光子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)中，用于制造，操作和探測(cè)光。在未來，制造先進(jìn)的光子設(shè)備將是一種挑戰(zhàn)，并需要靈活性和可調(diào)諧性。因?yàn)樗鼈冃枰冗M(jìn)的三維光刻技術(shù)， 制造這些設(shè)備并非易事。激光直寫技術(shù)（DLW）是一種有趣的方式，它的目標(biāo)是運(yùn)用液態(tài)晶體光刻膠作為感光材料。

在這篇博客中， 我們將描述用于生產(chǎn)人造橡膠光學(xué)可調(diào)諧光子設(shè)備的光刻膠是如何進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和測(cè)試的，以及如何用掃描電子顯微鏡(SEM)來幫助設(shè)計(jì)改進(jìn)過程。

利用激光直寫制造光子器件

激光直寫是一種三維光刻技術(shù)，它能使結(jié)構(gòu)的制作到 100 納米。一種超快的激光聚焦在一種透明材料的體積內(nèi)，稱為光刻膠，它可以吸收兩個(gè)或多個(gè)光子，并局部聚合。DWL的流程圖如圖1所示。首先， 激光光束集中在光阻材料內(nèi)（i），然后根據(jù)預(yù)先定義的設(shè)計(jì)掃描（ii）。在開發(fā)步驟（iii）樣品沉浸在一個(gè)適當(dāng)?shù)囊后w，展示了圖案的結(jié)構(gòu)（iv）。因?yàn)樗梢允褂酶鞣N各樣的材料作為光刻膠，DLW漸漸被用于很多不同的實(shí)驗(yàn)室的不同應(yīng)用程序中。（A. Selimis et al, Microelectronic Engineering, 132 (2015), 83-89）。

圖1： 激光直寫流程(DWL)： i） 光束聚焦，ii） 激光書寫，iii） 開發(fā)和iv） 完成結(jié)構(gòu) （A. Selimis et al, Microelectronic Engineering, 132 (2015), 83-89）。

光刻膠材料：液晶光刻膠的設(shè)計(jì)

三維液晶彈性體(LCE)結(jié)構(gòu)是光阻材料，可以在光的照射下變形，并將彈性體聚合物與液晶結(jié)合起來。它們正變得越來越有趣，因?yàn)橥ㄟ^化學(xué)控制它們的分子結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)它們的行為。S. Nocentini等研究了使用不同的液晶混合物制作三維LCE微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)每個(gè)光刻膠的書寫條件進(jìn)行了研究，并研究了自立式結(jié)構(gòu)的可行性。（材料2016,9,525;doi:10.3390）

LCE光刻膠的設(shè)計(jì)需要三種元素:

• 聚芳酯，一種可以顯示液晶性能的化合物;
• 交叉鏈接，它提供了一個(gè)具有彈性力學(xué)響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò);
• 光引發(fā)劑，通過光吸收提供聚合。

通過改變這三種元素的比值，可以得到具有不同化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的LCE光刻膠。例如，聚合反應(yīng)閾值，定義為能夠創(chuàng)建明確高分子線的zui低能量，可以通過改變書寫速度和激光功率來調(diào)整。

通過掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)由兩個(gè)參數(shù)變化引起的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行成像，如圖2所示。雖然書寫速度對(duì)所獲得的結(jié)構(gòu)有一定的影響，但激光功率對(duì)聚合反應(yīng)閾值有很強(qiáng)的影響。

圖2: 左邊的SEM顯微圖和線條放大的圖像，是通過不同的激光功率和書寫速度獲得的。

為了提高結(jié)構(gòu)的剛性，可以調(diào)合光刻膠的書寫參數(shù)，以及光刻膠的成分。這對(duì)于像木柴堆制造三維光子晶體所需要的懸浮線路是極其重要的。

圖3演示了三維結(jié)構(gòu)的SEM顯微圖，光刻膠具有不同構(gòu)成和不同的聚合反應(yīng)閾值(PR- 20，PR-30和PR-40)。不同的光能也顯示出來。使用PR- 20制造的結(jié)構(gòu)更柔和，但也包含少量銳利邊緣，而那些用PR- 40制作的結(jié)構(gòu)更堅(jiān)硬和更垂直。

圖3: 使用不同的光功率和不同光刻膠（a – c）、 特定結(jié)構(gòu)放大圖（d和e）的掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)圖案，并放大圖像。標(biāo)尺為10µm。

利用綠色聚焦激光的輻照?qǐng)A柱結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)光刻膠的光響應(yīng)也進(jìn)行了測(cè)試。用一個(gè)中性密度輪濾光器來改變光的強(qiáng)度，而焦點(diǎn)則覆蓋了整個(gè)圓柱體的表面。從頂部可見的變形，如圖4所示。

圖4:圓柱形結(jié)構(gòu)的SEM圖像，用于研究光刻膠的光響應(yīng)。標(biāo)尺寸為 10µm。

綜上所述，LCE光刻膠的設(shè)計(jì)對(duì)制造結(jié)構(gòu)的質(zhì)量至關(guān)重要。為了獲得剛性和明確定義的三維設(shè)備，還需要對(duì)模式參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

正如在之前的博客中所展示的，SEM是一個(gè)強(qiáng)大的工具，能夠?qū)D案結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，從而對(duì)光刻設(shè)計(jì)和書寫過程的質(zhì)量確定提供有價(jià)值的見解。電子顯微鏡的高空間分辨率對(duì)于成像和確定納米尺寸和結(jié)構(gòu)的大小是*的。