刻蚀辅助激光灰度改性技术制备硅基三维微结构

李乾坤,刘学青,成 荣

(1.清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京 100084； 2.清华大学机械工程系,北京 100084)

1 引 言

光刻技术是目前高精度微纳制造领域应用最广泛的加工技术,通过掩膜曝光可以实现仅有几个纳米的横向加工分辨率。而作为一种平面加工工艺,在复杂面型三维结构制备中具有很大的局限性。为了满足制备复杂面型三维微纳结构的需求,研究人员提出了灰度光刻技术[1-3]。其关键是制备出具有渐变透过率的灰度光刻板,利用光经过光刻板后在不同区域曝光量的不同实现三维结构的一次曝光成型。但是灰度掩膜板的制备非常复杂,成本昂贵,而且在多次使用后会有残胶附着,影响其再次使用。

近年来,飞秒激光微纳加工已经在面向基础研究的前沿微纳制造领域具有了广泛的应用[4-12],这是由于其具有突破衍射极限的加工分辨率、可加工任意材料、真三维加工能力等优势。例如,Wu等研究人员利用飞秒激光首次在铌酸锂材料内成功地实现了三维非线性光子晶体的制备[5]。基于飞秒激光与材料的相互作用原理,我们提出了一种可定制的刻蚀辅助飞秒激光灰度加工技术。利用飞秒激光诱导光化学反应,在衬底材料表面形成一层抗刻蚀改性层,利用该抗刻蚀层作为刻蚀过程中的掩膜,从而实现三维结构的制备,无需经过掩膜板图形向光刻胶图形的转化。本文以硅为例,通过飞秒激光改性在表面形成硅的氧化层,后续结合干法刻蚀制备了三维面型的复杂结构,而且硅的氧化层的抗刻蚀能力可以通过激光加工参数进行调控。……