Développement du multi

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4781 (2023) Citer cet article

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La stéréolithographie à deux photons (TPS) est largement utilisée pour la fabrication de diverses structures tridimensionnelles (3D) avec une résolution de fabrication inférieure au micron en un seul processus de fabrication. Cependant, le TPS ne convient pas aux microstructures avec des motifs à trous fins. Le processus d'ablation au laser peut être facilement percé ou percé de trous dans divers matériaux. Cependant, dans le cas de l'ablation laser, le plan focal du laser est fixe, ce qui est limité au plan de traitement. Dans cette étude, un processus d'ablation multidirectionnelle est étudié pour appliquer l'ablation laser à différents plans de traitement d'une microstructure 3D fabriquée par le processus TPS. Un processus de fabrication hybride 3D avec les avantages du TPS et de l'ablation au laser devrait améliorer l'efficacité de la fabrication. Le procédé hybride 3D est proposé sur la base d'une seule source laser. La microstructure est fabriquée à l'aide de TPS et le processus d'ablation multidirectionnelle crée un trou dans le côté latéral de la microstructure 3D. Pour développer le processus d'ablation multidirectionnelle, le système de miroir réfléchissant doit être conçu pour faire pivoter de manière adaptable le plan focal laser et guider le chemin laser pour le plan de traitement cible. À travers divers exemples, nous démontrons la capacité du processus d'ablation multidirectionnelle avec divers exemples.

Récemment, le besoin d'un processus de fabrication efficace lié à la nanotechnologie (NT), à la biotechnologie (BT) et à la technologie de l'information (TI) a considérablement augmenté dans le développement de nano/microdispositifs 3D et de systèmes hautement intégrés. Les techniques de micro- et nanofabrication comprennent la lithographie douce1,2, la photolithographie3,4 et la gravure5,6 utilisant une combinaison de ces techniques, et divers nano-/micro-systèmes ont été fabriqués. Une technologie de pointe pour la conception plus complexe de structures, la lithographie holographique7,8, l'auto-assemblage9,10 et l'écriture directe au laser11,12,13 ont été utilisées. En particulier, l'écriture directe au laser présente des avantages significatifs pour la fabrication de structures tridimensionnelles car le trajet de balayage laser est contrôlé en fonction de données de conception assistée par ordinateur (CAO) tridimensionnelles. L'écriture directe au laser implique deux méthodes : les méthodes additives et soustractives.

L'écriture directe à l'aide d'un laser femtoseconde (DWFL) est un nano/micro-processus 3D efficace. DWFL est une méthode sans masque, simple et économique pour fabriquer des nano/microstructures 2D et 3D. Le processus additif de DWFL (c'est-à-dire le processus de stéréolithographie à deux photons; TPS) présente de solides avantages pour la fabrication directe de microstructures 2D et 3D avec une résolution inférieure au micron14,15,16,17. Cependant, TPS a certaines limites. Par exemple, la résolution et la vitesse de fabrication du procédé additif sont insuffisantes pour les applications à l'échelle nanométrique18,19. Certaines de ces limitations peuvent être améliorées en utilisant le processus soustractif de DWFL. Un processus soustractif typique est l'ablation à l'aide d'un laser focalisé à haute puissance. Le micro-motif ablaté peut être écrit à l'aide d'un balayage laser selon le chemin conçu.

Plusieurs études ont été menées sur les méthodes de fabrication hybrides, qui présentent les avantages des procédés additifs et soustractifs. Par exemple, la résolution de fabrication limitée du processus additif peut être améliorée en utilisant un processus soustractif20. En utilisant le procédé TPS, une microstructure avec un trou ou un petit espace est difficile à fabriquer. Un petit trou ou espace a tendance à se solidifier et à se bloquer en raison de la superposition des puissances laser21,22. De plus, le chemin de balayage laser inefficace pour la structure tridimensionnelle entraîne un temps de fabrication long23,24. Cependant, le processus d'ablation au laser convient pour créer des trous dans les structures. Par conséquent, en utilisant le processus de fabrication hybride de TPS et d'ablation au laser, la nano-/micro-structure tridimensionnelle peut être efficacement fabriquée avec une plus grande précision et un temps de fabrication plus court.

Dans cette étude, le concept d'un procédé hybride 3D est basé sur une seule source laser. Le processus hybride 3D utilise les points forts des processus additifs et soustractifs dans la technique DWFL. Comme l'un des processus hybrides 3D, un processus d'ablation multidirectionnelle est proposé. L'ablation laser est généralement réalisée à l'aide d'un laser exposé verticalement selon le substrat. Cependant, lorsqu'une microstructure telle qu'un micro-trou ou une micro-fente, y compris un trou ou une fente sur le côté de la microstructure 3D, doit être fabriquée, il est nécessaire de modifier la direction de déplacement du laser exposé pour traiter différentes surfaces de traitement. Cet article a montré qu'il est possible de fabriquer des trous de taille nanométrique en utilisant le processus d'ablation au laser en tant que post-processus. Généralement, la résolution de fabrication du procédé TPS est d'environ 200 nm. Cependant, pour une structure de trous qui n'est pas une ligne unique ou une structure à cellules ouvertes, il est possible de fabriquer un trou d'une taille d'environ 1 um ou plus sur la base du procédé TPS. Étant donné que le processus TPS est le processus de polymérisation additive, la zone de faible polymérisation se chevauche et la superposition de la polymérisation conduit à une réticulation complète. Le degré de polymérisation faible variera en fonction du matériau. mais dans le cas d'une résine photodurcissable générale, le trou serait fabriqué sans effet de chevauchement uniquement lorsque la distance est d'au moins 1 um. Le procédé TPS est basé sur la photolithographie et divers polymères photodurcissables peuvent être utilisés pour le procédé TPP. Le processus hybride se produit lorsqu'un polymère photodurcissable est durci à travers le TPP, puis un processus d'ablation au laser est effectué en tant que post-traitement. Parmi divers polymères photodurcissables, le matériau Su-8 a été utilisé dans le procédé TPP dans cette étude. Parce que le matériau Su-8 a de bonnes propriétés mécaniques et est avantageux pour les structures à rapport d'aspect élevé, le matériau Su-8 est largement utilisé pour diverses applications basées sur le procédé TPP. Le miroir réfléchissant a été conçu pour guider la direction de déplacement du laser, compte tenu des principales spécifications du système d'écriture laser femtoseconde, et les caractéristiques d'ablation en fonction de la distance de travail (la distance entre le miroir réfléchissant et la structure) ont été étudiées. Le miroir réfléchissant a été fabriqué par des procédés MEMS, tels que la lithographie UV, la gravure humide et le CVD. L'efficacité du procédé proposé est démontrée dans plusieurs applications, y compris les micro-trous d'épingle et les microtubes avec des micro-trous dans diverses directions.

Tous les produits chimiques utilisés dans cette étude ont été achetés auprès de Sigma-Aldrich, sauf mention contraire. La réserve photopolymérisable à deux photons, Su-8 2035 (Microchem Co.) a été utilisée pour toutes les fabrications. 1 g de SU-8 2035 a été sensibilisé en ajoutant 2 mg d'un colorant TPA ponté phénylène vinylène hautement efficace. Le Su-8 a été précuit à 95 ° C pendant 10 min avant le processus TPS. Après fabrication, le Su-8 a été post-cuit à 95 ° C pendant 10 min. La microstructure 3D fabriquée a été développée par l'acétate d'éther monométhylique de propylène glycol (PGMEA).

La majeure partie de la résine photodurcissable peut être appliquée au procédé TPS. La résine photodurcissable est constituée d'un monomère et d'un initiateur pour l'initiation de la réaction de réticulation. Pour une réaction de reticulation efficace, l'initiateur doit être conçu pour s'adapter à la longueur d'onde de la lumière exposée. La source laser du procédé TPS est un laser femtoseconde. Contrairement au processus d'absorption à photon unique, lorsqu'un laser femtoseconde est exposé à une résine photodurcissable, la résine photodurcissable absorbe simultanément deux photons à l'état excité. Par la suite, l'énergie absorbée est libérée et retourne à l'état fondamental. Grâce à l'absorption à deux photons, le petit volume au foyer du laser peut polymériser la résine photodurcissable et est appelé voxel (volume du pixel). Le procédé TPS basé sur l'absorption à deux photons a été utilisé pour fabriquer la microstructure 3D avec une résolution de fabrication inférieure au micron14,15,16,17. Cependant, il est nécessaire d'évaluer les processus TPS qui peuvent améliorer la résolution de fabrication ou la vitesse de traitement. Un processus de fabrication hybride avec TPS et ablation laser peut améliorer l'efficacité de fabrication du processus TPS.

Un système de lithographie à deux photons a été développé sur la base d'une étude précédente. Un laser femtoseconde avec une longueur d'onde de 780 nm, une fréquence d'impulsion de 80 MHz et une durée d'impulsion de 100 fs a été utilisé. Un objectif à immersion dans l'huile (ouverture numérique, NA = 1,4, × 100, huile d'immersion utilisée, Olympus) a été utilisé pour focaliser le faisceau laser. Le photorésist époxy Su-8 2035 a été utilisé pour toutes les microfabrications. Le substrat de verre avait des dimensions de 30 × 40 × 0,7 mm3. Les directions x, y et z ont été balayées à l'aide d'étages piézoélectriques (P-622 pour l'étage z, P-628 pour l'étage xy Physik Instrumente (PI)) avec une résolution de 10 nm. Après fabrication, des microstructures 3D ont été développées dans de l'acétate d'éther monométhylique de propylène glycol (PGMEA) pendant 10 min. Les microstructures 3D ont ensuite été rincées dans un bain d'alcool isopropylique (IPA) pendant 1 min. Tous les procédés ont été réalisés à température ambiante.

Lorsqu'un laser pulsé, tel qu'un laser femtoseconde, est exposé à la surface de l'échantillon, l'énergie du laser provoque la vibration d'électrons libres dans le matériau de l'échantillon25,26.

Cette vibration est transmise au réseau du matériau, ce qui entraîne une augmentation rapide de la température et une accumulation de chaleur est générée. La résolution du processus d'ablation au laser est affectée par l'accumulation de chaleur. Les particules de surface sous haute température et pression sont transformées en vapeur et plasma et sont éliminées. Ce phénomène est connu sous le nom d'ablation laser. Le temps où la chaleur générée par le laser se propageait dans le substrat était connu jusqu'à plusieurs nanosecondes. Dans le processus d'ablation au laser avec le laser nanoseconde, la zone d'effet thermique typique de 10 µm ~ 1 mm de largeur (HAZ) est généralement observée. Dans le cas du laser femtoseconde, la longueur de pénétration de la diffusion thermique dans le matériau est limitée car la durée d'impulsion est plus courte que la vitesse d'accumulation de chaleur. Par conséquent, le processus d'ablation au laser avec le laser femtoseconde conduit à une HAZ très petite ou presque libre, de sorte que le processus d'ultra-précision est possible27,28. Par conséquent, le laser femtoseconde est un outil puissant pour le traitement précis des matériaux tels que la structuration de couches minces29, la découpe de plaquettes30, le canal microfluidique31, etc.

Dans cette étude, l'ablation au laser a été réalisée en utilisant le même système laser que celui utilisé pour la lithographie à deux photons. Pour le processus TPS, la puissance laser était de l'ordre de 10 ~ 100 mW, tandis que pour le processus d'ablation laser, la puissance laser était supérieure à 100 mW. Pour le processus d'ablation, le laser a été scanné à l'aide d'un scanner galvano (LightningTM II, Novanta Photonics).

Étant donné que l'optique utilisée pour la partie d'ablation laser n'est pas une lentille F-thêta, le plan focal n'est pas plan et, par conséquent, il limitera fortement la zone d'irradiation où le spot de faisceau minimum peut être focalisé. La zone de traitement du système d'ablation laser utilisé dans cet article est limitée à 400 µm. La résolution d'ablation est presque similaire dans cette zone de processus. Pour le procédé TPS, il est possible de fabriquer la microstructure dans une taille de 500 µm en fonction de la plage de déplacement de l'étage piézoélectrique. Cependant, dans cet article, la taille de la microstructure fabriquée par la lithographie à deux photons est inférieure à 50 µm. Pour le processus hybride proposé dans cet article, la microstructure est fabriquée à l'aide de TPS, puis le processus d'ablation crée un trou dans la microstructure 3D. Par conséquent, même si le système d'ablation n'utilise pas la lentille F-thêta, la taille de la microstructure se situe dans la zone de traitement et il suffit d'appliquer le processus d'ablation à la microstructure fabriquée par le processus TPS.

Les structures micro 3D étaient un revêtement pulvérisé de platine (Pt) et imagées via SEM (FE-SEM; NNS-450, FEI Hong Kong Company). Un détecteur d'électrons secondaire a visualisé toutes les images SEM avec une tension d'accélération de 1,0 ~ 1,5 kV dans le vide. MEB combiné à l'analyse dispersive en énergie des rayons X (EDAX).

Un système hybride avec les avantages du TPS et de l'ablation au laser devrait améliorer l'efficacité des processus de microfabrication existants. En particulier, il est nécessaire d'étudier les processus TPS qui peuvent améliorer la résolution de fabrication ou la vitesse de traitement en utilisant un hybride TPS et d'autres processus soustractifs existants. De plus, dans le cas d'un simple motif de trous, l'ablation au laser est plus appropriée que le TPS. Lorsque l'on considère le mécanisme de polymérisation de la résine photodurcissable, la réticulation a tendance à être facilement propagée par l'énergie environnante ; par conséquent, il est difficile d'exprimer le motif de micro-trous à l'aide du processus TPS.

Cependant, dans le processus d'ablation laser conventionnel, le plan focal du laser est fixe, ce qui est limité au plan de traitement. Étant donné que le volume d'ablation unitaire dans le foyer laser est long dans la direction longitudinale et court dans la direction latérale, il ne convient pas à la structuration de la surface latérale. Par exemple, lorsqu'une structure multi-faisceaux doit être forée dans une structure à faisceau unique par un processus d'ablation conventionnel, elle coupe toute la structure du faisceau ou ablate le faisceau avec un motif elliptique long (Fig. 1a). Si le plan de traitement peut être tourné de manière adaptable en changeant le plan focal du laser, le processus d'ablation au laser peut être appliqué dans diverses directions, sans restriction sur la direction du plan de traitement.

(a) Schéma de principe (a) du processus d'ablation laser conventionnel dans la direction verticale et (b) du processus d'ablation multidirectionnelle, qui contrôle la direction du trajet laser. ( c ) Schéma montrant le processus hybride 3D utilisant le système TPS et le système d'ablation multidirectionnelle. L'ablation au laser peut améliorer une structure 3D fabriquée par le procédé de stéréolithographie à deux photons.

Dans cette étude, nous proposons un système de microfabrication hybride 3D qui présente les avantages des procédés additifs et soustractifs. Le système hybride proposé peut être utilisé pour fabriquer efficacement des microstructures 3D. Pour surmonter le problème de la direction du processus du processus d'ablation laser conventionnel, un processus d'ablation multidirectionnelle a été proposé en contrôlant le plan focal du laser femtoseconde. Pour le forage dans une structure à faisceaux multiples, la résolution d'ablation du laser en rotation peut produire un motif de trous précis dans la structure à faisceau unique (Fig. 1b). La figure 1c montre un schéma du système d'ablation multidirectionnelle. Le système d'ablation multidirectionnelle était basé sur un système TPS existant. Un laser femtoseconde Ti : saphir a été utilisé comme source laser. Le laser a été scanné à l'aide d'un scanner Galvano. Tous les processus ont été surveillés à l'aide d'une caméra CCD. Le laser a été réfléchi par un miroir et a atteint la surface latérale de la microstructure.

La figure 2a montre la conception conceptuelle d'un système de miroir réfléchissant pour guider la direction focale du laser. Le miroir réfléchissant pour guider le chemin laser est un élément clé dans le processus d'ablation multidirectionnelle. La position du miroir réfléchissant est contrôlée manuellement par une platine linéaire et une platine rotative. Le miroir réfléchissant s'approche de la microstructure par étape linéaire et contrôle l'angle du miroir réfléchissant par étape rotative. Le miroir réfléchissant est fixé à la platine tournante. La direction du laser incident a été modifiée à l'aide du miroir réfléchissant. Le plan de traitement de l'ablation a également été modifié et contrôlé par le miroir réfléchissant. Le laser était réfléchi par le miroir et était conçu pour être traité sur le côté. Ainsi, le plan focal du laser et le plan de traitement de l'ablation laser peuvent être contrôlés par le miroir.

(a) Schéma de principe du système de miroir, qui se compose d'un miroir recouvert d'or et d'une lentille d'objectif NA 0,3. Le miroir réfléchit un laser femtoseconde pour modifier le faisceau. (b) Illustration schématique de la structure de la lentille d'objectif. (c) État de conception du miroir de réflexion. (d) Illustration schématique du faisceau focalisé.

Le système laser pour le processus d'ablation multidirectionnelle a été développé en utilisant une lentille d'objectif appropriée et un miroir réfléchissant pour contrôler le plan focal du laser. Une lentille d'objectif a été utilisée pour focaliser le faisceau laser. La figure 2b montre divers paramètres de la lentille d'objectif. Le diamètre de la pupille fait référence au diamètre de la section transversale du laser lorsque le laser sort de la lentille objet. La surface du miroir doit être conçue pour être plus grande que le diamètre de la pupille pour permettre la réflexion du laser sans perte de laser. La distance de travail fait référence à la distance entre l'objectif et le foyer laser. Si la distance de travail est trop courte, il est difficile de mettre en place un miroir entre l'objectif et la structure de l'échantillon. Le diamètre du spot fait référence au diamètre de la section transversale du laser au foyer du laser. Le diamètre du spot était lié à la résolution d'ablation du laser focalisé. La valeur d'ouverture numérique (NA) représente la quantité de lumière entrant dans l'objet. λ est la longueur d'onde du laser femtoseconde, qui était de 780 nm dans cette étude. La distance de travail doit être suffisamment longue pour obtenir un espace suffisant où la surface du miroir est installée entre la lentille objet et la focale laser.

Le tableau 1 répertorie le diamètre de la pupille, le diamètre du spot et la distance de travail pour les lentilles d'objet selon diverses valeurs NA. Dans le cas de NA 1,4, 0,75 et 0,5, la distance de travail a une courte distance de moins de quelques mm, elle ne convient donc pas à la configuration du système de miroir car plus d'espace est nécessaire pour l'installation du miroir réfléchissant. Les alternatives restantes de la valeur NA étaient 0,3 et 0,13. Le diamètre du spot de NA 0,3 était plus petit, et on s'attend à ce que ce soit un processus d'ablation plus précis. Par conséquent, dans cette étude, nous avons choisi d'utiliser une lentille d'objectif avec une valeur NA de 0,3 pour mettre en place le processus d'ablation multidirectionnelle.

Le processus d'ablation multidirectionnelle est nécessaire pour que le miroir réfléchissant modifie le plan focal du laser pour le processus d'ablation multidirectionnelle.

La géométrie de la pointe du miroir est liée à la plage du processus d'ablation. La figure 2c montre les conditions de conception du miroir réfléchissant. Le miroir réfléchissant est nécessaire pour obtenir une large gamme de fabrication en améliorant la forme de la pointe du miroir réfléchissant. Si l'angle (θ) du miroir est supérieur à 45°, la pointe du miroir se détache du substrat. Étant donné que la pointe du miroir était éloignée du substrat de δ, la hauteur de la plage de traitement par ablation laser a été réduite de δ par rapport au substrat. De plus, il y avait une hauteur limite de traitement dans la microstructure cible. Lorsque l'angle de la pointe du miroir était inférieur à 45°, le laser pouvait être étroitement exposé au substrat et ablater la partie inférieure de la microstructure. Par conséquent, l'angle de la pointe du miroir a été conçu pour être inférieur à 45° afin que la pointe du miroir puisse être en contact avec le substrat. Par conséquent, la plage de traitement par ablation laser était protégée de manière stable.

Il est important de déterminer un matériau de revêtement avec une réflectivité élevée pour le faisceau laser incident. La figure 2d montre l'angle d'incidence du faisceau focalisé. Le faisceau laser focalisé était réfléchi à différents angles d'incidence. Pendant le processus d'ablation, le miroir galvano a été tourné pour créer un motif dans les directions x et y du plan de traitement. Par la suite, l'angle d'incidence du laser a été modifié au cours du processus d'ablation. Par conséquent, les matériaux de revêtement doivent avoir une réflectivité élevée selon les différents angles d'incidence du laser. Généralement, les revêtements à haute réflexion (HR) et les revêtements en or sont bien connus pour leur haute réflectivité pour les lasers à 780 nm. Cependant, le revêtement HR a été strictement conçu pour avoir une réflectance élevée à un angle d'incidence de 45°. En revanche, le revêtement d'or présentait une légère variation à divers angles d'incidence. Par conséquent, dans cette étude, un miroir réfléchissant pour l'ablation multidirectionnelle a été recouvert d'or à l'aide du procédé PVD.

Comme indiqué précédemment, le miroir réfléchissant doit être recouvert d'or et la pointe du miroir réfléchissant doit être conçue à moins de 45 ° ou moins. Le processus de fabrication du miroir réfléchissant est illustré à la Fig. 3a. Le miroir recouvert d'or a été fabriqué à l'aide d'un procédé de gravure humide à l'hydroxyde de potassium (KOH). Une couche de SiO2 a été utilisée comme masque dur. Un liquide de gravure (KOH) a été utilisé pour le processus de gravure humide à 85 ℃ pendant 6 h. Après le processus de gravure humide, étant donné que la vitesse de gravure dans la surface cristalline de la tranche (100) est beaucoup plus rapide que la direction de la surface cristalline de la tranche (111), l'angle de la pointe de la tranche est de 54,75°, comme le montre la figure 3b. Grâce au procédé PVD, le revêtement d'or a été fabriqué avec une épaisseur de 1500 Å. De plus, la pointe du miroir réfléchissant a été polie. Comme le montre la figure 3c, l'angle de la pointe du miroir fabriqué était de 22°, ce qui satisfait aux conditions de conception ; l'angle de la pointe du miroir était de 45° ou moins.

(a) Processus de fabrication du miroir réfléchissant. Le miroir réfléchissant est fabriqué par une tranche de Si avec plusieurs étapes. (b) Image SEM du miroir recouvert d'or. Avant de polir la pointe du miroir, son angle est de 54,74°. (c) Image SEM du miroir recouvert d'or. Après polissage de la pointe du miroir, son angle est de 22°. Ce résultat satisfait l'angle conçu. ( d ) Réflectivités des miroirs réfléchissants HR et dorés selon divers angles de miroir.

Nous avons mesuré les réflectivités des revêtements HR et or à différents angles d'incidence. Sur la figure 3d, le miroir revêtu d'or a une réflectivité inférieure à celle du revêtement HR à un angle d'incidence de 45°, mais la réflectivité du miroir revêtu d'or présente des écarts plus faibles à divers angles d'incidence par rapport au miroir revêtu de HR. La réflectivité du miroir recouvert d'or a été mesurée à 93,7% selon l'angle d'incidence à 45°.

Il est nécessaire d'évaluer l'aptitude au traitement du processus d'ablation multidirectionnelle en fonction de divers paramètres de conception. La figure 4a montre les paramètres de conception du système de miroir réfléchissant. "L'angle de rotation du miroir (Φ)" détermine le plan de traitement du processus d'ablation multidirectionnelle. Dans cette étude, l'angle de rotation du miroir a été fixé à 45° et le laser réfléchi a été exposé sur le côté latéral de la structure verticale. La "distance de traitement (D)" reflète la distance entre la surface du miroir réfléchissant et la structure. La figure 4b montre le système d'ablation multidirectionnelle. Il existe plusieurs références sur la structuration de l'or ou les dommages causés par le laser femtoseconde33,34. Il est important que le processus d'ablation au laser soit effectué avec une certaine puissance laser dans la plage de puissance laser appropriée afin que le miroir réfléchissant revêtu d'or ne soit pas endommagé. Comme le montre la figure 4c, lorsque la distance de traitement est trop courte, la zone laser exposée dans la surface du miroir réfléchissant est rétrécie et l'intensité du laser est trop forte pour endommager la surface du miroir réfléchissant. Cependant, si la distance de traitement est trop longue, il est difficile d'exposer le faisceau laser au bas de la structure. Par conséquent, il existe une zone limitée par le processus à partir du bas de la microstructure, où le laser n'est pas exposé.

(a) Illustration schématique d'un laser réfléchissant dans un système d'ablation multidirectionnel. (b) Photo du système d'ablation multidirectionnelle. (c) Graphique schématique de l'intensité laser en fonction de la zone exposée au laser. Lorsque l'intensité laser (I) augmente, la distance de traitement (D) est raccourcie. ( c ) Image SEM montrant les résultats expérimentaux du test d'endommagement de la surface du miroir réfléchissant par diverses puissances laser exposées avec 800 mW aux distances de traitement de 5 μm et 10 μm. Les symboles rouges et jaunes indiquent le point d'analyse EDAX. (d) Distance de fabrication entre le miroir réfléchissant et la structure compte tenu des dommages. (e) Zone traitable pour le processus d'ablation multidirectionnelle en fonction de la puissance du laser et de la distance de traitement.

Il est nécessaire d'étudier la plage de la distance de traitement afin que la surface du miroir réfléchissant ne soit pas endommagée par le laser avec une zone minimale limitée par le processus. En modifiant la puissance du laser à 800 mW à des intervalles de 200 mW et des distances de traitement de 5 μm, 10 μm et 15 μm, la surface du miroir réfléchissant a été analysée par EDAX pour déterminer si la surface du miroir réfléchissant était endommagée par le laser. Le laser a ensuite été irradié pendant 10 s. La figure 4d montre l'image SEM des résultats expérimentaux du test d'endommagement de la surface du miroir pour diverses puissances laser exposées. Il y avait deux points dans la zone endommagée par le laser et la zone non endommagée. Le symbole triangulaire de couleur rouge dans la zone endommagée indique le point d'analyse EDAX, où le laser a été exposé à 800 mW à une distance de traitement de 5 μm. Le symbole circulaire de couleur jaune dans la zone non endommagée indique le point d'analyse EDAX, où le laser a été exposé à 800 mW et une distance de traitement de 10 μm. Dans la zone non processive (①), on peut observer que la composante Si est dominante sur la surface du miroir selon les données EDAX. Ce résultat indique que la couche superficielle revêtue d'or a été endommagée par l'exposition au laser. Dans la zone transformable (②), la composante aurifère était dominante. Cela indique que la couche superficielle recouverte d'or n'a pas été endommagée par le laser. La figure 4e montre la zone pouvant être traitée en fonction de la puissance du laser et de la distance de traitement. Le point jaune indique le point processif et le miroir réfléchissant n'est pas endommagé par le laser. Cependant, le point rouge indiquait le point non processif et le miroir réfléchissant était endommagé.

Lorsque le miroir réfléchissant s'est approché de près de la microstructure, la zone limitée par le processus d'ablation a été réduite. Les figures 5a et b montrent que le processus d'ablation a limité la hauteur de la microstructure lorsque le laser a été exposé au côté latéral de la microstructure et scanné à l'aide du scanner galvano. Comme le montre la figure 5a, lorsque la distance de processus est de 30 μm, la hauteur du processus est de 5 μm. Cependant, lorsque la distance du processus était de 100 μm par rapport à la microstructure cible, la hauteur limitée au processus augmentait à 22 μm. Étant donné que la distance de traitement est éloignée de la microstructure, le foyer laser ne peut pas atteindre le bas de la microstructure et la hauteur limitée au processus est augmentée. Lorsque la distance de traitement est raccourcie, le processus peut être exécuté en minimisant la hauteur limitée au processus. La hauteur limitée par le processus peut être prédite à l'aide de ces résultats expérimentaux (Fig. 5c).

Diagramme schématique et image SEM du processus d'ablation multidirectionnelle à une distance de processus de (a) 30 μm et (b) 100 μm. Les images SEM ont été mesurées avec une platine SEM inclinée à 52°. La hauteur a été compensée selon une inclinaison de 52°. (c) Le processus a limité la hauteur en fonction de la distance de processus basée sur le résultat des images SEM.

Pour l'ablation multidirectionnelle, l'objectif NA 0,3 a été utilisé. Selon des recherches antérieures, la forme optique du laser focalisé est une forme sphéroïdale allongée35. Une NA plus petite a entraîné une forme de mise au point allongée. De plus, l'intensité du laser le long de la direction de déplacement est supérieure à celle le long de la direction latérale36. Le processus d'ablation au laser conventionnel ne convient pas à la structuration de la surface latérale. Pour un motif précis sur la surface latérale, le plan focal doit être tourné à l'aide d'un système d'ablation multidirectionnel. Comme le montre la figure 6a, lorsque la structure multifaisceaux doit être percée dans une structure à faisceau unique, le laser est réfléchi par le miroir et le plan de traitement est tourné. Cette mise au point tournée conduit à un motif de trous précis dans une structure à faisceau unique. Une structure à trois poutres a été fabriquée selon le procédé TPS. La hauteur et la largeur de chaque faisceau étaient respectivement de 5 et 1 μm. Pour créer un trou dans la structure du faisceau supérieur, la direction du plan focal a été contrôlée avec précision à l'aide d'un miroir réfléchissant. Pour créer un motif de trous précis, la puissance laser était de 100 mW, ce qui est la plus petite puissance laser pour le processus d'ablation. Comme le montre la figure 6b, un motif à un seul trou de 500 nm a été formé dans la structure du faisceau supérieur. La figure 6c montre la capacité de perçage multipoint d'une microstructure 3D par un processus d'ablation multidirectionnelle. La structure à six parois a été fabriquée par le procédé TPS, et le foyer laser réfléchi et tourné a été exposé à chaque paroi à l'aide d'une platine piézo à axe z et d'un scanner galvano. Par conséquent, un trou de 5 μm a été sélectivement modelé sur chaque structure à six parois. Par conséquent, le processus d'ablation multidirectionnelle permet la création d'un motif sur diverses surfaces de la microstructure pour diverses applications.

(a) Illustration schématique du processus d'ablation multidirectionnelle. Images SEM de l'exemple de fabrication par le processus. (b) Forage ponctuel sur micro-faisceau. (c) Forage multipoint sur différents plans de traitement. (d) Structures à micro-trous d'épingle pour des applications optiques telles que des filtres optiques ou des diagrammes de diffraction. Les images SEM ont été mesurées avec une platine SEM inclinée à 52°. La hauteur a été compensée selon une inclinaison de 52°.

Le processus d'ablation multidirectionnelle convient aux structures à micro-trous. La paroi mince plate a été fabriquée par TPS et un micro-trou a été foré sur le côté latéral de la structure par un processus d'ablation multidirectionnel (Fig. 6d). Le temps de fabrication pour la paroi mince plate était d'environ 10 min, et le temps d'ablation pour percer un micro-trou était de moins de 1 ms. Si la paroi mince plate avec un micro-trou est fabriquée par le procédé TPS, le temps de fabrication augmentera de plusieurs minutes en raison de la fabrication additive. Par conséquent, le processus d'ablation multidirectionnelle est un processus très efficace du point de vue du temps de fabrication. Ces microstructures à trous d'épingle peuvent être utilisées dans diverses applications optiques, telles que des filtres optiques et des grilles de diffraction. En utilisant cette structure à micro-trous d'épingle, nous avons démontré l'interférométrie Twyman-Green à une micro-échelle. L'interférométrie Twyman-Green peut être appliquée comme capteur pour mesurer la distance de déplacement d'un échantillon. Des micro-lentilles, des micro-miroirs et des micro-prismes ont été fabriqués à l'aide du procédé TPS. Un micro-trou d'épingle peut être fabriqué à l'aide d'un processus de fabrication hybride avec TPS et un processus d'ablation laser multidirectionnel. Ainsi, des hybrides du TPS et du processus d'ablation multidirectionnelle devraient être appliqués dans des éléments optiques pour diverses expériences optiques à l'échelle microscopique à l'avenir.

Dans cette étude, un processus d'ablation multidirectionnelle a été proposé pour créer un motif sur le côté latéral d'une microstructure. Il fallait un système de miroir réfléchissant capable de contrôler le plan focal de l'ablation laser. L'objectif NA 0,3 a été utilisé pour ce système d'ablation multidirectionnel en tenant compte des spécifications de l'objectif telles que la distance de travail, le diamètre du spot et le diamètre de la pupille. Un miroir réfléchissant pour le guide de chemin laser a été produit à l'aide de MEMS. Pour une réflectivité élevée, le miroir réfléchissant était recouvert d'or et l'angle de la pointe du miroir réfléchissant était de 22 ° pour réduire les interférences entre le miroir réfléchissant et le substrat. De plus, la portée du processus d'ablation multidirectionnelle a été dérivée en tenant compte de la puissance du laser et de la distance de traitement. Par conséquent, nous avons dérivé une gamme de processus qui n'endommage pas la surface du miroir réfléchissant.

Diverses microstructures 3D ont été fabriquées à l'aide du procédé TPS, et la surface latérale de la microstructure 3D a été ablatée à l'aide d'un procédé d'ablation multidirectionnelle. Cela a montré que le processus d'ablation au laser multidirectionnel pourrait étendre la capacité de traitement du processus de microfabrication pour diverses microstructures à l'avenir.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié. Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par la subvention de la National Research Foundation of Korea (NRF) financée par le gouvernement coréen (MSIT) (n° 2020K1A3A1A19087858). Ce travail a également été soutenu par un projet interne de l'Institut coréen de technologie industrielle (n° JH230014).

Korea Additive Manufacturing Innovation Center (KAMIC), Korea Institute of Industrial Technology (KITECH), Siheung-si, République de Corée

Cheol Woo Ha et Yong Son

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CWH a conçu, fabriqué la structure micro 3D et écrit le texte principal du manuscrit et les figures préparées. Yong Son a écrit et révisé le manuscrit. Tous les auteurs ont lu et révisé le manuscrit.

Correspondance avec Cheol Woo Ha.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ha, CW, Son, Y. Développement du processus d'ablation multidirectionnelle utilisant le laser femtoseconde pour créer un motif sur le côté latéral d'une microstructure 3D. Sci Rep 13, 4781 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32030-8

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Reçu : 29 décembre 2022

Accepté : 21 mars 2023

Publié: 23 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-32030-8

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