飛秒激光與刻蝕組合加工技術(shù)介紹

(1)什么是飛秒激光 激光器作為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，因激光具有方向性、單色性好以及具有良好相干性等特點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。 20世紀(jì)70年代人們首次在染料激光器中實(shí)現(xiàn)了飛秒量級(jí)的激光脈沖。隨著90年代初克爾透鏡鎖模飛秒鈦寶石激光器的出現(xiàn)，促進(jìn)了飛秒激光技術(shù)的快速發(fā)展，表現(xiàn)為脈寬的縮小以及峰值功率的提升。

什么是飛秒？想象一下，光在如此短的時(shí)間，能跑多遠(yuǎn)？

假設(shè)地球上有個(gè)人將激光筆對(duì)著月亮，大概1.3秒后，激光就會(huì)達(dá)到月球表面。當(dāng)然得理想化一點(diǎn)，光沒有散射或損耗。而對(duì)于1皮秒的時(shí)間，光也就只能走頭發(fā)絲打個(gè)結(jié)的距離了。

1秒(s) =10E0s=1s;

1納秒(ns) =10E-9s=0.000000001s;

1皮秒(ps) =10E-12s=0.000000000001s;

1飛秒(fs) =10E-15s=0.000000000000001s;

從激光器的功率變化來看，飛秒激光技術(shù)經(jīng)歷了三代的發(fā)展。第一代是20世紀(jì)70年代發(fā)明的染料激光器，其脈沖寬度可縮短到幾十飛秒，然而由于儲(chǔ)能能力的限制，此時(shí)的脈沖能量只有微焦，峰值功率只有兆瓦。

隨著80年代寬帶固體激光介質(zhì)的出現(xiàn)，尤其是鈦寶石激光介質(zhì)，將飛秒激光技術(shù)推進(jìn)到第二代。

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者Strickland和Mourou提出的啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）使得激光的峰值功率可達(dá)拍瓦（PW,1PW=1015W）。

啁啾脈沖放大技術(shù)是超高峰值功率超短脈沖激光技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑,直接推動(dòng)了超強(qiáng)超短激光和強(qiáng)場(chǎng)激光物理等研究領(lǐng)域的誕生，同時(shí)也推動(dòng)了阿秒脈沖的產(chǎn)生。

第三代飛秒激光技術(shù)前沿技術(shù)是光參量啁啾放大技術(shù)（OPCPA）,人們不斷向著高峰值功率以及高平均功率激光發(fā)起挑戰(zhàn)。飛秒激光的脈沖寬度從幾飛秒到幾百飛秒不等，可以在理想的區(qū)域內(nèi)可控誘導(dǎo)材料發(fā)生化學(xué)和物理變化。

飛秒激光的脈沖時(shí)間短，能夠抑制激光作用區(qū)域周圍的熱影響區(qū)的產(chǎn)生，因而可以實(shí)現(xiàn)材料的高質(zhì)量加工。這是由于飛秒激光的脈寬小于光與物質(zhì)相互作用中電子聲子的耦合時(shí)間（1-100ps），此時(shí)激光能量大部分被電子所吸收并迅速轉(zhuǎn)移給晶格，而沒有熱擴(kuò)散損耗。因此，飛秒激光輻照區(qū)周圍的熱擴(kuò)散可以忽略，下圖(a)是傳統(tǒng)激光器加工時(shí)材料的熱影響，圖(b)是采用飛秒激光加工時(shí)材料的熱影響區(qū)。

1996年Chichkov等人分別使用納秒、皮秒以及飛秒激光在厚度為100微米的鋼材上進(jìn)行打孔。結(jié)果表明飛秒激光制備的孔熱影響區(qū)最小，制備結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量最高。

飛秒激光還具有超高的瞬時(shí)脈沖能量和高光子密度，可實(shí)現(xiàn)材料的非線性多光子吸收。下圖顯示了誘導(dǎo)電子激發(fā)的單光子和多光子吸收過程。

傳統(tǒng)的線性的光吸收即單光子吸收，當(dāng)材料的帶隙小于單個(gè)光子的能量時(shí)，此時(shí)材料吸收單個(gè)光子使得一個(gè)電子由價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶。若單個(gè)光子的能量小于材料帶隙時(shí)，線性條件下則無法激發(fā)電子從而沒有吸收過程。然而，當(dāng)入射到材料的光子密度極高時(shí)，即具有極高的光強(qiáng)。此時(shí)盡管光子能量小于帶隙，電子也能夠被多個(gè)光子激發(fā)，進(jìn)而從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶。此過程即為多光子吸收過程。飛秒激光因其超高的峰值功率以及高光子密度可實(shí)現(xiàn)材料的多光子吸收。因此，即便是對(duì)光透明的材料飛秒激光也能發(fā)生強(qiáng)烈光吸收進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工。值得一提的是，多光子吸收需要多個(gè)光子才能使電子發(fā)生躍遷，因此只有激光強(qiáng)度超過一定閾值才能對(duì)材料發(fā)生作用。這一非線性吸收特性使得飛秒激光能夠在透明材料內(nèi)部進(jìn)行輻照改性，因此飛秒激光具有強(qiáng)大的三維加工能力。

除此之外，飛秒激光具有超越衍射極限的加工精度。由于飛秒激光在輻照過程中的熱擴(kuò)散過程可以被忽略，因而其加工區(qū)域則被限制在光斑尺寸范圍內(nèi)。在相同波長(zhǎng)下同單光子吸收相比，多光子吸收可進(jìn)一步增強(qiáng)空間分辨率。

研究表明，多光子吸收過程中多光子吸收階數(shù)n與有效光束尺寸d的關(guān)系為：

其中d0為聚焦光束的實(shí)際尺寸。

因此對(duì)于多光子吸收過程，光束尺寸會(huì)隨著多光子吸收階數(shù)的增大而減小。因此非線性多光子吸收可以實(shí)現(xiàn)亞衍射極限的空間分辨率。同時(shí)飛秒激光具有較廣的材料選擇范圍。由于飛秒激光非線性吸收的特點(diǎn)，理論上只要脈沖寬度足夠窄，激光能量足夠強(qiáng)，便可實(shí)現(xiàn)任意材料的加工。

硬脆材料因其良好的光學(xué)特性和物理化學(xué)穩(wěn)定性（高透光率、耐高溫、耐腐蝕、高硬度等特點(diǎn)），可用于各種極端環(huán)境。例如，藍(lán)寶石在0.3-5μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透射率大于80%，可在極端環(huán)境中承受高溫和高壓，因此在紅外防反射窗口、高溫傳感等領(lǐng)域有著不可或缺的應(yīng)用。

飛秒激光直寫技術(shù)具有精度高、適用材料廣等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于制造復(fù)雜的三維微/納米結(jié)構(gòu)。然而，加工硬質(zhì)材料需要的高激光功率，會(huì)增加結(jié)構(gòu)的表面粗糙度，無法滿足器件的高質(zhì)量需求。為實(shí)現(xiàn)硬脆材料表面高質(zhì)量復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的制備，科研人員們提出了刻蝕輔助飛秒激光加工的方式。具體為使用飛秒激光誘導(dǎo)材料改性，在激光改性區(qū)域和原始材料之間形成顯著的刻蝕速率差異。然后，通過濕法或干法刻蝕工藝去除改性區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)材料表面的高質(zhì)量加工。

(2)干法刻蝕技術(shù) 干法刻蝕是半導(dǎo)體工藝中圖案轉(zhuǎn)移不可或缺的一種方法，它利用刻蝕氣體與材料之間的物理和化學(xué)反應(yīng)來去除材料。有幾種類型：離子束刻蝕（IBE）、反應(yīng)離子刻蝕（RIE）和電感耦合等離子體（ICP）刻蝕。

在這里我們對(duì)硬脆材料的干法刻蝕方法進(jìn)行了總結(jié)，如下表所示。

飛秒激光加工可實(shí)現(xiàn)任意圖案掩膜的制備。干法刻蝕后，圖案可以轉(zhuǎn)移到基底材料上，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的有效制備。

如下圖所示，通過一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，干法刻蝕可以有效地制造復(fù)雜的真三維結(jié)構(gòu)。研究人員開發(fā)了一種角度刻蝕方法，并將其應(yīng)用于ICP系統(tǒng)，制備出高質(zhì)量的金剛石三維結(jié)構(gòu)。

此外，研究人員利用雙光子聚合技術(shù)在藍(lán)寶石表面制備了聚合物微/納米結(jié)構(gòu)，然后通過干法刻蝕將聚合物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石上，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石非平面復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超平滑制備。

由于干法刻蝕圖形轉(zhuǎn)寫的高保真性，干法刻蝕輔助飛秒激光加工技術(shù)在制備硬脆材料上的微/納米結(jié)構(gòu)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。 (3)濕法刻蝕技術(shù)

濕法刻蝕技術(shù)旨在通過刻蝕溶液與材料之間的化學(xué)反應(yīng)去除材料。飛秒激光誘導(dǎo)的材料相變會(huì)改變材料的化學(xué)活性，從而影響刻蝕速率，配合濕法刻蝕技術(shù)可實(shí)現(xiàn)硬脆材料表面結(jié)構(gòu)加工。

一種材料往往有多種濕法刻蝕方式，在這里我們對(duì)常見硬脆材料的濕法刻蝕方式進(jìn)行了總結(jié)，如下表所示。

根據(jù)材料以及對(duì)應(yīng)刻蝕條件的不同，濕法刻蝕會(huì)表現(xiàn)出各向同性和各向異性的特點(diǎn)。如下圖所示，各向同性刻蝕速率在刻蝕過程中的所有方向上都是相同的，與晶軸和晶向無關(guān)。然而，各向異性刻蝕的刻蝕速率往往與晶軸和晶向有關(guān)，刻蝕后會(huì)出現(xiàn)晶面和位錯(cuò)。

飛秒激光加工具有很高的自由度，可以在材料內(nèi)部和表面制造任意的三維結(jié)構(gòu)。利用飛秒激光對(duì)材料進(jìn)行可控相變，可實(shí)現(xiàn)材料的定向刻蝕。利用濕法刻蝕輔助飛秒激光加工技術(shù)，研究人員在玻璃基底上制作出了各種高縱橫比的三維微流體通道。由于濕法刻蝕具有高選擇性，因此可用于制造高縱橫比結(jié)構(gòu)。濕法刻蝕輔助飛秒激光加工技術(shù)在硬脆材料的三維微納加工領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。