飞秒激光快速微纳加工用于半导体和难加工材料

2017-09-03 ASNChina 

   随着微纳制造技术的进步，器件不断的向微型化发展；而器件组分材料的的拓展和性能提升，又反过来对微纳加工技术提出了更高的要求。飞秒激光加工（femtosecondlaser micro-nanomachining）具有真三维加工能力和较高的加工分辨率，在微光学、微电子、微机械等领域具有广泛的应用前景。然而，利用飞秒激光加工直接烧蚀制备硬质材料微纳结构时，存在加工效率低和表面粗糙度大等问题。利用化学湿法腐蚀（Chemicalwet etching）去除激光改性区域可以在很大程度上解决这个问题，但化学湿法腐蚀所用的腐蚀液通常为强酸强碱，存在安全问题。而且通常为各向同性腐蚀（晶向依赖腐蚀除外），严重的横向腐蚀引起的图形转移失真，造成了其与半导体工艺的兼容性问题。

    针对以上问题，来自吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室的孙洪波Ÿ陈岐岱团队提出了干法刻蚀辅助飞秒激光加工技术（dry-etching-assistedfemtosecond laser machining, DE-FsLM），利用这种方法实现了密排布硅基微凹透镜阵列的可控制备。其主要思想是利用低能量激光快速扫描，通过逐点能量淀积产生的光改性活性区，精确定义CAD结；由于活性区与非改性区的干法刻蚀速率差距（刻蚀比）高达两个数量级，由此通过材料祛除可以实现复杂微纳结构的转移和制备。利用这一技术制备的硅基微透镜具有较高的表面质量，表面粗糙度仅有8纳米。通过调控激光脉冲能量、脉冲数以及刻蚀时间等参数，他们实现了透镜直径与高度的独立调控。为了进一步验证硅基微凹透镜的表面质量，他们利用反射式成像系统对其进行了光学成像的测试，获得了较好的成像效果。并且利用此硅基微凹透镜阵列为模板实现了聚合物（PDMS）微凸透镜阵列的转写制备。另外，他们通过两种方式验证了干法刻蚀辅助飞秒激光加工技术与半导体工艺的兼容性：在现有半导体器件上实现微纳结构的集成，以及将飞秒激光加工过程插入到光刻工艺中，结合干法刻蚀实现复杂器件的集成。

    作者以硅为例，对干法刻蚀辅助飞秒激光加工技术原理及方法进行了探索研究。验证了其对硬质材料进行精密微纳制造的可行性。该方法已经推广到蓝宝石、金刚石等难加工硬质材料微纳器件的制备中。相关论文发表在Laser& Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.201600115)上，并被选为当期背封面论文(DOI：10.1002/lpor.201770032)，作者为 Xue-Qing Liu, Qi-Dai Chen*, Kai-Min Guan, Zhuo-Chen Ma, Yan-Hao Yu, Qian-Kun Li, Zhen-Nan Tian and Hong-Bo Sun*。原文链接如下，也可点击下方“阅读原文”http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201600115/full。