飛秒激光直寫技術(shù)是一種具備三維加工能力的制造技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域。然而，由于傅里葉帶寬定理（等價于量子物理中的海森堡不確定性原理）對激光焦點橫向尺寸和深寬比的制約，如何實現(xiàn)納米級精度的高深寬比、高自由度激光深切割和鉆孔一直是研究者關(guān)注的重點和國際研究前沿。
近日，針對這一難題，清華大學(xué)精密儀器系孫洪波教授和吉林大學(xué)陳岐岱教授聯(lián)合團(tuán)隊在飛秒激光納米級高深寬比結(jié)構(gòu)制造上取得了重要進(jìn)展：研究團(tuán)隊提出了一種超隱形切割技術(shù)，利用激光-物質(zhì)相互作用過程中的非線性反饋促進(jìn)橫向亞波長光場局域化和縱向能量沉積均勻化，在包括玻璃、半導(dǎo)體、激光晶體、鐵電體等多種透明材料中實現(xiàn)了橫向精度10nm，深寬比達(dá)104的納米深加工，比現(xiàn)有最好結(jié)果提升1至2個數(shù)量級，可應(yīng)用于納米光學(xué)制造、半導(dǎo)體三維封裝等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)隱形切割等激光加工技術(shù)相比，其加工精度來源于激光初始納米損傷的“種子效應(yīng)”，因此可從原理上擺脫高深寬比結(jié)構(gòu)對激光焦點壓縮和拉伸的強依賴。該研究成果以“Super-stealth dicing of transparent solids with nanometric precision”為題，于2024年5月8日在線發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域頂尖期刊 Nature Photonics上。
小百科1：什么是高深寬比結(jié)構(gòu)？其應(yīng)用有哪些？
結(jié)構(gòu)的深寬比（亦稱深徑比）被定義為結(jié)構(gòu)縱向深度和其橫向特征尺寸的比值。直觀地說，地質(zhì)鉆探打一口直徑為d深度為z的井，其深寬比則為z/d。高深寬比結(jié)構(gòu)在光學(xué)、生物、以及電子器件領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。例如，在光學(xué)領(lǐng)域，高深寬比的光柵可以用于制備紅外波段的偏振片，或是用于增加結(jié)構(gòu)-光的耦合，從而提升材料的吸光性能，用于黑體或光伏應(yīng)用。在電子器件領(lǐng)域，納米級的高深寬比硅通孔或玻璃通孔可以應(yīng)用于三維集成電路的封裝，是在后摩爾時代進(jìn)一步實現(xiàn)芯片性能彎道超車的重要途經(jīng)。
小百科2：為什么高深寬比結(jié)構(gòu)難以制造？
制備高深寬比結(jié)構(gòu)一直是微加工領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)，目前主要有半導(dǎo)體工藝、納米壓印或激光加工等方法。半導(dǎo)體工藝基于掩膜和刻蝕（如Bosch工藝），隨著結(jié)構(gòu)深寬比掩膜作用逐漸減弱，從而限制了其結(jié)構(gòu)深寬比和質(zhì)量；類似地，對于納米壓印技術(shù)來說，高深寬比的結(jié)構(gòu)會難以脫模的問題。而對于激光加工路線實現(xiàn)的鉆孔和切割來說，由于光的波動特性導(dǎo)致的傅里葉帶寬定理，激光焦點的橫向?qū)挾群涂v向深度總保持一定深寬比，即在提升焦點橫向?qū)挾鹊耐瑫r會伴隨著縱向深度的縮短，這也導(dǎo)致了激光加工難以實現(xiàn)穩(wěn)定可控的納米級高深寬比切割和鉆孔。
傅里葉帶寬定理對激光納米級深加工的限制
經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，基于激光的精密切割、鉆孔和表面結(jié)構(gòu)化已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，并在微電子、光學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。然而，目前針對介質(zhì)或半導(dǎo)體的最先進(jìn)的激光切割技術(shù)仍然受限于近微米級的空間分辨率和102量級的深寬比。這種限制并非技術(shù)上的，而是源自于光的波動性引起的傅立葉帶寬定理（等價于量子物理的海森堡不確定性原理，圖1）。簡而言之，當(dāng)試圖通過將激光聚焦得更緊來獲得更高的橫向分辨率時，光束的發(fā)散角度會變大，從而阻礙切割切口的縱向深度和均勻性。
目前主流的解決方案，包括廣泛使用的縱向多焦點陣列、貝塞爾-高斯光束（近似無衍射光）和由克爾效應(yīng)引起的非線性激光成絲，仍然局限于衍射光學(xué)范疇內(nèi)對光場的拉伸和壓縮，故不可能突破上述物理基本原理的限制。同時，超快激光的非線性閾值效應(yīng)雖然能有效地提升激光加工的橫向精度，但由于閾值效應(yīng)會同時縮短激光加工的縱向深度，其并不能有效提升結(jié)構(gòu)的深寬比。
由于上述原因，盡管傳統(tǒng)的空間光場調(diào)制方法已經(jīng)在微米或亞微米尺度上取得了令人印象深刻的高深寬比激光加工成就，但一旦橫向加工分辨率達(dá)到百納米級別或更低，所制造的結(jié)構(gòu)的深寬比會迅速降至約102量級甚至更低。
圖1 傅里葉帶寬定理和海森堡不確定性原理的等價性，及對激光焦點寬度和深度的相互制約。
超隱形切割技術(shù)的非線性反饋物理機制
針對這一困難，研究團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新思路：利用瞬態(tài)的、非線性的激光-材料相互作用，以克服上述物理原理對納米級激光高深寬比加工的限制。具體來說，他們利用激光誘導(dǎo)的初始損傷區(qū)域作為一個“種子結(jié)構(gòu)”，來引發(fā)所謂的“背散射干涉攀爬”效應(yīng)，引導(dǎo)高深寬比納米結(jié)構(gòu)的形成和演化（圖2）。
一方面，在遠(yuǎn)場區(qū)域，種子結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生反向散射波，與入射光場相干干涉，沿光軸引起能量分布的周期調(diào)制，從而促進(jìn)光強度極大值處的新種子結(jié)構(gòu)的生成；與此同時，在近場區(qū)域，由于種子結(jié)構(gòu)的納米級特征尺寸，光學(xué)近場可以在不連續(xù)邊界處被激發(fā)，促進(jìn)納米結(jié)構(gòu)沿縱向（與激光傳播方向相反）的拉伸和連接。
通過實驗觀察和嚴(yán)格的自洽數(shù)值模擬，研究團(tuán)隊證明了這一機制有效地確保了縱向能量沉積的均勻化和橫向的亞波長光束縛，從而實現(xiàn)了亞10納米的橫向精度和104的深寬比。與現(xiàn)有的基于激光的納米級高深寬比加工技術(shù)相比，這一指標(biāo)提高了1到2個數(shù)量級（圖3，圖4b）。
圖2 背散射干涉攀爬的物理機制及實驗驗證。
不同于通常的由高折射率區(qū)域的光場約束機制，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)此處用于觸發(fā)亞波長光場束縛的是納米級的低介電函數(shù)區(qū)域，其解由廣義徑向薛定諤方程在奇異點附近的行為給出。從電位移連續(xù)性方程可以證明，場增強（以及坡印廷矢量）總可以被充分大的介電函數(shù)梯度所誘導(dǎo)。因此，這種光場亞波長束縛具有魯棒性，對具體的材料性質(zhì)不敏感，這進(jìn)一步保證了該技術(shù)的普適性。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，該效應(yīng)可以被視為納米光學(xué)中槽波導(dǎo)或米氏孔洞所引起的共振能量局域化的類比。
基于超隱形切割的納米級深切割和鉆孔
此外，材料體內(nèi)的納米級種子還可以在橫向上觸發(fā)近場增強，并在偏振平面內(nèi)引導(dǎo)高深寬比納米結(jié)構(gòu)的連續(xù)自由寫入。這一橫向近場增強的特征可以被看作是研究團(tuán)隊于2020年在Light: Science & Applications上發(fā)表提出的光學(xué)遠(yuǎn)場誘導(dǎo)近場擊穿技術(shù)（O-FIB，Optical far-field-induced near-field breakdown）的三維推廣。
通過與濕法化學(xué)刻蝕或應(yīng)力負(fù)載結(jié)合，可以實現(xiàn)多種透明材料的納米切割（玻璃、介質(zhì)、鐵電體以及半導(dǎo)體，圖3，圖4a-f），其橫向優(yōu)于50納米，深寬比超過2,000，納米光柵的切割間距可低至150納米。利用該技術(shù)還可以實現(xiàn)對超薄玻璃、藍(lán)寶石等硬脆材料的異形鉆孔和切割，在40×20μm2的測量范圍內(nèi)，其側(cè)壁粗糙度Ra小于10納米（圖5）。
受工業(yè)中著名隱形切割概念的啟發(fā)，作者將這項技術(shù)命名為超隱形切割（Super-stealth dicing,SSD）。該技術(shù)不僅具有傳統(tǒng)隱形切割的部分優(yōu)勢特性（無碎屑和低損傷，可在應(yīng)力作用下分割材料），而且還可以實現(xiàn)納米尺度下高深寬比結(jié)構(gòu)的自由寫入，具有極高的橫向加工精度和深寬比。
圖3 研究團(tuán)隊制備的高質(zhì)量熔融石英高深寬比納米光柵。
圖4 超隱形切割技術(shù)對多種透明固體的廣泛適用性以及制備的納米線、波片。
技術(shù)應(yīng)用及展望
在新提出的制備方法的幫助下，研究團(tuán)隊進(jìn)一步展示了石英玻璃異形孔、藍(lán)寶石超薄波片和晶體微棱鏡的制造（圖4g-l，圖5），為未來的三維電路封裝、自由空間集成光學(xué)和量子感知等應(yīng)用提供了獨特的加工策略。這項工作代表了迄今為止最先進(jìn)的激光納米深切割能力，同時為激光加工技術(shù)提供了一個新的視角：在極端納米尺度上，激光-材料相互作用及其帶來的非線性反饋（無論是在近場還是遠(yuǎn)場）將成為提高激光加工精度和質(zhì)量的關(guān)鍵，而這也將為激光加工技術(shù)未來的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的方向。
圖5 基于超隱形切割的薄玻璃異形鉆孔和晶體微棱鏡切割。
該論文的三位共同第一作者分別為清華大學(xué)精密儀器系博士后李臻賾博士（原吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生）、清華大學(xué)博士后樊華博士和吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王磊副教授。論文通訊作者為吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的王磊副教授、陳岐岱教授、斯威本科技大學(xué)的Saulius Juodkazis教授以及清華大學(xué)精密儀器系的孫洪波教授。此外，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的于顏豪博士、胥亦實博士、研究生張栩、博士生趙新景以及清華大學(xué)精密儀器系博士生王熠、王曉杰亦對本研究做出了重要貢獻(xiàn)。這項研究得到了國家杰出青年基金、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金國際合作項目的資助。
研究團(tuán)隊
通訊作者 孫洪波：清華大學(xué)精密儀器系長聘教授、博士生導(dǎo)師、清華大學(xué)精密儀器系學(xué)術(shù)委員會主席。國家杰出青年科學(xué)基金獲得者（2005）、教育部長江學(xué)者特聘教授（2005），國家科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，全國優(yōu)秀博士論文指導(dǎo)教師。
孫洪波教授是超精細(xì)激光加工領(lǐng)域世界知名的科學(xué)家之一，長期專注超快激光超精細(xì)特種制造領(lǐng)域的研究，包括超快激光與物質(zhì)相互作用機理，制備微光學(xué)、微電子、微機械、微流控、微光電、傳感、生物和仿生結(jié)構(gòu)與器件；開拓超快光譜研究方法，探索前沿光電和電光轉(zhuǎn)換動力學(xué)，系列工作為我國緊迫需求提供關(guān)鍵技術(shù)與解決方案。圍繞上述研究內(nèi)容在Nature、Science、Nature Physics、Nature Photonics等高水平學(xué)術(shù)雜志發(fā)表SCI論文500余篇，被SCI論文引用40000余次，H因子102；研究結(jié)果被Nature、Science和Laser Focus World 等雜志專題介紹100余篇次，150余次國際會議邀請報告，榮獲2020年國家自然科學(xué)獎二等獎（排名一）、2023年度全國創(chuàng)新爭先獎。目前任中國光學(xué)學(xué)會微納光學(xué)專業(yè)委員會主任、 中國感光學(xué)會激光微納成形專業(yè)委員會主任、原國務(wù)院學(xué)位委員會學(xué)科評議組成員、自然科學(xué)基金重大項目負(fù)責(zé)人。
通訊作者 陳岐岱：吉林大學(xué)唐敖慶特聘教授，博士生導(dǎo)師，集成光電子學(xué)國家重點實驗室吉林大學(xué)實驗區(qū)主任，《中國激光》副主編；獲國家自然科學(xué)基金杰出青年基金，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才。
陳岐岱教授主要工作從事光電子技術(shù)研究，聚焦激光精密加工和納米制造關(guān)鍵技術(shù)，為超快激光加工器件功能化、效率和精度提升做出了創(chuàng)新貢獻(xiàn)，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超快激光微納加工技術(shù)和裝備體系，滿足了基礎(chǔ)研究和國防高技術(shù)領(lǐng)域若干緊迫需求。圍繞上述工作，在Nature Photonics、Nature Physics、Nature Communications及Light: Science & Application等領(lǐng)域一流雜志發(fā)表論文230余篇，論文被SCI論文他引13000余次，H-index 65; 獲國家自然科學(xué)二等獎、吉林省和教育部自然科學(xué)一等獎各一次。主持完成國家重點研發(fā)項目和國家自然科學(xué)基金重點項目。
通訊作者 王磊：吉林大學(xué)唐敖慶青年學(xué)者，副教授，博士生導(dǎo)師。主要從事超快激光超分辨加工機制及應(yīng)用的研究，實現(xiàn)了取向硅鋼、永久光存儲、亞波長增透窗等顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。圍繞上述工作，以第一作者或通訊作者在Nature Photonics, Light: Science & Applications, Optica, Laser & Photonics Reviews等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文20余篇，主持自然科學(xué)基金委面上、青年等多項項目，現(xiàn)任Chinese Optics Letters編委。
第一作者 李臻賾：2023年博士畢業(yè)于吉林大學(xué)集成光電子國家重點實驗室物理電子學(xué)專業(yè)，現(xiàn)為清華大學(xué)水木學(xué)者，精密儀器系在站博士后。研究方向為超快激光-物質(zhì)相互作用及其在極端納米加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。以第一、共一或主要作者身份在Nature Photon., Light: Sci. & Appl., Appl. Phys. Rev., InfoMat等應(yīng)用物理學(xué)領(lǐng)域頂尖期刊上發(fā)表文章，相關(guān)成果連續(xù)入選2020-2023年的ESI高被引論文。曾擔(dān)任Adv. Funct. Mater., Opt. Lett., Appl. Phys. A, Opt. Eng.等期刊的國際審稿人。
論文信息
發(fā)布期刊 Nature Photonics
發(fā)布時間 2024年5月8日
文章標(biāo)題 Super-stealth dicing of transparent solids with nanometric precision
（https://www.nature.com/articles/s41566-024-01437-8）
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