用于高效3D玻璃微加工的少脈沖飛秒激光曝光

以下文章來(lái)源于高能束加工技術(shù)及應(yīng)用

來(lái)自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員在Optics Express國(guó)際期刊上發(fā)表文章Few pulses femtosecond laser exposure for high efficiency 3D glass micromachining。

01論文導(dǎo)讀

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，基于激光的微/納尺度三維結(jié)構(gòu)制備技術(shù)一直是研究人員努力去解決的問(wèn)題。激光在加工過(guò)程中不去除任何材料，而是對(duì)其進(jìn)行局部改性，引入由一系列納米平面平行組成的自組織納米結(jié)構(gòu)。與激光誘導(dǎo)光聚合通過(guò)直接激光圖案化相反，基于玻璃的曝光-刻蝕方法是激光曝光的體積被移除，剩下的是非曝光區(qū)域，最終的特征尺寸和加工能力不僅取決于激光影響區(qū)和非影響區(qū)之間的化學(xué)刻蝕選擇性，而且還取決于刻蝕劑的擴(kuò)散過(guò)程。迄今為止，經(jīng)常使用的化學(xué)溶劑包括HF和KOH，但HF為強(qiáng)酸，需要特定的回收程序，處理復(fù)雜；KOH在高濃度時(shí)有較強(qiáng)的腐蝕性，因此本文研究了NaOH作為刻蝕劑的影響。

02論文概述

本文研究了氫氧化鈉(NaOH)作為刻蝕溶液時(shí)相較于氫氟酸(HF)和氫氧化鉀(KOH)的刻蝕對(duì)比度。在極低的凈曝光劑量下，研究了NaOH的刻蝕速率。最后證明，在極低的曝光劑量范圍內(nèi)，HF、NaOH和KOH的刻蝕增強(qiáng)機(jī)制是由缺陷的存在所驅(qū)動(dòng)的，而不是由納米光柵的存在所驅(qū)動(dòng)。

03圖文解析

圖1顯示了在給定的一組脈沖能量下，隨著曝光劑量的增加，三種刻蝕劑的蝕刻速率的比較。觀察到三種刻蝕劑刻蝕速率隨曝光劑量的變化整體呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，在脈沖能量大于200nJ時(shí)，三者刻蝕速率差異明顯。在脈沖能量為160nJ時(shí)，曝光劑量為10J/mm2處為三者刻蝕速率的峰值，其中NaOH在高劑量下的衰減速率更快。當(dāng)脈沖能量增加，在曝光劑量1.5J/mm2時(shí)出現(xiàn)了第二個(gè)峰值。當(dāng)脈沖能量大于180nJ，在曝光劑量區(qū)間內(nèi)，NaOH和KOH的刻蝕效率都高于HF，其中NaOH的刻蝕速率最高分別是HF的4倍和KOH的2倍。

圖1. 三種不同的刻蝕液：HF 2.5 % vol，KOH 45 % wt，和NaOH 5 % wt的刻蝕速率與曝光劑量的關(guān)系。探究了6種不同的脈沖能量：160 nJ ( A )、180 nJ ( B )、200 nJ ( C )、220 nJ ( D )、240 nJ ( E )、260 nJ ( F )。

圖2(A)、(B)和(C)分別顯示了三種刻蝕劑分別在兩個(gè)峰值處(1.5J/mm2和10J/mm2)的長(zhǎng)寬比隨脈沖能量的變化。長(zhǎng)寬比如(C)所示。根據(jù)(A)圖可以看出，NaOH形成圖案長(zhǎng)寬比在220nJ處接近400，相比于HF和KOH，受脈沖能量的影響較強(qiáng)。三種刻蝕劑的實(shí)際刻蝕結(jié)果如(B)所示。

圖2. ( A ) 3種刻蝕劑和6種不同脈沖能量下，2種曝光劑量下刻蝕線的長(zhǎng)寬比。( B )根據(jù)18小時(shí)后使用的刻蝕劑，對(duì)不同激光參數(shù)下的刻蝕過(guò)程進(jìn)行可視化比較。( C )比較了各種玻璃微加工技術(shù)獲得的長(zhǎng)寬比。

圖3顯示了在4中不同的脈沖能量和兩種光偏振態(tài)(垂直和平行)下，偏振刻蝕對(duì)比度和刻蝕速度隨曝光劑量的變化。偏振刻蝕對(duì)比度定義為兩個(gè)正交線偏振方向的刻蝕速率之間的差異。圖中實(shí)線表示偏振刻蝕對(duì)比度，點(diǎn)狀線表示平行偏振刻蝕速率。在3J/mm2到4J/mm2中的偏振刻蝕對(duì)比度均達(dá)到谷值，根據(jù)圖1結(jié)果，這個(gè)區(qū)間內(nèi)的垂直刻蝕速率達(dá)到谷值，而圖3中顯示的平行刻蝕速率達(dá)到峰值，因此導(dǎo)致了這個(gè)結(jié)果。三者都在極低的曝光劑量下，偏振刻蝕速率對(duì)比度最高。

圖3. 在不同的脈沖能量和三種腐蝕液( A ) HF，( B ) KOH和( C ) NaOH中，垂直和平行激光偏振與曝光劑量之間的刻蝕對(duì)比。

圖4顯示了不同溫度下，退火對(duì)三種刻蝕劑在不同曝光劑量下刻蝕速率的影響。(A)、(B)圖分別為脈沖能量在200nJ和240nJ下的影響。在300℃和500℃退火240 nJ脈沖能量后，缺陷密度的減少使相鄰缺陷之間的平均距離增加到一個(gè)對(duì)HF影響最小的值。因此HF的刻蝕速率基本不變。進(jìn)一步升高退火溫度，可能對(duì)二氧化硅基體產(chǎn)生的局部致密化效應(yīng)，變?yōu)楦?、更穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。HF刻蝕速率相比退火前刻蝕速率降低，表明HF刻蝕機(jī)制主要是玻璃結(jié)構(gòu)的孔隙率和相關(guān)的局部致密化。而KOH和NaOH的刻蝕機(jī)理主要由基體中存在的缺陷驅(qū)動(dòng)。

圖4. 對(duì)于固定脈沖能量為200 nJ ( A )和240 nJ ( B )，三種刻蝕劑( HF、KOH、NaOH)，在不同曝光劑量下，退火前后的刻蝕速率與沉積能量的比較。

04總結(jié)

本文結(jié)論如下：

在低曝光劑量下，對(duì)應(yīng)于大約10個(gè)重疊脈沖(其值為1.5J/mm2)的第一種模式，然后是第二種模式，其刻蝕速率具有局部最小值，然后是第三種模式，在較高劑量下，刻蝕最大值被恢復(fù)。

對(duì)于所研究的三種刻蝕劑，曝光劑量為1.5 J/mm2對(duì)應(yīng)的局部刻蝕最大值很少有脈沖重疊，所謂的納米光柵尚未明顯觀察到。第一種曝光機(jī)制僅在給定的脈沖能量閾值以上被觀察到，高于觀察修正的曝光機(jī)制。盡管刻蝕后沒(méi)有可見的自組織圖案，但根據(jù)線偏振取向，觀察到強(qiáng)烈的各向異性刻蝕行為。

HF酸基刻蝕劑表現(xiàn)出與氫氧化物基刻蝕劑不同的行為。而KOH和NaOH在低曝光劑量下的刻蝕速率最高，HF在低曝光劑量和高曝光劑量下的刻蝕速率都存在相似的局部極大值。500 ° C以下退火對(duì)低曝光劑量刻蝕行為影響顯著，最終完全抵消了NaOH和KOH在低脈沖能量下的刻蝕增強(qiáng)作用，而對(duì)HF刻蝕行為影響有限。

氫氧化鈉(NaOH)作為飛秒激光輔助3D微制造的刻蝕劑，與已知的基于HF和KOH溶液的替代方法相比，顯示出優(yōu)異的性能。它達(dá)到了前所未有的刻蝕速率300 μ m/h，是KOH的2倍，是HF的近4倍。