以下文章來源于高能束加工技術(shù)及應(yīng)用
來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員在Optics Express國際期刊上發(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,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題。激光在加工過程中不去除任何材料,而是對其進(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)作為刻蝕溶液時相較于氫氟酸(HF)和氫氧化鉀(KOH)的刻蝕對比度。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)動的,而不是由納米光柵的存在所驅(qū)動。
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,在脈沖能量大于200nJ時,三者刻蝕速率差異明顯。在脈沖能量為160nJ時,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時出現(xiàn)了第二個峰值。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峰值處(1.5J/mm2和10J/mm2)的長寬比隨脈沖能量的變化。長寬比如(C)所示。根據(jù)(A)圖可以看出,NaOH形成圖案長寬比在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寬比。( B )根據(jù)18小時后使用的刻蝕劑,對不同激光參數(shù)下的刻蝕過程進(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,偏振刻蝕對比度和刻蝕速度隨曝光劑量的變化。偏振刻蝕對比度定義為兩個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中的偏振刻蝕對比度均達(dá)到谷值,根據(jù)圖1結(jié)果,這個區(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)致了這個結(jié)果。三者都在極低的曝光劑量下,偏振刻蝕速率對比度最高。
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比。
圖4顯示了不同溫度下,退火對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對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,可能對二氧化硅基體產(chǎn)生的局部致密化效應(yīng),變?yōu)楦蟆⒏€(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。
圖4. 對于固定脈沖能量為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,對應(yīng)于大約10個重疊脈沖(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)。
對于所研究的三種刻蝕劑,曝光劑量為1.5 J/mm2對應(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。
-
激光
+關(guān)注
關(guān)注
19文章
3249瀏覽量
64797 -
三維
+關(guān)注
關(guān)注
1文章
512瀏覽量
29036 -
刻蝕
+關(guān)注
關(guān)注
2文章
192瀏覽量
13174
原文標(biāo)題:洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院|用于高效3D玻璃微加工的少脈沖飛秒激光曝光
文章出處:【微信號:深圳市賽姆烯金科技有限公司,微信公眾號:深圳市賽姆烯金科技有限公司】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論