Entwicklung des Multi

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 4781 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Zwei-Photonen-Stereolithographie (TPS) wird häufig zur Herstellung verschiedener dreidimensionaler (3D) Strukturen mit einer Fertigungsauflösung im Submikrometerbereich in einem einzigen Herstellungsprozess eingesetzt. Für Mikrostrukturen mit feinen Lochmustern ist TPS jedoch ungeeignet. Mit dem Laserablationsverfahren können problemlos Löcher in verschiedene Materialien gebohrt oder gebohrt werden. Allerdings ist bei der Laserablation die Fokusebene des Lasers fest, die auf die Bearbeitungsebene beschränkt ist. In dieser Studie wird ein multidirektionaler Ablationsprozess untersucht, um die Laserablation auf verschiedene Bearbeitungsebenen einer 3D-Mikrostruktur anzuwenden, die durch den TPS-Prozess hergestellt wurde. Ein 3D-Hybrid-Fertigungsprozess mit den Vorteilen von TPS und Laserablation soll die Fertigungseffizienz verbessern. Der 3D-Hybridprozess wird basierend auf einer einzigen Laserquelle vorgeschlagen. Die Mikrostruktur wird mithilfe von TPS hergestellt und der multidirektionale Ablationsprozess erzeugt ein Loch in der lateralen Seite der 3D-Mikrostruktur. Um den multidirektionalen Ablationsprozess zu entwickeln, sollte das reflektierende Spiegelsystem so ausgelegt sein, dass es die Laserbrennebene flexibel dreht und den Laserpfad für die Zielprozessebene führt. Anhand verschiedener Beispiele demonstrieren wir die Leistungsfähigkeit des multidirektionalen Ablationsprozesses.

In jüngster Zeit ist der Bedarf an einem effektiven Herstellungsprozess im Zusammenhang mit Nanotechnologie (NT), Biotechnologie (BT) und Informationstechnologie (IT) bei der Entwicklung von 3D-Nano-/Mikrogeräten und hochintegrierten Systemen erheblich gestiegen. Zu den Mikro- und Nanofabrikationstechniken gehören Softlithographie1,2, Fotolithographie3,4 und Ätzen5,6 unter Verwendung einer Kombination dieser Techniken, und es wurden verschiedene Nano-/Mikrosysteme hergestellt. Fortschrittliche Technologie für die komplexere Gestaltung von Strukturen, holografische Lithographie7,8, Selbstorganisation9,10 und Laserdirektschreiben11,12,13 wurden eingesetzt. Insbesondere das Laserdirektschreiben bietet erhebliche Vorteile für die Herstellung dreidimensionaler Strukturen, da der Laserscanpfad anhand dreidimensionaler CAD-Daten (Computer Aided Design) gesteuert wird. Beim Laser-Direktschreiben kommen zwei Methoden zum Einsatz: additive und subtraktive Methoden.

Das direkte Schreiben mit einem Femtosekundenlaser (DWFL) ist ein effektives 3D-Nano-/Mikroverfahren. DWFL ist eine maskenlose, einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung von 2D- und 3D-Nano-/Mikrostrukturen. Der additive Prozess der DWFL (d. h. Zwei-Photonen-Stereolithographie-Prozess; TPS) hat große Vorteile für die direkte Herstellung von 2D- und 3D-Mikrostrukturen mit einer Auflösung im Submikrometerbereich14,15,16,17. Allerdings weist TPS einige Einschränkungen auf. Beispielsweise reichen die Auflösung und die Herstellungsgeschwindigkeit des additiven Prozesses für nanoskalige Anwendungen nicht aus18,19. Einige dieser Einschränkungen können mithilfe des subtraktiven Prozesses von DWFL gemildert werden. Ein typisches subtraktives Verfahren ist die Ablation mittels fokussiertem Hochleistungslaser. Das abgetragene Mikromuster kann mithilfe von Laserscanning entsprechend dem entworfenen Pfad geschrieben werden.

Es wurden mehrere Studien zu hybriden Fertigungsmethoden durchgeführt, die die Vorteile sowohl additiver als auch subtraktiver Verfahren bieten. Beispielsweise kann die begrenzte Fertigungsauflösung des additiven Prozesses durch einen subtraktiven Prozess20 verbessert werden. Mit dem TPS-Verfahren ist es schwierig, eine Mikrostruktur mit einem Loch oder einem kleinen Spalt herzustellen. Ein kleines Loch oder eine kleine Lücke neigt aufgrund der Überlagerung der Laserleistungen dazu, sich zu verfestigen und zu blockieren21,22. Darüber hinaus verursacht der ineffektive Laserscanpfad für die dreidimensionale Struktur eine lange Herstellungszeit23,24. Allerdings eignet sich das Laserablationsverfahren zum Erzeugen von Löchern in Strukturen. Daher kann durch den Einsatz des hybriden Herstellungsprozesses aus TPS und Laserablation die dreidimensionale Nano-/Mikrostruktur effektiv mit höherer Präzision und kürzerer Herstellungszeit hergestellt werden.

In dieser Studie basiert das Konzept eines 3D-Hybridprozesses auf einer einzigen Laserquelle. Das 3D-Hybridverfahren nutzt die Stärken sowohl der additiven als auch der subtraktiven Verfahren der DWFL-Technik. Als einer der 3D-Hybridprozesse wird ein multidirektionaler Ablationsprozess vorgeschlagen. Die Laserablation erfolgt im Allgemeinen je nach Substrat mit einem vertikal belichteten Laser. Wenn jedoch eine Mikrostruktur, beispielsweise ein Mikroloch oder ein Mikroschlitz, einschließlich eines Lochs oder Schlitzes an der Seite der 3D-Mikrostruktur, hergestellt werden soll, ist es erforderlich, die Bewegungsrichtung des belichteten Lasers zu ändern, um bei verschiedenen Bearbeitungen zu bearbeiten Oberflächen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass es möglich ist, Löcher in Nanogröße herzustellen, indem man den Laserablationsprozess als Nachbearbeitung verwendet. Im Allgemeinen beträgt die Fertigungsauflösung des TPS-Prozesses etwa 200 nm. Für eine Lochstruktur, die keine einzelne Linie oder offene Zellstruktur ist, ist es jedoch möglich, basierend auf dem TPS-Prozess ein Loch mit einer Größe von etwa 1 µm oder mehr herzustellen. Da es sich beim TPS-Verfahren um ein additives Polymerisationsverfahren handelt, überlappen sich die schwach polymerisierten Bereiche und die Überlagerung der Polymerisation führt zu einer vollständigen Vernetzung. Der Grad der schwachen Polymerisation variiert je nach Material. Bei allgemeinem lichthärtbarem Harz würde das Loch jedoch nur dann ohne Überlappungseffekt hergestellt, wenn der Abstand mindestens 1 µm beträgt. Das TPS-Verfahren basiert auf Photolithographie, für das TPP-Verfahren können verschiedene lichthärtbare Polymere verwendet werden. Beim Hybridverfahren wird ein photohärtbares Polymer durch TPP ausgehärtet und anschließend wird als Nachbearbeitung ein Laserablationsprozess durchgeführt. Unter verschiedenen photohärtbaren Polymeren wurde in dieser Studie das Su-8-Material im TPP-Prozess verwendet. Da Su-8-Material über gute mechanische Eigenschaften verfügt und für Strukturen mit hohem Aspektverhältnis vorteilhaft ist, wird das Su-8-Material häufig für verschiedene Anwendungen verwendet, die auf dem TPP-Verfahren basieren. Der reflektierende Spiegel wurde unter Berücksichtigung der Hauptspezifikationen des Femtosekunden-Laserschreibsystems zur Führung der Bewegungsrichtung des Lasers entwickelt und die Ablationseigenschaften als Funktion des Arbeitsabstands (Abstand zwischen reflektierendem Spiegel und Struktur) untersucht. Der reflektierende Spiegel wurde durch MEMS-Prozesse wie UV-Lithographie, Nassätzen und CVD hergestellt. Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Prozesses wird in mehreren Anwendungen demonstriert, darunter Mikronadellöcher und Mikroröhrchen mit Mikrolöchern in verschiedenen Richtungen.

Sofern nicht anders angegeben, wurden alle in dieser Studie verwendeten Chemikalien von Sigma-Aldrich bezogen. Für alle Herstellungen wurde der mit zwei Photonen photopolymerisierbare Resist Su-8 2035 (Microchem Co.) verwendet. 1 g SU-8 2035 wurde durch Zugabe von 2 mg eines hochwirksamen Phenylen-Vinylen-verbrückten TPA-Farbstoffs sensibilisiert. Der Su-8 wurde vor dem TPS-Prozess 10 Minuten lang bei 95 °C vorgebacken. Nach der Herstellung wurde der Su-8 10 Minuten lang bei 95 °C nachgebacken. Die hergestellte 3D-Mikrostruktur wurde mit Propylenglykolmonomethyletheracetat (PGMEA) entwickelt.

Der größte Teil des fotohärtbaren Harzes kann im TPS-Verfahren angewendet werden. Das photohärtbare Harz besteht aus Monomer und einem Initiator zur Initiierung der Vernetzungsreaktion. Für eine effektive Vernetzungsreaktion sollte der Initiator so konzipiert sein, dass er sich an die Wellenlänge des belichteten Lichts anpasst. Die Laserquelle des TPS-Prozesses ist ein Femtosekundenlaser. Anders als beim Einzelphotonenabsorptionsprozess absorbiert das fotohärtbare Harz, wenn ein Femtosekundenlaser einem fotohärtbaren Harz ausgesetzt wird, gleichzeitig zwei Photonen in den angeregten Zustand. Anschließend wird die aufgenommene Energie wieder abgegeben und gelangt in den Grundzustand zurück. Aufgrund der Zwei-Photonen-Absorption kann das winzige Volumen im Fokus des Lasers das fotohärtbare Harz polymerisieren und wird als Voxel (Volumen des Pixels) bezeichnet. Der auf Zwei-Photonen-Absorption basierende TPS-Prozess wurde verwendet, um die 3D-Mikrostruktur mit einer Fertigungsauflösung im Submikrometerbereich herzustellen14,15,16,17. Allerdings ist es notwendig, die TPS-Prozesse zu evaluieren, die die Fertigungsauflösung oder Verarbeitungsgeschwindigkeit verbessern können. Ein hybrider Herstellungsprozess mit TPS und Laserablation kann die Fertigungseffizienz des TPS-Prozesses verbessern.

Basierend auf einer früheren Studie wurde ein Zwei-Photonen-Lithographiesystem entwickelt. Es wurde ein Femtosekundenlaser mit einer Wellenlänge von 780 nm, einer Pulsfrequenz von 80 MHz und einer Pulsdauer von 100 fs verwendet. Zur Fokussierung des Laserstrahls wurde ein Ölimmersionsobjektiv (Numerische Apertur, NA = 1,4, × 100, verwendetes Immersionsöl, Olympus) verwendet. Für alle Mikrofabrikationen wurde der Epoxid-Fotolack Su-8 2035 verwendet. Das Glassubstrat hatte Abmessungen von 30 × 40 × 0,7 mm3. Die x-, y- und z-Richtungen wurden mit piezoelektrischen Tischen (P-622 für Z-Tisch, P-628 für xy-Tisch Physik Instrumente (PI)) mit einer Auflösung von 10 nm abgetastet. Nach der Herstellung wurden 3D-Mikrostrukturen 10 Minuten lang in Propylenglykolmonomethyletheracetat (PGMEA) entwickelt. Anschließend wurden die 3D-Mikrostrukturen 1 Minute lang in einem Isopropylalkoholbad (IPA) gespült. Alle Prozesse wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.

Wenn ein gepulster Laser, beispielsweise ein Femtosekundenlaser, auf die Probenoberfläche gerichtet wird, verursacht die Energie des Lasers die Vibration freier Elektronen im Probenmaterial25,26.

Diese Vibration wird auf das Gitter des Materials übertragen, was zu einem schnellen Temperaturanstieg und einem Wärmestau führt. Die Auflösung des Laserablationsprozesses wird durch die Wärmespeicherung beeinflusst. Unter hoher Temperatur und hohem Druck werden die Oberflächenpartikel in Dampf- und Plasmaformen umgewandelt und entfernt. Dieses Phänomen wird als Laserablation bezeichnet. Die Zeit, in der sich die vom Laser erzeugte Wärme im Substrat ausbreitete, wurde mit mehreren Nanosekunden angegeben. Beim Laserablationsprozess mit dem Nanosekundenlaser wird üblicherweise die typische 10 µm ~ 1 mm breite Wärmeeffektzone (HAZ) beobachtet. Beim Femtosekundenlaser ist die Eindringlänge der thermischen Diffusion in das Material begrenzt, da die Pulsdauer kürzer ist als die Wärmespeichergeschwindigkeit. Daher führt der Laserablationsprozess mit dem Femtosekundenlaser zu sehr kleinen oder nahezu freien HAZ, sodass der Ultrapräzisionsprozess möglich ist27,28. Daher ist der Femtosekundenlaser ein leistungsstarkes Werkzeug für die präzise Materialbearbeitung wie die Strukturierung dünner Schichten29, das Zerteilen von Wafern30, mikrofluidische Kanäle31 usw.

In dieser Studie wurde die Laserablation mit demselben Lasersystem durchgeführt, das auch für die Zwei-Photonen-Lithographie verwendet wurde. Beim TPS-Prozess lag die Laserleistung im Bereich von 10 bis 100 mW, wohingegen beim Laserablationsprozess die Laserleistung mehr als 100 mW betrug. Für den Ablationsprozess wurde der Laser mit einem Galvanoscanner (LightningTM II, Novanta Photonics) gescannt.

Da es sich bei der für den Laserablationsteil verwendeten Optik nicht um eine F-Theta-Linse handelt, ist die Brennebene nicht planar und schränkt daher den Bestrahlungsbereich, in dem der minimale Strahlfleck fokussiert werden kann, stark ein. Der Prozessbereich des in dieser Arbeit verwendeten Laserablationssystems ist auf 400 µm begrenzt. Die Ablationsauflösung ist in diesem Prozessbereich nahezu ähnlich. Für den TPS-Prozess ist es möglich, die Mikrostruktur entsprechend dem Verfahrbereich des piezoelektrischen Tisches in einer Größe von 500 µm herzustellen. In dieser Arbeit beträgt die Größe der durch die Zwei-Photonen-Lithographie hergestellten Mikrostruktur jedoch weniger als 50 µm. Für den in diesem Artikel vorgeschlagenen Hybridprozess wird die Mikrostruktur mithilfe von TPS hergestellt und anschließend erzeugt der Ablationsprozess ein Loch in der 3D-Mikrostruktur. Daher liegt die Größe der Mikrostruktur innerhalb des Prozessbereichs, auch wenn das Ablationssystem nicht die F-Theta-Linse verwendet, und es reicht aus, den Ablationsprozess auf die durch den TPS-Prozess hergestellte Mikrostruktur anzuwenden.

Die Mikro-3D-Strukturen wurden mit Platin (Pt) gesputtert und mittels REM (FE-SEM; NNS-450, FEI Hong Kong Company) abgebildet. Ein Sekundärelektronendetektor visualisierte alle REM-Bilder mit einer Beschleunigungsspannung von 1,0 ~ 1,5 kV im Vakuum. REM kombiniert mit energiedispersiver Analyse von Röntgenstrahlen (EDAX).

Ein Hybridsystem mit den Vorteilen von TPS und Laserablation soll die Effizienz bestehender Mikrofabrikationsprozesse verbessern. Insbesondere ist es notwendig, TPS-Prozesse zu untersuchen, die die Fertigungsauflösung oder Verarbeitungsgeschwindigkeit mithilfe eines TPS-Hybrids und anderer bestehender subtraktiver Prozesse verbessern können. Darüber hinaus ist bei einem einfachen Lochmuster die Laserablation besser geeignet als TPS. Betrachtet man den Polymerisationsmechanismus von lichthärtbarem Harz, neigt die Vernetzung dazu, sich durch die umgebende Energie leicht auszubreiten; Daher ist es schwierig, das Mikrolochmuster mithilfe des TPS-Verfahrens auszudrücken.

Beim herkömmlichen Laserablationsverfahren ist jedoch die Fokusebene des Lasers fest, die auf die Bearbeitungsebene beschränkt ist. Da das Einheitsablationsvolumen im Laserfokus in Längsrichtung lang und in Querrichtung kurz ist, ist es für die Strukturierung seitlicher Oberflächen ungeeignet. Wenn beispielsweise eine Struktur mit mehreren Balken durch einen herkömmlichen Ablationsprozess in eine Struktur mit einem einzelnen Balken gebohrt werden muss, wird die gesamte Balkenstruktur durchtrennt oder der Balken wird mit einem langen elliptischen Muster abgetragen (Abb. 1a). Wenn die Bearbeitungsebene durch Änderung der Fokusebene des Lasers anpassbar gedreht werden kann, kann der Laserablationsprozess in verschiedene Richtungen angewendet werden, ohne Einschränkungen hinsichtlich der Richtung der Bearbeitungsebene.

(a) Schematische Darstellung von (a) einem herkömmlichen Laserablationsprozess in vertikaler Richtung und (b) einem multidirektionalen Ablationsprozess, der die Richtung des Laserpfads steuert. (c) Diagramm, das den 3D-Hybridprozess mit TPS-System und multidirektionalem Ablationssystem zeigt. Durch Laserablation kann eine durch den Zwei-Photonen-Stereolithographie-Prozess hergestellte 3D-Struktur verbessert werden.

In dieser Studie schlagen wir ein 3D-Hybrid-Mikrofabrikationssystem vor, das die Vorteile sowohl additiver als auch subtraktiver Prozesse bietet. Mit dem vorgeschlagenen Hybridsystem können 3D-Mikrostrukturen effektiv hergestellt werden. Um das Problem der Prozessrichtung des herkömmlichen Laserablationsprozesses zu überwinden, wurde ein multidirektionaler Ablationsprozess durch Steuerung der Brennebene des Femtosekundenlasers vorgeschlagen. Beim Bohren in einer Mehrstrahlstruktur kann die Ablationsauflösung des Rotationslasers ein präzises Lochmuster in der Einstrahlstruktur erzeugen (Abb. 1b). Abbildung 1c zeigt eine schematische Darstellung des multidirektionalen Ablationssystems. Das multidirektionale Ablationssystem basierte auf einem bestehenden TPS-System. Als Laserquelle wurde ein Ti:Saphir-Femtosekundenlaser verwendet. Der Laser wurde mit einem Galvano-Scanner gescannt. Alle Prozesse wurden mit einer CCD-Kamera überwacht. Der Laser wurde von einem Spiegel reflektiert und erreichte die Mantelfläche der Mikrostruktur.

Abbildung 2a zeigt den konzeptionellen Aufbau eines reflektierenden Spiegelsystems zur Führung der Fokusrichtung des Lasers. Der reflektierende Spiegel zur Führung des Laserstrahls ist ein Schlüsselelement im multidirektionalen Ablationsprozess. Die Position des reflektierenden Spiegels wird manuell über einen Lineartisch und einen Drehtisch gesteuert. Der reflektierende Spiegel nähert sich der Mikrostruktur über einen linearen Tisch und steuert den Winkel des reflektierenden Spiegels über einen rotierenden Tisch. Der reflektierende Spiegel ist am Drehtisch befestigt. Mithilfe des reflektierenden Spiegels wurde die Richtung des einfallenden Lasers geändert. Auch die Ablationsbearbeitungsebene wurde verändert und durch den reflektierenden Spiegel gesteuert. Der Laser wurde vom Spiegel reflektiert und war für die seitliche Bearbeitung konzipiert. Somit können die Brennebene des Lasers und die Bearbeitungsebene der Laserablation durch den Spiegel gesteuert werden.

(a) Schematische Darstellung des Spiegelsystems, bestehend aus einem goldbeschichteten Spiegel und einer NA 0,3-Objektivlinse. Der Spiegel reflektiert einen Femtosekundenlaser, um den Strahl zu verändern. (b) Schematische Darstellung der Objektivlinsenstruktur. (c) Konstruktionszustand des Reflexionsspiegels. (d) Schematische Darstellung des fokussierten Strahls.

Das Lasersystem für den multidirektionalen Ablationsprozess wurde unter Verwendung einer geeigneten Objektivlinse und eines reflektierenden Spiegels zur Steuerung der Laserbrennebene entwickelt. Zur Fokussierung des Laserstrahls wurde eine Objektivlinse verwendet. Abbildung 2b zeigt verschiedene Parameter der Objektivlinse. Der Pupillendurchmesser bezeichnet den Durchmesser des Laserquerschnitts, wenn der Laser aus der Objektlinse austritt. Die Spiegelfläche sollte größer als der Pupillendurchmesser ausgelegt sein, um eine Laserreflexion ohne Laserverlust zu ermöglichen. Der Arbeitsabstand bezeichnet den Abstand zwischen Objektivlinse und Laserfokus. Bei zu geringem Arbeitsabstand ist es schwierig, einen Spiegel zwischen Objektiv und Probenstruktur anzubringen. Der Spotdurchmesser bezeichnet den Durchmesser des Laserquerschnitts im Laserfokus. Der Punktdurchmesser hing mit der Ablationsauflösung des fokussierten Lasers zusammen. Der Wert der numerischen Apertur (NA) stellt die Lichtmenge dar, die in das Objekt eindringt. λ ist die Wellenlänge des Femtosekundenlasers, die in dieser Studie 780 nm betrug. Der Arbeitsabstand sollte groß genug sein, um am Einbauort der Spiegelfläche zwischen Objektlinse und Laserbrennpunkt ausreichend Platz zu schaffen.

Tabelle 1 listet den Pupillendurchmesser, den Spotdurchmesser und den Arbeitsabstand für die Objektive entsprechend verschiedenen NA-Werten auf. Bei NA 1,4, 0,75 und 0,5 beträgt der Arbeitsabstand einen kurzen Abstand von weniger als einigen mm und ist daher für den Aufbau eines Spiegelsystems ungeeignet, da mehr Platz für die Installation des reflektierenden Spiegels benötigt wird. Die verbleibenden Alternativen des NA-Werts waren 0,3 und 0,13. Der Spotdurchmesser von NA 0,3 war kleiner und es wird erwartet, dass es sich um einen präziseren Ablationsprozess handelt. Daher haben wir uns in dieser Studie für die Verwendung einer Objektivlinse mit einem NA-Wert von 0,3 entschieden, um den multidirektionalen Ablationsprozess einzurichten.

Der multidirektionale Ablationsprozess ist erforderlich, damit der reflektierende Spiegel die Brennebene des Lasers für den multidirektionalen Ablationsprozess ändert.

Die Geometrie der Spiegelspitze hängt vom Bereich des Ablationsprozesses ab. Abbildung 2c zeigt die Konstruktionsbedingungen des reflektierenden Spiegels. Der reflektierende Spiegel ist erforderlich, um durch die Verbesserung der Form der Spitze des reflektierenden Spiegels ein breites Produktionsspektrum zu erreichen. Wenn der Winkel (θ) des Spiegels größer als 45° ist, löst sich die Spiegelspitze vom Substrat. Da die Spiegelspitze um δ vom Substrat entfernt war, wurde die Höhe des Laserablationsbearbeitungsbereichs um δ vom Substrat verringert. Darüber hinaus gab es in der Zielmikrostruktur eine Verarbeitungsgrenzhöhe. Wenn der Winkel der Spiegelspitze weniger als 45° betrug, konnte der Laser nahe am Substrat angebracht werden und den unteren Teil der Mikrostruktur abtragen. Daher wurde der Winkel der Spiegelspitze auf weniger als 45° ausgelegt, damit die Spiegelspitze Kontakt mit dem Substrat haben kann. Folglich wurde der Laserablationsbearbeitungsbereich stabil geschützt.

Es ist wichtig, ein Beschichtungsmaterial mit einem hohen Reflexionsvermögen für den einfallenden Laserstrahl zu bestimmen. Abbildung 2d zeigt den Einfallswinkel des fokussierten Strahls. Der fokussierte Laserstrahl wurde in verschiedenen Einfallswinkeln reflektiert. Während des Ablationsprozesses wurde der Galvanospiegel gedreht, um ein Muster in x- und y-Richtung der Bearbeitungsebene zu erzeugen. Anschließend wurde der Einfallswinkel des Lasers während des Ablationsprozesses verändert. Daher müssen Beschichtungsmaterialien entsprechend den verschiedenen Einfallswinkeln des Lasers ein hohes Reflexionsvermögen aufweisen. Im Allgemeinen sind Hochreflexionsbeschichtungen (HR) und Goldbeschichtungen für ihr hohes Reflexionsvermögen für 780-nm-Laser bekannt. Die HR-Beschichtung wurde jedoch streng darauf ausgelegt, bei einem Einfallswinkel von 45° einen hohen Reflexionsgrad zu erzielen. Im Gegensatz dazu zeigte die Goldbeschichtung bei verschiedenen Einfallswinkeln eine leichte Variation. Daher wurde in dieser Studie ein reflektierender Spiegel für die multidirektionale Ablation im PVD-Verfahren mit Gold beschichtet.

Wie bereits erwähnt, sollte der reflektierende Spiegel mit Gold beschichtet sein und die Spitze des reflektierenden Spiegels sollte unter 45° oder weniger ausgelegt sein. Der Herstellungsprozess des reflektierenden Spiegels ist in Abb. 3a dargestellt. Der goldbeschichtete Spiegel wurde mithilfe eines Kaliumhydroxid-Nassätzverfahrens (KOH) hergestellt. Als Hartmaske wurde eine SiO2-Schicht verwendet. Für den Nassätzprozess wurde eine Ätzflüssigkeit (KOH) bei 85 °C für 6 Stunden verwendet. Da nach dem Nassätzvorgang die Ätzgeschwindigkeit in der Waferkristalloberfläche (100) viel schneller ist als in der Richtung der Waferkristalloberfläche (111), beträgt der Winkel der Waferspitze 54,75°, wie in Abb. 3b gezeigt. Durch den PVD-Prozess wurde die Goldbeschichtung mit einer Dicke von 1500 Å hergestellt. Zusätzlich wurde die Spitze des reflektierenden Spiegels poliert. Wie in Abb. 3c gezeigt, betrug der Winkel der gefertigten Spiegelspitze 22°, was den Designbedingungen entspricht; der Winkel der Spiegelspitze betrug 45° oder weniger.

(a) Herstellungsprozess des reflektierenden Spiegels. Der reflektierende Spiegel wird aus einem Si-Wafer in mehreren Schritten hergestellt. (b) REM-Bild des goldbeschichteten Spiegels. Vor dem Polieren der Spiegelspitze beträgt ihr Winkel 54,74°. (c) REM-Bild des goldbeschichteten Spiegels. Nach dem Polieren der Spiegelspitze beträgt ihr Winkel 22°. Dieses Ergebnis erfüllt den vorgesehenen Winkel. (d) Reflexionsvermögen der HR- und goldbeschichteten reflektierenden Spiegel entsprechend verschiedenen Spiegelwinkeln.

Wir haben das Reflexionsvermögen der HR- und Goldbeschichtungen bei verschiedenen Einfallswinkeln gemessen. In Abb. 3d weist der goldbeschichtete Spiegel im Vergleich zur HR-Beschichtung bei einem Einfallswinkel von 45° ein geringeres Reflexionsvermögen auf, das Reflexionsvermögen des goldbeschichteten Spiegels zeigt jedoch bei verschiedenen Einfallswinkeln kleinere Abweichungen im Vergleich zum HR-beschichteten Spiegel . Das Reflexionsvermögen des goldbeschichteten Spiegels wurde entsprechend dem Einfallswinkel von 45° mit 93,7 % gemessen.

Es ist notwendig, die Verarbeitbarkeit des multidirektionalen Ablationsprozesses anhand verschiedener Designparameter zu bewerten. Abbildung 4a zeigt die Designparameter des reflektierenden Spiegelsystems. Der „Spiegelrotationswinkel (Φ)“ bestimmt die Bearbeitungsebene des multidirektionalen Ablationsprozesses. In dieser Studie wurde der Spiegeldrehwinkel auf 45° festgelegt und der reflektierte Laser wurde der lateralen Seite der vertikalen Struktur ausgesetzt. Der „Bearbeitungsabstand (D)“ gibt den Abstand von der reflektierenden Spiegeloberfläche zur Struktur wieder. Abbildung 4b zeigt das multidirektionale Ablationssystem. Es gibt mehrere Referenzen zur Goldstrukturierung oder -schädigung durch Femtosekundenlaser33,34. Es ist wichtig, dass der Laserablationsprozess mit einer bestimmten Laserleistung innerhalb des richtigen Laserleistungsbereichs durchgeführt wird, damit der goldbeschichtete reflektierende Spiegel nicht beschädigt wird. Wie in Abb. 4c dargestellt, wird der freiliegende Laserbereich in der reflektierenden Spiegeloberfläche verengt, wenn der Bearbeitungsabstand zu kurz ist, und die Laserintensität ist zu stark, um die reflektierende Spiegeloberfläche zu beschädigen. Wenn der Bearbeitungsabstand jedoch zu groß ist, ist es schwierig, den Laserstrahl auf die Unterseite der Struktur zu bringen. Daher gibt es ab der Unterseite der Mikrostruktur einen prozessbegrenzten Bereich, in dem der Laser nicht exponiert wird.

(a) Schematische Darstellung der Laserreflexion in einem multidirektionalen Ablationssystem. (b) Foto des multidirektionalen Ablationssystems. (c) Schematische Darstellung der Laserintensität entsprechend der laserbelichteten Fläche. Mit steigender Laserintensität (I) verkürzt sich der Bearbeitungsweg (D). (c) SEM-Bild, das die experimentellen Ergebnisse des Tests zur Beschädigung der reflektierenden Spiegeloberfläche durch verschiedene belichtete Laserleistungen mit 800 mW bei den Bearbeitungsabständen von 5 μm und 10 μm zeigt. Die roten und gelben Symbole zeigen den Punkt der EDAX-Analyse an. (d) Herstellungsabstand zwischen dem reflektierenden Spiegel und der Struktur unter Berücksichtigung des Schadens. (e) Verarbeitbarer Bereich für den multidirektionalen Ablationsprozess entsprechend der Laserleistung und dem Prozessabstand.

Es ist notwendig, den Bereich des Bearbeitungsabstands zu untersuchen, damit die reflektierende Spiegeloberfläche nicht durch den Laser mit einem minimalen prozessbegrenzten Bereich beschädigt wird. Durch Ändern der Laserleistung auf 800 mW in 200-mW-Intervallen und Bearbeitungsabständen von 5 μm, 10 μm und 15 μm wurde die reflektierende Spiegeloberfläche von EDAX analysiert, um festzustellen, ob die reflektierende Spiegeloberfläche durch den Laser beschädigt wurde. Anschließend wurde der Laser 10 s lang bestrahlt. Abbildung 4d zeigt das SEM-Bild der experimentellen Ergebnisse des Tests zur Beschädigung der Spiegeloberfläche für verschiedene belichtete Laserleistungen. Es gab zwei Punkte im durch den Laser beschädigten Bereich und im nicht beschädigten Bereich. Das rot eingefärbte Dreieckssymbol in der beschädigten Stelle zeigt den EDAX-Analysepunkt an, an dem der Laser bei einem Bearbeitungsabstand von 5 μm mit 800 mW beaufschlagt wurde. Das gelb gefärbte Kreissymbol im nicht beschädigten Bereich zeigt den EDAX-Analysepunkt an, an dem der Laser mit 800 mW und einem Bearbeitungsabstand von 10 μm beaufschlagt wurde. Im nichtprozessiven Bereich (①) ist zu beobachten, dass laut EDAX-Daten der Si-Anteil auf der Spiegeloberfläche dominiert. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass die goldbeschichtete Oberflächenschicht durch die Laserbestrahlung beschädigt wurde. Im verarbeitbaren Bereich (②) dominierte der Goldanteil. Dies weist darauf hin, dass die goldbeschichtete Oberflächenschicht durch den Laser nicht beschädigt wurde. Abbildung 4e zeigt die bearbeitbare Fläche entsprechend der Laserleistung und der Prozessentfernung. Der gelbe Punkt zeigt den Bearbeitungspunkt an und der reflektierende Spiegel wird durch den Laser nicht beschädigt. Der rote Punkt zeigte jedoch den nicht prozessiven Punkt an und der reflektierende Spiegel war beschädigt.

Je näher der reflektierende Spiegel der Mikrostruktur kam, desto kleiner wurde der durch den Ablationsprozess begrenzte Bereich. Die Abbildungen 5a und b zeigen, dass der Ablationsprozess die Höhe der Mikrostruktur begrenzte, als der Laser der lateralen Seite der Mikrostruktur ausgesetzt und mit dem Galvanoscanner gescannt wurde. Wie in Abb. 5a dargestellt, beträgt die Höhe des Prozesses 5 μm, wenn der Prozessabstand 30 μm beträgt. Wenn der Prozessabstand jedoch 100 μm von der Zielmikrostruktur betrug, erhöhte sich die prozessbegrenzte Höhe auf 22 μm. Da der Prozessabstand weit von der Mikrostruktur entfernt ist, kann der Laserfokus den Boden der Mikrostruktur nicht erreichen und die prozessbegrenzte Höhe wird erhöht. Wenn der Bearbeitungsabstand verkürzt wird, kann der Prozess durch Minimierung der prozessbegrenzten Höhe durchgeführt werden. Anhand dieser experimentellen Ergebnisse kann die prozessbegrenzte Höhe vorhergesagt werden (Abb. 5c).

Schematische Darstellung und SEM-Bild des Ablationsprozesses in mehreren Richtungen bei einem Prozessabstand von (a) 30 μm und (b) 100 μm. Die REM-Bilder wurden mit einem um 52° geneigten REM-Tisch gemessen. Der Höhenausgleich erfolgte entsprechend 52° Neigung. (c) Der Prozess begrenzte die Höhe entsprechend der Prozessentfernung basierend auf dem Ergebnis der REM-Bilder.

Für die multidirektionale Ablation wurde die Objektivlinse NA 0,3 verwendet. Nach früheren Untersuchungen ist die optische Form des fokussierten Lasers eine gestreckte Kugelform35. Eine kleinere NA führte zu einer länglichen Fokusform. Darüber hinaus ist die Laserintensität entlang der Bewegungsrichtung größer als die entlang der seitlichen Richtung36. Der herkömmliche Laserablationsprozess ist für die Strukturierung seitlicher Oberflächen ungeeignet. Für eine präzise Strukturierung der Seitenfläche muss die Fokusebene mithilfe eines multidirektionalen Ablationssystems gedreht werden. Wie in Abb. 6a dargestellt, wird der Laser vom Spiegel reflektiert und die Bearbeitungsebene gedreht, wenn die Mehrstrahlstruktur in eine Einstrahlstruktur gebohrt werden muss. Dieser gedrehte Fokus führt zu einem präzisen Lochmuster in einer Einstrahlstruktur. Im TPS-Verfahren wurde eine Dreiträgerstruktur hergestellt. Die Höhe und Breite jedes Strahls betrug 5 bzw. 1 μm. Um ein Loch in der oberen Balkenstruktur zu erzeugen, wurde die Richtung der Brennebene mithilfe eines reflektierenden Spiegels präzise gesteuert. Um ein präzises Lochmuster zu erzeugen, betrug die Laserleistung 100 mW, was die kleinste Laserleistung für den Ablationsprozess ist. Wie in Abb. 6b gezeigt, wurde in der oberen Balkenstruktur ein 500-nm-Einzellochmuster gebildet. Abbildung 6c zeigt die Mehrpunktbohrfähigkeit einer 3D-Mikrostruktur durch einen multidirektionalen Ablationsprozess. Die sechswandige Struktur wurde durch das TPS-Verfahren hergestellt und der reflektierte und gedrehte Laserfokus wurde mithilfe eines Z-Achsen-Piezotischs und eines Galvanoscanners auf jede Wand gerichtet. Folglich wurde auf jeder sechswandigen Struktur selektiv ein 5 μm großes Loch strukturiert. Daher ermöglicht der multidirektionale Ablationsprozess die Erzeugung eines Musters auf verschiedenen Oberflächen der Mikrostruktur für verschiedene Anwendungen.

(a) Schematische Darstellung des Ablationsprozesses in mehrere Richtungen. REM-Bilder der Beispielherstellung nach dem Verfahren. (b) Einzelpunktbohrung auf Mikrobalken. (c) Mehrpunktbohren auf verschiedenen Bearbeitungsebenen. (d) Mikrolochstrukturen für optische Anwendungen wie optische Filter oder Beugungsmuster. Die REM-Bilder wurden mit einem um 52° geneigten REM-Tisch gemessen. Der Höhenausgleich erfolgte entsprechend 52° Neigung.

Der multidirektionale Ablationsprozess eignet sich für Mikrolochstrukturen. Die flache Dünnwand wurde durch TPS hergestellt und durch einen multidirektionalen Ablationsprozess wurde ein Mikroloch auf der lateralen Seite der Struktur gebohrt (Abb. 6d). Die Herstellungszeit für die flache Dünnwand betrug etwa 10 Minuten und die Ablationszeit zum Bohren eines Mikrolochs lag innerhalb von 1 ms. Wenn die flache dünne Wand mit einem Mikroloch im TPS-Verfahren hergestellt wird, verlängert sich die Herstellungszeit aufgrund der additiven Fertigung um mehrere Minuten. Daher ist der multidirektionale Ablationsprozess im Hinblick auf die Herstellungszeit ein sehr effektiver Prozess. Diese Mikrolochstrukturen können in verschiedenen optischen Anwendungen verwendet werden, beispielsweise in optischen Filtern und Beugungsgittern. Mithilfe dieser Mikrolochstruktur haben wir die Twyman-Green-Interferometrie im Mikromaßstab demonstriert. Die Twyman-Green-Interferometrie kann als Sensor zur Messung der Wegstrecke einer Probe eingesetzt werden. Mikrolinsen, Mikrospiegel und Mikroprismen wurden im TPS-Verfahren hergestellt. Ein Mikroloch kann mithilfe eines hybriden Herstellungsprozesses mit TPS und einem multidirektionalen Laserablationsprozess hergestellt werden. Daher wird erwartet, dass Hybride aus TPS und multidirektionalem Ablationsprozess in Zukunft in optischen Elementen für verschiedene optische Experimente auf der Mikroskala eingesetzt werden.

In dieser Studie wurde ein multidirektionaler Ablationsprozess vorgeschlagen, um ein Muster auf der lateralen Seite einer Mikrostruktur zu erzeugen. Es war ein reflektierendes Spiegelsystem erforderlich, das die Brennebene der Laserablation steuern konnte. Für dieses multidirektionale Ablationssystem wurde die Objektivlinse NA 0,3 unter Berücksichtigung der Objektivspezifikationen wie Arbeitsabstand, Spotdurchmesser und Pupillendurchmesser verwendet. Ein reflektierender Spiegel für die Laserpfadführung wurde mithilfe von MEMS hergestellt. Für ein hohes Reflexionsvermögen wurde der reflektierende Spiegel mit Gold beschichtet und der Winkel der Spitze des reflektierenden Spiegels betrug 22°, um die Interferenz zwischen dem reflektierenden Spiegel und dem Substrat zu verringern. Darüber hinaus wurde die Reichweite des multidirektionalen Ablationsprozesses unter Berücksichtigung der Laserleistung und des Bearbeitungsabstands abgeleitet. Daher haben wir einen Prozessbereich abgeleitet, der die reflektierende Spiegeloberfläche nicht beschädigt.

Mithilfe des TPS-Verfahrens wurden verschiedene 3D-Mikrostrukturen hergestellt und die Seitenfläche der 3D-Mikrostruktur mithilfe eines multidirektionalen Ablationsverfahrens abgetragen. Dies zeigte, dass der multidirektionale Laserablationsprozess die Verarbeitbarkeit des Mikrofabrikationsprozesses für verschiedene Mikrostrukturen in Zukunft erweitern könnte.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten. Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch den von der koreanischen Regierung (MSIT) finanzierten Zuschuss der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt (Nr. 2020K1A3A1A19087858). Diese Arbeit wurde auch durch ein internes Projekt des Korea Institute of Industrial Technology (Nr. JH230014) unterstützt.

Korea Additive Manufacturing Innovation Center (KAMIC), Korea Institute of Industrial Technology (KITECH), Siheung-si, Republik Korea

Cheol Woo Ha & Yong Son

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CWH entwarf und fertigte die Mikro-3D-Struktur, verfasste den Hauptmanuskripttext und bereitete Abbildungen vor. Yong Son hat das Manuskript geschrieben und überprüft. Alle Autoren haben das Manuskript gelesen und überprüft.

Korrespondenz mit Cheol Woo Ha.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 29. Dezember 2022

Angenommen: 21. März 2023

Veröffentlicht: 23. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32030-8

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