徐振洋

（南京大學(xué)，江蘇 南京 210093）

1 三維微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)概述

三維微加工技術(shù)在現(xiàn)代大規(guī)模集成電路.微機(jī)電系統(tǒng).微光機(jī)電系統(tǒng).微流體技術(shù).生物芯片科技.高靈敏度傳感器制作工藝.光子晶體[1-5]制作等眾多領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用.

對于微加工技術(shù)，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)有以下分類：光學(xué)曝光技術(shù)，電子束曝光技術(shù)，聚焦粒子束加工技術(shù)，掃描探針加工技術(shù)等等.

2 光學(xué)曝光技術(shù)

光學(xué)曝光技術(shù)是最早應(yīng)用于集成電路生產(chǎn)加工領(lǐng)域的微加工技術(shù).現(xiàn)在，大規(guī)模集成電路的制作主要方法仍是光學(xué)曝光技術(shù).光學(xué)曝光技術(shù)的原理和相機(jī)的光學(xué)成像技術(shù)相類似：某些特殊的光敏材料（如光刻膠）在電磁輻射下（強(qiáng)激光），分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，導(dǎo)致溶質(zhì)的溶解性質(zhì)發(fā)生變化，再經(jīng)過顯影，形成微納米結(jié)構(gòu).傳統(tǒng)的二維光學(xué)曝光技術(shù)需要用到掩膜技術(shù),光學(xué)曝光的目的是在光刻膠上再現(xiàn)掩膜版上事先繪制好的圖形.

3 雙光子三維微結(jié)構(gòu)快速制備技術(shù)

本文所介紹的雙光子三維微結(jié)構(gòu)快速制備技術(shù)是利用超短脈沖激光誘導(dǎo)光刻膠發(fā)生雙光子聚合反應(yīng)，在三維結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)制造亞微米精度三維微結(jié)構(gòu)的技術(shù).雙光子三維微結(jié)構(gòu)快速制備技術(shù)最早可追述到2001年，日本科學(xué)家Kawata利用780nm的近紅外飛秒脈沖激光雕刻出了一個長10微米，高7微米的僅有血細(xì)胞大小的公牛圖像，隨后，微彈簧，微螺旋，微型光子晶體，微型光波導(dǎo)，諧振腔等微型結(jié)構(gòu)相繼面世.

雙光子三維微結(jié)構(gòu)快速制備儀的工作原理為：激光器發(fā)射飛秒激光束，經(jīng)透鏡組擴(kuò)束后由物鏡聚焦到光聚合樹脂內(nèi)部，經(jīng)由計算機(jī)控制操作的壓電微移動平臺.二維振鏡以及激光快門三者之間的協(xié)調(diào)工作，使激光焦點(diǎn)相對于樹脂材料進(jìn)行運(yùn)動，樹脂聚合物吸收雙光子而固化.控制器用于接收計算機(jī)事先編好的結(jié)構(gòu)信息，使激光焦點(diǎn)按照預(yù)先的軌跡進(jìn)行光刻書寫，實(shí)現(xiàn)在樹脂材料中的三維結(jié)構(gòu)制作.

4 光刻膠

光刻膠（Photoresist）是指一大類具有光敏化學(xué)作用的高分子聚合物材料.光刻膠一般分為正型膠與負(fù)型膠.正型膠在光照下聚合物的長鏈分子截斷成短鏈分子，它可以在顯影溶液中被洗掉而溶解，只余下長鏈分子及未曝光部分；負(fù)型膠則正好相反，它在光照下聚合物的長鏈分子得以保留，未被光照的部分發(fā)生斷鏈反應(yīng)，截斷為短鏈分子，其被洗掉而溶解，僅余下長鏈分子及曝光部分.正型膠與負(fù)型膠在光照后的殘留部分如圖1所示：

圖1

5 光刻膠的性能指標(biāo)

光刻膠的好壞是由靈敏度,對比度,抗刻蝕比，分辨率等特性指標(biāo)加以衡量的.

圖1.1：正型膠的顯影曲線 縱軸代表正型膠的膠層厚度，這里已經(jīng)使用了相對厚度單位，橫坐標(biāo)代表曝光劑量，隨著曝光劑量的增加，正型膠的相對厚度不斷減少，其中為閾值劑量，DP為正型膠的靈敏度，正型膠的對比度可如下定義這里，γP為正型膠的對比度.

圖1.2：負(fù)型膠的顯影曲線 縱軸代表負(fù)型膠的膠層厚度，這里已經(jīng)使用了相對厚度單位，橫坐標(biāo)代表曝光劑量，隨著曝光劑量的增加，負(fù)型膠的相對厚度不斷減少，其中Dg0為閾值劑量，Dgx為負(fù)型膠的靈敏度，Dgi為曝光劑量初始值.負(fù)型膠的對比度可如下定義,這里，γn為正型膠的對比度.

（1）(靈敏度)靈敏度用以衡量光刻膠的曝光速度.光刻膠一般只能在某一種或某一段特定的波長范圍內(nèi)工作.正型膠的靈敏度定義為：光刻膠通過顯影工序被完全清除所需要的曝光劑量；負(fù)型膠的靈敏度定義為：光刻膠在顯影后有50%以上的膠質(zhì)得以保留所需要的曝光劑量.

（2）(對比度)對比度是用來衡量光刻膠在曝光后顯影的輪廓清晰度.高，得到的曝光圖形棱角就清晰；低，得到的曝光圖形邊緣部分往往模糊不清，難以辨別.

（3）(抗刻蝕比)抗刻蝕比是指光刻膠的速率與襯底材料的速率之比.抗刻蝕比的高低決定了襯底材料某一深度的刻蝕需要的材料量.

（4）(分辨率)光刻膠的分辨率是一個綜合指標(biāo)，是指光刻膠顯影后曝光圖案的清晰程度.影響分辨率的因素有：曝光系統(tǒng)的分辨率；光刻膠的相對分子質(zhì)量；分子平均分布情況；光刻膠的對比度；光刻膠的膠層厚度等等.

6 激光束的自聚焦現(xiàn)象

激光自聚焦效應(yīng)是一種非線性光學(xué)效應(yīng).很多情況下，激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光在其光束截面上存在一個中間高，邊緣低的高斯分布.在光束中央，激光強(qiáng)度最大，對應(yīng)于此處的介質(zhì)折射率也最大，而在光束邊緣，則反之.

在ker介質(zhì)中傳播的單模激光束，具有Gauss型的光強(qiáng)橫向分布，光束中心與邊沿的光強(qiáng)I不同，會造成折射率n沿徑向的非均勻分布，光束在其中傳播時，介質(zhì)對光束會產(chǎn)生類似于透鏡的作用，即對光束產(chǎn)生聚焦或發(fā)散作用.

如圖2所示：

這時,介質(zhì)對光束的折射率可以寫為：

其中,Vn(|E|2)是由光強(qiáng)引起的折射率變化,可以看到,光強(qiáng)越大,折射率的變化就越大,若Vn大于0,則光束中心的折射率要大于光束邊緣的折射率,介質(zhì)對于入射的激光束相當(dāng)于一凸透鏡的作用,使入射激光束會聚,從而使激光產(chǎn)生自聚焦效應(yīng).若Vn小于0，則情況與上述相反.

自聚焦要求光強(qiáng)足夠強(qiáng)，一般的實(shí)驗(yàn)技術(shù)很難連續(xù)輸出這樣高光強(qiáng)的激光，一般都采用脈沖激光器產(chǎn)生較高光強(qiáng)的激光.

7 雙光子吸收效應(yīng)

當(dāng)頻率為W1與W2的兩束光波通過非線性介質(zhì)時，如果W1+W2與介質(zhì)某一躍遷頻率W0相近，就會發(fā)生兩束光束同時衰減的現(xiàn)象，這是由于介質(zhì)同時吸收兩個光子所導(dǎo)致的情況，稱為雙光子吸收現(xiàn)象.

雙光子吸收是一種三階非線性光學(xué)效應(yīng)，由穩(wěn)態(tài)非線性波動方程：

這兩種頻率的光電場可以表示為：

極化強(qiáng)度可以表示為：

考慮到吸收應(yīng)取極化率的虛部，再將式2.1.2（3）與式

2.1.2 (2)代入式 2.1.2(1)，有：

根據(jù)極化率的對稱規(guī)則有：

對式(9)兩邊積分可得：

寫成光子數(shù)公式為：

兩邊移項(xiàng)，可得到式（13）：

上式表明，在雙光子吸收過程中，頻率為w1與w2的兩束光的光子數(shù)增減量相同.在光子數(shù)減少的過程中，頻率為w1的光子數(shù)的減少量與頻率為w2的光子數(shù)的減少量相同，這說明，在這一過程中，頻率為w1的光子與頻率為w2的光子同時吸收，形成雙光子吸收效應(yīng).

將式（6）兩邊乘以 E*(z,w1)，將式（7）兩邊乘 E*(z,w2)，可以得到沿Z方向傳播的激光的雙光子吸收過程的描述方程組：

式中，β1與β2為雙光子吸收系數(shù)，具體表達(dá)式如下：

且有：

在利用NanoScribe制作三維微結(jié)構(gòu)材料的過程中，發(fā)生雙光子吸收的兩個光子來源于同一束激光，因此有:W1=W2并且I1=I2.

因此式（14）變?yōu)橥粋€方程：

設(shè)入射光強(qiáng)度為I0，則該方程的解為：

由上可見,雙光子吸收過程中,光強(qiáng)隨著傳播距離逐漸減小.這是因?yàn)榘l(fā)生了雙光子吸收效應(yīng)，導(dǎo)致光子被吸收的緣故.

8 雙光子三維微結(jié)構(gòu)快速制備的實(shí)驗(yàn)技術(shù)

下面主要介紹利用雙光子三維結(jié)構(gòu)快速制備技術(shù)制作簡易模型,及其有關(guān)該模型的一些CST三維電磁場的仿真結(jié)果.

利用CST Design Studio，可以繪制如下這一簡易的四腳板凳模型,如圖3所示：

圖3 如圖所示為由CST三維電磁波模擬軟件繪制的FFT（Four-Foot Table）模型

在本實(shí)驗(yàn)中采用了55%的輸出功率，得到的線條直徑大約在0.3微米.而結(jié)構(gòu)的橫條狀部分由于受重力影響會使凝膠產(chǎn)生下滑現(xiàn)象，使線條的直徑大于其他豎直部分的直徑.

圖4 對不同高度模型的CST模擬結(jié)果

適當(dāng)?shù)母淖兡Ｐ偷母叨?，使高度h分別等于1.8um，1.9um，2.0um，2.1um，2.15um，2.2um，對這 6個模型進(jìn)行模擬所得到的的結(jié)果如圖4：

結(jié)論：可以看到，四腳板凳模型的透射曲線均有兩個吸收峰，第一個峰吸收較大，對應(yīng)光頻較小，分布在65KHz左右；第二個吸收峰相對較小，分布離散，大多分布在相對于第一吸收峰較高的光頻上.隨著高度的變化，這兩個吸收峰的變化情況并非線性變化：

（1）第一個吸收峰（透射譜的第一個谷底）隨著h的變化先增大，后減小.h在2.25微米處為上升和下降的分界點(diǎn)（2）第二個吸收峰（透射譜的第二個谷底）隨著高度h的變化先減小后增大.在h大于2.25微米時，h越大，吸收率越??；在h小于2.25微米時，h越大，吸收率越大.

上圖是利用雙光子快速三維微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)制作的樣品，將樣品鍍上金屬后，置于顯微鏡下觀察所得結(jié)果，F(xiàn)FT陣列為10*10的方陣，每個FFT模型為2um*2um*2um（h可變）的尺寸，相鄰兩個FFT之間在X或Y方向間隔2um，X或Y方向上的周期均為4um.

9 前景與展望

雙光子三維快速微加工直寫技術(shù)可以在很小的空間尺度上利用材料的雙光子吸收效應(yīng)制作具有較高精度與分辨率的三維微結(jié)構(gòu)材料，其應(yīng)用前景十分廣泛[6，1,5-19].首先,雙光子三維快速微加工直寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的三維光刻技術(shù),并且具有較高的分辨率與書寫效率,在制作三維光子晶體,準(zhǔn)晶體模擬,分子螺旋運(yùn)輸器,各類微型波導(dǎo)與諧振腔都有重大影響.

〔1〕Madou,M.,Fundamentals of Microfabrication:The Science of Miniaturization,2nd ed. CRC Press,2001.Boca Raton.

〔2〕Menz,W.,Mohr,J.,Paul,O.,Microsystem Technology,2nd ed.Wiley-VCH,2001.Weinhein Germany.

〔3〕Sheats,J.R.,Smith,B.W.,Microlithography-Science and Technology.Marcel Dekker,1998.New York.

〔4〕Moreau,W.M.,Semiconductor Lithography:Physics and Materials.Plenum,1988.New York.

〔5〕崔崢.微納米加工技術(shù)及其應(yīng)用．北京：高等教育出版社，2009.