На фоне быстрого развития современной науки и техники точные производственные технологии микронного и даже нанометрового масштаба стали основной движущей силой прорыва в таких областях, как интегральные схемы, фотонные устройства, биомедицины и передовые материалы. Среди них микронанолазерная трехмерная фотолитография как высокоточная, высокогибкая технология производства присадок постепенно становится передовым инструментом в области микронаноструктурной обработки. Он преодолел двумерные ограничения традиционной плоской фотолитографии и реализовал прямую запись сложных трехмерных микроструктур, известных как « 3D - принтеры в мире».

Что такое трехмерная фотолитография нанолазера?

Микро - нанолазерная трехмерная фотолитография - это технология трехмерной обработки с сверхразрешением, основанная на нелинейных оптических эффектах, таких как двухфотонная полимеризация, Two - Photon Polymerization, TPP. Основной принцип заключается в том, чтобы использовать сфокусированный сверхбыстрый лазерный луч (обычно фемтосекундный лазер) для облучения фоточувствительного смоляного материала, когда сила света в фокусе лазера достигает порога, вызывая локальное поглощение двойных фотонов, тем самым касаясь химической реакции светоизлучающего агента, так что смола полимеризируется и отверждается. Поскольку поглощение двойных фотонов обладает сильными нелинейными свойствами, реакция полимеризации может происходить только в очень небольшом объеме в центре фокуса лазера, что позволяет достичь точности обработки предела дифракции дальней сверхоптики (до 100 нанометров или даже десятков нанометров) и « писать » любую трехмерную структуру по точкам.

II. Технические принципы и основные компоненты

1. Сверхбыстрый лазерный источник

Обычно используются фемтосекундные импульсные лазеры с длиной волны в диапазоне 780 - 800 нм, которые имеют чрезвычайно короткую ширину импульса и высокую пиковую мощность, что способствует высокоэффективному поглощению двойных фотонов и в то же время уменьшает тепловой эффект при реагировании на повреждение окружающего материала.

2. Объекты с высокой апертурой

Сверхтонкая фокусировка лазера с помощью объектива Numerical Aperture (Numerical Aperture), пропитанного маслом или воздухом, для формирования световых пятен субмикронного уровня является ключом к достижению высокого разрешения.

3. Трехмерная система точного определения местоположения

С помощью трехмерной платформы XYZ, управляемой пьезоэлектрической керамикой, или системы сканирования с виброскопом, точно контролируется путь перемещения лазерного фокуса в фоторезисте для достижения многослойной или точечной сборки сложных структур.

4. Фоточувствительные материалы (фоторезисты)

Фоточувствительные смолы, специально предназначенные для двухфотонной полимеризации, обычно содержат фотоинициирующие вещества, мономеры и соединители. Материал должен обладать высоким сечением поглощения двойных фотонов, быстрой реакцией на отверждение и хорошей механической стабильностью.

5. Компьютерные системы управления и программное обеспечение

После того, как трехмерная модель (например, файл CAD) разрезается на кусочки, образуется путь сканирования, управляемый программным обеспечением для управления лазером в сотрудничестве с платформой для завершения автоматизированной обработки.

III. Преимущества и особенности технологии

1. Сверхвысокое разрешение

Преодоление традиционных оптических дифракционных пределов, точность обработки до 50 - 200 нм, подходит для изготовления фотонных кристаллов, метаматериалов, микрооптических элементов и других наноструктур.

Реальная трехмерная мощность обработки

Не ограничиваясь традиционным процессом фотолитографии « слойная экспозиция + травление», можно непосредственно изготовить сложные трехмерные структуры, такие как подвеска, спираль, сетка, пористость и высокая степень свободы проектирования.

3. Бесконтактная обработка

Лазер фокусируется сверху на внутренней части материала без необходимости маскировать шаблон, избегая загрязнения и повреждения, вызванные механическим контактом, и подходит для применения в чистой среде.

4. Широкая совместимость материалов

В дополнение к органическому фоторезисту, он также может использоваться для обработки гидрогеля (для биологических кронштейнов), керамических предшественников, металлических нанокомпозитов и т. Д., Расширяя границы применения.

5. Быстрое прототипирование

Подходит для исследований и разработок и проверки небольших партий, настраиваемых микронаноустройств, сокращая цикл исследований и разработок.

IV. Основные области применения

1. Микроскопия и фотоника

Производство микролинзовых массивов, волноводов, фотонных кристаллов, гиперповерхностей (Metasurfaces) и т. Д. Для интеграции оптических чипов, лазеров и датчиков.

2. Биомедицинская инженерия

Построение бионических стентов тканей, микросхем управления потоком, структур культивирования клеток для тканевой инженерии, скрининга лекарств и исследований микросхем органов.

3. Микроэлектромеханические системы (MEMS)

Производство микрошестеренок, пружин, исполнительных устройств и других подвижных компонентов для содействия развитию микророботов и интеллектуальных датчиков.

4. Передовые исследования материалов

Построение легкой и высокопрочной решетки, топологически оптимизированные материалы для аэрокосмической и гибкой электроники.

5. Хранение данных и защищенность от подделки

Использование трехмерной микроструктуры для оптического хранения данных высокой плотности или защиты от подделок.

V. Вызовы и перспективы на будущее:

- Разработка более чувствительных фоторезистов для повышения эффективности записи;

- в сочетании с параллельной многолучевой обработкой для достижения крупномасштабного быстрого производства;

- Сочетание с искусственным интеллектом для оптимизации структурного проектирования и планирования пути;

- Содействие миниатюризации и национализации оборудования, снижение порога использования.

Микро - нанолазерная трехмерная фотолитография - это не только технологические инновации в прецизионном производстве, но и перекрестная платформа, соединяющая физику, химию, биологию и инженерию. Он реконструирует наше понимание « производства», от макро - до микроскопических, от двухмерных до трехмерных, от массового производства до персонализированной настройки. По мере того, как технология продолжает созревать, этот « микронанорезной нож», несомненно, будет играть все более важную роль в будущих технологиях, открывая новую эру интеллектуального производства.