用于高效3D玻璃微加工的少脉冲飞秒激光曝光

以下文章来源于高能束加工技术及应用

来自洛桑联邦理工学院的研究人员在Optics Express国际期刊上发表文章Few pulses femtosecond laser exposure for high efficiency 3D glass micromachining。

01论文导读

自20世纪80年代以来，基于激光的微/纳尺度三维结构制备技术一直是研究人员努力去解决的问题。激光在加工过程中不去除任何材料，而是对其进行局部改性，引入由一系列纳米平面平行组成的自组织纳米结构。与激光诱导光聚合通过直接激光图案化相反，基于玻璃的曝光-刻蚀方法是激光曝光的体积被移除，剩下的是非曝光区域，最终的特征尺寸和加工能力不仅取决于激光影响区和非影响区之间的化学刻蚀选择性，而且还取决于刻蚀剂的扩散过程。迄今为止，经常使用的化学溶剂包括HF和KOH，但HF为强酸，需要特定的回收程序，处理复杂；KOH在高浓度时有较强的腐蚀性，因此本文研究了NaOH作为刻蚀剂的影响。

02论文概述

本文研究了氢氧化钠(NaOH)作为刻蚀溶液时相较于氢氟酸(HF)和氢氧化钾(KOH)的刻蚀对比度。在极低的净曝光剂量下，研究了NaOH的刻蚀速率。最后证明，在极低的曝光剂量范围内，HF、NaOH和KOH的刻蚀增强机制是由缺陷的存在所驱动的，而不是由纳米光栅的存在所驱动。

03图文解析

图1显示了在给定的一组脉冲能量下，随着曝光剂量的增加，三种刻蚀剂的蚀刻速率的比较。观察到三种刻蚀剂刻蚀速率随曝光剂量的变化整体呈现相似的趋势，在脉冲能量大于200nJ时，三者刻蚀速率差异明显。在脉冲能量为160nJ时，曝光剂量为10J/mm2处为三者刻蚀速率的峰值，其中NaOH在高剂量下的衰减速率更快。当脉冲能量增加，在曝光剂量1.5J/mm2时出现了第二个峰值。当脉冲能量大于180nJ，在曝光剂量区间内，NaOH和KOH的刻蚀效率都高于HF，其中NaOH的刻蚀速率最高分别是HF的4倍和KOH的2倍。

图1. 三种不同的刻蚀液：HF 2.5 % vol，KOH 45 % wt，和NaOH 5 % wt的刻蚀速率与曝光剂量的关系。探究了6种不同的脉冲能量：160 nJ ( A )、180 nJ ( B )、200 nJ ( C )、220 nJ ( D )、240 nJ ( E )、260 nJ ( F )。

图2(A)、(B)和(C)分别显示了三种刻蚀剂分别在两个峰值处(1.5J/mm2和10J/mm2)的长宽比随脉冲能量的变化。长宽比如(C)所示。根据(A)图可以看出，NaOH形成图案长宽比在220nJ处接近400，相比于HF和KOH，受脉冲能量的影响较强。三种刻蚀剂的实际刻蚀结果如(B)所示。

图2. ( A ) 3种刻蚀剂和6种不同脉冲能量下，2种曝光剂量下刻蚀线的长宽比。( B )根据18小时后使用的刻蚀剂，对不同激光参数下的刻蚀过程进行可视化比较。( C )比较了各种玻璃微加工技术获得的长宽比。

图3显示了在4中不同的脉冲能量和两种光偏振态(垂直和平行)下，偏振刻蚀对比度和刻蚀速度随曝光剂量的变化。偏振刻蚀对比度定义为两个正交线偏振方向的刻蚀速率之间的差异。图中实线表示偏振刻蚀对比度，点状线表示平行偏振刻蚀速率。在3J/mm2到4J/mm2中的偏振刻蚀对比度均达到谷值，根据图1结果，这个区间内的垂直刻蚀速率达到谷值，而图3中显示的平行刻蚀速率达到峰值，因此导致了这个结果。三者都在极低的曝光剂量下，偏振刻蚀速率对比度最高。

图3. 在不同的脉冲能量和三种腐蚀液( A ) HF，( B ) KOH和( C ) NaOH中，垂直和平行激光偏振与曝光剂量之间的刻蚀对比。

图4显示了不同温度下，退火对三种刻蚀剂在不同曝光剂量下刻蚀速率的影响。(A)、(B)图分别为脉冲能量在200nJ和240nJ下的影响。在300℃和500℃退火240 nJ脉冲能量后，缺陷密度的减少使相邻缺陷之间的平均距离增加到一个对HF影响最小的值。因此HF的刻蚀速率基本不变。进一步升高退火温度，可能对二氧化硅基体产生的局部致密化效应，变为更大、更稳定的环状结构。HF刻蚀速率相比退火前刻蚀速率降低，表明HF刻蚀机制主要是玻璃结构的孔隙率和相关的局部致密化。而KOH和NaOH的刻蚀机理主要由基体中存在的缺陷驱动。

图4. 对于固定脉冲能量为200 nJ ( A )和240 nJ ( B )，三种刻蚀剂( HF、KOH、NaOH)，在不同曝光剂量下，退火前后的刻蚀速率与沉积能量的比较。

04总结

本文结论如下：

在低曝光剂量下，对应于大约10个重叠脉冲(其值为1.5J/mm2)的第一种模式，然后是第二种模式，其刻蚀速率具有局部最小值，然后是第三种模式，在较高剂量下，刻蚀最大值被恢复。

对于所研究的三种刻蚀剂，曝光剂量为1.5 J/mm2对应的局部刻蚀最大值很少有脉冲重叠，所谓的纳米光栅尚未明显观察到。第一种曝光机制仅在给定的脉冲能量阈值以上被观察到，高于观察修正的曝光机制。尽管刻蚀后没有可见的自组织图案，但根据线偏振取向，观察到强烈的各向异性刻蚀行为。

HF酸基刻蚀剂表现出与氢氧化物基刻蚀剂不同的行为。而KOH和NaOH在低曝光剂量下的刻蚀速率最高，HF在低曝光剂量和高曝光剂量下的刻蚀速率都存在相似的局部极大值。500 ° C以下退火对低曝光剂量刻蚀行为影响显著，最终完全抵消了NaOH和KOH在低脉冲能量下的刻蚀增强作用，而对HF刻蚀行为影响有限。

氢氧化钠(NaOH)作为飞秒激光辅助3D微制造的刻蚀剂，与已知的基于HF和KOH溶液的替代方法相比，显示出优异的性能。它达到了前所未有的刻蚀速率300 μ m/h，是KOH的2倍，是HF的近4倍。