通过SPL辅助的μ打印技术实现基于宽高比控制的亚微米级结构制备

《Optics & Laser Technology》：Aspect ratio-controlled submicron structuring via SPL-assisted μ-printing

　　

谢泰楚|陈博亨|李奕昌

中研基督大学机械工程系，台湾中里32023

摘要

本研究提出了一种基于激光的微印刷（μ-printing）方法，该方法利用表面等离子体透镜（SPL）实现亚微米结构的制造。该SPL具有同心环结构，并通过有限差分时域（FDTD）仿真进行了优化，以增强聚焦强度并延长有效焦距。优化后的透镜被制造出来，并集成到一个激光书写系统中，该系统还结合了XYZ运动平台。实验结果表明，在30毫瓦的激光功率下，可以实现宽度约为270纳米的亚微米曝光点。研究了曝光时间对特征形成的影响，发现长时间曝光会导致衍射引起的图案变化。此外，通过控制书写过程中的垂直拉伸，成功制造出了具有可调纵横比的三维亚微米结构，结构高度可达约510纳米。与传统的高分辨率技术相比，所提出的SPL辅助μ-printing方法提供了一种成本效益高且灵活的亚微米3D制造策略，无需复杂的光学系统或超快激光器。

引言

已经开发了多种纳米制造技术来生产具有定制光学特性的微纳米结构。电子束光刻（EBL）可以实现高分辨率图案化，但成本高且产量低[1]。干涉光刻（IL）能够实现大面积制造，但仅限于周期性结构[2]。纳米球光刻（NSL）提供了一种成本效益高的替代方案；然而，它在结构设计上缺乏灵活性[3]。

尽管这些方法有效，但它们通常涉及复杂的处理步骤，并且图案灵活性有限。增材制造技术最近引起了人们对光子微结构制造的关注。桶光聚合光学和投影微立体光刻（PμSL）系统可以实现几微米数量级的特征尺寸[4],[5]；然而，进一步提高分辨率受到曝光面积减少和拼接伪影的限制。双光子光刻（TPL）通过将聚合限制在飞秒激光聚焦体积内，克服了衍射极限，从而实现了亚微米仿生结构的制造，例如蛾眼阵列[6]。

尽管有这些进展，但在相对简单的光学系统内实现低成本、灵活且三维的亚微米制造仍然是一个重大挑战。现有方法通常需要在分辨率、制造灵活性、系统复杂性和成本之间进行权衡，难以同时满足所有这些要求。为了应对高分辨率制造的需求，并降低成本和系统复杂性，本研究探讨了利用表面等离子体透镜（SPL）增强的激光微印刷（μ-printing）。表面等离子体效应因其强大的近场限制能力而被广泛研究，能够增强光与物质的相互作用。最近的研究表明，工程化的等离子体结构可以显著提高传感和光热过程等应用中的光学性能[7],[8],[9]。受这些能力的启发，本研究利用SPL来实现基于激光的μ-printing的亚微米级光学聚焦。这些特性能够实现超越衍射极限的强光学聚焦，并为增强基于激光的制造过程提供了潜在途径。先前的研究已经展示了能够在纳米尺度上操纵焦强和位置的多种SPL配置[10],[11],[12],[13]。然而，SPL在实现具有可控结构形态的灵活3D微制造方面的应用仍然基本未得到探索。

在本研究中，通过有限差分时域（FDTD）仿真优化了SPL的几何形状，得到了具有中心孔径的同心环设计，从而延长了焦距并提高了聚焦质量。优化后的透镜被制造出来，并与由G代码控制的XYZ运动平台集成。利用这种μ-printing系统，成功制造出了亚微米结构，并研究了拉伸参数对结构形成的影响。

章节摘录

仿真和实验方法

本节介绍了亚微米结构的制造过程。由于μ-printing需要高度聚焦的激光束，下面描述了用于实现亚微米聚焦的SPL的设计。

FDTD仿真结果与分析

在本节中，对SPL进行了FDTD仿真，最初将中心孔径直径设置为< />

结论

本研究展示了一种基于SPL辅助的μ-printing方法用于亚微米结构的制造。具有中心孔径的优化同心环SPL提供了增强的聚焦强度，并能够形成宽度约为270纳米的曝光点。实验结果证实，与没有中心孔径的透镜相比，中心孔径显著提高了曝光效率。不同纵横比的亚微米三维结构

CRediT作者贡献声明

谢泰楚： 方法论。陈博亨： 方法论。李奕昌： 原始草稿撰写、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢台湾国家科学技术委员会在项目编号NSTC 113-2221-E-033-029下的资助支持。