基于飞秒激光直写技术制备微结构的研究

论文总字数：21168字

摘 要

双光子聚合是制造三维微纳结构有效的、潜力巨大的方法，该方法可以对众多材料进行超衍射极限分辨率加工。飞秒激光由于其具有超窄脉冲和高峰值功率，可以精准快速得在加工区域聚集极高的光强，可以实现双光子高精度加工。SU-8光刻胶是一种具有大的宽高比的环氧基负性光刻胶，吸收波段在200-400nm，可用作双光子聚合材料。经调研发现目前使用780nm-800nm飞秒激光对SU-8光刻胶进行双光子加工的研究和应用趋于成熟，其余波段的飞秒激光对该光刻胶的研究很少。本文使用520nm飞秒激光加工平台，对SU-8光刻胶的双光子聚合微加工分辨率与工艺条件进行了研究，实现了超衍射极限分辨率的加工，并系统分析了扫描速度、激光重频、单脉冲能量，折射率匹配等因素对加工精度的影响，以及前烘焙，后烘焙、显影等工艺对聚合结果的影响。这对于系统地建立飞秒脉冲激光加工的理论与方法是很有帮助和意义的。

关键词：飞秒激光 双光子聚合 SU-8光刻胶 加工精度

A STUDY ON THE FEMTOSECOND TWO-PHOTON POLYMERIZATION

ABSTRACT

Two-photon polymerization (TPP) is a powerful and potential technology to fabricate true three-dimensional (3D) micro/nanostructures of various materials with subdiffraction-limit resolution. The femtosecond laser has narrow pulse width and high power. Focused laser has very high intensity, which can achieve two-photon laser direct writing. SU-8 photoresist is a kind of epoxy based negative photoresist with large aspect ratio，which has an absorption band between 200nm and 400nm, and can apply to two-photon polymerization. At present, almost all the research groups use the 780nm-800nm femtosecond laser to study the processing resolution and processing technology of SU-8 photoresist. But in this paper, 520nm femtosecond laser processing platform has been used to study processing resolution and processing technology of SU-8 photoresist after two-photon polymerization process, and we analyze the influence of scanning speed, laser repetition rate, single pulse energy and refractive index matching on processing resolution and the influence of pre baking, post baking and developing process on the polymeric structure. These works are helpful and meaningful for femtosecond laser processing.

KEY WORDS: femtosecond laser, two-photon polymerization, SU-8 photoresist, processing resolution

目 录

摘要 1

abstract 1

第一章：绪论 3

1.1激光微纳加工简介 3

1.2飞秒双光子聚合加工简介 4

1.3本论文的主要工作 8

第二章：紫外负性SU-8光刻胶双光子聚合工艺 9

2.1 紫外负性SU-8光刻胶介绍 9

2.2飞秒激光双光子加工实验平台 12

第三章：加工工艺与激光参数对SU-8光刻胶加工的影响 13

3.1 前烘焙、后烘焙以及显影对聚合结果的影响 13

3.2 激光参数对加工精度的影响 14

3.3 双光子聚合加工的简单三维结构 19

结论 21

致谢 22

参考文献（References） 23

第一章：绪论

1.1激光微纳加工简介

功能器件微纳化是科技发展的一个趋势。随着科技的发展，传统微纳加工技术已经很难满足越来越高的精度要求。而激光加工加工精度高，操作简便、加工速度快，可以满足大多数精密结构的制备，在微纳加工中占有十分重要的地位【1】。

1.1.1 激光微纳加工的意义

微纳加工技术涵盖面广，加工微米或纳米量级的器件的功能结构涉及到的加工技术，都可以被称为微纳加工。随着微机电系统、微流体、芯片集成、微型光学器件等技术的发展，需要更高的运算速度和更强大的功能，要求器件更高的集成度，器件的功能结构尺寸更加微纳化，所以研究微米乃至纳米尺度的微纳元件加工技术是势在必行的。光电集成、生物医学、航空航天等高新技术产业都涉及到精密微纳加工技术，并且对于微结构的研究在基础科学研究中也有着重大的意义，因此，纳米技术的研究对科学进步和经济建设起着重要的作用，受到各个国家的高度重视。

随着人们对微加工技术的不断探究，根据不同的物理或化学原理针对不同类型的材料进行加工，诞生了不同的加工工艺，主要有平面工艺、模型工艺和探针工艺三种【2】。模型工艺只能制备已有的结构，将已有的纳米尺寸元件制作成为模板后，使用模板可以大规模生产该元件，但这种加工工艺不具备创新性，无法自己设计结构；探针工艺中比较有代表性的是注射成型技术，显微镜探针加工等等，在生物医学领域有着广泛的应用；平面工艺中以我们接下来将详细介绍的光刻技术为主。上述几种微加工技术发展成熟，在各个领域应用广泛，但由于存在衍射极限，加工精度难以达到纳米量级，我们可以称这些技术为传统微加工技术。

激光的出现为微纳加工领域翻开了新的篇章。激光具有高光强、高相干性、单色性好、方向性好等特点，使用激光进行微纳加工不仅操作方便、加工速度高于传统技术，而且可以得到极高的加工精度，所以很快在微纳加工领域得到普及。激光微加工需要在加工前设计好加工路线，然后将其转化成数据通过设计的程序（比如labview）控制加工平台按照图纸自动加工得到结构。根据激光加工机制的不同分为热加工情况和冷加工情况【3】。热加工的加工原理是通过累积热效应在聚焦区域得到极高的温度，使材料熔化或汽化，留下我们想要的部分。但是由于材料均匀性等因素的影响，热扩散不均匀，从而使加工截面不平整，对于晶体结构则可能导致晶格的错乱，形成位错缺陷等问题，难以得到分辨率高的精细结构。而冷加工则可以规避热效应带来的问题，其加工原理是引发化学反应或者光学效应切断有机物的分子链或者以高能电磁场非线性电离破坏材料固有的结构。由于不会出现热熔过程，所以制备的结构边缘平滑，可用于高精度微纳加工。准分子激光器、钛蓝宝石激光器，还有接下来我们会详细介绍的飞秒激光器加工机制都属于冷加工。

1.1.2 飞秒激光微纳加工的特点

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