清華孫洪波團隊&吉大陳岐岱團隊：超快激光超隱形切割

飛秒激光直寫(xie) 技術是一種具備三維加工能力的製造技術，被廣泛應用於(yu) 工業(ye) 生產(chan) 和科學研究等領域。然而，由於(yu) 傅裏葉帶寬定理（等價(jia) 於(yu) 量子物理中的海森堡不確定性原理）對激光焦點橫向尺寸和深寬比的製約，如何實現納米級精度的高深寬比、高自由度激光深切割和鑽孔一直是研究者關(guan) 注的重點和國際研究前沿。

近日，針對這一難題，清華大學精密儀(yi) 器係孫洪波教授和吉林大學陳岐岱教授聯合團隊在飛秒激光納米級高深寬比結構製造上取得了重要進展：研究團隊提出了一種超隱形切割技術，利用激光-物質相互作用過程中的非線性反饋促進橫向亞(ya) 波長光場局域化和縱向能量沉積均勻化，在包括玻璃、半導體(ti) 、激光晶體(ti) 、鐵電體(ti) 等多種透明材料中實現了橫向精度10nm，深寬比達104的納米深加工，比現有最好結果提升1至2個(ge) 數量級，可應用於(yu) 納米光學製造、半導體(ti) 三維封裝等領域。與(yu) 傳(chuan) 統隱形切割等激光加工技術相比，其加工精度來源於(yu) 激光初始納米損傷(shang) 的“種子效應”，因此可從(cong) 原理上擺脫高深寬比結構對激光焦點壓縮和拉伸的強依賴。該研究成果以“Super-stealth dicing of transparent solids with nanometric precision”為(wei) 題，於(yu) 2024年5月8日在線發表在光學領域頂尖期刊 Nature Photonics上。

小百科1：什麽(me) 是高深寬比結構？其應用有哪些？

結構的深寬比（亦稱深徑比）被定義(yi) 為(wei) 結構縱向深度和其橫向特征尺寸的比值。直觀地說，地質鑽探打一口直徑為(wei) d深度為(wei) z的井，其深寬比則為(wei) z/d。高深寬比結構在光學、生物、以及電子器件領域都有重要的應用。例如，在光學領域，高深寬比的光柵可以用於(yu) 製備紅外波段的偏振片，或是用於(yu) 增加結構-光的耦合，從(cong) 而提升材料的吸光性能，用於(yu) 黑體(ti) 或光伏應用。在電子器件領域，納米級的高深寬比矽通孔或玻璃通孔可以應用於(yu) 三維集成電路的封裝，是在後摩爾時代進一步實現芯片性能彎道超車的重要途經。

小百科2：為(wei) 什麽(me) 高深寬比結構難以製造？

製備高深寬比結構一直是微加工領域的重大挑戰，目前主要有半導體(ti) 工藝、納米壓印或激光加工等方法。半導體(ti) 工藝基於(yu) 掩膜和刻蝕（如Bosch工藝），隨著結構深寬比掩膜作用逐漸減弱，從(cong) 而限製了其結構深寬比和質量；類似地，對於(yu) 納米壓印技術來說，高深寬比的結構會(hui) 難以脫模的問題。而對於(yu) 激光加工路線實現的鑽孔和切割來說，由於(yu) 光的波動特性導致的傅裏葉帶寬定理，激光焦點的橫向寬度和縱向深度總保持一定深寬比，即在提升焦點橫向寬度的同時會(hui) 伴隨著縱向深度的縮短，這也導致了激光加工難以實現穩定可控的納米級高深寬比切割和鑽孔。

傅裏葉帶寬定理對激光納米級深加工的限製

經過數十年的發展，基於(yu) 激光的精密切割、鑽孔和表麵結構化已經成為(wei) 現代工業(ye) 中不可或缺的關(guan) 鍵技術，並在微電子、光學和醫學等領域發揮著日益重要的作用。然而，目前針對介質或半導體(ti) 的最先進的激光切割技術仍然受限於(yu) 近微米級的空間分辨率和102量級的深寬比。這種限製並非技術上的，而是源自於(yu) 光的波動性引起的傅立葉帶寬定理（等價(jia) 於(yu) 量子物理的海森堡不確定性原理，圖1）。簡而言之，當試圖通過將激光聚焦得更緊來獲得更高的橫向分辨率時，光束的發散角度會(hui) 變大，從(cong) 而阻礙切割切口的縱向深度和均勻性。

目前主流的解決(jue) 方案，包括廣泛使用的縱向多焦點陣列、貝塞爾-高斯光束（近似無衍射光）和由克爾效應引起的非線性激光成絲(si) ，仍然局限於(yu) 衍射光學範疇內(nei) 對光場的拉伸和壓縮，故不可能突破上述物理基本原理的限製。同時，超快激光的非線性閾值效應雖然能有效地提升激光加工的橫向精度，但由於(yu) 閾值效應會(hui) 同時縮短激光加工的縱向深度，其並不能有效提升結構的深寬比。

由於(yu) 上述原因，盡管傳(chuan) 統的空間光場調製方法已經在微米或亞(ya) 微米尺度上取得了令人印象深刻的高深寬比激光加工成就，但一旦橫向加工分辨率達到百納米級別或更低，所製造的結構的深寬比會(hui) 迅速降至約102量級甚至更低。

圖1 傅裏葉帶寬定理和海森堡不確定性原理的等價(jia) 性，及對激光焦點寬度和深度的相互製約。

超隱形切割技術的非線性反饋物理機製

針對這一困難，研究團隊提出了一種創新思路：利用瞬態的、非線性的激光-材料相互作用，以克服上述物理原理對納米級激光高深寬比加工的限製。具體(ti) 來說，他們(men) 利用激光誘導的初始損傷(shang) 區域作為(wei) 一個(ge) “種子結構”，來引發所謂的“背散射幹涉攀爬”效應，引導高深寬比納米結構的形成和演化（圖2）。

一方麵，在遠場區域，種子結構可以產(chan) 生反向散射波，與(yu) 入射光場相幹幹涉，沿光軸引起能量分布的周期調製，從(cong) 而促進光強度極大值處的新種子結構的生成；與(yu) 此同時，在近場區域，由於(yu) 種子結構的納米級特征尺寸，光學近場可以在不連續邊界處被激發，促進納米結構沿縱向（與(yu) 激光傳(chuan) 播方向相反）的拉伸和連接。

通過實驗觀察和嚴(yan) 格的自洽數值模擬，研究團隊證明了這一機製有效地確保了縱向能量沉積的均勻化和橫向的亞(ya) 波長光束縛，從(cong) 而實現了亞(ya) 10納米的橫向精度和104的深寬比。與(yu) 現有的基於(yu) 激光的納米級高深寬比加工技術相比，這一指標提高了1到2個(ge) 數量級（圖3，圖4b）。

圖2 背散射幹涉攀爬的物理機製及實驗驗證。

不同於(yu) 通常的由高折射率區域的光場約束機製，研究團隊發現此處用於(yu) 觸發亞(ya) 波長光場束縛的是納米級的低介電函數區域，其解由廣義(yi) 徑向薛定諤方程在奇異點附近的行為(wei) 給出。從(cong) 電位移連續性方程可以證明，場增強（以及坡印廷矢量）總可以被充分大的介電函數梯度所誘導。因此，這種光場亞(ya) 波長束縛具有魯棒性，對具體(ti) 的材料性質不敏感，這進一步保證了該技術的普適性。研究團隊發現，該效應可以被視為(wei) 納米光學中槽波導或米氏孔洞所引起的共振能量局域化的類比。

基於(yu) 超隱形切割的納米級深切割和鑽孔

此外，材料體(ti) 內(nei) 的納米級種子還可以在橫向上觸發近場增強，並在偏振平麵內(nei) 引導高深寬比納米結構的連續自由寫(xie) 入。這一橫向近場增強的特征可以被看作是研究團隊於(yu) 2020年在Light: Science & Applications上發表提出的光學遠場誘導近場擊穿技術（O-FIB，Optical far-field-induced near-field breakdown）的三維推廣。

通過與(yu) 濕法化學刻蝕或應力負載結合，可以實現多種透明材料的納米切割（玻璃、介質、鐵電體(ti) 以及半導體(ti) ，圖3，圖4a-f），其橫向優(you) 於(yu) 50納米，深寬比超過2,000，納米光柵的切割間距可低至150納米。利用該技術還可以實現對超薄玻璃、藍寶石等硬脆材料的異形鑽孔和切割，在40×20μm2的測量範圍內(nei) ，其側(ce) 壁粗糙度Ra小於(yu) 10納米（圖5）。

受工業(ye) 中著名隱形切割概念的啟發，作者將這項技術命名為(wei) 超隱形切割（Super-stealth dicing,SSD）。該技術不僅(jin) 具有傳(chuan) 統隱形切割的部分優(you) 勢特性（無碎屑和低損傷(shang) ，可在應力作用下分割材料），而且還可以實現納米尺度下高深寬比結構的自由寫(xie) 入，具有極高的橫向加工精度和深寬比。

圖3 研究團隊製備的高質量熔融石英高深寬比納米光柵。

圖4 超隱形切割技術對多種透明固體(ti) 的廣泛適用性以及製備的納米線、波片。

技術應用及展望

在新提出的製備方法的幫助下，研究團隊進一步展示了石英玻璃異形孔、藍寶石超薄波片和晶體(ti) 微棱鏡的製造（圖4g-l，圖5），為(wei) 未來的三維電路封裝、自由空間集成光學和量子感知等應用提供了獨特的加工策略。這項工作代表了迄今為(wei) 止最先進的激光納米深切割能力，同時為(wei) 激光加工技術提供了一個(ge) 新的視角：在極端納米尺度上，激光-材料相互作用及其帶來的非線性反饋（無論是在近場還是遠場）將成為(wei) 提高激光加工精度和質量的關(guan) 鍵，而這也將為(wei) 激光加工技術未來的進一步發展提供了新的方向。

圖5 基於(yu) 超隱形切割的薄玻璃異形鑽孔和晶體(ti) 微棱鏡切割。

該論文的三位共同第一作者分別為(wei) 清華大學精密儀(yi) 器係博士後李臻賾博士（原吉林大學電子科學與(yu) 工程學院博士生）、清華大學博士後樊華博士和吉林大學電子科學與(yu) 工程學院王磊副教授。論文通訊作者為(wei) 吉林大學電子科學與(yu) 工程學院的王磊副教授、陳岐岱教授、斯威本科技大學的Saulius Juodkazis教授以及清華大學精密儀(yi) 器係的孫洪波教授。此外，吉林大學電子科學與(yu) 工程學院的於(yu) 顏豪博士、胥亦實博士、研究生張栩、博士生趙新景以及清華大學精密儀(yi) 器係博士生王熠、王曉傑亦對本研究做出了重要貢獻。這項研究得到了國家傑出青年基金、國家重點研發計劃、國家自然科學基金國際合作項目的資助。

研究團隊

通訊作者孫洪波：清華大學精密儀(yi) 器係長聘教授、博士生導師、清華大學精密儀(yi) 器係學術委員會(hui) 主席。國家傑出青年科學基金獲得者（2005）、教育部長江學者特聘教授（2005），國家科技創新領軍(jun) 人才，全國優(you) 秀博士論文指導教師。

孫洪波教授是超精細激光加工領域世界知名的科學家之一，長期專(zhuan) 注超快激光超精細特種製造領域的研究，包括超快激光與(yu) 物質相互作用機理，製備微光學、微電子、微機械、微流控、微光電、傳(chuan) 感、生物和仿生結構與(yu) 器件；開拓超快光譜研究方法，探索前沿光電和電光轉換動力學，係列工作為(wei) 我國緊迫需求提供關(guan) 鍵技術與(yu) 解決(jue) 方案。圍繞上述研究內(nei) 容在Nature、Science、Nature Physics、Nature Photonics等高水平學術雜誌發表SCI論文500餘(yu) 篇，被SCI論文引用40000餘(yu) 次，H因子102；研究結果被Nature、Science和Laser Focus World 等雜誌專(zhuan) 題介紹100餘(yu) 篇次，150餘(yu) 次國際會(hui) 議邀請報告，榮獲2020年國家自然科學獎二等獎（排名一）、2023年度全國創新爭(zheng) 先獎。目前任中國光學學會(hui) 微納光學專(zhuan) 業(ye) 委員會(hui) 主任、中國感光學會(hui) 激光微納成形專(zhuan) 業(ye) 委員會(hui) 主任、原國務院學位委員會(hui) 學科評議組成員、自然科學基金重大項目負責人。

通訊作者陳岐岱：吉林大學唐敖慶特聘教授，博士生導師，集成光電子學國家重點實驗室吉林大學實驗區主任，《fun88官网平台》副主編；獲國家自然科學基金傑出青年基金，教育部新世紀優(you) 秀人才。

陳岐岱教授主要工作從(cong) 事光電子技術研究，聚焦激光精密加工和納米製造關(guan) 鍵技術，為(wei) 超快激光加工器件功能化、效率和精度提升做出了創新貢獻，形成了具有自主知識產(chan) 權的超快激光微納加工技術和裝備體(ti) 係，滿足了基礎研究和國防高技術領域若幹緊迫需求。圍繞上述工作，在Nature Photonics、Nature Physics、Nature Communications及Light: Science & Application等領域一流雜誌發表論文230餘(yu) 篇，論文被SCI論文他引13000餘(yu) 次，H-index 65; 獲國家自然科學二等獎、吉林省和教育部自然科學一等獎各一次。主持完成國家重點研發項目和國家自然科學基金重點項目。

通訊作者王磊：吉林大學唐敖慶青年學者，副教授，博士生導師。主要從(cong) 事超快激光超分辨加工機製及應用的研究，實現了取向矽鋼、永久光存儲(chu) 、亞(ya) 波長增透窗等顛覆性技術創新。圍繞上述工作，以第一作者或通訊作者在Nature Photonics, Light: Science & Applications, Optica, Laser & Photonics Reviews等學術期刊發表論文20餘(yu) 篇，主持自然科學基金委麵上、青年等多項項目，現任Chinese Optics Letters編委。

第一作者李臻賾：2023年博士畢業(ye) 於(yu) 吉林大學集成光電子國家重點實驗室物理電子學專(zhuan) 業(ye) ，現為(wei) 清華大學水木學者，精密儀(yi) 器係在站博士後。研究方向為(wei) 超快激光-物質相互作用及其在極端納米加工領域中的應用。以第一、共一或主要作者身份在Nature Photon., Light: Sci. & Appl., Appl. Phys. Rev., InfoMat等應用物理學領域頂尖期刊上發表文章，相關(guan) 成果連續入選2020-2023年的ESI高被引論文。曾擔任Adv. Funct. Mater., Opt. Lett., Appl. Phys. A, Opt. Eng.等期刊的國際審稿人。