3D飞秒激光纳米打印，“3高”特点实现三维高精度加工
发布时间：2018-03-19 来源：激光内参
作者：刘墨南１,李木天２,孙洪波２
１ 吉林大学物理学院，吉林
２ 吉林大学电子技术与科学学院，集成光电子学国家重点实验室
引言
近年来，随着光学、光化学、光电子、纳米光子和仿生等领域中各种微纳器件的广泛开发，与之相应的3D微纳加工技术逐渐成为加工技术中的重要一环。
为了最大限度地使材料功能化并提升器件效率，3D微纳加工对加工技术的精度、维度、尺度和速度等均有较高的要求，这些要求使传统的微纳加工手段面临巨大挑战。为了满足高精度、高效率的3D微纳加工需求，3D飞秒激光纳米打印技术应运而生。
3D飞秒激光纳米打印是指利用飞秒激光的高能脉冲直接作用于材料，实现三维的、深纳米尺度分辨率和任意结构设计的无掩模板加工。3D飞秒激光纳米打印的技术特点可概括为 “三高”，即高精度、高度设计性和高度功能化。
这３个技术特点均源自飞秒激光这种加工工具的高能量脉冲等超快激光特性。以中等大小的激光功率为例，飞秒激光辐射的能量密度高达1013 W/μm2。如此高的脉冲能量使3D飞秒激光打印的加工机制具有区别于以往加工手段的特点，具体表现为2 个方面：热效应抑制和非线性吸收。由于飞秒激光具有十几到上百飞秒的超短脉冲，其能量吸收时间远小于热弛豫等动力学过程所需时间，因此能够有效抑制激光扫描区域的热效应。或者说，飞秒激光可看作一种冷处理工具。飞秒激光的高能脉冲也使其光与物质间的相互作用与连续激光的情形截然不同，具体表现为所作用材料对飞秒激光的吸收表现为非线性，即双光子或多光子吸收。
正是由于这种非线性吸收特性，飞秒激光加工不仅可达到远超光学衍射极限的分辨率(10 nm 以下)，还具有广泛的材料加工能力，从聚合物软材料到金属、半导体和介电材料等硬材料，均可进行加工。与之对应的光物理/光化学过程也涵盖烧蚀、光聚合、光还原和光致异构化等过程，不仅显示了飞秒激光的强大加工能力，还激发了丰富的物理、化学现象与机制。可见，3D飞秒激光纳米打印以飞秒激光为加工工具，以其独特的非线性特性区别于其他加工手段，因此具有极高的加工精度和图案化能力，是一种具有材料普适性的强大三维加工技术。
3D飞秒激光纳米打印
基本原理
双光子聚合是指在飞秒激光与物质相互作用时，感光聚合物中的电子在1个量子过程中同时吸收2个红外光子(二者能量和等同于1个紫外光子)，从而实现从基态到激发态的跃迁。在此过程中，双光子吸收速率正比于光强的平方。因此，只有在光强足够高时，双光子聚合才会发生。双光子聚合是3D飞秒激光纳米打印技术的最典型代表，已被广泛应用于电路加工与集成。
双光子聚合具有 3D飞秒激光纳米打印的典型技术特点，即高分辨率和强大的3D图案化能力。其分辨率，即所加工结构的最小特征尺寸，约为10 nm。一般在λ /10~λ /50(λ 为波长)的最小特征尺寸加工范围内，所用飞秒激光经由高数值孔径透镜聚焦后会聚成1个较小的光点，使得光点处具有很高的光子密度。具体来讲，双光子聚合具有３个方面的非线性作用：光学非线性、化学非线性和材料非线性。这3个方面的综合作用效果最终决定了此种加工技术的深亚波长分辨率。
基于双光子聚合的3D飞秒激光纳米打印技术与普通3D激光打印技术的对比，其中3D激光打印技术以激光选区熔化和激光近形制造２种技术为代表。与以往的激光快速成型技术相比，3D飞秒激光纳米打印技术除了双光子聚合的独特加工机制以外，还具有高精度、高加工质量、易功能化和易集成等特点。
飞秒激光加工的独特优势在于利用双光子吸收技术保证只有焦点处才可以实现上述过程， 从而实现三维高精度加工。
在加工对象方面，双光子聚合所能加工的材料也从最初的聚合物类光刻胶逐渐拓展至蛋白质、金属纳米结构、金属氧化物、碳材料以及复合结构等。理论上，只要能够建立1 套合适的光化学或光物理机制，很多材料就可以作为双光子聚合的加工对象。
光子集成
近年来，利用双光子聚合对聚合物类传统光刻胶的3D飞秒激光打印技术已日臻成熟，其高精度、高度可设计性和维度可控性已经在平行技术中遥遥领先。与此同时，如何更有效地将微纳结构功能化，也逐渐成为各种微纳加工技术的研究重点。在现阶段，对于3D飞秒激光打印技术而言，具体来说就是利用其加工的高度可设计性来实现微纳结构的功能化和芯片化，并使这些结构能够更好地集成器件，从而达到理想的应用目的。
例如，微凹透镜阵列结构是光学器件中的一种常见组件，具有较强的聚焦和成像能力。以往制备此类结构的方法有热回流、灰度光刻、干法刻蚀和注射浇铸等。受加工手段的限制，传统的微透镜阵列往往是在1个平板衬底上加工出一系列相同尺寸的凹透镜结构，这样的1组微透镜阵列无法将1个平面物体聚焦至1个像平面上，会产生场曲。在商业生产中，为了消除场曲这种光学像差，只能在后续光路中引入场镜组来进行校正，从而增加了器件复杂度和成本。如果采用3D飞秒激光打印来加工微凹透镜阵列即可通过设计一系列具有渐变深度的微凹透镜单元直接消除场曲。
利用3D飞秒激光纳米打印技术的三维加工能力和设计性，同样可以加工出在室温下具有低激射阈值和良好单向性的3D耦合型单片微腔激光器。如下图所示，利用 CCD 控制飞秒激光对完成前烘的掺杂光刻胶进行扫描，可加工出三维堆叠的耦合型微腔。
生物传感
随着3D飞秒激光纳米打印技术的迅速发展，双光子聚合的加工对象已从传统的聚合物类光刻胶拓展到生物材料。以蚕丝蛋白为代表的一系列生物材料，具有优越的力学性能、光学性能和化学可修饰性， 因此在可移植生物电子、光流体、有机发光晶体管、微纳米光电子等前沿领域均有良好的应用前景。
为了推进蚕丝蛋白等生物材料的研发和应用，首先需要实现此类材料的可设计加工，使其结构化、功能化和集成化。目前用于加工这些生物材料的技术有电子束刻蚀、紫外光刻、纳米压印、基于氧气的反应离子束刻蚀等。利用飞秒激光诱导的双光子聚合，可以对这类生物材料进行精确3D纳米打印，满足上述各类器件对其结构化、功能化乃至集成化的要求。 蚕丝蛋白具有较高的杨氏模量，也有利于增强3D飞秒激光纳米打印所加工结构的力学稳定性。
仿生
在仿生领域，要获得自然界中各种各样神奇的生物功能，需要先模拟加工得到其多样化的三维微纳结构。值得注意的是，这些三维结构往往具有一定的复杂度，具体体现为结构的多级性和周期性等。可见，用于三维仿生微纳结构的加工技术需要同时具备三维加工能力、高精度和高度可设计性。 而基于双光子聚合的3D飞秒激光纳米打印恰好能满足这样的技术需求。其强大的加工能力和高度可设计性，使打印出的仿生微纳结构对生物结构具有极高的还原度。3D飞秒激光纳米打印是制备精细三维仿生微纳结构的不二选择。
众所周知，3D飞秒激光打印技术的主要局限来自于加工时间。逐点扫描到逐层扫描的加工方式保证了3D加工的精确度和设计性，也使加工时间过长。因此，从技术完善和实际应用角度，可以考虑引入一种辅助技术或过程，与3D飞秒激光纳米打印技术协同合作，以提高加工复杂三维结构的效率。具体加工方案可以从原来的双光子聚合一次成型调整为2个分步，即第1步先粗加工复杂结构的轮廓，第2步进一步精加工完成整个三维结构的精修。
结语
3D飞秒激光纳米打印已从聚合物材料拓展到生物材料体系，加工出一系列高精度、高度设计性和高度功能化的三维微纳结构， 实现了3D飞秒激光纳米打印技术在光学、生物传感、仿生器件等多个领域的广泛应用。 这些功能化结构的高质量和优越性能表明，基于双光子聚合的3D飞秒激光纳米打印已经成为一种具有强大加工能力和功能化效果的三维微纳加工技术。
不同于光刻、电子束刻蚀等快速成型技术，3D飞秒激光纳米打印技术具有独特的三维加工和设计能力。通过结构的设计与高质量、高精度和高效功能化的加工过程相结合，采用3D飞秒激光纳米打印技术可以精确加工出光电子、生物、医学领域中各种器件所需的任意复杂结构，可支持各种器件的芯片化和集成化。 虽然3D飞秒激光纳米打印技术已在光子集成、生物传感和仿生等领域展现了较大的加工潜力，但是与实现器件的全面集成和高效应用的目标仍有相当远的距离。
例如，在光子集成方面，器件的集成并未完善，所设计加工的光学器件还需与光波导等各种光学元件进行进一步的集成、匹配和系统优化；在生物传感方面，器件的效率还需进一步提升；在仿生方面，对于复杂三维仿生结构的加工速度还需进一步提高。
要解决这些问题，首先需要在加工方法上寻求新的突破，优化扫描方式，或者与其他快速成型方法(动力辅助成型、干法刻蚀等)进行有机结合，这些都是未来努力的方向。
其次，各种器件的集成还需要大量后续测试、总结和完善。最后，各种器件的设计和优化往往需要相应交叉学科的研究支持，比如通过开发新材料、复合材料和掺杂等手段进行优化， 或者从相关物理、化学过程的动力学角度提供新机制。这样的器件设计与集成方案，极有可能对器件进行本质上的改进乃至重新定义。
尽管还存在加工效率的问题，但我们有理由相信，通过辅助技术的引入和进一步的技术革新，3D飞秒激光纳米打印必将引领下一代集成器件的加工技术。
参考文献：
刘墨南，李木天，孙洪波.3D飞秒激光纳米打印[J].激光与光电子学进展.2018.55(01)：2-9.
