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1、飞秒微加工技术的应用与研究 摘要：本论文介绍了飞秒微加工技术在国内外的发展状况，分析了飞秒微加工的物理机制、方法及优势，重点研究了飞秒微加工技术在信息存储、微电子加工及生物医学领域的应用，并展望了其未来的发展趋势。关键词：飞秒激光器；飞秒微加工；微加工机制；微加工应用 Femtosecond Micromachining Technology and Its Application Abstract: In this paper the author introduced the present status of femtosecond micromachining and analyzed
2、 its physical mechanism, machining methods, and advantages. Especially the author studied the applications in information storage, micro-electronics manufacture, and biomedicine field. Finally the author looked forward to the future of the technology.Keywords: femtosecond laser, femtosecond micromac
3、hining, micromachining mechanism, micromachining application. 目录1、引言12、飞秒微加工特点23、微加工的物理机制研究44、飞秒微加工方法及结果分析54.1飞秒微加工方法54.2飞秒激光微处理的结果65、飞秒微加工应用研究75.1在信息技术领域应用75.2在微电子制造领域应用85.3在生物医学领域应用96、总结与展望10参考文献11飞秒微加工技术的应用与研究1、引言我们知道激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的
4、热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。我们日常生活中的时钟时间的分辨率是秒，而飞秒激光器对时间的分辨率可以达到飞秒的程度，所以叫做飞秒激光器。随着科技的飞速发展，飞秒激光微加工技术在国内外的研究有了很大的突破：（1）金属纳米颗粒加工：自1993年Heng
5、lein A等人首次利用激光消融法制备金属纳米颗粒以来，许多研究小组制备出高纯度、粒度分布均匀的金属纳米颗粒。Link H等人进一步控制飞秒激光的能流密度和照射时间，将金属纳米棒完全融化为金属纳米点。与其它激光脉冲相比，飞秒激光改变的金属颗粒尺寸大小和特定形状，使金属纳米颗粒特别是贵金属(Au、Hg、Pt、Pd等)在催化、非线性光学、医用材料科学等领域具有广阔的应用前景。（2）金属掩模板加工：新加坡南洋科技大学Venkatakrishnan K等人利用飞秒激光直写方法制作了以金属薄膜为吸收层、石英为基底的金属掩模板，并将前入射与后入射两种方案作了比较，发现采用前入射的方法能够得到更小的特征尺寸
6、和好的边缘质量。并且利用飞秒激光超衍射极限加工有效地修补了金属镉掩模板的缺陷，修复的线宽达到小于100 nm的精度。目前构建的飞秒激光修正光掩模板工具已在IBM的柏林顿、佛蒙特州的掩模制作设备中运行。这对微电子技术的发展将具有重要意义。（3）复杂的微结构加工：耐热玻璃上的水渠道结构(图1)，边缘质量较好。但结构的精确性、表面和底端形态还有待改进；光敏树脂里面制作的世界上最小的人造动物模型：10m长，7m高的公牛；ScR500树脂内制备的约10m的微型金字塔和房子模型；光刻胶上飞秒双光子聚合(Two-Photon P01ymerization：TPP)的微型蜘蛛和恐龙模型(图2)等。图1 耐热玻
7、璃上深4的水渠道结构 图2 TPP加工的微小蜘蛛（a）和恐龙模型（b）的扫描电子显微镜图 这些都为飞秒激光加工将在高密度内联接印刷电路板、MEMS制造、微纳米过滤技术中具有良好的工业应用前景奠定了基础。2、飞秒微加工特点飞秒脉冲激光具有以下两个特点：脉冲持续时间短。飞秒脉冲的持续时间可以短至几个飞秒，而光在1飞秒内仅仅传播0.3nm,比大多数细胞的直径还要短；峰值功率极高。飞秒激光将脉冲能量集中在几个至几百个飞秒的极短时间内，因此其峰值功率很高。例如，将1的能量集中在几个飞秒时间内并会聚成10光斑，其光功率密度可达到1018W/cm2，将其换算成电场强度则为21012V/m，为氢原子中库仑场强
8、（51011V/m）的4倍，这就有可能将电子从原子中直接剥离出来。较小的损伤阈值。激光加工在时间上可分为两个阶段:(l)激光与材料相互作用，即激光吸收与材料加热;(2)材料熔化和汽化过程，即材料去除过程。因此，对特定波长的激光来说，材料可分为:吸收材料(如金属和大多数半导体对可见光来讲就是吸收材料)和透明的介电材料(如玻璃对可见光来讲就是透明材料)。对吸收材料，其中存在大量的自由电子，通过焦耳加热（又称为逆韧致吸收)过程吸收激光能量，材料本身被加热。当激光脉冲宽度下降到一定程度，损伤阂值将与激光脉冲宽度无关。对透明材料，激光损伤过程可以有两种方式:雪崩电离和多光子电离；其中雪崩电离过程中，如果
9、激光能流足够高，那么，自由电子的密度就会像雪崩一样，以指数形式上升，一旦等离子体达到临界密度，透明材料就变成吸收材料，损伤即将发生；在多光子电离过程中，只有在极高的激光场强下，多光子电离才能占优势。而长脉冲激光场强较低，多光子电离过程可忽略不计，激光损伤以雪崩电离过程为主。较小的热区影响。由于超短脉冲激光能量被限制在趋肤深度的范围内，而且作用时间极短，能量还没来得及扩散，材料已经被加热到极高的温度，直接以汽相蒸发，这样在材料内形成很大的温度梯度，并且材料以汽相蒸发带走大部分热量，使得周围热影响区很小。较高的加工精度。由于超短脉冲激光的烧蚀阈值很精确，因此将激光的能量控制在正好等于或略高于烧蚀阈
10、值，则只有高于烧蚀阈值的部分产生烧蚀，可进行低于衍射极限的亚微米加工。由于透明材料为脆性材料，长脉冲激光加热产生的热应力使之在损伤的同时发生破裂并有碎片飞出，故无法进行加工，而超短脉冲激光产生的热影响区很小，所以，可进行精加工。由于飞秒激光具有上面所述的特点，较原有的长脉冲激光在加工领域有许多不可替代的独特优势。（1）加工结果的精确性。由于飞秒激光可避免传统脉冲红外和可见激光与材料作用时热影响区域大的特点，从而提高了激光加工的精确程度；（2）加工材料的广泛性。飞秒激光加工过程中，脉冲的超高峰值使得材料对入射激光进行多光子吸收，而非线性共振方式吸收，造成飞秒激光加工高度依赖于激光强度，并具有确定
11、阈值的特性，因此当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时，飞秒激光可以实现对任何材料的精细加工、修复和处理，而与材料的种类和特性无关。此外，飞秒激光在能量损耗方面所具有的低耗性。在加工中所具有的加工尺寸的亚微米特性也是长脉冲激光所无法比拟的。3、微加工的物理机制研究 飞秒激光微加工的研究、试验大多都是探索性的,多与长脉冲情形相比较而确定飞秒激光的烧蚀特性,在一定程度上解释了飞秒激光与物质相互作用的物理本质。目前理论研究较系统的材料有金属和透明介质。(1)金属：前苏联Anisimov S I等人于1975年第一次提出了超短脉冲烧蚀金属材料的双温模型。该模型从一维非稳态热传导方程出发,考虑到超短脉冲作用
12、时,存在光子与电子、电子与晶格两种不同的相互作用过程,列出了电子与晶格的温度变化微分方程,即双温方程。一些学者以该模型为基础,在不同的激光脉宽下对双温方程进行约化,求得解析解1。发现当激光脉宽远远小于晶格的受热时间时,烧蚀时间不依赖于激光脉宽2。试验得到的金属铜材料的烧蚀速率与双温模型基本一致。1999年, Falkovsky L A和MshchenkoE G基于玻尔兹曼方程和费米狄拉克配分函数提出热电子爆炸模型来描述金属材料中的超快形变。2002年,Chen JK等人综合双温模型及电子爆炸模型,假定单轴应变三维高压条件,提出了一系列相关联的瞬时热弹性变形方程3。数值结果表明,超短激光脉冲烧蚀
13、过程中,非熔融态损伤占支配地位,这种非熔融态损伤的主要动力来源于热电子爆炸力。(2)透明介质：1990年,HandD P和RussellP StJ根据K-K(Kramers-Kronig)因果关系提出了色心模型4,该模型的前提是假设光敏效应产生于缺陷处局域电子的激发。在一定范围内解释了折射率变化的原因。但Russell、Williams等人分别通过吸收光谱测量及进行K-K变换发现得到的折射率变化与实验结果有两个数量级的差异。随后有学者提出了偶极模型、压力模型、应力压缩模型等。1997年,哈佛大学MauE领导的小组研究了飞秒激光在熔融SiO2、BK7光学玻璃等透明材料内部产生的微爆炸现象5。除化
14、学气相沉积金刚石外,均导致了直径为亚微米的立体像素,通过分析表明:飞秒激光在透明介质中引发的强烈自聚焦效应使激光焦斑尺寸小于衍射极限,微爆炸形成一个微腔,腔周围是高密度材料。2002年,德国He-nykM等人分析了飞秒激光烧蚀蓝宝石,表明烧蚀的基本过程是由于表面爆炸即库仑爆炸所引起的。另外,该小组还研究了飞秒激光烧蚀NaCl及BaF2等宽带隙晶体材料,同样证实了库仑爆炸的合理性。2003年,EgidijusVanagas等人采用纳焦能量的飞秒激光在硼酸硅玻璃形成丘状纳米结构,烧蚀机理与库仑爆炸相一致6。丘状烧蚀物没有明显的熔融和环形凹痕,受损部位的横向尺寸小于聚焦样品表面的焦斑4至5倍,这与多
15、光子效应所导致的破坏机理相一致。总之,关于飞秒激光与材料相互作用的物理机制, 目前还没有一个统一的看法,这个问题仍然是未来研究的热点。飞秒激光脉冲的光束特性决定了他是激光微细加工中最理想的工具12。飞秒激光加工可以实现小于焦点光斑尺寸的精度加工,原因在于多光子吸收的光强依赖性。首先,飞秒激光加工时存在着准确的多光子吸收阀值。从光和物质相互作用的角度而言,飞秒激光是在极短的时间、极小的空间尺度、极端的物理条件下对物质进行加工,其过程与传统的激光加工线性吸收不同,主要涉及多光子吸收13。多光子吸收与照射的激光强度Ip以及电磁场强度密切相关,强的激光强度同时又激励了强的电磁场,这样极大的刺激了多光子
16、吸收。当激光强度Ip位于10121014 W/cm2时，材料中的电子将同时吸收多个光子,在高强度激光电磁场中可以容易地从原子和分子中剥离电子而产生电离;当激光强度Ip增加到10141016W/cm2时,激光强光场产生的电势将使得原子固有势垒在一定程度上得到抑制,从而导致电子通过隧道效应获得电离;当激光强度继续增加, Ip大于1016W/cm2时,强场势能使得电子从原子束缚中彻底逃逸。这些电离产生的电子作为种子电子,又可以进一步吸收光子产生更多的自由电子。这些种子电子密度不依赖于外在介质,并且不呈现大的统计波动,光对物质的作用就从统计属性变成了一种确定行为,具有准确的加工阀值14。其次,激光光束
17、光强在空间呈高斯分布或类高斯分布15,聚焦光斑的能量分布不均匀,使得光斑内的光强分布存在很大的梯度,这样聚焦到物质上的激光强度Ip就是位置x和时间t的函数。光斑中心区域的光强极高,超过了多光子吸收阀值;而其它部分的光强相对较低,低于多光子吸收阀值。对于能量有限的飞秒激光脉冲而言,只有超过多光子吸收阀值的照射区域,才会出现明确的加工行为。所以,这就不难理解飞秒激光加工时得到小于聚焦光斑尺寸的加工精度了。4、飞秒微加工方法及结果分析4.1飞秒微加工的方法 飞秒激光微加工的实验技术手段主要包括直写、干涉和投影制备等方法。直写加工比较灵活且具有较高的自由度,常用于各种点、线扫描;干涉方法常用于加工多维
18、空间周期结构;投影成型技术可以在材料表面制备任意形状的二维图案。（1）直写 早期曾使用过染料激光器进行加工，目前主流的飞秒激光微加工实验装置是商业化的掺钛蓝宝石的啁啾脉冲放大系统。具体激光参数包括:中心波长为800 nm左右,脉宽为几十到几百飞秒,单脉冲能量已达到毫焦量级,重复频率为1103kHz量级可调谐。为了减小加工中热效应的累积,可将重复频率降得更低。直写是飞秒激光微加工的基本方法,以下参数对飞秒激光直写加工有重要意义：1)直写方向:横向直写和纵向直写了；2)脉冲重复频率:通常认为几百到兆赫兹为低重复率,高于兆赫兹的为高重复率；3)脉冲能量:通常认为单脉冲能量在纳焦量级的为低能量,微焦量
19、级的为高能量；4)扫描速度:5200m/s为低速扫描,150mm/s为快速扫描。横向直写通常用于线扫描,由于焦斑光强分布的纵向深度一般比横向尺度大,激光修饰区的横截面纵横比较大。为了减小这种差别可以使用数值孔径比较大的物镜聚焦,或者在光束中添加其他光学元件调整脉冲强度的空间分布。纵向直写又可分为自上表面向下扫描和自下表面向上扫描两种模式。在纵向直写加工模式下,激光辐照区的横截面通常是圆形,但是自上而下进行纵向加工时飞秒激光束受烧蚀区的散射作用较大,会影响加工质量。（2）干涉 飞秒激光在整个脉冲宽度内具有极好的相性。当从同一光束分出的两束或两束以上的光束干叠加时会形成强度周期性调制的电磁场,与材
20、料作用时能产生相应的周期性微结构。脉冲时间越短,相干区域越小,对于两束夹角为的光束,相干区的尺寸为 (5) 干涉条纹的数量为 (6)式中为真空中激光的波长。通过飞秒激光双光束干涉、多光束干涉结合多次曝光和多层干涉等技术可以在各种材料表面和体内制备一维、二维和三维等复杂周期结构。4.2飞秒激光微处理的结果 激光辐照介质材料时引起的变化按作用光强可以分为两类:当激光强度低于损伤阈值时会产生一些非破坏性的可逆相变,如光折变效应、色心形成和一些特殊玻璃(如硫系玻璃等)中的暗化效应等;当激光强度超过光损伤阈值时会引发材料不可逆的结构变化11。超短脉冲激光加工各种玻璃(石英玻璃、硼硅酸盐玻璃等)和透明聚合
21、物(如PDMA,SU-8等)时,目前研究得比较多的主要包括如下几类现象：（1）超过阈值的激光烧蚀造成的表面物理损伤；（2）微爆炸或冲击波形成的体内微孔结构；（3）色心缺陷造成的暗化或着色现象；（4）材料的致密化或其他原因导致的局部折射率修饰；（5）单束飞秒激光作用引起的自组装周期结构等。通常飞秒激光诱导出的微结构是各种效应综合作用的结果,很难用单一的机制解释清楚,这种作用机制有待进一步研究。5、飞秒微加工应用研究飞秒激光微加工技术在超高速光通讯、强场科学、纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用和潜在的市场前景。5.1、 在信息技术领域的应用在传统光通信领域,许多光子学器件的制备基于硅基的平板光
22、波线路技术,如光栅波导阵列和1N光学分束器等已用于商业用途。这种技术使波导相互连接、光路插接和波图3 三维微环谐振器示意图(a)主视图;(b)侧视图导三维交叉变得灵活而方便,而使用飞秒激光适当控制各种加工参数可以直接在平板光波线路上加工并连接部分平板光路,并且连接损耗较小9。通过纵向移动样品,还可以在材料内部不同深度制备各种微结构,实现真正的三维光集成,如三维光学耦合器、光学微环谐振腔等10 (图3)。这种器件制备简单灵活,结构紧凑高度集成,在光通信领域具有广泛应用。光通信的高速率、大容量和宽带宽的发展方向,要求光电器件的高度集成化。而集成化的前提是光电器件的微型化。因此,光电器件的微型化是当
23、前光通信领域研究的前沿和热点。近年来,相比传统的光电技术,飞秒激光微加工技术将成为新一代光电器件的制造技术。国内外学者在光波导的制备技术等诸多方面进行了有益的探索,取得了很大的进展。5.2 在微电子制造领域的应用 现代微电子产业在本质上是以芯片的集成制造为核心，而光掩模和光刻技术是处在这一核心链中的一个关键环节。它是联络集成电路设计与制造的纽带，光掩模和光刻技术水平和质量就成为集成电路产品、质量和生产效率的关键。（1）飞秒激光实现对光掩模缺陷的修复。随着超高速、超高频、超高集成度电路及器件的研制和开发，线宽的特征尺寸已进入深亚微米、百纳米以至纳米级。对于如此复杂的光掩模，要实现毫无缺陷的制作过
24、程将变得非常困难，甚至不太可能。国际著名的半导体制造商SEMATECH公司已经将此困难列为限制下一代微芯片发展的主要因素。这些缺陷通常包括在光掩模版上的某个非合适位置处残留有多余的金属吸收体。它们的去处必须让该位置对光具有高透射率，同时又不能损伤衬底硅材料及其相邻的区域，应用传统的纳秒激光烧蚀技术很难满足这种要求，而聚焦离子束（FIB）实现的最小修补线宽为0.35m。2002年10月,IBM公司的研究人员报道了光掩模缺陷修复技术的新突破7。他们使用持续时间为100fs三倍频波长为266nm的深紫外飞秒光激光脉冲，对掩模版上残留的铬吸收体进行了去除。在此过程中，不仅由于飞秒激光的多光子吸收效应突
25、破了光学衍射的限制，实现了修复线宽小于100nm的加工精度。而且由于吸收体材料的直接等离子化，避免了对周围区域的热损伤。在如下图，黑色部分为金属铬吸收材料的覆盖区域，白色部分为裸露的硅衬底，线宽为0.75其中图4为具有缺陷的光掩模图像，显然在反转的“L”线型和竖线中间存在一部分多余的铬吸收体。如图4为飞秒激光修复后的光掩模图像，修复后刻线的边缘具有很高的锐度，这对于制造高质量的集成电路芯片至关重要，光掩模修复的整个过程均暴露在空气中进行，无需特殊的真空环境。修复后也未发现碎片的产生和衬底硅的损伤。这一技术为工业上生产亚100nm线度无缺陷光掩模提供了新的工具。 图4 飞秒激光修复光掩模（2）飞
26、秒激光直写技术实现对光掩模有效、快速的新型制造。光掩模（Photomask）是指根据IC器件设计版图数据进行定制的、载有集成电路图形结构的高纯精密石英玻璃版，其作用相当于一个模具，它是半导体微细加工和制造业的重要前提。目前它的制造通常采用平版印刷方法。这一技术的原理就是将光投射到表面具有感光材料外层的衬底硅基片，光照射到的地方感光层将变硬，经过显影、定影等处理后其余的地方被除去，从而在硅片上将出现迷宫一样的细微电路。这种技术的关键是对照射光波长的控制，由于聚焦衍射光斑受到照射波长衍射的限制，波长越短，“印出”的电路就越细，越清晰。5.3在生物医疗领域的应用飞秒激光具有“冷”加工、能量消耗低、损
27、伤小、准确度高、三维空间上严格定位的优点,最大限度地满足了生物医疗的特殊要求:手术风险低,可对同一患处进行多次手术,治疗愈合周期短；相比传统手术刀,医源性感染少；“全激光”手术,无刀胜有刀,精确度高；无痛,无并发症。目前,在此方面取得的研究进展有:在牙齿、隐形眼镜上钻孔8,边缘干净、无损伤；非热性手术切割烧蚀脑组织样品；纳米切割人体染色体；制作血管支架,力学性能好,可望解决血管再狭窄问题,即治疗冠心病；飞秒激光飞行质谱DNA排序16；飞秒激光激发的荧光显微术对小鼠植入前胚胎内细胞中的钙信号和染色体实现真正的三维、四维实时成像17等。最具有现实意义的是美国IN-TRALASE公司的Intrala
28、se飞秒激光,可以按任何角度、形状设计制作光滑而且厚度均匀一致的角膜瓣,精确到 10m。至今Intralase飞秒激光的LASIK手术已经超过30万例,临床统计它的精度要超过传统角膜刀100多倍。IntraLase“飞秒激光”的出现,使人类第一次在眼角膜手术上离开了手术刀,真正实现了“全程无刀手术”。现在科研者正努力将其用于青光眼及白内障等手术中。在生物医学中,飞秒激光仅局限为一种外科手术工具,要想将其广泛用于医学诊断、生物活体检测、蛋白质分析等方面,还有许多技术层面上的问题需要研究和解决。6、总结与展望当今世界的许多最新科研成果、前沿技术和高新技术等18,已被运用于飞秒激光加工这一全新的加工
29、技术,他以其独特优越性能正在打破以往传统的激光加工方法,开创了材料超精细、无热损伤和3D空间加工和处理的新领域,日益引起人们的兴趣和研究热潮,无论在加工机理、还是在加工应用的深化或者推广都需要更进一步地深入研究。今后研究的热点和重点首先是提高飞秒激光光束本身的质量,这方面将集中于提高飞秒激光器的波长变化范围和脉冲波形控制功能,使飞秒激光器实现多功能、高性能化,从而扩展加工应用的领域和范围。其次是继续探索飞秒加工的各种机理,研究不同的激光参数对飞秒加工的影响;探讨工作环境对超精细加工的影响;探索飞秒加工的物理本质和加工极限尺寸19。我们有理由相信随着飞秒激光加工技术发展的逐步深入和完善,飞秒激光
30、将在未来的微细加工领域发挥越来越重要的作用。参考文献:1 Chichkov B N,Momma C,Nolte S, et a.l Femtosecond, pico-second and nanosecond laser ablation of solids J. App.lPhys.A, 1996, 63: 109115.2Notle S,Momma C, JacobsH, et a.l Ablation ofmetals by ul-tra-short laser pulses J. Opt. Soc. Am. B, 1997, 14(10):27162722.3 Chen JK,Gri
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