1 天津大学机械工程学院，天津 300072
2 天津大学机械工程学院机构理论与装备设计教育部重点实验室，天津 300072
3 清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室，北京 100084
4 清华大学精密/超精密制造装备与控制北京市重点实验室，北京 100084
激光电解复合加工是将激光加工与电化学加工相结合的复合加工方法，可用于加工硬质导电材料，具有加快电化学溶解速率、避免重铸层和提高表面质量等优势。笔者提出了一种管电极耦合激光电解复合加工工艺，利用设计的管电极实现了激光能量与电化学能量在管电极内部的同轴传导以及在加工间隙处的可控耦合，所提工艺适用于高品质超大深径比小孔的加工。基于激光与电化学能量在加工间隙处的可控调节，提出了以激光加工为主导和以电化学加工为主导的耦合作用机制。通过分析激光辐照区温升对电解质电导率、电流密度、液相传质和电化学溶解速率的影响，以及电解产生的气泡和杂质等对激光能量的影响，建立了激光电解复合加工的材料去除模型，并进行了初步的激光电解复合加工仿真分析与实验研究。
激光技术 电解加工 理论模型 耦合机制 高深径比 深孔 中国激光
2024, 51(16): 1602402
1 河北半导体研究所，河北 石家庄 050051
2 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
3 南京理工大学 电子工程与光电子技术学院，江苏 南京 210094
硅基MEMS器件中存在大量高深宽比结构，对这些结构进行线宽和深度的无损检测，是当前的热点问题。为了实现对这些高深宽比结构无损测量系统的准确校准，采用半导体工艺研制了一系列高深宽比沟槽标准样板，宽度范围2~30 μm、深度范围10~300 μm，其深宽比最大达到30∶1。为了满足样板的校准功能，设计了多种特征结构，包括辅助定值结构、测量定位结构和定位角结构等，还设计了样板量值的表征与考核方法。考核量值包括线宽尺寸、沟槽深度尺寸和均匀性。使用扫描电镜对标准样板进行了测试，结果表明该标准样板可以用于校准近红外宽光谱干涉显微测量系统。
高深宽比 线宽 沟槽深度 复合型标准样板 high-aspect-ratio line width trench depth trench standard template 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220646
南京理工大学 电子工程与光电技术学院，南京 210094
低相干扫描干涉技术是微结构特征参数无损检测的有效手段。然而对高深宽比结构底部采样点需要进行大量程垂直扫描，由此引起光强漂移导致的相干信号对比度降低，以及阶跃边缘复杂衍射作用造成的相干信号混叠是高度检测过程中的两个主要难题。采用完全噪声辅助聚合经验模态分解算法分解原始信号得到一系列特征模态函数，通过提取高频特征模态函数代替原始信号滤除低频的光强漂移分量，提高相干信号对比度。高深宽比结构边缘复杂衍射作用使该位置附近的相干信号中包含两组包络，其中异常包络由相干峰位置对应上表面的附加相干信号引起并阻碍有效包络的准确判别。通过融合从相干信号中提取的对比度及强度信息并进行二值化处理，实现对高深宽比结构上下表面的识别分类，据此选择当前采样点位置对应的包络作为有效包络并最终完成结构高度的高精度检测。以校准深度为101.77 μm，线宽为10.97 μm的高深宽比沟槽为检测样品，10次测量的高度均值及标准差分别为101.093 μm、0.316 μm。
干涉测量 高度测量 高深宽比 光强漂移 相干信号混叠 Interferometry Height measurement High-aspect-ratio Intensity offset Aliasing coherence signal
Institute of Modern Optics, Nankai University, Tianjin Key Laboratory of Micro-scale Optical Information Science and Technology, Tianjin 300350, China
A near-infrared femtosecond laser is focused by a 100 mm-focal-length plano-convex lens to form a laser filament, which is employed to drill holes on copper targets. By shifting or rotating the focusing lens, additional aberration is imposed on the focused laser beam, and significant influence is produced on the aspect ratio and cross-sectional shape of the micro-holes. Experimental results show that when proper aberration is introduced, the copper plate with a thickness of 3 mm can be drilled through with an aspect ratio of 30, while no through-holes can be drilled on 3-mm-thickness copper plates by femtosecond laser with minimized aberration. In addition, when femtosecond laser filament with large astigmatism is used, micro-holes that had a length to width ratio up to 3.3 on the cross-section are obtained. Therefore, the method proposed here can be used to fabricate long oval holes with high aspect ratios.
femtosecond laser aberration drilling high aspect ratio Frontiers of Optoelectronics
2021, 14(4): 522–528
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 华南理工大学 广东省半导体照明与信息化工程技术研究中心，广东 广州 510641
4 西北工业大学 电子信息学院 光学影像分析与学习中心，陕西 西安 710072
硫化锌（ZnS）晶体是重要的宽光谱红外窗口材料，高深径比纳米孔的超快激光制造技术为中红外波导傅立叶变换光谱仪等光子器件的实现提供了重要的技术途径。本文采用中心波长为1030 nm、重复频率为100 kHz、脉冲宽度为223 fs~20 ps可调的Yb: KGW激光光源，用石英锥镜产生高斯-贝塞尔光束，并用4f系统构建了40倍缩束的超快激光直写系统。在能量为36~63 μJ，脉宽为12.5~20 ps的情况下，在ZnS晶体上成功刻写了直径为80~320 nm的纳米孔结构。通过聚焦离子束（FIB）剥蚀和扫描电子显微镜（SEM）成像确定了纳米孔隙表面形貌、直径及深度信息。研究了激光脉冲能量、脉冲宽度对纳米孔隙的影响。结果表明，在20 ps脉冲宽度、48 µJ脉冲能量的激光参数下，纳米孔隙的深度约为270 μm。
硫化锌晶体 高深径比纳米孔 光子器件 高斯-贝塞尔光束 ZnS crystal high aspect ratio nanopores photonic devices Gaussian-Bessel beam
上海市计量测试技术研究院 机械与制造计量技术研究所, 上海 201203
针对当前微纳米测量中存在的微结构跨尺度、高精度测量及高深宽比结构多参数表征问题, 基于纳米测量机和微接触测头构建了纳米坐标测量系统。通过对测头与定位平台机械、电气及软件接口的设计, 实现测头与平台的集成, 并利用标准球对测量系统进行校准。为保证测量结果的可溯源性, 对定位平台三轴激光干涉仪的激光器进行了拍频。最后, 利用搭建的测量系统对高度10 μm,2 mm的超高台阶及硅臂卡爪的侧壁倾角进行了测量, 表明系统具备大尺寸结构的高精度测量和复杂MEMS器件特征尺寸的精确表征能力。
微纳米测量 纳米测量机 三维微接触测头 高深宽比 侧壁倾角 micro-and nano measurement nano measuring machine 3D micro tactile probe high aspect ratio sidewall angle 光学 精密工程
2020, 28(10): 2252
中国科学技术大学 国家同步辐射实验室, 安徽 合肥 230029
针对大高宽比微结构显影过程中由显影液的对流传质严重受限、光刻胶层厚、显影时间长带来的显影不均匀问题, 提出了基于翘板式摇床辅助的显影方法。利用有限元法模拟了摇床工作时整个样品表面的流场分布以及显影液在不同高宽比微结构光栅表面的流场分布。模拟结果表明, 通过摇床摆动可以实现显影液均匀流动。然后, 提出了快速的显影参数确定方法, 并通过实验给出了沟槽深宽比和显影速率之间的关系, 提供了可参考的显影工艺参数, 并验证了工艺参数的合理性。在显影时间为10~12 min, 显影速率为0.21~0.23 m/s, 沟槽深宽比为2.5, 光刻胶厚度为200 μm的光栅的显影均匀性优于96%。该方法可以实现大高宽比微结构的均匀显影, 满足高质量大高宽比光栅的制作要求。
大高宽比光栅 摇床式辅助显影 沟槽深宽比 均匀流场 high aspect ratio grating shaker-assisted development process the aspect ratio of trench uniform flow
深圳大学 电子科学与技术学院 微纳光电子技术研究所, 广东 深圳 518060
基于双面集成微结构薄片元件在集成光学成像、光束整形等方面的应用日益普及, 针对其中一些一体化、高深宽比结构在制作方面的难点问题, 本文提出一种无基膜支撑、高深宽比的双面集成微结构元件的制作新方法——紫外压印改进技术。通过该方法, 成功地制作了无基膜、高深宽比结构的集成导光板样品; 样品上下表面微结构形貌与金属模具在误差范围内保持一致, 转印复制过程的物理结构形变小, 且样品的厚度整体均匀、平整无翘曲。实验结果表明, 本文提出的紫外压印改进技术方法能有效地制作无基膜支撑、双面集成高深宽比的微结构元件, 可望在集成光学成像及光束整形、匀光、导光、聚光等光学器件制作领域有良好应用。
双面集成 无基膜 高深宽比 紫外压印 two-sided integrated without film substrate high aspect ratio ultraviolet imprint
1 安徽工程大学 机械与汽车工程学院, 安徽 芜湖 241000
2 中国科学技术大学 国家同步辐射实验室, 安徽 合肥 230029
全息光刻-单晶硅各向异性湿法刻蚀是制作大高宽比硅光栅的一种重要方法, 而如何增大光刻胶光栅的占宽比, 以提高制作工艺宽容度和光栅质量是急需解决的问题。本文提出了一种热压增大光刻胶光栅占宽比的方法, 该方法通过加热加压直接将光刻胶光栅线条展宽。论文详细阐述了其工艺过程, 探究了占宽比增加值随施压载荷、温度的变化规律, 讨论了施压垫片对光刻胶光栅质量的影响。应用此方法制作了周期为500 nm的硅光栅, 光栅线条的高宽比达到了12.6, 氮化硅光栅掩模的占宽比高达0.72。热压增大光刻胶光栅占宽比的方法工艺简单、可靠, 无需昂贵设备、成本低, 能够有效增大占宽比, 且获得的光栅掩模质量高、均匀性好, 满足制作高质量大高宽比硅光栅的要求。
硅光栅 大高宽比 光刻胶光栅 占宽比 热压 silicon grating high aspect ratio photoresist grating duty cycle hot pressing
