（精密仪器及机械专业论文）飞秒激光双光子三维微细加工技术的研究.pdf

摘要 作为一种新型的激光成型技术，飞秒激光双光子微细加工具有真三维的制作 能力和亚微米的加工分辨率等技术特点，在m e m s 研究领域受到越来越广泛的 重视。本文结合高水平大学建设重点科研项目和国家自然科学基金项目( n o 5 0 2 7 5 1 4 0 ) 的主要研究内容，研制了飞秒双光予三维微细加工实验系统，并主要 对振荡级飞秒激光系统、加工系统的分辨能力、加工重复率和不同材料的双光子 加工性能等问题进行了深入研究。本文的主要成果如下： 首先，在总结双光子激发的技术优势和成型特点的基础上，自行设计、搭建 了飞秒激光双光予三维微细加工系统，并实现了三维信息存储等功能在系统中的 集成。重点论述了作为双光子辐射光源的钛蓝宝石飞秒激光器的结构设计和性能 测试，并对谐振腔锁模稳定性进行了理论上的验证。对系统中其它重要功能部件 也进行了详细的介绍。 其次，本文分别从激发光强和自由基浓度两个方面对系统可实现的加工分辨 率进行了理论分析，并最终建立了统一的理论模型。我们还采用逐点提升法制作 了不同加工条件下双光子成型的固化单元，通过与理论模型的m a t l a b 仿真结果 比较验证理论分析的正确性，在此基础上探讨了重要加工工艺参数对系统加工分 辨率的影响。同时，本文根据曝光等效性原理从理论上分析了不同重复率条件下 直线加工的表面质量，并从实验上对此进行了验证。根据建立的理论模型，可预 计加工系统可实现的分辨能力，确定实际加工中合适的扫描步距。 再次，利用建立的加工系统，我们成功地实现了不同紫外光刻胶材料的三维 成型，制作出了多个具有真三维结构的微器件。对超支聚合物和二苯乙烯类光聚 合物进行了双光子可加工性的实验研究，并得到了初步的实验结果。 最后，为了进一步展示双光子三维微细加工方法的技术优势，我们还通过一 次扫描成型的方法制作完成了齿轮轴微系统和具有亚微米级精细结构的l o g p i l e 型光予晶体，并利用相应的测试方法验证了这些器件所具有的功能。 这些实验结果为研究项目的顺利完成和该领域研究工作的深入发展打下了 良好的基础。此外，本文还对该技术的发展方向进行了展望。 关键词：飞秒激光双光子激发三维微细加工加工分辨率微系统 a b s t r a c t a san e wt y p eo fl a s e r b a s e d l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y , f e m t o s e c o n d l a s e r t w o p h o t o n 3 dm i c r o f a b r i c a t i o nh a si t s u n i q u et e c h n o l o g i c a l c h a r a c t e r s ，l i k e f a b r i c a t i o n a b i l i t y o ft r u e3 dm i c r o s t r u c t u r e s ，s u b m i c r o n r e s o l u t i o n p o w e r i t b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nm e m sr e s e a r c ha r e a w i t h t h ea i do f h i g h 1 e v e lu n i v e r s i t yc o n s t r u c t i o np r o g r a ma n dn s f c ( n o 5 0 2 7 51 4 0 ) ，af e m t o s e c o n d l a s e rt w o p h o t o n3 dm i c r o f a b r i c a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi sc o n s t r u c t e di no u rl a b s e v e r a lt e c h n i c a lm a t t e r sa r es t u d i e d i no u r w o r k ，i n c l u d i n g o s c i l l a t o r s t a g e f e m t o s e c o n dl a s e rs y s t e m t h er e s o l u t i o np o w e ro ft h em i c r o f a b r i c a t i o ns y s t e m ，t h e r e p e t i t i o nr a t eo ff a b r i c a t i o na n dt w o p h o t o nm i c r o f a b r i c a t i o na b i l i t i e so fd i f f e r e n t m a t e r i a l s t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r e ! i s t e da sf 0 1 l o w s ： f i r s t l y ，a c c o r d i n g t ot h et e c h n o l o g i c a la d v a n t a g e sa n dm o l d i n gc h a r a c t e r so f t w o p h o t o n e x c i t a t i o ns u m m a r i z e di nt h i s p a p e r , a h o m e - m a d e t w o - p h o t o n f e m t o s e c o n dl a s e rm i c r o f a b r i c a t i o ns y s t e mi sb u i l t a n ds o m eo t h e rf u n c t i o n s1 i k e3 d d a t as t o r a g ea r ea l s or e a l i z e di nt h i ss y s t e m m a i ne m p h a s i si sp u to nt h ed e s c r i p t i o n o fs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo f t h et i ：s a p p h i r ef e m t o s e c o n dl a s e rs y s t e m m o r e o v e r , at h e o r e t i c a la n a l y s i si sa l s og i v e no nt h em o d e l o c k e ds t a b i l i t yo ft h er e s o n a n tc a v i t y ， s o m eo t h e ri m p o r t a n tf u n c t i o n a lp a r t si nt h i ss y s t e ma r ea l s oi n t r o d u c e dh e r e s e c o n d l y t h e o r e t i c a la n a l y s e s ，b a s e do nt h ee x c i t i n gp o w e ra n dc o n c e n t r a t i o no f f r e er a d i c a lr e s p e c t i v e l y , a r eg i v e no nt h es y s t e m sr e s o l u t i o np o w e r a t i e rt h a t ，a u n i f i e dt h e o r e t i c a im o d ei s g o t v o x e l sf a b r i c a t e d u n d e rd i f i e r e n tc o n d i t i o n sa r e r e a l i z e db ys t e p 1 i f tm e t h o d ，w h i c ha r ec o m p a r e dw i t hm a t l a be m u l a t i o nr e s u l t sa n d t h ec o r r e c t i o no ft h et h e o r e t i c a lm o d ei sp r o v e di nt h i sw a y a n dt h ei n f l u e n c e so f i m p o r t a n tp r o c e s sp a r a m e t e r st ot h es y s t e m sr e s o l u t i o np o w e ra r ed i s c u s s e d o nt h e o t h e rh a n d a c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n tp r i n c i p l eo f e x p o s u r e at h e o r e t i c a la n a l y s i si s g i v e no nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e p e t i t i o nr a t e a n ds u r f a c eq u a l i t yo ff a b r i c a t e d l ；n e s w h i c hi sa l s ov e r i f i e db ye x p e r i m e n t s b a s e do nt h ec o n s t r u c t e dt h e o r e t i c a i m o d e s ，p r e c o g n i t i o nc a nb em a d eo nt h es y s t e m sr e s o l u t i o np o w e ra n dap r o p e r r e p e t i t i o nr a t ec a na l s ob es e tu n d e r c e r t a i nm i c r o f a b r i c a t i o nc o n d i t i o n s t h i r d l y ，w i t h t h em i c r o f a b r i c a t i o ns y s t e mw e b u i l t ，3 dp h o t ol i t h o g r a p h yh a sb e e n r e a l i z e dw i t hd i f i e r e n tu v p h o t o s e n s i t i v er e s i s t a n ds e v e r a lm i c r o s t r u c t u r e sh a v e b e e nm a d es u c c e s s f u l l v t h et w o p h o t o nm i c r o f a b r i c a t i o na b i l i t i e so fo t h e rm a t e r i a l s 1 i k eh y p e r b r a n c h e dp o l y e s t e ra n dp o l y m e rw i t hb i s s t y r y l - b i p h e n y ls t r u c t u r e ，a r ea l s o s t u d i e d s e v e r a lp r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eb e e ng o ts h c c c s s f u i l y f i n a l l y , t of u r t h e rd e m o n s t r a t et h et e c h n o l o g i c a ld o m i n a n c e s ，ag e a rs h a f ts y s t e m a n d l o g - p i l ep h o t o n i cc r y s t a l s w i t hs u b m i c r o nf i n es t r u t t u r e sa r ef a b r i c a t e d b y s i n g l e s t e ps c a n n i n g t h e i r f u n c t i o n sa r ea l s ot e s t e db y c o r r e s p o n d i n gm e t h o d s a i it h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i l lb eh e l p f u lt oo u rp r o j e c t sa n di m p r o v e m e n ti n t h i sr e s e a r c ha r e a m o r e o v e r ap r o s p e c to f t h i st e c h n o l o g yi sm a d ei nt h ee n d k e yw o r d s ： f e m t o s e c o n dl a s e r t w o p h o t o ne x c i t a t i o n 3 dm i c r o f a b r i c a t i o n r e s o l u t i o n p o w e rm i c r o s y s t e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得虫国型堂撞盔太堂或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任 何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储签名霜节钐签字日期刎年厂月? 咱 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 主国抖堂撞盔太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅，本人授权生垦抖堂撞盔太堂可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作一：彻够 签字日期：加炸f 月珀f 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：专支i 签字日期：蛑广月1 蝈 电话 邮编 中国科学技术大学博士学位论文 第一章序论 1 - 1 微型机械与微细加工技术 1 1 1 微型机械的研究背景和现状 1 微型机械的研究背景 科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级逐渐减小到纳米级，人们把这 个领域的技术称之为微纳米技术。微纳米技术使人类在认识和改造自然方面 进入一个新的层次，增强了人类开发物质潜在信息和结构的能力。微纳米技术 将在信息科学、材料、生物医疗、航空航天等方面产生重大影响。2 0 世纪8 0 年 代后期，微型机械的出现成为该领域一个新兴的研究热点。微型机械 ( m i c r o m a c h i n e ) 是日本的惯用语：美国称之为微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，简称m e m s ) i 欧洲称之为微系统( m i c r o s y s t e m s ) 。微型机械 是在微电子工艺的基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，它与微电子、 微光学综合集成并智能化，将会导致未来产业领域发展的一场新的技术革命。因 此，它的出现立即引起了世界各国科学界、产业界和政府部门的高度重视，许多 国家和地区已经把它列为“在经济繁荣和国防安全方面都至关重要的技术”，给 予优先支持研究开发。 按照结构尺寸大小，可将微机械分为：1 m m 一1 0 m m 的微小型机械，1 u m l m m 的微型机械，l n m l u m 的纳米机械3 类l l j 。微机械技术综合应用了当今科 学技术的尖端成果，是影响产业竞争力的基础科技之一。它具有传统机械所未有 的优异特性，有着广泛的应用前景和可观的经济效益。微机械在机械工程、医药 卫生、航天航空、国防尖端、信息、环境工程以至民生等方面都具有极其重要而 广阔的发展前景。概括起来，微机械具有以下几个基本特点【2 】：1 体积小、精度 高、重量轻；2 性能稳定、可靠性高；3 能耗低、灵敏性和工作效率高：4 多功 能和智能化：5 适于大批量生产，制造成本低廉。因此，微机械具有一般机械远 不能及的优势，在操作对象和工作环境上，可以进入一般机械无法进入的空间进 行作业而不扰乱工作环境和对象。随着科学技术的发展，其智能化程度将更高、 实现的功能更趋于多样化。 微机械的研究可分为理论基础、技术基础和应用基础研究三个部分【2 】。理论 基础涉及微电子学、微结构学、微光学、微动力学、微热力学、微摩擦学、微流 体学、材料学等。技术基础体现在微机械的整个制作过程中，包括微机械的选材、 设计、微细加工技术、装配与封装技术、检测技术、控制与集成技术等。美国、 日本和德国在微机械的基础研究与产品设计开发方面处于领先地位。美国从事微 机械研究较早，已成功地利用硅片刻蚀方法制造了应用于医学的脑电极阵列探 针。并在微传感器等方面取得了成功。至今，在静电电杌、微机构的研究方面处 中国科学技术大学博士学位论文 于领先地位。日本虽起步晚于美国，但由于政府、学术界和产业界的高度重视， 在微细加工、微流量泵、微传感器、微继电器等方面的研究获得了较快的进展。 德国也已研制成功微型振动和加速度传感器、流量与温度传感器等多种微型构件 及系统。 目前，微机械的研究已经从基础研究阶段逐步跨入研制开发与实用阶段，许 多微传感器以及微光学部件已经在某些行业得到了成功的应用。据介绍【2 j l ，1 9 9 5 年微机械产品的世界销售额达到了2 5 亿欧元，到2 0 0 0 年则增长到1 0 0 亿欧元。 鉴于微机械技术的优势和广阔的应用前景，各先进的工业化国家为了维持自身的 技术优势都对该技术十分重视，纷纷投入巨资开展研究。如，美国国会己把微机 械的研究作为2 l 世纪重点发展的学科之一，美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 资助微机电系统技术用于军事开发的经费每年达5 0 0 0 万美元 3 i ：日本通产省于 1 9 9 1 年开始实旎为期1 0 年，总投资2 亿美元的微机械技术大型研究开发计划； 法国于1 9 9 3 年启动了“微技术和微系统”项目，投入7 0 0 0 万法郎开展研究；德 国每年用于微系统技术研究的投入更是高达6 0 0 0 万美元。 2 微型机械的研究现状 1 9 5 8 年第一块集成电路诞生后，随着大规模集成电路制造技术的发展，微型 机械的研究逐渐引起了人们的重视。美国斯坦福大学首先利用半导体刻蚀加工工 艺，用硅材料制作了滑块连杆( 1 i n k - - s l i d e r ) 微型机构。1 9 8 8 年加州大学伯克利分 校又研制出直径为6 0 u m 的静电微型电机，并由此引发了一场微型化的工业革命。 此后，美国的麻省理工学院( m i t ) 、w i s c o n s i n 大学、g e o r g i a 理工学院、德国的 w a g n e r ，我国的中国科学院上海微系统与信息技术研究所、长春光机所、上海交 通大学和清华大学相继研制出电磁性和静电型微型电机等等，促进了微细制造技 术向更深入和应用性更强的方向发展。近几年来在该研究领域部分代表性的研究 成果有【4 1 ： 1 9 9 6 年，美国加州大学伯克利分校的克里斯皮斯特利用微型铰链、齿轮和 发动机制成一个蚂蚁状的人造昆虫，系统由太阳能电池供电，采用多种传感器来 搜集目标的情报。除了军事用途外，这种人造昆虫将会在微器件的搬运和装配等 科学研究中得到良好的应用。 德国美因兹指数研究所的物理学家沃尔夫刚埃尔费尔德利用两个采用 l i g a 技术制作的直径为5 m m 大小的微电机使“世界上最小的直升机”腾空而 起。该直升机整体只有黄蜂大小，重量不到o 5 克，飞行升空高度可达13 0 r a m 。 其中仅有削尖的铅笔头大小，转速却高达每分钟1 0 万转的发动机具有十分诱人 的应用前景，例如，可以在显微手术仪器、激光扫描器等微小仪器中发挥独特的 优势。 ! 里型茎垫查盔兰堡! ：兰些笙兰 日本理化研究所的山形丰、大森整等研究人员研制了体积为常规设备万分之 一的微型车床：总体长3 2 m m ，宽2 5 r a m 、高3 0 5 m m 、重1 0 0 克、主轴功率1 5 w ， 和微型铣床：长i 1 9 r a m 、宽1 | 9 r a m 、高i 0 2 m m 、主轴为d c 伺服电机( 功率5 6 w ， 转速2 0 0 0 0 r p m ) 。他们希望利用这种加工工具进行微米级器件的直接机械制作。 微流体分析系统出现于上世纪7 0 年代后期，美国斯坦福大学的研究人员首 先对其进行了研究开发。随着相关研究工作的深入，到了9 0 年代后，已有部分 产品开始进入实际应用，如气体色谱仪( g a sc h r o m a t o g r a p h y ) ，生物工程的d n a 分析系统，医疗医学领域、环境工程以及理化分析研究等领域的样品分析系统。 在航空航天f 美国加利福尼亚大学洛杉矶分校与加里福利亚工业大学联合研究的 抑制机翼周围涡流的气流控制系统) 和微细加工等领域这种类型的系统也有着广 泛的应用前景，如美国的哈佛大学、日本的早稻田大学等许多高校都已展开了相 关的研究工作。我国的清华大学近期也在该领域开始了研究h j 。 在微器件研究中，目前最成功且已商品化的是基于i c 工艺的微型加速度传 感器( 如美国的a d 公司) ，和硅压力传感器( 如m o t o r o l a 公司、e g & gi cs e n s o r s 公司) 等，己应用于航空航天和汽车等工业领域。同时，对这些系统的进一步研 究仍是现阶段微型器件领域的热点之一，主要研究成果集中在美国和日本。我国 的复旦大学、东南大学、上海交大和清华大学等高校和研究所也先后开展了有关 技术的研究。 1 1 2 目前重要微细加工技术概况 微细 j f l i ( m i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 起源于半导体制造工艺，通常指芾g 作尺 度在微米范围的加工方法。在微型机械研究领域，它可以是微米级、亚微米级乃 至纳米级微细加工的通称。微细加工技术是m e m s 研究中的主要内容之一。它 包含了各种现代特种加工和高能束等加工方式。而微机械的制造过程又往往是多 种加工方式的组合。目前，常用的微细加工方法如下j 】f 6 j 【7 】： 1 光刻技术( p h o t o l i t h o g r a p h y ) 这种方法首先在基质材狂上涂覆光致抗蚀剂( 毙刻胶) 然后利用分辨搴极高 的能量束，通过掩膜对光致刻蚀层进行曝光显影后，在光刻胶上获得与掩膜图形 褶同的微细结构图彤。最后再利用其它的工艺方法，便可在工件材料上制造出微 型结构。目前，光刻技术中主要采用的曝光方法有：电子束曝光技术、离子束曝 光技术、x 射线曝光技术、紫外准分子曝光技术。 2 刻蚀技术( e t c h i n gt e c h n o l o g y ) 刻蚀通常分为等向刻蚀和异向刻蚀。等向刻蚀是在任何方向上刻蚀速度均等 的加工方法，可以制造具有任意横向几何形状的微型结构，高度一般仅为几微米。 为了满足具有较大空间尺寸的微器件制作要求，可采用异向刻蚀技术。它在某一 ! 里型兰垫查查兰竖圭堂垡堡苎 特定的方向上刻蚀速度最大，而在其它方向上几乎不发生刻蚀反应。常见的刻蚀 方法包括：化学异向刻蚀( 湿法刻蚀) 、离子束刻蚀( 又可分为聚焦离子束刻蚀和反 应离子束刻蚀) 、激光束刻蚀和电子束刻蚀。 3 l i g a 技术 l i g a 是由德文l i t h o g r a p h i e ( 制版术) ，g a l v a n o f o r m u n g ( 电铸成型) 和 a b f o r m u n g ( 注塑) 这三个词生成的缩写词，是一种快速制造技术。l i g a 技术所加 工的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，可以制造由各种金属材料和塑料 制成的微机械。l i g a 技术可以制作有很大高宽比的三维结构。纵向尺寸可达数 百微米，最少横向尺寸为一微米。可实现亚微米级的加工精度，而且制作器件有 很高的垂真度、平行度和重复精度。l i g a 技术主要包括以下三个工艺过程：深 层同步辐射x 射线光刻、微电铸成型和注塑。此外，在此基础上人们又发展起 来一种利用常规紫外光光刻的准l i g a 工艺。 4 快速成型技术 快速成型技术是建立在材料累加成型原理的基础上，结合材料固有的物理化 学特性和先进的工艺特性而进行三维加工的一种方法。根据成型方法和加工材料 的不同又可以将其分为立体光固化技术( s l a ) 、分层实体制造技术( l o m ) 、选择性 激光烧结( s l s ) 和熔积成型( f d m ) 等加工方法。 5 薄膜制备技术 薄膜制备技术主要是物理气相沉积( p v d ) 年f i 化学气相沉积( c v d ) ，具体包括 热化学气相沉积、离子辅助沉积、等离子喷涂、离子镀以及激光物理气相沉积和 激光化学气相沉积。 6 分离层技术( s a c r i f i c i a ll a y e rt e c h n o l o g y ) 分离层技术也叫牺牲层技术。分离层技术是在硅基板上用化学气相沉积方法 形成所需要的微型部件，部件周围的空隙上添入分离层材料( s i 0 2 ) ，最后通过溶 解或刻蚀去除分离层，使微型部件与基板分离。 7 分子装配技术 利用扫描隧道显微镜( s t m ) 平f i 原子力显微镜( a f m ) 探针的尖端可以俘获分子 或原子，并可以按照需要将其拼成一定的结构，进行分子装配制作微机械。美国 i b m 公司于1 9 9 1 年操纵氙原子，在镍板上排出“i b m ”字样和美国地图。 8 微细切( 研、磨) 削加工技术 微细切( 研、磨) 削加工技术在微型机械制造中的应用研究主要集中在日本。 它是基于传统材料去除加工方法的微细加工技术( 如微切削加工、微磨削加工、 微研磨加工等) 。目前，其关键技术是解决加工中切削力较大、刀具磨损、工件 的毛刺和微量切削进给等问题。 ! 里塑兰垫查盔兰堂二! 兰堡堡壅 1 2 光成型技术及其特点 1 2 1 快速成型技术原理及分类 快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ，r p t ) 的思想雏形最早出现在 制造技术并不发达的1 9 世纪。1 8 9 2 年，b l a n t h e r 主张用分层方法制作三维地图。 1 9 7 9 年东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模、成型模和注 塑模。光刻技术的发展对现代快速成型技术的出现起到了促进作用。上世纪8 0 年代初期，美国3 m 公司的a l a njh e b e r t 、日本的小玉秀男、美国u v p 公司的 c h a r l e swh u l l 和日本的丸谷洋二各自独立地提出了r p t 的概念。发展到9 0 年 代后期，先后出现了十几种不同的快速成型技术。 快速成型技术是将计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助制造( c a m ) ，计算 机数字控制( c n c ) ，精密伺服驱动、激光和材料科学等先进技术集于一体的新技 术，其基本构思是：任何三维零件都可以看作是许多等厚度的二维平面轮廓沿某 一坐标方向叠加而成。因此依据计算机上构成的产品三维设计模型，可先将c a d 系统内的三维模型切分成一系列平面几何信息，即对其进行分层切片，得到各层 截面的轮廓，按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的纸( 或固化一层层的 液态树脂，烧结一层层的粉末材料) ，或喷射源选择性地喷射一层层的粘接剂或 热熔材料等，形成各截面轮廓并逐步叠加成三维产品。 模 型 一 n 交 n显 苔截 至 激 维影 光 微及 微 处 命 喷 器+表 器 理斗 令 射 件面 件 及 生 源成处 建 轮 成 型理 模 廓 提 取 图卜1 快速成型技术工作流程 由于快速成型系统采用的加工手段和加工材料存在差异，不同的加工系统在 微器件的成型质量、加工分辨能力和加工效率等方面又具有各自的特点。目前， 快速成型技术中应用较为广泛的加工方法主要有以下几种： 1 立体光成型技术 立体光成型也称为立体光固化技术，是撮早出现的一种快速成型技术。快速 成型机上有一个盛满液态光敏树脂的液槽，这种液态树脂在紫外线的照射下会快 速固化。成型开始时。可升降工作台使其处于树脂液面下一个截层的厚度，聚焦 主里! ! 兰垫查奎兰堡主兰些笙苎一一 后的紫外激光束在计算机的控制下按截面轮廓的要求沿液面进行扫描，使扫描区 域固化。得到该截面轮廓，然后驱动工作台再移动一层的高度，则上层的固化区 域上将覆盖另一层液态树脂，以便进行第二层扫描固化，新固化的一层在曝光后 便牢固地粘结在前一层上。如此重复直到整个三维器件成型完毕。 2 分层实体制造技术 这种方法根据三维模型每个截面的轮廓线，在计算机的控制下，用c 0 2 激 光束对薄型材料进行切割，逐步得到各层轮廓，并将其粘结在一起，形成三维产 品或加工模型。这种成型方法中所使用的加工材料，如底面涂胶的卷状纸和金属 箔，很大程度上限制了系统可实现的加工分辨能力，因此，分层实体制造技术主 要应用在毫米级器件的原型制造中。 3 选择性激光烧结 它主要采用c 0 2 激光器和粉末状材料( 如塑料粉、陶瓷和粘结剂的混合粉、 金属与粘结剂的混合粉) 进行三维加工。成型时，先在工作台上铺一层粉末材料， 然后，激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对器件的实体部分所在 的粉末进行烧结，逐步得到各层轮廓。当一层器件成型完成后，工作台下降一截 层的高度，再次添加一层粉末材料以便进行下一层的烧结，如此循环，最终形成 三维产品。 4 熔积成型 快速成型机的加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓的信息，作x y 平面运动和z 方向的运动，丝材( 如塑料丝) 由供丝机送至喷头，并在喷头 中加热、熔化，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓。一 层成型完成后，工作台下降一截层的高度，再进行下一层的涂覆，如此循环，最 终形成三维产品。 根据以上的分析，现阶段研究和应用较多的四种成型工艺方法各自拥有不同 的特性，表l l 为这几种方法的加工精度、表面质量、复杂程度、常用材料、材 料利用率等几项技术参数的比较【8 】【9 】： 表1 一i 几种典型快速成型工艺的比较 ! 里坚兰丝查查兰苎主兰些堡兰 一一 1 2 2 光成型的技术特点及存在的缺陷 从上文分析可知，立体光成型法是曝光固化和层叠技术的结合应用。曝光固 化法在印刷和集成电路制造领域己得到广泛应用，如集成电路制造中为了得到所 需的微细结构，普遍应用“掩模”来曝光成型。此时，如将成型材料放置在一个 载物台上来进行固化，曝光一层后，驱动载物台下降一个步距，并在其上覆盖一 层未曝光的材料，同时，更换一个“掩模”，再进行曝光固化，如图卜2 ( a ) ，就可 得到具有一定高宽比的三维结构。另一种加工方法是采用会聚光束来曝光，通过 光束的扫描运动与光闸的开关动作相结合来获得所需的固化层。为了得到具有较 大高宽比的三维结构，采用如图卜2 ( b ) 所示的方法，利用一个载物基板来获得 每次固化时的材料薄层，曝光固化后载物基板向下移动一个层厚距离，使已固化 的层面上再覆盖一层未固化树脂，再按需要作扫描曝光固化，就可以获得所需的 任意结构成型物。 ( a ) 掩模层叠曝光崮化( b )扫描层叠曝光固化 图1 2 光成型法系统工作原理图 通过表l 一1 的比较和上述说明可知，基于光固化树脂的“立体光成型法”， 其成型方法和加工设备比较简单，同时这种加工方法的制作柔性好，是现阶段制 作精度较高，制造工艺相对最成熟的快速原型制造技术。这种加工方法中较多地 采用了高分子聚合物材料，而大多数聚合物材料在受激的波段范围内都有很强的 能量吸收，保证了激光与工件之间较好的能量耦合。同时相对较低的热传导性又 保证了加工过程中热量扩散和受热影响区域较小，在大多数情况下可以获得较好 的表面质量。另一方面，聚合物材料可以具有从可见区直至近红外区的荧光范围， 利用这种材料制作的微器件便可在微光电技术领域得到很好的应用。聚合物材料 便于改性和进行分子结构的修正，这也为该材料在光成型法中得到更好的利用提 供了条件。 另一方面，立体光成型技术，即单光子立体光固化技术( s i n g l e p h o t o ns t e r e o 中国科学技术大学博士学位论文 l i t h o g r a p h y ) ，虽然具有很多的技术优势，但目前这种光成型法通常只能实现几到 几十微米的加工分辨率，因此其主要的应用领域集中在微小机械、模具产品的原 型制造及其它一些对加工精度要求不是太高的零部件制作中。此外，用于成型的 液态树脂要求具有较小的粘度系数，以便材料薄层能在加工过程中快速地形成， 但这同时也使成型的器件由于易变形而需要为一些悬空结构设计专门的支撑：加 工系统需要专用的树脂薄层生成机构，且薄层生成的均匀性和快速性不易保证； 其三维的加工能力是通过层叠加工方式实现的。这样一些嗣体材料和粘度系数较 大的光敏材料就不适合采用这种方法实现三维加工。这些缺陷都一定程度上限制 了该技术的应用范围和进步发展。 随着m e m s 技术快速发展，它也同时对微细加工技术提出了更高的要求。 如要求加工系统具有真三维的加工能力，微米甚至是亚微米级的加工分辨，高度 柔性的加工特点等等。随着激光技术，特别是超快脉冲激光技术的发展，结合立 体光成型技术的加工方法，一种新型的飞秒激光双光子三维微细加工技术随之迅 速诞生，并已在全世界的范围内引起科研工作者和相关人员的广泛重视。 中国科学技术大学博士学位论文 1 3 激光双光子技术在微细加工领域的应用和研究现状 1 3 1 双光子三维微细加工技术原理 随着1 9 6 0 年红宝石激光器的出现，利用激光光束处理材料的研究工作迅速 在世界范围内兴起。由于当时激光技术和相关材料技术的限制，激光光束质 量还相对较差，因此该领域的研究主要集中在一些简单的材料处理方面。新型激 光器的出现极大地改变了这种状况。n d ( n d d o p e dy a g ) 激光、c 0 2 激光、a r 离 子激光和准分子激光研制成功后，先后在激光焊接、激光切割、激光诱导气相沉 积、激光打孔和复合材料合成等多个方面得到了广泛的应用。同时与此紧密相关 的激光立体成型技术也得到了长足的发展。在这些技术中所应用的激光光源基本 上属于连续激光或纳秒、皮秒的脉冲激光，在材料的处理过程中基本上也是利用 激光光束所产生的热效应】。包括传统的激光成型技术在内，系统加工所能实现 的分辨大体上均在几个到几十个微米的范围内。随后出现了使用短波长准分子激 光的紫外光刻技术，虽然该技术可以实现低于1 0 0 r i m 的加工分辨，但是从本质 上讲，紫外光刻技术仍然属于二维或二维半的加工方法，难以满足微机电系统真 三维的加工要求。 上世纪8 0 年代末期，飞秒钛宝石激光器的出现将立体光成型技术推向一个 全新的领域 陀】。与连续激光和长脉宽的脉冲激光相比，超快飞秒脉冲与材料的 相互作用发生了本质的变化。由于飞秒激光脉冲经强聚焦后，可以在很低的平均 输出功率下实现g w c m 2 量级的瞬时激发光强，如此高强度的激发光强可诱发材 料发生显著的非线性光化学反应。将飞秒激光技术引入到三维微细加工中实现材 料的双光子吸收，使这种新型的三维光成型技术表现出了很多优良特性。由于材 料发生双光子吸收的几率与激发光强度的平方成正比，由双光子吸收引发的光化 学反应将被局域在激光强度很高的焦点周围极小的区域内( 体积的数量级为妒，九 为入射激光的波长) ，可实现很高的空间分辨。 党聚合村描兜聚合耕村 系浦激光 l j 箍 光硝亓关 a ) 基于振镜扫描器的加工系统b ) 基于三维扫描台的加工系统 图卜3 双光子三维徽细加工工作原理图 9 三墟 扫籀台 吞莆鼹 扩柬 晨统 主里型兰垫查查兰堡主兰竺堡兰 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 飞秒激光双光子微细加工的工作原理便是利用飞秒激光诱导光敏材料发生 的局域光化学反应( 光还原、光聚合和光解离等过程) ，利用扫描系统使这一过程 在一定空间范围内选择性地发生，通过相应的后处理工艺后实现器件的三维成 型。以常用的自由基类光聚合材料为例，光引发剂经双光子激发后生成活性自由 基，加工材料中的单体低聚物在活性自由基的引发下发生链式聚合反应，在一 定的曝光间隔内在激发位置生成固化单元。加工光束在一定空间范围选择性曝光 将使生成的固化单元形成一个整体，通过显影工艺最终可实现微器件的三维成 型。常用的双光子三维微细加工系统如图卜3 所示。 由于双光子激发的空间局域能力，飞秒双光子微细加工技术具有很高的三维 分辨率。作为一种新型的微细加工技术，与传统的光成型技术相比，它可以采用 层叠式的加工方法来制作三维微器件，但加工系统并不需要刮平器等部件用于产 生树脂薄层。加工系统甚至可以采用空间任意的扫描方式进行器件的成型，如弹 簧的加工就可以控制聚焦光束直接按螺旋轨迹来扫描成型。 1 3 2 该技术的国内外研究现状 自r e n t z e p i s 小组将双光子技术应用于光学存储【l2 j 以来，双光子技术以其独 特的技术优势引起了世界范围内的广泛重视。1 9 9 2 年w e b b 小组首先双光子技术 引入了微细加工领域 13 1 。目前，随着国内外科研工作者对双光子激发理论和高 效双光子吸收材料进行的深入研究，利用双光子三维微细加工技术己取得的 主要研究成果有： 日本大阪大学的k a w a t a 和孙宏波等人利用双光子微细加工技术制作的1 0 u m 长，7 u m 高的三维公牛图形i l 。加工所用的材料为商用的负性光刻胶s c r 5 0 0 。 在制作该结构的过程中，该研究小组除了采用逐点曝光的扫描方式外，还率先使 用轮廓扫描结合二次紫外曝光的方法，该方法极大地提高了微器件加工的效率。 据文献 1 5 】介绍，整个公牛结构大约有2 x1 0 6 个固化单元构成，若采用逐点扫描 的加工方式，整个加工过程要经历3 个小时。相应地，如果采用轮廓扫描，需曝 光的固化单元数量减小为原先的5 ，加工过程耗时低于1 3 分钟。此外，该研 究组还制作了微管道、微链条、微齿轮和光子晶体等一系列三维结构。他们还利 用光镊驱动制作的微弹簧是其发生形变，并在此基础上研究了双光子加工的微弹 簧的刚度【l “。 匈牙利科学院的p e t e rg a l a j d a 及其合作者利用双光子加工制作了相互啮合 的传动齿轮组l l7 1 。形似风车的主动齿轮在光镊的驱动下1 0 r a d s _ 1 的速度转动， 并带动与之啮合的齿轮旋转。整个齿轮组通过飞秒双光子加工系统一次成型。这 项工作显示了双光子成型技术结合光驱动技术在m e m s 系统在的应用前景。 美国亚历桑那大学化学院j o s e p hwp e h y 博士的研究小组应用双光子激发金 中国科学技术大学博士学位论文 属阳离子发生光还原反应的工作原理，制作出了三维的金属微结构“。实验中 所使用的材料为一种自制的混合溶液，主要包括用于提供金属离子的可溶有机金 属盐、一种合适的光还原染料作为光引发剂、用作成核种子的纳米颗粒材料和其 它成份。通过双光子加工系统的一次写入成型，可实现金、银和铜等金属微结构 的连续成型。这种利用飞秒激光束诱导纳米组合物生长，进而加工出金属三维微 结构的方法将会在电子器件、光学器件和微机电系统的中得到很好的应用。 双光子微细加工技术也已成功地应用到一些具有一定功能的微结构制作中。 日本名古屋大学s h o j im a r u o 使用负性光刻胶加工了一个前端具有针状结构的三 维“操纵器”【1 。该操纵器可在光镊的驱动下实现对轻小物体的夹持和搬运。 同时，微操作器的前端形状可以根据夹持对象的不同重新设计、加工。他们希望 这种微器件可以在微机电系统和生物医药的研究中得到应用。与此相比，东京农 业技术大学的t o s h i y u k iw a t a n a b e 教授制作的水凝胶微悬臂，是利用加工材料对 紫外光敏感的原有特性使悬臂在受到紫外光照射后能够产生一定量的形变，并 且这种变形在外部紫外光消失时又会逐渐恢复【z 。这种类型的器件在微传感器、 光探测器的制作中应该会有较好的应用潜力。 日本神户通信技术研究室的s h i y o s h iy o k o y a m a 和他的合作研究人员利用双光 子微细加工技术制作出了微型激光谐振腔【2 ”。加工用的光聚合材料中掺有激光 染料( d c m ) 和超支聚合物，由于超支聚合物对染料的包裹作用使加工样品中染料 的浓度达g f j 4 w t 。加工完成后的激光谐振腔尺寸为2 0 0 u r n x1 0 0 u m 。使用5 3