复杂构型的微透镜阵列。

图4（a）～4（d）四图分别显示了能够产生2、3、4、6个焦点的微透镜阵列。

从图中可以看出，由于相邻凹透镜相互叠加在一起，形成的新的多焦点透镜呈现出规则“花瓣”状结构。

对于2、3、4焦点微透镜，最终结构的直径约为80 μm；而6焦点透镜的直径为100μm左右。

图4 平面多焦点透镜阵列Fig.4 Results of multifocal planar microlens array 2 透明材料内部三维微结构制备
2.1 3D螺旋微通道制备
基于飞秒激光的微加工技术不仅能够实现材料表面三维微结构的制备，还可用于透明材料内部三维微结构的加工。

三维螺旋微通道是一种真三维的曲线型复杂结构，这种三维曲线型结构相当于把原来的直线通道在三维空间密集缠绕，能够在三维空间提高通道的集成度。

利用“侧开孔”和“能量补偿”方法改进后的飞秒激光湿法刻蚀工艺可制备这种复杂的真三维微通道结构。

图5为采用飞秒激光湿法刻蚀在石英内部制备出螺旋微通道阵列，螺旋管直径100μm，匝数达到14匝，通道直径为20μm左右，长径比超过100。

图5 三维螺旋微通道阵列Fig.5 Results of 3D helical microchannel arrays
3 结论
本文给出了一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造的新方法，实现了在硬质材料上复杂三维结构的超精细制作，成功制备出多种高质量玻璃微透镜阵列；并通过将该工艺同复制工艺结合，实现了高质量透镜阵列的高效批量制备。

同时，利用飞秒激光湿法刻蚀在石英内部也成功制备出了复杂三维微通道结构。

研究结果表明，飞秒激光湿法刻蚀技术可以有效实现在硬质工程材料上三维微结构的快速、高精度制作，从而可以为硬质工程材料上复杂三维结构微纳制造提供了一种全新的技术途径。

【相关文献】
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