作者

王金石、房豐洲、安豪杰、吳珊、戚慧敏、蔡越軒、郭冠宇

單位

天津大學(xué)

Citation

Wang J S, Fang F Z, An H J, Wu S, Qi H M, Cai Y X, Guo G Y. 2023. Laser machining fundamentals: micro, nano, atomic and close-to-atomic scales. Int. J. Extrem. Manuf.5012005.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/acb134

撰稿 | 文章作者

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文章導(dǎo)讀

光學(xué)、生物、微電子及信息等領(lǐng)域核心器件與傳感器的特征尺寸已經(jīng)從微米量級減小到納米量級，而基于量子理論工作的下一代元器件要求加工的精度、特征尺寸、材料完整性達(dá)到原子及近原子尺度，制造技術(shù)正在面臨從基于機(jī)器精度的可控制造向以原子及近原子尺度制造（ACSM）為核心使能技術(shù)的制造新范式（即制造III）的演變。激光加工作為微納制造的重要技術(shù)之一，具有高精度、高效率、材料普適性強(qiáng)等優(yōu)勢，加工過程覆蓋了宏、微、納觀多尺度，且具備在原子層量級去除材料的潛力。研究人員系統(tǒng)分析了基于非線性光化學(xué)效應(yīng)的超快激光三維加工以及激光誘導(dǎo)形成的表面結(jié)構(gòu)，闡述了直接獲得高精度、高表面質(zhì)量的微納結(jié)構(gòu)仍然存在挑戰(zhàn)。這些問題決定了自上而下方式的激光加工能否應(yīng)用于ACSM這一未來制造領(lǐng)域的重要技術(shù)，研究人員需要從機(jī)理層面出發(fā)尋找新方法、新工藝。近期，天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王金石、房豐洲等人在《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）期刊發(fā)表了《微米、納米、原子及近原子尺度激光加工機(jī)理》的綜述，系統(tǒng)介紹了小尺度下激光加工的研究背景、最新進(jìn)展及未來展望。如圖1所示，文章首先闡述了典型材料在不同尺度下（特別是納米及原子尺度）的光致去除機(jī)理，進(jìn)而討論了電子激發(fā)、材料缺陷與激光參數(shù)等因素的影響以及三類常用的理論模擬方法，列舉了納米與原子尺度結(jié)構(gòu)的實(shí)際加工案例，并面向ACSM對激光加工進(jìn)行展望。

激光加工；機(jī)理；原子及近原子尺度制造；ACSM；制造III

亮點(diǎn)

系統(tǒng)分析了小尺度下的激光加工機(jī)理。

探討了光致脫附具備單原子層去除極限的可能性。

分析了原子尺度激光加工有望實(shí)現(xiàn)極高的表面完整性。

強(qiáng)調(diào)了減小波長與化學(xué)輔助手段的優(yōu)勢。

闡述了激光加工是具有潛力的原子及近原子尺度制造技術(shù)。

圖1 材料去除機(jī)理、影響因素、理論研究方法與應(yīng)用

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研究背景

20世紀(jì)60年代以來，激光已經(jīng)成為科學(xué)研究與工程應(yīng)用的重要工具。1983年微透鏡陣列的實(shí)現(xiàn)證明了激光能夠作為微納加工的有效方法，超短脈沖技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步提高了光與物質(zhì)相互作用的空間分辨力，通過多光子吸收、光致聚合等效應(yīng)使得激光加工具有超衍射極限與三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的獨(dú)特優(yōu)勢，在金屬、半導(dǎo)體材料上誘導(dǎo)的微納結(jié)構(gòu)也受到了廣泛關(guān)注。目前，激光能夠在微納米尺度進(jìn)行增減材加工以及物化性能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)光學(xué)、光電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域關(guān)鍵元器件及各種功能表面的制造。另一方面，通過光聚合與化學(xué)腐蝕雖然能夠獲得理想的表面質(zhì)量，但對可加工材料造成了限制，尤其當(dāng)使用激光直接去除脆性晶體時(shí)容易造成表面損傷。即使飛秒激光被認(rèn)為是冷加工手段，在納米尺度下其熱效應(yīng)仍然會體現(xiàn)出來，而低粗糙度、低損乃至無損表面的需求正在日益增加。具有亞納米級特征尺寸的量子器件已經(jīng)處于實(shí)驗(yàn)室階段，意味著原子與近原子尺度制造的時(shí)代即將到來。激光直接輻照能夠在原子層量級去除材料而不破壞亞表面晶格，一些輔助手段通過削弱表層原子鍵強(qiáng)度使得加工過程具有選擇性與自限性進(jìn)而提高了可控度，有望發(fā)展成為ACSM的主要技術(shù)之一。隨著加工精度與表面完整性趨近材料極限，基于熱等離子體激光燒蝕的加工模型難以適用，需要從光與材料相互作用這一基本問題入手尋找方案，尤其是以非熱形式實(shí)現(xiàn)材料去除的微觀過程。圖2表明不同尺度下激光去除材料的典型方式。

圖2 激光輻照下材料在不同尺度的去除過程示意，包括熱燒蝕（微米級）、庫侖爆炸（納米級）、原子脫附與發(fā)射（原子級）

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最新進(jìn)展

本文詳細(xì)探討了微米、納米、原子及近原子尺度激光加工機(jī)理，主要包括：納米與原子尺度下的材料非熱去除機(jī)理、原子層輔助加工方法、減小波長的優(yōu)勢以及原子尺度結(jié)構(gòu)加工案例。

納米與原子尺度下的材料非熱去除機(jī)理

激光加工時(shí)光子首先被電子吸收，如果在電子向晶格傳熱并導(dǎo)致晶格溫升之前表層材料脫離基底即發(fā)生非熱去除；若在此之后晶格不出現(xiàn)劇烈的相變、沖擊波等過程，就能夠在材料去除的同時(shí)獲得較高的加工表面完整性。庫侖爆炸是低輻照條件下納米尺度非熱去除的一種重要機(jī)制，材料表面被電離后暫時(shí)帶正電，由于晶格原子間距僅為埃米量級，表層粒子或團(tuán)簇在強(qiáng)庫侖斥力下被發(fā)射，其速度大、沿表面法向附近分布且動量與電荷態(tài)正相關(guān)，這些特征與燒蝕去除等離子體羽輝中粒子的低速、電中性及大角度分布截然不同。

原子層去除機(jī)理是建立在量子理論基礎(chǔ)之上，且與材料種類、表面晶向與重構(gòu)、缺陷等微觀狀態(tài)相關(guān)。超高真空環(huán)境下的激光輻照配合掃描隧道顯微鏡、動能分布表征等實(shí)驗(yàn)表明，原子傾向于從特定晶格點(diǎn)位或缺陷附近出射，以此作為“種子點(diǎn)”在原子層內(nèi)擴(kuò)展，且在第一層原子被完全去除之前下層原子有維持理想晶格結(jié)構(gòu)的能力（圖3）。對于二維材料，隨著原子層去除數(shù)目逐漸減小，體系維度發(fā)生變化并導(dǎo)致閾值能量密度增加，呈現(xiàn)出“原子尺度的尺寸效應(yīng)”。

圖3 激光輻照表面掃描隧道顯微鏡表征（a）Si(111)-7×7表面，輻照參數(shù)：波長500 nm、脈寬28 ns、能量密度300 mJ/cm2；（b）Si(100)-2×1表面，輻照參數(shù)：波長532 nm、脈寬7 ns、能量密度150 mJ/cm2。（a）經(jīng)許可使用，版權(quán)所有（1996）Elsevier；（b）經(jīng)許可使用，版權(quán)所有（1996）American Physical Society。

原子層輔助加工方法

如果能夠減弱表層原子與其下方原子的鍵合強(qiáng)度，就有可能通過控制激光參數(shù)僅切斷被弱化的原子鍵，從而去除單個(gè)原子層而不破壞加工表面及亞表面晶格。通過在表面吸附高電負(fù)性粒子（如鹵素分子）便能夠?qū)崿F(xiàn)上述效果，這種輔助加工方法具有材料選擇性或自限性，即只有那些表面吸附與激光輻照同時(shí)存在的區(qū)域才會發(fā)生原子層去除，極大程度地提高了過程的可控性，在氯吸附的砷化鎵以及氧吸附的金剛石體系中得到了驗(yàn)證。還可以采用該方法先制備分散的空位缺陷，然后通過常規(guī)激光輻照擴(kuò)大缺陷范圍，完成整個(gè)原子層的去除（圖4a）。另一種方法則是通過互擴(kuò)散將雜質(zhì)原子摻入表層，使得擴(kuò)散層的閾值能量密度低于基底，在合適的輻照強(qiáng)度下僅將擴(kuò)散層去除而不損傷加工表面（圖4b）。

圖4 原子層輔助加工方法（a）GaAs(110)表面的原子層去除：第一步通過Br吸附輔助加工（CALID）獲得島狀分布空位，這些缺陷作為種子點(diǎn)在第二步激光輻照（LID）中擴(kuò)大至整個(gè)原子層；（b）通過In原子與GaAs表層內(nèi)的Ga原子互擴(kuò)散降低去除閾值。（a）經(jīng)許可使用，版權(quán)所有（1998）American Physical Society；（b）經(jīng)許可使用，版權(quán)所有（2018）IOP Publishing Ltd.。

減小波長的優(yōu)勢

當(dāng)材料帶隙大于單光子能量時(shí)，需要通過多光子強(qiáng)場吸收進(jìn)行電子激發(fā)。這一方面是飛秒激光加工獲得高空間分辨力的基礎(chǔ)，另一方面也帶來了納米及原子尺度晶格熱損傷的隱患。采用短波長高光子能量便能夠在促進(jìn)電子激發(fā)的同時(shí)降低輻照劑量，以庫侖爆炸、原子層脫附等非熱方式提高加工表面質(zhì)量。超過帶隙與電子親和能之和的高能光子可避免電子向缺陷能級弛豫過程中的聲子發(fā)射，獲得熱變形小、側(cè)壁陡峭、表面平坦的微納結(jié)構(gòu)。作為短波長的典型代表之一，極紫外（EUV）波段光子能量可切斷幾乎所有化學(xué)鍵并引起強(qiáng)電離、強(qiáng)吸收，去除閾值降低可達(dá)到2個(gè)數(shù)量級。在熱燒蝕過程中，光斑中心位置的能量沉積與材料去除深度會由于表面上方等離子體羽輝的吸收作用而降低；而EUV光子的強(qiáng)電離效應(yīng)能夠穿透羽輝，維持輻照表面的電子激發(fā)與材料去除。EUV激光已能夠在介電晶體與有機(jī)物表面加工出高質(zhì)量納米結(jié)構(gòu)。

原子尺度結(jié)構(gòu)加工案例

圖5a所示為采用基于互擴(kuò)散摻雜的原子層輔助加工方法獲得的GaAs亞納米深度溝槽，結(jié)合干涉曝光能夠更高效地實(shí)現(xiàn)周期性“納米島狀”結(jié)構(gòu)，以此為模板可提高量子點(diǎn)分布的有序性。對于二維材料，通過四波混頻技術(shù)能夠在線監(jiān)測石墨碳層隨激光掃描次數(shù)的遞減過程（圖5b）；利用聚焦脈沖激光直寫獲得了僅為原子層厚度的超透鏡（圖5c）、全息圖等超薄光學(xué)器件，在寬波段實(shí)現(xiàn)超衍射極限聚焦等優(yōu)異性能；以激光減材方式加工的單層MoS2場效應(yīng)管（圖5d）具有與原始單層形態(tài)材料可比擬的電學(xué)特性。

圖5 原子尺度結(jié)構(gòu)激光加工舉例（a）GaAs激光加工表面與所生長的量子點(diǎn)；（b）石墨碳層減薄過程，數(shù)字代表初始層數(shù)；（c）MoS2原子級平面透鏡；（d）基于單層MoS2的納結(jié)構(gòu)與場效應(yīng)管。（a）經(jīng)許可使用，版權(quán)所有（2018）IOP Publishing Ltd.；（b）經(jīng)許可使用，版權(quán)所有（2015）Royal Society of Chemistry；（c）經(jīng)許可使用，版權(quán)所有（2021）Springer Nature；（d）經(jīng)許可使用，版權(quán)所有（2012）American Chemical Society。

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未來展望

作為具有潛力的ACSM技術(shù)，激光加工的精度與結(jié)構(gòu)尺寸由微納米向原子尺度發(fā)展過程中存在若干關(guān)鍵問題有待突破，如材料能帶結(jié)構(gòu)、缺陷、聲子激發(fā)等因素對原子層去除的影響機(jī)理仍需要明確，解決這些基礎(chǔ)問題便可以闡明哪些激光參數(shù)（波長、脈寬、功率等）對原子尺度加工起主導(dǎo)作用，從而實(shí)現(xiàn)確定性調(diào)控；已有研究已經(jīng)體現(xiàn)了選擇性、自限性機(jī)制在提高過程可控性方面的重要作用，借助吸附、摻雜、引入缺陷等多種方式，有望實(shí)現(xiàn)可用于實(shí)際生產(chǎn)的原子層高效加工新方法；同時(shí)，需要深化現(xiàn)有激光加工技術(shù)（包括短波長光源、光束整形與光場調(diào)控、核心光學(xué)元件設(shè)計(jì)與制造、多尺度數(shù)值模擬等）的研究，使其能夠在更多種類材料上獲得精度、結(jié)構(gòu)尺寸與表面完整性的提升。

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作者簡介

王金石副研究員

王金石，天津大學(xué)副研究員，從事激光加工、原子及近原子尺度制造、超精密加工方向研究。參與國家973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃及重點(diǎn)項(xiàng)目、國防科工局科學(xué)挑戰(zhàn)計(jì)劃專題項(xiàng)目等。發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，授權(quán)發(fā)明專利4項(xiàng)。擔(dān)任International Journal of Extreme Manufacturing期刊客座編輯、Nanomanufacturing and Metrology期刊青年編委、國際生產(chǎn)工程研究院（CIRP）青年會員（Research Affiliate）、國際工程技術(shù)促進(jìn)會（AET）會員、國際納米制造學(xué)會（ISNM）會員、中國機(jī)械工程學(xué)會生產(chǎn)工程分會委員。

房豐洲教授

房豐洲，天津大學(xué)教授，長期從事微納加工、精密制造、超精密制造、光學(xué)自由曲面制造與檢測的基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用開發(fā)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國家973計(jì)劃、863計(jì)劃、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金及企業(yè)合作等科研項(xiàng)目，歷年名列Elsevier “工業(yè)與制造工程”領(lǐng)域中國高被引學(xué)者榜單。國際納米制造學(xué)會（ISNM）首任主席及Nanomanufacturing and Metrology期刊主編，先后被評選為AET、ISNM、SME、CIRP等制造領(lǐng)域國際主要學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)會士。提出制造發(fā)展的三個(gè)范式，并闡明原子及近原子尺度制造（ACSM）是“制造III”的核心使能技術(shù)。