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(jí)減小到納米量級(jí)，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(jí)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(duì)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(duì)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(huì)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(jí)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(jí)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(jí)）、庫侖爆炸（納米級(jí)）、原子脫附與發(fā)射（原子級(jí)）

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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(jí)，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(dòng)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(dòng)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(duì)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(huì)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(jí)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(jí)。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(huì)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(duì)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(jí)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(duì)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(duì)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(huì)員（Research Affiliate）、國際工程技術(shù)促進(jìn)會(huì)（AET）會(huì)員、國際納米制造學(xué)會(huì)（ISNM）會(huì)員、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)生產(chǎn)工程分會(huì)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(huì)（ISNM）首任主席及Nanomanufacturing and Metrology期刊主編，先后被評(píng)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(huì)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)。