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通过激光直写技术制造光子设备:SEM如何作出贡献

 发布时间:2017-11-14 点击量:1806

光子设备被广泛应用于自然科学中,用于制造,操作和探测光。在未来,制造先进的光子设备将是一种挑战,并需要灵活性和可调谐性。因为它们需要先进的三维光刻技术, 制造这些设备并非易事。激光直写技术(DLW)是一种有趣的方式,它的目标是运用液态晶体光刻胶作为感光材料。

 

在这篇博客中, 我们将描述用于生产人造橡胶光学可调谐光子设备的光刻胶是如何进行特殊设计和测试的,以及如何用扫描电子显微镜(SEM)来帮助设计改进过程。

 

利用激光直写制造光子器件

 

激光直写是一种三维光刻技术,它能使结构的制作到 100 纳米。一种超快的激光聚焦在一种透明材料的体积内,称为光刻胶,它可以吸收两个或多个光子,并局部聚合。DWL的流程图如图1所示。首先, 激光光束集中在光阻材料内(i),然后根据预先定义的设计扫描(ii)。在开发步骤(iii)样品沉浸在一个适当的液体,展示了图案的结构(iv)。因为它可以使用各种各样的材料作为光刻胶,DLW渐渐被用于很多不同的实验室的不同应用程序中。(A. Selimis et al, Microelectronic Engineering, 132 (2015), 83-89)。

 

图1: 激光直写流程(DWL): i) 光束聚焦,ii) 激光书写,iii) 开发和iv) 完成结构 (A. Selimis et al, Microelectronic Engineering, 132 (2015), 83-89)。

 

光刻胶材料:液晶光刻胶的设计

 

三维液晶弹性体(LCE)结构是光阻材料,可以在光的照射下变形,并将弹性体聚合物与液晶结合起来。它们正变得越来越有趣,因为通过化学控制它们的分子结构,可以调节它们的行为。S. Nocentini等研究了使用不同的液晶混合物制作三维LCE微观结构。对每个光刻胶的书写条件进行了研究,并研究了自立式结构的可行性。(材料2016,9,525;doi:10.3390)

 

LCE光刻胶的设计需要三种元素:

  • 聚芳酯,一种可以显示液晶性能的化合物;
  • 交叉链接,它提供了一个具有弹性力学响应的网络;
  • 光引发剂,通过光吸收提供聚合。

 

通过改变这三种元素的比值,可以得到具有不同化学性质和物理性质的LCE光刻胶。例如,聚合反应阈值,定义为能够创建明确高分子线的zui低能量,可以通过改变书写速度和激光功率来调整。

 

通过扫描电子显微镜(SEM)对由两个参数变化引起的结构变化进行成像,如图2所示。虽然书写速度对所获得的结构有一定的影响,但激光功率对聚合反应阈值有很强的影响。

 

图2: 左边的SEM显微图和线条放大的图像,是通过不同的激光功率和书写速度获得的。

 

为了提高结构的刚性,可以调合光刻胶的书写参数,以及光刻胶的成分。这对于像木柴堆制造三维光子晶体所需要的悬浮线路是极其重要的。

 

图3演示了三维结构的SEM显微图,光刻胶具有不同构成和不同的聚合反应阈值(PR- 20,PR-30和PR-40)。不同的光能也显示出来。使用PR- 20制造的结构更柔和,但也包含少量锐利边缘,而那些用PR- 40制作的结构更坚硬和更垂直。

 

图3: 使用不同的光功率和不同光刻胶(a – c)、 特定结构放大图(d和e)的扫描电子显微镜的结构图案,并放大图像。标尺为10µm。

 

利用绿色聚焦激光的辐照圆柱结构对设计光刻胶的光响应也进行了测试。用一个中性密度轮滤光器来改变光的强度,而焦点则覆盖了整个圆柱体的表面。从顶部可见的变形,如图4所示。

图4:圆柱形结构的SEM图像,用于研究光刻胶的光响应。标尺寸为 10µm。

 

综上所述,LCE光刻胶的设计对制造结构的质量至关重要。为了获得刚性和明确定义的三维设备,还需要对模式参数进行微调。

                                

正如在之前的博客中所展示的,SEM是一个强大的工具,能够对图案结构进行成像,从而对光刻设计和书写过程的质量确定提供有价值的见解。电子显微镜的高空间分辨率对于成像和确定纳米尺寸和结构的大小是*的。

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