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高分辨率激光直接书写

发布:HPLSEeditor    |    2018-06-13 19:14    阅读:168
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Joel K W Yang的团队并不是第一个被细织物破坏激光写入结构而困扰的团队,但他们却是第一个利用它来书写10纳米以下特征尺寸的团队。Yang指出,“许多有趣的物理现象,例如量子限制和等离激元场增强,都发生在这些尺度上。”

新加坡科技设计大学(SUTD)的Yang副教授一直致力于高分辨率纳米加工及其应用的研究。他曾经使用电子束光刻技术轻易地实现了10纳米以下特征尺寸的书写,现在他将研究重点转向激光直写(DLW),并致力于研究激光直写可以达到的分辨率极限。

离子束和电子束光刻技术需要真空环境,并且效率低、设备复杂,而激光直写相对于它们具有速度快和设备简单的优点。但是,激光直写一般上仅限于几百纳米尺度的特征尺寸,这比离子束和电子束光刻尺寸大了10倍之多。其实,更小的特征尺寸可以通过改装设备并结合受激辐射衰减光刻技术来实现,但是令Yang更感兴趣的是通过基本方法达到尺寸极限。当他的学生抱怨无法摆脱网状结构的影响时,Yang建议说:“我们不去摆脱它们,而是去研究如何控制它们。”

强度的重要性

激光直写利用双光子吸收在树脂中产生交联分子,然后交联分子结合到树脂上激光束“写入”结构的位置,剩余的树脂之后被清除掉。Yang和他的同事实验过程中使用的是780nm波长的激光。当树脂吸收波长低于400nm的光时,它将仅吸收光束焦点处的光,而焦点处的光线强度允许它吸收两个能量较低的780nm波长的光子。

问题在于细线仍然会在激光焦点写入位置的外部形成。Yang指出,“功率高于阈值的激光可以在束流后进行聚合物交联,而低功率的激光则会导致尾流中交联分子浓度降低。我们认为在低功率情况下需要一个渗透通道来进行交联,因此必须有浓度足够高的区域。”

为了利用这些现象,Yang和他的同事们用半功率的激光来控制这些细线从一个结构壁向另一个扩散。通过这种方式,他们可以写入20纳米级的特征尺寸,并达到80%的成品率,一些细线的宽度只有7纳米,相距仅33纳米。细线在残余拉伸应变作用下会发生长大,如果结构壁没被很好地固定在基材上,则会被长大的细线拉扯下来。然而,Yang指出,这种应变实际上有助于使细线变的更细。

Yang说,“有这样一场比赛,你拿起吸管,拉伸它使它变细,然后用它拉锯对方的吸管,看看谁的吸管先坏,这是类似的道理。”

激光直写的进一步发展

随着树脂化学性能的改善,交联材料具有更强的结构完整性以抵抗破裂,所以Yang认为应该可以写入更小的特征尺寸。他们团队已经进行了试验,编写了一系列可以垂直移动的细线,以便在细线没有合并时可以获得更近的横向间距。虽然Yang希望细线与固定结构的角度被限制在法线的10°以内,因为这是最短的渗透通道,但其实按照非法线角度进行构图也是可以实现的。

Yang仍然渴望能够更好地了解亚阈值强度下超细小结构激光直写的机理,并希望能够提高写入特征的均匀性。目前,写入的细线朝邻壁方向生长得更厚,这很有可能是由热效应引起的。

可能的应用包括用作等离激元结构和4D打印的模板抗蚀剂,其中应变可当作驱动器用于打印在空间和时间上定义的动态结构。

(a-c)随机成核:聚合物均匀随机生成,形成杂乱的纳米结构。往往是大结构的副产物。 (d-f)定向成核:利用低于阈值的激光进行引导,形成有规律的纳米结构。可打印10纳米级别的结构。 (g-i)正常交联过程:激光强度高于阈值,产生足够多的聚合物形成宽大的结构。这类结构往往在100纳米级别。

图1 随机成核,定向成核和正常交联过程

来源:https://physicsworld.com/a/high-resolution-direct-laser-writing-exploits-scruffy-edges/

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