以下文章來源于高能束加工技術及應用

來自洛桑聯邦理工學院的研究人員在Optics Express國際期刊上發表文章Few pulses femtosecond laser exposure for high efficiency 3D glass micromachining。

01論文導讀

自20世紀80年代以來，基于激光的微/納尺度三維結構制備技術一直是研究人員努力去解決的問題。激光在加工過程中不去除任何材料，而是對其進行局部改性，引入由一系列納米平面平行組成的自組織納米結構。與激光誘導光聚合通過直接激光圖案化相反，基于玻璃的曝光-刻蝕方法是激光曝光的體積被移除，剩下的是非曝光區域，最終的特征尺寸和加工能力不僅取決于激光影響區和非影響區之間的化學刻蝕選擇性，而且還取決于刻蝕劑的擴散過程。迄今為止，經常使用的化學溶劑包括HF和KOH，但HF為強酸，需要特定的回收程序，處理復雜；KOH在高濃度時有較強的腐蝕性，因此本文研究了NaOH作為刻蝕劑的影響。

02論文概述

本文研究了氫氧化鈉(NaOH)作為刻蝕溶液時相較于氫氟酸(HF)和氫氧化鉀(KOH)的刻蝕對比度。在極低的凈曝光劑量下，研究了NaOH的刻蝕速率。最后證明，在極低的曝光劑量范圍內，HF、NaOH和KOH的刻蝕增強機制是由缺陷的存在所驅動的，而不是由納米光柵的存在所驅動。

03圖文解析

圖1顯示了在給定的一組脈沖能量下，隨著曝光劑量的增加，三種刻蝕劑的蝕刻速率的比較。觀察到三種刻蝕劑刻蝕速率隨曝光劑量的變化整體呈現相似的趨勢，在脈沖能量大于200nJ時，三者刻蝕速率差異明顯。在脈沖能量為160nJ時，曝光劑量為10J/mm2處為三者刻蝕速率的峰值，其中NaOH在高劑量下的衰減速率更快。當脈沖能量增加，在曝光劑量1.5J/mm2時出現了第二個峰值。當脈沖能量大于180nJ，在曝光劑量區間內，NaOH和KOH的刻蝕效率都高于HF，其中NaOH的刻蝕速率最高分別是HF的4倍和KOH的2倍。

圖1. 三種不同的刻蝕液：HF 2.5 % vol，KOH 45 % wt，和NaOH 5 % wt的刻蝕速率與曝光劑量的關系。探究了6種不同的脈沖能量：160 nJ ( A )、180 nJ ( B )、200 nJ ( C )、220 nJ ( D )、240 nJ ( E )、260 nJ ( F )。

圖2(A)、(B)和(C)分別顯示了三種刻蝕劑分別在兩個峰值處(1.5J/mm2和10J/mm2)的長寬比隨脈沖能量的變化。長寬比如(C)所示。根據(A)圖可以看出，NaOH形成圖案長寬比在220nJ處接近400，相比于HF和KOH，受脈沖能量的影響較強。三種刻蝕劑的實際刻蝕結果如(B)所示。

圖2. ( A ) 3種刻蝕劑和6種不同脈沖能量下，2種曝光劑量下刻蝕線的長寬比。( B )根據18小時后使用的刻蝕劑，對不同激光參數下的刻蝕過程進行可視化比較。( C )比較了各種玻璃微加工技術獲得的長寬比。

圖3顯示了在4中不同的脈沖能量和兩種光偏振態(垂直和平行)下，偏振刻蝕對比度和刻蝕速度隨曝光劑量的變化。偏振刻蝕對比度定義為兩個正交線偏振方向的刻蝕速率之間的差異。圖中實線表示偏振刻蝕對比度，點狀線表示平行偏振刻蝕速率。在3J/mm2到4J/mm2中的偏振刻蝕對比度均達到谷值，根據圖1結果，這個區間內的垂直刻蝕速率達到谷值，而圖3中顯示的平行刻蝕速率達到峰值，因此導致了這個結果。三者都在極低的曝光劑量下，偏振刻蝕速率對比度最高。

圖3. 在不同的脈沖能量和三種腐蝕液( A ) HF，( B ) KOH和( C ) NaOH中，垂直和平行激光偏振與曝光劑量之間的刻蝕對比。

圖4顯示了不同溫度下，退火對三種刻蝕劑在不同曝光劑量下刻蝕速率的影響。(A)、(B)圖分別為脈沖能量在200nJ和240nJ下的影響。在300℃和500℃退火240 nJ脈沖能量后，缺陷密度的減少使相鄰缺陷之間的平均距離增加到一個對HF影響最小的值。因此HF的刻蝕速率基本不變。進一步升高退火溫度，可能對二氧化硅基體產生的局部致密化效應，變為更大、更穩定的環狀結構。HF刻蝕速率相比退火前刻蝕速率降低，表明HF刻蝕機制主要是玻璃結構的孔隙率和相關的局部致密化。而KOH和NaOH的刻蝕機理主要由基體中存在的缺陷驅動。

圖4. 對于固定脈沖能量為200 nJ ( A )和240 nJ ( B )，三種刻蝕劑( HF、KOH、NaOH)，在不同曝光劑量下，退火前后的刻蝕速率與沉積能量的比較。

04總結

本文結論如下：

在低曝光劑量下，對應于大約10個重疊脈沖(其值為1.5J/mm2)的第一種模式，然后是第二種模式，其刻蝕速率具有局部最小值，然后是第三種模式，在較高劑量下，刻蝕最大值被恢復。

對于所研究的三種刻蝕劑，曝光劑量為1.5 J/mm2對應的局部刻蝕最大值很少有脈沖重疊，所謂的納米光柵尚未明顯觀察到。第一種曝光機制僅在給定的脈沖能量閾值以上被觀察到，高于觀察修正的曝光機制。盡管刻蝕后沒有可見的自組織圖案，但根據線偏振取向，觀察到強烈的各向異性刻蝕行為。

HF酸基刻蝕劑表現出與氫氧化物基刻蝕劑不同的行為。而KOH和NaOH在低曝光劑量下的刻蝕速率最高，HF在低曝光劑量和高曝光劑量下的刻蝕速率都存在相似的局部極大值。500 ° C以下退火對低曝光劑量刻蝕行為影響顯著，最終完全抵消了NaOH和KOH在低脈沖能量下的刻蝕增強作用，而對HF刻蝕行為影響有限。

氫氧化鈉(NaOH)作為飛秒激光輔助3D微制造的刻蝕劑，與已知的基于HF和KOH溶液的替代方法相比，顯示出優異的性能。它達到了前所未有的刻蝕速率300 μ m/h，是KOH的2倍，是HF的近4倍。