Desarrollo de la multi

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 4781 (2023) Citar este artículo

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La estereolitografía de dos fotones (TPS) se usa ampliamente para la fabricación de varias estructuras tridimensionales (3D) con una resolución de fabricación submicrónica en un solo proceso de fabricación. Sin embargo, TPS no es adecuado para microestructuras con patrones de agujeros finos. El proceso de ablación con láser se puede perforar fácilmente o hacer agujeros en varios materiales. Sin embargo, en el caso de la ablación con láser, se fija el plano focal del láser, que se limita al plano de procesamiento. En este estudio, se estudia un proceso de ablación multidireccional para aplicar la ablación láser a varios planos de procesamiento de una microestructura 3D fabricada por el proceso TPS. Se espera que un proceso de fabricación híbrido en 3D con las ventajas de TPS y ablación láser mejore la eficiencia de fabricación. Se propone el proceso híbrido 3D basado en una única fuente láser. La microestructura se fabrica con TPS y el proceso de ablación multidireccional crea un orificio en el lado lateral de la microestructura 3D. Para desarrollar el proceso de ablación multidireccional, el sistema de espejos reflectantes debe diseñarse para rotar de manera adaptable el plano focal del láser y guiar la trayectoria del láser para el plano del proceso de destino. A través de varios ejemplos, demostramos la capacidad del proceso de ablación multidireccional con varios ejemplos.

Recientemente, la necesidad de un proceso de fabricación efectivo relacionado con la nanotecnología (NT), la biotecnología (BT) y la tecnología de la información (TI) ha aumentado significativamente en el desarrollo de nano/microdispositivos 3D y sistemas altamente integrados. Las técnicas de micro y nanofabricación incluyen litografía blanda1,2, fotolitografía3,4 y grabado5,6 utilizando una combinación de estas técnicas, y se han fabricado varios nano/microsistemas. Se ha empleado tecnología avanzada para el diseño más complejo de estructuras, litografía holográfica7,8, autoensamblaje9,10 y escritura directa con láser11,12,13. En particular, la escritura directa con láser tiene ventajas significativas para la fabricación de estructuras tridimensionales porque la ruta de escaneo láser se controla de acuerdo con datos de diseño asistido por computadora (CAD) tridimensional. La escritura directa con láser involucra dos métodos: métodos aditivos y sustractivos.

La escritura directa con un láser de femtosegundo (DWFL) es un nano/microproceso 3D eficaz. DWFL es un método sin máscara, simple y rentable para fabricar nano/microestructuras 2D y 3D. El proceso aditivo de DWFL (es decir, proceso de estereolitografía de dos fotones; TPS) tiene grandes méritos para la fabricación directa de microestructuras 2D y 3D con resolución submicrométrica14,15,16,17. Sin embargo, TPS tiene algunas limitaciones. Por ejemplo, la resolución y la velocidad de fabricación del proceso aditivo son insuficientes para aplicaciones a nanoescala18,19. Algunas de estas limitaciones se pueden mejorar utilizando el proceso sustractivo de DWFL. Un proceso sustractivo típico es la ablación usando un láser enfocado de alta potencia. El micropatrón ablacionado se puede escribir mediante escaneo láser de acuerdo con la ruta diseñada.

Se han realizado varios estudios sobre métodos de fabricación híbridos, que tienen las ventajas de los procesos tanto aditivos como sustractivos. Por ejemplo, la resolución de fabricación limitada del proceso aditivo se puede mejorar usando un proceso sustractivo20. Con el proceso TPS, es difícil fabricar una microestructura con un orificio o un espacio pequeño. Un pequeño agujero o hueco tiende a solidificarse y taponarse por la superposición de las potencias del láser21,22. Además, la ruta de escaneo láser ineficaz para la estructura tridimensional provoca un largo tiempo de fabricación23,24. Sin embargo, el proceso de ablación con láser es adecuado para crear agujeros en las estructuras. Por lo tanto, al emplear el proceso de fabricación híbrido de TPS y ablación con láser, la nano/microestructura tridimensional puede fabricarse efectivamente con mayor precisión y en un tiempo de fabricación más corto.

En este estudio, el concepto de un proceso híbrido 3D se basa en una única fuente de láser. El proceso híbrido 3D emplea las fortalezas de los procesos aditivo y sustractivo en la técnica DWFL. Como uno de los procesos híbridos 3D, se propone un proceso de ablación multidireccional. La ablación con láser generalmente se realiza utilizando un láser expuesto verticalmente según el sustrato. Sin embargo, cuando se debe fabricar una microestructura como un microorificio o una microrendija, incluido un orificio o una hendidura en el costado de la microestructura 3D, es necesario cambiar la dirección de desplazamiento del láser expuesto para procesar en varios procesos. superficies. Este documento mostró que es posible fabricar orificios de tamaño nanométrico utilizando el proceso de ablación láser como proceso posterior. En general, la resolución de fabricación del proceso TPS es de unos 200 nm. Sin embargo, para una estructura de agujeros que no es una estructura de una sola línea o celda abierta, es posible fabricar un agujero del tamaño de aproximadamente 1um o más basado en el proceso TPS. Debido a que el proceso TPS es el proceso de polimerización aditiva, el área de polimerización débil se superpone y la superposición de polimerización conduce a una reticulación completa. El grado de polimerización débil variará dependiendo del material. pero en el caso de la resina fotocurable en general, el orificio se fabricaría sin efecto de superposición solo cuando la distancia sea de al menos 1um. El proceso TPS se basa en la fotolitografía y se pueden utilizar varios polímeros fotoendurecibles para el proceso TPP. El proceso híbrido es cuando un polímero fotocurable se cura a través de TPP, y luego se realiza un proceso de ablación con láser como procesamiento posterior. Entre varios polímeros fotocurables, el material Su-8 se utilizó en el proceso TPP en este estudio. Debido a que el material Su-8 tiene buenas propiedades mecánicas y es ventajoso para estructuras de alta relación de aspecto, el material Su-8 se usa ampliamente para varias aplicaciones basadas en el proceso TPP. El espejo reflector fue diseñado para guiar la dirección de viaje del láser, considerando las principales especificaciones del sistema de escritura láser de femtosegundo, y se estudiaron las características de ablación en función de la distancia de trabajo (la distancia entre el espejo reflector y la estructura). El espejo reflectante se fabricó mediante procesos MEMS, como litografía UV, grabado húmedo y CVD. La efectividad del proceso propuesto se demuestra en varias aplicaciones, incluyendo microagujeros y microtubos con microagujeros en varias direcciones.

Todos los productos químicos utilizados en este estudio se obtuvieron de Sigma-Aldrich, a menos que se indique lo contrario. La resistencia fotopolimerizable de dos fotones, Su-8 2035 (Microchem Co.) se usó para todas las fabricaciones. Se sensibilizó 1 g de SU-8 2035 mediante la adición de 2 mg de un tinte TPA con puente de fenileno vinileno altamente eficaz. El Su-8 se prehorneó a 95 °C durante 10 min antes del proceso TPS. Después de la fabricación, el Su-8 se horneó a 95 °C durante 10 min. La microestructura 3D fabricada fue desarrollada por acetato de éter monometílico de propilenglicol (PGMEA).

La mayor parte de la resina fotocurable se puede aplicar al proceso TPS. La resina fotocurable consta de monómero y un iniciador para iniciar la reacción de reticulación. Para una reacción de reticulación efectiva, el iniciador debe diseñarse para ajustarse a la longitud de onda de la luz expuesta. La fuente de láser del proceso TPS es un láser de femtosegundo. A diferencia del proceso de absorción de un solo fotón, cuando un láser de femtosegundo se expone a una resina fotocurable, la resina fotocurable absorbe simultáneamente dos fotones hasta el estado excitado. Posteriormente, la energía absorbida se libera y vuelve al estado fundamental. Debido a la absorción de dos fotones, el pequeño volumen en el foco del láser puede polimerizar la resina fotocurable y se denomina vóxel (volumen del píxel). Se utilizó el proceso TPS basado en la absorción de dos fotones para fabricar la microestructura 3D con una resolución de fabricación submicrónica14,15,16,17. Sin embargo, es necesario evaluar los procesos TPS que pueden mejorar la resolución de fabricación o la velocidad de procesamiento. Un proceso de fabricación híbrido con TPS y ablación láser puede mejorar la eficiencia de fabricación del proceso TPS.

Se desarrolló un sistema de litografía de dos fotones basado en un estudio previo. Se utilizó un láser de femtosegundo con una longitud de onda de 780 nm, una frecuencia de pulso de 80 MHz y una duración de pulso de 100 fs. Se usó un objetivo de inmersión en aceite (apertura numérica, NA = 1,4, × 100, aceite de inmersión usado, Olympus) para enfocar el rayo láser. Para todas las microfabricaciones se utilizó el fotorresistente epoxi Su-8 2035. El sustrato de vidrio tenía unas dimensiones de 30 × 40 × 0,7 mm3. Las direcciones x, y y z se escanearon utilizando etapas piezoeléctricas (P-622 para la etapa z, P-628 para la etapa xy Physik Instrumente (PI)) con una resolución de 10 nm. Después de la fabricación, se desarrollaron microestructuras 3D en acetato de éter monometílico de propilenglicol (PGMEA) durante 10 min. Luego, las microestructuras 3D se enjuagaron en un baño de alcohol isopropílico (IPA) durante 1 min. Todos los procesos se realizaron a temperatura ambiente.

Cuando se expone un láser pulsado, como un láser de femtosegundo, en la superficie de la muestra, la energía del láser provoca la vibración de los electrones libres en el material de la muestra25,26.

Esta vibración se entrega a la red del material, lo que resulta en un rápido aumento de la temperatura y se genera acumulación de calor. La resolución del proceso de ablación con láser se ve afectada por la acumulación de calor. Las partículas de la superficie bajo alta temperatura y presión se transforman en formas de vapor y plasma y se eliminan. Este fenómeno se conoce como ablación láser. El tiempo en que el calor generado por el láser se propagó en el sustrato se conocía como varios nanosegundos. En el proceso de ablación láser con el láser de nanosegundos, generalmente se observa la típica zona de efecto térmico (HAZ) de 10 µm ~ 1 mm de ancho. En el caso del láser de femtosegundo, la longitud de penetración de la difusión térmica en el material está limitada porque la duración del pulso es más corta que la velocidad de acumulación de calor. Por tanto, el proceso de ablación láser con láser de femtosegundo conduce a una ZAT muy pequeña o casi libre, por lo que es posible el proceso de ultraprecisión27,28. Por lo tanto, el láser de femtosegundo es una herramienta poderosa para el procesamiento de materiales precisos, como el patrón de película delgada29, el corte de obleas30, el canal microfluídico31, etc.

En este estudio, la ablación con láser se realizó utilizando el mismo sistema láser que se utilizó para la litografía de dos fotones. Para el proceso TPS, la potencia del láser estuvo en el rango de 10 ~ 100 mW, mientras que para el proceso de ablación con láser, la potencia del láser fue superior a 100 mW. Para el proceso de ablación, el láser se escaneó utilizando un escáner galvano (LightningTM II, Novanta Photonics).

Dado que la óptica utilizada para la parte de ablación láser no es una lente F-theta, el plano focal no es plano y, por lo tanto, limitará fuertemente el área de irradiación donde se puede enfocar el punto de haz mínimo. El área de proceso del sistema de ablación láser utilizado en este documento está limitada a 400 µm. La resolución de la ablación es casi similar dentro de esta área de proceso. Para el proceso TPS, es posible fabricar la microestructura dentro de un tamaño de 500 um de acuerdo con el rango de recorrido de la etapa piezoeléctrica. Sin embargo, en este documento, el tamaño de la microestructura fabricada por la litografía de dos fotones es inferior a 50 µm. Para el proceso híbrido propuesto en este documento, la microestructura se fabrica con TPS y luego el proceso de ablación crea un agujero en la microestructura 3D. Por lo tanto, aunque el sistema de ablación no se utiliza la lente F-theta, el tamaño de la microestructura está dentro del área de proceso y es suficiente para aplicar el proceso de ablación a la microestructura fabricada por el proceso TPS.

Las microestructuras 3D fueron un revestimiento pulverizado de platino (Pt) y se obtuvieron imágenes a través de SEM (FE-SEM; NNS-450, FEI Hong Kong Company). Un detector de electrones secundarios visualizó todas las imágenes SEM con un voltaje de aceleración de 1,0 ~ 1,5 kV en el vacío. SEM combinado con análisis de dispersión de energía de rayos X (EDAX).

Se espera que un sistema híbrido con las ventajas de TPS y ablación láser mejore la eficiencia de los procesos de microfabricación existentes. En particular, es necesario estudiar procesos TPS que puedan mejorar la resolución de fabricación o la velocidad de procesamiento utilizando un TPS híbrido y otros procesos sustractivos existentes. Además, en el caso de un patrón de agujeros simple, la ablación con láser es más adecuada que la TPS. Cuando se considera el mecanismo de polimerización de la resina fotocurable, el entrecruzamiento tiende a propagarse fácilmente por la energía circundante; por lo tanto, es un desafío expresar el patrón de microagujeros utilizando el proceso TPS.

Sin embargo, en el proceso de ablación por láser convencional, el plano focal del láser es fijo, lo que se limita al plano de procesamiento. Debido a que el volumen de ablación de la unidad en el foco del láser es largo en la dirección longitudinal y corto en la dirección lateral, no es adecuado para el patrón de la superficie lateral. Por ejemplo, cuando es necesario perforar una estructura multihaz en una estructura de una sola viga mediante un proceso de ablación convencional, se corta toda la estructura de la viga o se extirpa la viga con un patrón elíptico largo (Fig. 1a). Si el plano de procesamiento se puede girar de forma adaptable cambiando el plano focal del láser, el proceso de ablación con láser se puede aplicar en varias direcciones, sin restricciones en la dirección del plano de procesamiento.

(a) Diagrama esquemático de (a) proceso de ablación láser convencional en dirección vertical y (b) proceso de ablación multidireccional, que controla la dirección de la trayectoria del láser. ( c ) Diagrama que muestra el proceso híbrido 3D que emplea el sistema TPS y el sistema de ablación multidireccional. La ablación con láser puede mejorar una estructura 3D fabricada por el proceso de estereolitografía de dos fotones.

En este estudio, proponemos un sistema de microfabricación híbrido 3D que tiene las ventajas de los procesos aditivos y sustractivos. El sistema híbrido propuesto se puede utilizar para fabricar microestructuras 3D de manera efectiva. Para superar el problema de la dirección del proceso de ablación láser convencional, se propuso un proceso de ablación multidireccional mediante el control del plano focal del láser de femtosegundo. Para perforar en una estructura multihaz, la resolución de ablación del láser girado puede producir un patrón de agujeros preciso en la estructura de un solo haz (Fig. 1b). La figura 1c muestra un esquema del sistema de ablación multidireccional. El sistema de ablación multidireccional se basó en un sistema TPS existente. Se usó un láser de femtosegundo Ti:zafiro como fuente de láser. El láser se escaneó utilizando un escáner Galvano. Todos los procesos fueron monitoreados usando una cámara CCD. El láser se reflejó en un espejo y alcanzó la superficie lateral de la microestructura.

La Figura 2a muestra el diseño conceptual de un sistema de espejos reflectores para guiar la dirección focal del láser. El espejo reflectante para guiar la trayectoria del láser es un elemento clave en el proceso de ablación multidireccional. La posición del espejo reflectante se controla manualmente mediante una etapa lineal y una etapa giratoria. El espejo reflectante se acerca a la microestructura por etapa lineal y controla el ángulo del espejo reflectante por etapa giratoria. El espejo reflectante está fijado a la platina giratoria. La dirección del láser incidente se cambió utilizando el espejo reflectante. El plano de procesamiento de ablación también fue cambiado y controlado por el espejo reflectante. El láser se reflejaba en el espejo y estaba diseñado para procesarse lateralmente. Por lo tanto, el espejo puede controlar el plano focal del láser y el plano de procesamiento de la ablación con láser.

(a) Diagrama esquemático del sistema de espejos, que consta de un espejo recubierto de oro y una lente objetivo NA 0.3. El espejo refleja un láser de femtosegundo para cambiar el haz. (b) Ilustración esquemática de la estructura de la lente del objetivo. (c) Condición de diseño del espejo de reflexión. (d) Ilustración esquemática del haz enfocado.

El sistema láser para el proceso de ablación multidireccional se desarrolló utilizando una lente objetivo adecuada y un espejo reflectante para controlar el plano focal del láser. Se empleó una lente objetivo para enfocar el rayo láser. La Figura 2b muestra varios parámetros de la lente del objetivo. El diámetro de la pupila se refiere al diámetro de la sección transversal del láser cuando el láser sale de la lente del objeto. La superficie del espejo debe diseñarse para que sea más grande que el diámetro de la pupila para permitir la reflexión del láser sin pérdida del láser. La distancia de trabajo se refiere a la distancia entre la lente del objetivo y el foco del láser. Si la distancia de trabajo es demasiado corta, es difícil instalar un espejo entre la lente del objetivo y la estructura de la muestra. El diámetro del punto se refiere al diámetro de la sección transversal del láser en el foco del láser. El diámetro del punto se relacionó con la resolución de ablación del láser enfocado. El valor de apertura numérica (NA) representa la cantidad de luz que ingresa al objeto. λ es la longitud de onda del láser de femtosegundo, que fue de 780 nm en este estudio. La distancia de trabajo debe ser lo suficientemente larga para obtener suficiente espacio donde se instala la superficie del espejo entre la lente del objeto y el foco del láser.

La Tabla 1 enumera el diámetro de la pupila, el diámetro del punto y la distancia de trabajo para las lentes del objeto de acuerdo con varios valores de NA. En el caso de NA 1.4, 0.75 y 0.5, la distancia de trabajo tiene una distancia corta de menos de unos pocos mm, por lo que no es adecuada para la configuración del sistema de espejos porque se necesita más espacio para la instalación del espejo reflectante. Las restantes alternativas del valor NA fueron 0,3 y 0,13. El diámetro del punto de NA 0.3 fue más pequeño y se espera que sea un proceso de ablación más preciso. Por lo tanto, en este estudio, optamos por utilizar una lente objetivo con un valor NA de 0,3 para configurar el proceso de ablación multidireccional.

Se requiere el proceso de ablación multidireccional para que el espejo reflectante cambie el plano focal del láser para el proceso de ablación multidireccional.

La geometría de la punta del espejo está relacionada con el rango del proceso de ablación. La figura 2c muestra las condiciones de diseño del espejo reflectante. El espejo reflectante es necesario para obtener un amplio rango de producción mejorando la forma de la punta del espejo reflectante. Si el ángulo (θ) del espejo es superior a 45°, la punta del espejo se separa del sustrato. Debido a que la punta del espejo estaba lejos del sustrato por δ, la altura del rango de procesamiento de ablación láser se redujo por δ desde el sustrato. Además, había una altura límite de procesamiento en la microestructura objetivo. Cuando el ángulo de la punta del espejo era inferior a 45°, el láser podía quedar muy cerca del sustrato y podía extirpar la parte inferior de la microestructura. Por lo tanto, el ángulo de la punta del espejo se diseñó para que fuera inferior a 45° para que la punta del espejo pudiera estar en contacto con el sustrato. En consecuencia, el rango de procesamiento de ablación láser se protegió de forma estable.

Es importante determinar un material de recubrimiento con una alta reflectividad para el rayo láser incidente. La figura 2d muestra el ángulo de incidencia del haz enfocado. El rayo láser enfocado se reflejó en varios ángulos de incidencia. Durante el proceso de ablación, se giró el espejo galvano para crear un patrón en las direcciones x e y del plano de procesamiento. Posteriormente, se cambió el ángulo de incidencia del láser durante el proceso de ablación. Por lo tanto, los materiales de recubrimiento deben tener una alta reflectividad según los diversos ángulos de incidencia del láser. En general, los recubrimientos de alta reflexión (HR) y los recubrimientos de oro son bien conocidos por su alta reflectividad para láseres de 780 nm. Sin embargo, el recubrimiento HR se diseñó estrictamente para tener una alta reflectancia en un ángulo de incidencia de 45°. Por el contrario, el recubrimiento de oro exhibió una ligera variación en varios ángulos de incidencia. Por lo tanto, en este estudio, un espejo reflectante para ablación multidireccional se recubrió con oro mediante el proceso PVD.

Como se discutió anteriormente, el espejo reflectante debe estar revestido con oro y la punta del espejo reflectante debe diseñarse por debajo de 45° o menos. El proceso de fabricación del espejo reflectante se muestra en la Fig. 3a. El espejo recubierto de oro se fabricó mediante un proceso de grabado húmedo con hidróxido de potasio (KOH). Se utilizó una capa de SiO2 como máscara dura. Se utilizó un líquido de grabado (KOH) para el proceso de grabado húmedo a 85 ℃ durante 6 h. Después del proceso de grabado húmedo, debido a que la velocidad de grabado en la superficie del cristal de la oblea (100) es mucho más rápida que la dirección de la superficie del cristal de la oblea (111), el ángulo de la punta de la oblea es de 54,75°, como se muestra en la Fig. 3b. A través del proceso PVD, el recubrimiento de oro se fabricó con un espesor de 1500 Å. Además, se pulió la punta del espejo reflectante. Como se muestra en la Fig. 3c, el ángulo de la punta del espejo fabricado fue de 22°, lo que satisface las condiciones de diseño; el ángulo de la punta del espejo era de 45° o menos.

(a) Proceso de fabricación del espejo reflectante. El espejo reflectante está fabricado por una oblea de Si con varios pasos. (b) Imagen SEM del espejo recubierto de oro. Antes de pulir la punta del espejo, su ángulo es de 54,74°. ( c ) Imagen SEM del espejo recubierto de oro. Después de pulir la punta del espejo, su ángulo es de 22°. Este resultado satisface el ángulo diseñado. (d) Reflectividades de los espejos reflectantes HR y recubiertos de oro según varios ángulos de espejo.

Medimos las reflectividades de los recubrimientos de oro y HR en varios ángulos de incidencia. En la Fig. 3d, el espejo revestido de oro tiene una reflectividad menor en comparación con el revestimiento HR en un ángulo de incidencia de 45°, pero la reflectividad del espejo revestido en oro muestra desviaciones más pequeñas en varios ángulos de incidencia en comparación con el espejo revestido de HR. . La reflectividad del espejo revestido de oro se midió en 93,7% según el ángulo de incidencia a 45°.

Es necesario evaluar la procesabilidad del proceso de ablación multidireccional en función de varios parámetros de diseño. La figura 4a muestra los parámetros de diseño del sistema de espejos reflectantes. El "ángulo de rotación del espejo (Φ)" determina el plano de procesamiento del proceso de ablación multidireccional. En este estudio, el ángulo de rotación del espejo se fijó en 45° y el láser reflejado se expuso al lado lateral de la estructura vertical. La "distancia de procesamiento (D)" refleja la distancia desde la superficie del espejo reflectante hasta la estructura. La figura 4b muestra el sistema de ablación multidireccional. Hay varias referencias sobre patrón de oro o daño por láser de femtosegundo33,34. Es importante que el proceso de ablación con láser se realice con una determinada potencia del láser dentro del rango adecuado de potencia del láser para que el espejo reflectante recubierto de oro no se dañe. Como se muestra en la Fig. 4c, cuando la distancia de procesamiento es demasiado corta, el área expuesta del láser en la superficie del espejo reflectante se estrecha y la intensidad del láser es demasiado fuerte para dañar la superficie del espejo reflectante. Sin embargo, si la distancia de procesamiento es demasiado larga, es difícil exponer el rayo láser al fondo de la estructura. Por lo tanto, hay un área limitada por el proceso desde la parte inferior de la microestructura, donde el láser no está expuesto.

(a) Ilustración esquemática de la reflexión del láser en un sistema de ablación multidireccional. (b) Foto del sistema de ablación multidireccional. ( c ) Gráfico esquemático de la intensidad del láser según el área expuesta al láser. A medida que aumenta la intensidad del láser (I), la distancia de procesamiento (D) se acorta. ( c ) Imagen SEM que muestra los resultados experimentales de la prueba de daño de la superficie del espejo reflectante por varias potencias de láser expuestas con 800 mW a distancias de procesamiento de 5 μm y 10 μm. Los símbolos de color rojo y amarillo indican el punto del análisis EDAX. (d) Distancia de fabricación entre el espejo reflectante y la estructura considerando el daño. (e) Área procesable para el proceso de ablación multidireccional según la potencia del láser y la distancia del proceso.

Es necesario estudiar el rango de la distancia de procesamiento para que el láser no dañe la superficie del espejo reflectante con un área mínima limitada por el proceso. Al cambiar la potencia del láser a 800 mW a intervalos de 200 mW y distancias de procesamiento de 5 μm, 10 μm y 15 μm, EDAX analizó la superficie del espejo reflectante para determinar si el láser dañó la superficie del espejo reflectante. A continuación, se irradió el láser durante 10 s. La Figura 4d muestra la imagen SEM de los resultados experimentales de la prueba de daño de la superficie del espejo para varias potencias de láser expuestas. Había dos puntos en el área dañada por el láser y un área no dañada. El símbolo triangular de color rojo en el área dañada indica el punto de análisis EDAX, donde el láser se expuso a 800 mW a una distancia de procesamiento de 5 μm. El símbolo circular de color amarillo en el área no dañada indica el punto de análisis EDAX, donde el láser se expuso a 800 mW y una distancia de procesamiento de 10 μm. En el área no procesiva (①), se puede observar que la componente de Si es dominante en la superficie del espejo según los datos de EDAX. Este resultado indica que la capa superficial recubierta de oro fue dañada por la exposición al láser. En el área procesable (②), el componente de oro era dominante. Esto indica que el láser no dañó la capa superficial recubierta de oro. La figura 4e muestra el área procesable según la potencia del láser y la distancia del proceso. El punto amarillo indica el punto de procesión y el láser no daña el espejo reflectante. Sin embargo, el punto rojo indicaba el punto no procesable y el espejo reflectante estaba dañado.

A medida que el espejo reflectante se acercaba a la microestructura, se reducía el área limitada por el proceso de ablación. Las Figuras 5a yb muestran que el proceso de ablación limitó la altura de la microestructura cuando el láser se expuso al lado lateral de la microestructura y se escaneó con el escáner galvano. Como se muestra en la Fig. 5a, cuando la distancia del proceso es de 30 μm, la altura del proceso es de 5 μm. Sin embargo, cuando la distancia del proceso fue de 100 μm desde la microestructura objetivo, la altura limitada por el proceso aumentó a 22 μm. Debido a que la distancia del proceso está lejos de la microestructura, el foco del láser no puede alcanzar la parte inferior de la microestructura y la altura limitada por el proceso aumenta. Cuando se acorta la distancia de procesamiento, el proceso se puede realizar minimizando la altura limitada por el proceso. La altura limitada por el proceso se puede predecir utilizando estos resultados experimentales (Fig. 5c).

Diagrama esquemático e imagen SEM del proceso de ablación multidireccional a una distancia de proceso de (a) 30 μm y (b) 100 μm. Las imágenes SEM se midieron con una platina SEM inclinada a 52°. La altura se compensó según una inclinación de 52°. (c) El proceso limitó la altura según la distancia del proceso en función del resultado de las imágenes SEM.

Para la ablación multidireccional se utilizó la lente objetivo NA 0.3. Según investigaciones previas, la forma óptica del láser enfocado es una forma esferoidal alargada35. Una NA más pequeña resultó en una forma de foco alargada. Además, la intensidad del láser a lo largo de la dirección de desplazamiento es mayor que a lo largo de la dirección lateral36. El proceso de ablación con láser convencional no es adecuado para el modelado de la superficie lateral. Para un patrón preciso en la superficie lateral, el plano focal debe girarse mediante un sistema de ablación multidireccional. Como se muestra en la Fig. 6a, cuando es necesario perforar la estructura multihaz en una estructura de un solo haz, el láser se refleja en el espejo y el plano de procesamiento gira. Este foco girado conduce a un patrón de agujeros preciso en una estructura de un solo haz. Se fabricó una estructura de tres vigas utilizando el proceso TPS. La altura y el ancho de cada haz fueron de 5 y 1 μm, respectivamente. Para crear un agujero en la estructura del haz superior, la dirección del plano focal se controló con precisión mediante un espejo reflectante. Para crear un patrón de orificios preciso, la potencia del láser fue de 100 mW, que es la potencia de láser más pequeña para el proceso de ablación. Como se muestra en la Fig. 6b, se formó un patrón de un solo orificio de 500 nm en la estructura del haz superior. La figura 6c muestra la capacidad de perforación multipunto de una microestructura 3D mediante un proceso de ablación multidireccional. La estructura de seis paredes se fabricó mediante el proceso TPS, y el foco láser girado y reflejado se expuso a cada pared utilizando una etapa piezoeléctrica del eje z y un escáner galvano. En consecuencia, se modeló selectivamente un orificio de 5 μm de tamaño en cada estructura de seis paredes. Por tanto, el proceso de ablación multidireccional permite la creación de un patrón en varias superficies de la microestructura para diversas aplicaciones.

(a) Ilustración esquemática del proceso de ablación multidireccional. Imágenes SEM del ejemplo de fabricación por el proceso. (b) Perforación de un solo punto en micro-haz. (c) Perforación multipunto en varios planos de procesamiento. (d) Estructuras de microorificios para aplicaciones ópticas como filtros ópticos o patrones de difracción. Las imágenes SEM se midieron con una platina SEM inclinada a 52°. La altura se compensó según una inclinación de 52°.

El proceso de ablación multidireccional es adecuado para estructuras con microorificios. La pared delgada plana fue fabricada por TPS y se perforó un microagujero en el lado lateral de la estructura mediante un proceso de ablación multidireccional (Fig. 6d). El tiempo de fabricación para la pared delgada plana fue de aproximadamente 10 minutos, y el tiempo de ablación para perforar un microagujero fue de 1 ms. Si la pared delgada plana con un microagujero se fabrica mediante el proceso TPS, el tiempo de fabricación aumentará durante varios minutos debido a la fabricación aditiva. Por tanto, el proceso de ablación multidireccional es un proceso muy eficaz desde el punto de vista del tiempo de fabricación. Estas estructuras de microorificios se pueden utilizar en diversas aplicaciones ópticas, como filtros ópticos y rejillas de difracción. Utilizando esta estructura de microorificios, demostramos la interferometría de Twyman-Green en una microescala. La interferometría Twyman-Green se puede aplicar como un sensor para medir la distancia de viaje de una muestra. Se fabricaron microlentes, microespejos y microprismas mediante el proceso TPS. Se puede fabricar un microorificio mediante un proceso de fabricación híbrido con TPS y un proceso de ablación láser multidireccional. Por lo tanto, se espera que los híbridos del TPS y el proceso de ablación multidireccional se apliquen en elementos ópticos para varios experimentos ópticos a microescala en el futuro.

En este estudio, se propuso un proceso de ablación multidireccional para crear un patrón en el lado lateral de una microestructura. Requería un sistema de espejo reflectante que pudiera controlar el plano focal de la ablación con láser. Se empleó la lente del objetivo NA 0.3 para este sistema de ablación multidireccional teniendo en cuenta las especificaciones de la lente del objetivo, como la distancia de trabajo, el diámetro del punto y el diámetro de la pupila. Se produjo un espejo reflectante para la guía de la trayectoria del láser usando MEMS. Para una alta reflectividad, el espejo reflectante se recubrió con oro y el ángulo de la punta del espejo reflectante fue de 22 ° para reducir la interferencia entre el espejo reflectante y el sustrato. Además, el rango del proceso de ablación multidireccional se derivó considerando la potencia del láser y la distancia de procesamiento. Por lo tanto, derivamos un rango de proceso que no daña la superficie reflectante del espejo.

Se fabricaron varias microestructuras 3D mediante el proceso TPS, y la superficie lateral de la microestructura 3D se eliminó mediante un proceso de ablación multidireccional. Esto demostró que el proceso de ablación láser multidireccional podría ampliar la procesabilidad del proceso de microfabricación para varias microestructuras en el futuro.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado. Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno de Corea (MSIT) (No. 2020K1A3A1A19087858). Este trabajo también fue apoyado por un proyecto interno del Instituto de Tecnología Industrial de Corea (No. JH230014).

Centro de Innovación de Fabricación Aditiva de Corea (KAMIC), Instituto de Tecnología Industrial de Corea (KITECH), Siheung-si, República de Corea

Cheol Woo Ha y Yong Son

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CWH diseñó, fabricó la estructura micro 3D y escribió el texto principal del manuscrito y las figuras preparadas. Yong Son escribió y revisó el manuscrito. Todos los autores leyeron y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Cheol Woo Ha.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ha, CW, Son, Y. Desarrollo del proceso de ablación multidireccional utilizando el láser de femtosegundo para crear un patrón en el lado lateral de una microestructura 3D. Informe científico 13, 4781 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32030-8

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Recibido: 29 diciembre 2022

Aceptado: 21 de marzo de 2023

Publicado: 23 de marzo de 2023

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

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