激光器已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)，例如在高性價比的制造系統(tǒng)中用作可靠的能源，進(jìn)行標(biāo)記、鉆孔、淬火和表面處理。目前的工業(yè)發(fā)展要求將設(shè)備的形體尺寸降低達(dá)到亞微米甚至納米級。作為一種無掩膜和非接觸工藝，激光納米加工具有設(shè)置靈活以及能夠在空氣、真空或液體環(huán)境中操作的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此成為更廣泛應(yīng)用的一種最具吸引力的加工或制造工具。

目前已經(jīng)開發(fā)一些新技術(shù)來加工功能性納米結(jié)構(gòu)。工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵問題是在大規(guī)模生產(chǎn)中如何在短時間內(nèi)產(chǎn)生大面積的納米結(jié)構(gòu)。本文介紹了潛在大規(guī)模生產(chǎn)的一些多功能激光納米加工方法，另外還簡要討論了滿足亞20 nm分辨率的激光納米加工進(jìn)一步發(fā)展的前景。

微球體陣列輔助激光納米加工

激光納米加工的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何將空氣中的紫外線或可見激光光束聚焦到亞100nm，從而克服光學(xué)衍射限制。我們的研究顯示，自排列或大面積旋轉(zhuǎn)涂抹形成的透明微球體陣列能夠?qū)⑷肷浼す夤馐蛛x為成千上百萬的微小光束，還能用作透鏡，聚焦這些微小光束以開展表面納米制圖。如圖1（a）所示，局部光線密度大幅增強(qiáng)，并以平行模式加工樣品。這種技術(shù)采用通常的二維（2D）微球體陣列將入射激光光束聚焦到基板，因此，只需幾次激光輻射脈沖，即能夠采用單步表面制圖方法在基板上產(chǎn)生成千上百萬的亞微米孔洞。激光納米加工之后，采用傳統(tǒng)超聲波清潔可以清除微球體。靈活控制激光光束掃描外形，可以形成復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如圖1（b）所示的星形陣列。

激光干涉光刻

激光干涉光刻（Laser Interference Lithography, LIL）是在短時間內(nèi)形成大面積周期納米結(jié)構(gòu)（例如納米點(diǎn)或納米線陣列）的一種功能強(qiáng)大的工具。只需暴露紫外線幾分鐘，然后采用光致抗蝕刻和化學(xué)蝕刻或者剝離工藝，即能夠在金屬薄膜上形成等離子體納米結(jié)構(gòu)。激光光束的相干長度是大面積（厘米級）兩次光束干涉的一個關(guān)鍵因素。一次激光輻照形成納米線性陣列，將樣品旋轉(zhuǎn)90°之后，另一次激光輻照用于形成納米點(diǎn)陣列。通過控制輻照時間和輻照方案，能夠形成各種納米結(jié)構(gòu)，形狀范圍從矩形到三角形和橢圓形。通過化學(xué)腐蝕也可以將光致抗蝕刻層形成的2D納米結(jié)構(gòu)傳輸?shù)交?，以形?.5D納米結(jié)構(gòu)。圖2（a）顯示了嵌入硅基板內(nèi)部的金屬納米點(diǎn)陣列，圖2（b）顯示了LIL形成的納米柱陣列。

飛秒激光雙光子聚合納米光刻

上述激光納米加工技術(shù)用于在樣品表面形成2D大面積納米結(jié)構(gòu)。飛秒激光雙光子聚合（Two-photon-polymerization,2PP）納米光刻是形成任意大面積3D納米結(jié)構(gòu)的一種前景光明的方法。當(dāng)飛秒激光光束聚焦于光敏材料上時，則通過雙光子非線性吸收來激活聚合過程。采用電腦控制飛秒激光光束掃描外形，以形成任意設(shè)計的3D結(jié)構(gòu)。激光掃描之后，沖洗掉未照射的光敏材料。由于工藝的光輻照閾值效應(yīng)和非線性光吸收性質(zhì)，靈活控制激光脈沖能源和脈沖重復(fù)率以形成圖3所示的功能性3D納米結(jié)構(gòu)，可以形成光學(xué)衍射限制（最低60 nm）之外的超分辨率。

激光微透鏡陣列光刻

由于受到樣品表面形成的微球體陣列尺寸的限制，微球體陣列技術(shù)輔助激光納米加工形成的納米結(jié)構(gòu)一般極小， 面積低于1 平方厘米。同時，在自排列或旋轉(zhuǎn)涂布形成微球體陣列期間產(chǎn)生缺陷。激光微透鏡陣列（MLA） 光刻處理更容易， 更適用于大規(guī)模生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用的納米結(jié)構(gòu)。MLA將入射激光光束分離為圖4（a）所示的成千上百萬微小激光光束，功能與分離和聚焦激光光束的微球體陣列相似。光致抗蝕刻涂抹的樣品安裝在一根7軸的納米臺上，并定位到MLA的聚焦平面。通過控制級的移動和打開/ 關(guān)閉激光脈沖， 能夠通過激光輻照在光致抗蝕刻層上形成任意圖案。圖4（b）顯示在石英基板上形成的通用IC設(shè)計陣列。激光MLA光刻具有以平行模式高速形成大面積任意納米結(jié)構(gòu)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。該方法也可以用于在各種基板表面形成功能性納米結(jié)構(gòu)，例如撓性聚合物薄膜上的裂環(huán)諧振器（SRR）陣列，它能被卷起，作為3D超材料管道應(yīng)用于超敏感應(yīng)。

        激光納米加工的發(fā)展前景

遠(yuǎn)紫外線（EUV）納米光刻和激光冷卻是滿足亞20 nm納米加工業(yè)要求的兩種高度潛在的方式。雖然幾乎所有材料對EUV光的吸收性極強(qiáng)，但是，EUV光學(xué)設(shè)備和光掩膜十分昂貴且容易損壞。成功開發(fā)直寫的多光束無掩膜EUV納米光刻技術(shù)，是克服這種技術(shù)挑戰(zhàn)的一種可行解決方案。另外，激光冷卻可以在原子通過時控制原子在基板表面的沉積，并通過激光光束干涉配置的駐波“聚焦”，以達(dá)到低至亞10 nm的形體尺寸。