在远场800nm波长的空气中实现分辨率为10nm的激光材料加工

　　长三角G60  激光联盟导读
　　据悉，曼彻斯特大学研究人员通过在焦点处创建高纯度纵向场，在远场800 nm波长的空气中实现分辨率为10 nm的激光材料加工。
　　在半导体和数据存储设备制造中，人们希望以低成本快速在目标材料上生产出具有高深宽比小于30纳米的特征尺寸。然而，光学衍射限制了最小的聚焦激光束直径约为激光波长的一半(λ/2)。现有可实现的纳米尺度制造的方法主要是基于昂贵的极紫外(EUV)技术，在衍射极限内。
　　在本文中，研究人员展示了一种新方法，在远场800 nm左右的红外激光波长的空气中，实现材料加工分辨率降至10 nm (λ/80)，远远超过光学衍射极限。生成纯度为94.7%的高质量纵向场来实现这种超分辨率。 通过实验，比较了不同类型光场在抛光硅、铜和蓝宝石上产生的烧蚀坑。直径10-30纳米的孔在蓝宝石上产生，深宽比超过16，零锥度，单脉冲100-120 nJ脉冲能量。单脉冲激光照射下产生的50 nm以下高展弦比孔洞在激光加工中很少见，这表明了一种新的材料随纵向场而被去除的机制。实验距离(镜头到目标)约170µm，因此材料加工在远场。锥形纳米孔也可以通过调整镜头到目标距离来产生。
　　在本文中，研究人员通过实验证明了具有前所未有的高纯度(94.7%)的纵向飞秒激光场(即平行于光轴)及其与抛光铜和蓝宝石的相互作用。采用800 nm波长飞秒激光光源和一对空间光调制器(SLMs)在双4-f光学布置中开发了一种新的光学装置，以定制激光光场，实现高质量和均匀的光束，以实现衍射控象法程序(即从高斯光束生成准直窄环形光束)，并校正0.95 NA物镜的球差。实验包括使用0.75 NA的非平面透镜聚焦光束以确认纵向场的存在，并使用0.95 NA的透镜来了解聚焦纵向场的特征。为了了解纵向场对激光材料加工的影响，比较了一些偏振状态、光束强度分布和波前烧蚀剖面。给出了纵向场的理论建模和讨论。材料加工的分辨率(10纳米，即λ/80)远远超出远场衍射极限在抛光蓝宝石在空气中演示。
　　在第一组实验中，采用0.75 NA具有衍射控象法程序的透镜进行纵向场的确认。研究人员用0.75 NA的非平面物镜聚焦线性、径向和方位偏振的激光束。光束整形系统使用第一个SLM(以下简称SLM-1)来诱导衰变函数，第二个SLM(以下简称SLM-2)用作反射镜。
　　图1:0.75 NA物镜下的激光强度分布和材料加工效果。a物镜前的激光束强度剖面。衍射控象法程序设置为0.75-0.00 NA(全孔径照明，在顶部)，0.75-0.35 NA(厚环形照明，中间)，0.75-0.65 NA(薄环形照明，底部)。b, d, f在衍射控象法程序下，用激光光束的方位、径向和线偏振对抛光硅进行单脉冲烧蚀。c, e, g在衍射控象法程序下，具有方位极化、径向极化和线性极化的聚焦光束强度截面的对应模拟结果。b、d、f中的红色符号表示不同偏振的E场方向。
　　在第二组实验中，纵向场由0.95 NA球面像差校正透镜产生，以表征其与硅和铜的相互作用。
　　图2:不同脉冲能量下单脉冲激光烧蚀硅的方位极化效应和种族极化效应比较。全口径高斯光束单脉冲烧蚀抛光硅，在脉冲能量为a 210 nJ, b 120 nJ和c 30 nJ的条件下，使用0.95 NA物镜。d方向极化和径向极化的光束强度截面的相对模型。
　　接下来还进行了基于SLM-1的激光束三维强度分布整形。如图3a、d、g所示，将准直后的激光束强度分布设置为全口径高斯光束、全口径平顶光束和0.95-0.90 NA环形光束，并用光束轮廓仪进行验证。
　　图3:光束轮廓和偏振状态对激光烧蚀铜的影响比较。a, d, g准直激光光束强度截面，形状为0.95-0.00 NA高斯光束、0.95-0.00 NA平顶光束和0.95-0.90 NA环形光束，用光束轮廓仪检测。b, c, e, f, h, i单脉冲烧蚀对抛光铜的影响以及径向和方位极化下相对焦点点建模的结果。
　　在第三组实验中，采用腐蚀函数增强了蓝宝石烧蚀的纵向场，并采用与之前相同的方法分析了工艺特性。利用基于SLM-1的光束衰减函数生成薄环形准直光束，可以在一定范围内减小球差。小孔的产生证实了纵向场的优势，与方位极化和线极化产生的横向场相比，纵向场具有更清晰的强度分布或更好的分辨率。值得一提的是，尽管纵向场的吸收效率低于横向场的吸收效率，但通过使用衍射控象法程序，大部分位于高斯中心区域的激光束被移除，从而几乎没有能量用于横向场的产生，这是产生亚衍射极限制造的高纯度纵向场的关键因素。
　　图4:不同偏振状态的环形光束对蓝宝石激光烧蚀的影响比较。a 0.95-0.90 NA环形高斯光束的强度分布，b单脉冲聚焦激光烧蚀抛光蓝宝石(插图显示×2放大视图，对比度增加)，c归一化焦点强度分布(光束强度截面建模)与方位、径向和线偏振(分别从上到下)。
　　在最后一组实验中，纵向场进一步增强。为了获得高质量、高纯度的纵向场，采用了SLM-1诱导的氧化函数和SLM-2的球差校正。利用光束轮廓仪和应用于SLM-2上的计算机生成全息图在物镜前测量的准直激光束强度分布分别如图5a、b所示。
　　图5:优化的纵向激光束钻孔对蓝宝石的影响，实现了高深宽比的10-30 nm孔尺寸。a在物镜前使用光束轮廓仪测量基于衰减函数的径向偏振环形光束的强度分布，b球面像差校正的CGH, c 0.95-0.90 NA物镜聚焦径向偏振的光场建模，脉冲能量逐渐降低的径向偏振激光束在抛光蓝宝石上单脉冲烧蚀的d-h效应，i和j直径为30和20 nm孔的截面，k没有锥孔的横截面直径30和500 nm, l的横截面显示直径8.7 nm扩展深度超过700海里,m与积极的锥形孔的横截面直径下降到15.1 nm底部锥, N为锥度顶部直径小于9.4 nm的负锥度截面。
　　飞秒表面烧蚀可以通过非线性相互作用(例如多光子电离(MPI))产生明显低于衍射极限的陨石坑大小。用800 nm波长(~1.55 eV)的激光束，需要7个光子才能穿过蓝宝石的~10 eV带隙。这意味着激光烧蚀将被限制在焦体积，其强度高于7光子电离的阈值。因此，理论上，MPI可以解释图5中直径<60 nm的陨石坑。在这里，比较图3h, 4b中间的径向极化得到的结果是有趣的。
　　虽然这两种材料都是在相似的激光照射参数下产生的，但两种材料的材料特性非常不同，这将导致人们期望显著不同的结果。蓝宝石是一种宽带隙材料，因此非线性材料烧蚀机制预计将占主导地位，允许产生低于光学衍射极限的烧蚀特征。另一方面，铜是一种自由电子很容易吸收激光脉冲能量而没有非线性效应的金属，这使得产生明显低于光学衍射极限的烧蚀坑变得更加困难。然而，在210 ~ 260 nJ脉冲能量的纵向场照射下，这两种材料的消融直径都在30 ~ 40 nm左右。因此，传统的激光相互作用不太可能解释图5中的烧蚀坑。
　　这使研究人员相信相互作用是由一种特定于纵向场的机制主导的，而这种机制不受材料性质(如带隙)的显著影响。这种相互作用的关键驱动因素是纵向场的高纯度。在研究人员的实验中，这是使用两个空间光调制器创建的。第一个SLM诱导了一个高纯度的准直薄环形光束，第二个SLM校正了球差。将具有径向偏振的激光束用0.95-0.90 NA物镜聚焦在材料表面。只有在这样的结构下，才能产生高纯度的纵向场。研究人员的研究展示了迄今为止最高的纵向场纯度(94.7%)，尽管从图6的插图中可以看出，不能达到100%的纵向场纯度。图5中的结果表明，纵向场可以实现分辨率为10 nm的激光加工。
　　图6:纵向场生成示意图。
　　图6给出了在焦平面上产生的高纯度纵向场。这是基于同时使用衍射控象法程序(阻挡低NA的激光束，只允许高NA部分通过，这对于高纯度纵向场的产生至关重要，即使脉冲能量效率很低)和球差校正(纠正纵向方向上的激光束焦点，确保在高NA下准直的环形光束聚焦在同一平面上)的实验配置。
　　实验装置如图7所示。激光源是相干天秤座钛:蓝宝石(100 fs脉冲持续时间，800 nm波长，1 kHz重复频率)。纵向场的产生原理如图8所示。将原线性偏振高斯光束整形成环形，再进行衰变校正，再进行径向偏振，最后用0.95 NA物镜聚焦。
　　图7:实验装置的图示。
　　图8:显示纵向场产生原理的三维图。
　　本文采用0.95 NA物镜进行显微镜观察，罩玻璃厚度为0.9 mm。如果没有覆盖玻璃，激光束将聚焦在一个不均匀的范围，而不是一个点。光束聚焦原理图如图9所示。
　　图9:球差效应及其校正在激光束聚焦中的作用示意图。a有盖玻璃聚焦高NA透镜的比较，b在空气中聚焦有球差，c在空气中聚焦无球差。
　　为了量化和校正球差，采用了一种基于光束整形技术和径向处理策略的方法。首先，研究人员使用衍射控象法程序将准直的激光束塑造成不同的直径，这是指0.95 NA物镜的不同NA。如图10所示，从左到右分别为0.30-0.00 NA、0.60-0.30 NA、0.95-0.60 NA。
　　图10:原始激光束的光束整形，NA从左到右分别为0.30-0.00、0.60-0.30、0.95-0.60。
　　研究人员开发了一种处理策略来可视化和量化球差，并通过实验验证其正确的补偿。a中编号为1、2和3的硅表面刻写了三个同心径向图案，其中激光束的NA衰变函数分别为0.30-0.00、0.60-0.30和0.95-0.60。c, d显示了基于球差校正逐渐优化的焦平面位置。b NA为0.30-0.00、0.60-0.30和0.95-0.60的激光束聚焦在不同的焦平面上(扫描速度为1 mm/s，测量的脉冲能量分别为60、92和110 nJ)在图11d中可以发现，0.30-0.00 NA、0.60-0.30 NA和0.95-0.60 NA的焦点位置都在同一平面内，从而消除了球差。
　　图11:量化和修正球差的激光束处理策略。
　　为了获得高质量、高纯度的纵向场，不仅需要消除球差，而且还需要优化强度分布。当激光束在光束路径中经过如此多的光学元件反射或透射时，光束模式会逐渐变差。图12为激光束通过光束轮廓仪照射到物镜孔径之前检测到的准直原始高斯光束与成形高斯光束的对比图。
　　图12:光束整形前后激光光束轮廓的实验测量结果。准直a、b原始全口径高斯光束、c、d原始环形高斯光束、e、f形全口径高斯光束、g、h形环形高斯光束的比较。
　　文章来源：
　　https://www.nature.com/articles/s41377-022-00962-x
　　长三角G60激光联盟陈长军转载