Способ микроструктурирования поверхности прозрачных материалов
METHOD FOR MICROPATTERNING SURFACE OF TRANSPARENT MATERIALS

Изобретение относится к технологиям микроструктурирования материалов, а именно к технологии микроструктурирования поверхности прозрачных материалов путем формирования отверстий, каналов и других структур с помощью воздействия сфокусированным лазерным лучом на границу прозрачного материала и поглощающего вещества, и может быть использовано, например, для изготовления элементов микрооптики, волоконной и интегральной оптики, плазмоники, микрофлюидики.
2
Известен способ микроструктурирования поверхности прозрачных материалов с помощью лазерного излучения [Патент US 6362453 В1]. В известном способе сфокусированный лазерный луч с плотностью энергии лазерного излучения 0,01-100 Дж/см облучает обратную поверхность образца из прозрачного твердого материала, которая находится в контакте с поглощающей лазерное излучение жидкостью. Для осуществления известного способа требуется, чтобы по крайней мере 10% лазерной энергии поглощалось в слое поглощающей жидкости толщиной 0,1 мм. В качестве поглощающей жидкости используются органические красители или такие органические жидкости, как бензин, толуол, тетрахлорметан, а также дисперсные растворы, содержащие органические и неорганические пигменты. Для осуществления известного способа могут применяться излучения таких лазерных источников, как: ArF эксимерный лазер (длина волны 193 нм), KrCl эксимерный лазер (222 нм), KrF эксимерный лазер (248 нм), XeCl эксимерный лазер (308 нм), XeF эксимерный лазер (351 нм), Kr ионный лазер, Ar ионный лазер, лазер на красителях, лазер на парах меди. Также могут быть использованы гармоники излучений твердотельных лазеров на кристаллах YAG и YLF. Наибольшее предпочтение при этом отдается лазерному излучению в ультрафиолетовой области и лазерам с длительностью импульсов в области 10-100 нс. Известный способ позволяет проводить травление и микроструктурирование различных оптически прозрачных твердых материалов, как органических, так и неорганических, при этом для получения гладких поверхностей получены скорости травления 4-10 нм/импульс. К недостаткам способа относится недостаточная скорость травления материала.
2
Известен наиболее близкий к заявляемому способ непрямой импульсной лазерной обработки прозрачных материалов [Патент EP 2076353 А1]. Известный способ заключается в том, что сфокусированное импульсное лазерное излучение воздействует на обратную поверхность образца из прозрачного материала, на которую нанесено поглощающее покрытие, при этом поглощенной в покрытии энергии лазерных импульсов достаточно для полного выкипания материала поглощающего покрытия. Удаление части прозрачного материала в области лазерного воздействия происходит из-за импульсного кипения материала поглощающего покрытия, при котором происходит импульсный нагрев, разрушение и удаление граничащей с поглощающим покрытием части вещества образца прозрачного материала. В известном способе обработка прозрачных материалов происходит при плотности энергии лазерного излучения 0,01-10 Дж/см, длительности импульса 10-100 нс, а поглощающее покрытие наносится на поверхность образца из прозрачного материала путем вакуумного напыления, химического нанесения из газовой фазы, осаждения паров или распыления.
Для осуществления известного способа могут применяться различные лазерные источники: ArF эксимерный лазер (длина волны 193 nm), KrCl эксимерный лазер (222 nm), KrF эксимерный лазер (248 nm), XeCl эксимерный лазер (308 nm), XeF эксимерный лазер (351 nm), различные лазеры на красителях, Kr ионный лазер, Ar ионный лазер и лазер на парах меди. Также могут быть использованы гармоники излучения твердотельных лазеров на кристаллах YAG и YLF. Толщина поглощающего слоя, который может быть выполнен из металла, углерода или полимера, лежит в интервалах 50-150 нм, при этом температура точки кипения материала поглощающего слоя должна быть выше температуры плавления образца из прозрачного материала. В частности, поглощающий слой может быть выполнен из алюминия или серебра.
Известный способ позволяет проводить эффективное микроструктурирование различных оптически прозрачных твердых материалов. как органических, так и неорганических со скоростями удаления части прозрачного материала в области лазерного воздействия 15-600 нм/импульс. К недостаткам способа относится то, что глубина травления прозрачных материалов ограничена 5-20 мкм, поскольку при длительном лазерном воздействии в одну область поглощающее покрытие в этом месте из-за испарения и выбросов полностью удаляется и процесс травления прекращается.
Задача изобретения состоит в увеличении глубины лазерного травления.
2
Поставленная задача решается способом микроструктурирования поверхности прозрачных материалов, при котором сфокусированное импульсное лазерное излучение видимой области спектра с длительностью импульсов 1-50 нс при плотности энергии 5-500 Дж/см воздействует на обратную поверхность образца из прозрачного материала, находящегося в контакте с поглощающей лазерное излучение жидкостью, в качестве которой используются прекурсоры благородных металлов, а формирование необходимой конфигурации отверстий и каналов на поверхности и в объеме образца из прозрачного материала происходит при его перемещении в пространстве по заданной траектории.
Заявленный способ основан на том, что под воздействием лазерного излучения высокой интенсивности происходит фотохимическое разложение прекурсора благородного металла и формируются наночастицы и агрегаты металла (Kreibig M., Volmer U. Optical Properties of Metal Clusters. Springer, 1995). Например, для прекурсора серебра - нитрата серебра, такое фотохимическое разложение происходит по схеме:
3
2
2
2AgNO→2Ag+2NO+O
В результате в области импульсного лазерного воздействия в жидкости формируются атомы серебра, которые постепенно объединяются в наночастицы и кластеры, формирующие поглощающую область вблизи поверхности прозрачного материала. Поглощение лазерного излучения в тонком слое на границе прозрачного материала значительно увеличивается, что приводит к увеличению температуры этого слоя и усилению термолиза - термического разложения прекурсора благородного металла. Через некоторое время из-за большой плотности наночастиц и кластеров лазерное излучение практически полностью в этом тонком слое поглощается, еще больше разогревая его. В результате импульсного термического нагрева приповерхностной зоны прозрачного материала до высоких температур, сопровождающегося известными гидродинамическими процессами, происходит постепенное послойное удаление вещества прозрачного материала (K. Zimmer, М. Ehrhardt, R. Böhme, Laser-Induced Backside Wet Etching: Processes, Results, and Applications. in: G. Yang Laser Ablation in Liquids: Principles and Applications in the Preparation of Nanomaterials (Pan Stanford Publishing, Singapore, 2012).
Способ осуществляется следующим образом.
С помощью оптических систем импульсное лазерное излучение фокусируют на обратную поверхность образца из прозрачного материала, установленного на 3D-подвижке, находящейся в контакте с поглощающей лазерное излучение жидкостью, в качестве которой используются прекурсоры благородных металлов. Далее производится необходимое лазерное воздействие, при котором образец прозрачного материала смещается по установленной траектории таким образом, чтобы на поверхности и внутри объема образца из прозрачного материала сформировались отверстия или каналы необходимой конфигурации.
В отличие от прототипа, в котором удаление материала образца происходит за счет импульсного нагрева пленки, нанесенной на поверхность образца прозрачного материала, в предложенном способе тонкая область поглощения у поверхности образца прозрачного материала формируется постоянно под действием лазерных импульсов из-за разложения прекурсора и формирования наночастиц и кластеров металлов, что и приводит к увеличению глубины лазерного травления по сравнению с прототипом.
Требуемые характеристики при осуществлении способа, а именно конкретный вид прекурсора благородного металла, его концентрация, а также параметры лазерного излучения: длина волны, энергия импульсов, плотность энергии, длительность и частота следования импульсов, параметры фокусировки, параметры 3D-подвижки (точность позиционирования и скорость перемещения) выбирают стандартным образом в зависимости от вещества прозрачного материала и необходимых геометрических параметров создаваемых структур.
2
Эффективное микроструктурирование прозрачных материалов происходит при плотности энергии лазерного излучения 5-500 Дж/см, длительности импульса 1-50 нс, а в качестве прекурсора благородного металла выбираются, например, прекурсоры золота, меди или серебра, в частности, прекурсор серебра - нитрат серебра.
В качестве лазерных источников могут использоваться, например, лазеры на парах меди, а также дешевые и коммерчески доступные твердотельные лазеры с диодной накачкой, вторая гармоника излучения которых перекрывается с пиком плазмонного поглощения наночастиц и кластеров благородных металлов. Наночастицы благородных металлов характеризуются резонансным плазменным поглощением в области ~400-600 нм, при этом по мере роста наночастиц пик плазмонного поглощения сдвигается в длинноволновую область (Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer, 2007). При попадании длины волны импульсного лазерного излучения в полосу плазмонного поглощения образующихся наночастиц и кластеров эффективность микроструктурирования прозрачного материала возрастет.
3
2
Авторами проведено испытание способа лазерно-плазмонного микроструктурирования прозрачных материалов. В качестве импульсного лазерного излучения использовалась вторая гармоника твердотельного лазера с диодной накачкой ТЕСН-527 Basic (Лазер-компакт, Россия) с длиной волны 527 нм и длительностью лазерного импульса ~5 нс. В качестве образцов прозрачного материала использовались стандартные предметные микроскопические стекла из силикатного стекла, которые устанавливались на месте передней стенки разборной кюветы, заполняемой прекурсором благородного металла. В качестве прекурсора использовался 5-мольный водный раствор AgNO. Кювету с образцом помещали на трехкоординатную подвижку 8МТ167-100 (Standa) с точностью позиционирования не хуже 0,5 мкм. Для фокусировки лазерного излучения на заднюю поверхность образца использовали 10х объектив LMH-10X-532 (Thorlabs) с NA=0,25. Контроль фокусировки лазерного излучения на границу прозрачного материала и прекурсора благородного металла осуществлялся посредством USB 2.0 камеры EXCCD (ToupTek). Измеренный диаметр лазерного пучка в области фокусировки составил 4,5±0,4 мкм. Контроль полученных на поверхности образца микроструктур проводился с помощью оптического 3D- микроскопа HRM-300 (Huvitz, Korea). Плотность энергии лазерного излучения изменяли в диапазоне 5-500 Дж/см.
2
На фиг. 1 показано 3D изображение кратера, полученного на поверхности силикатного стекла при воздействии лазерными импульсами в течение 25 с при плотности энергии 300 Дж/см.
Как видно из фиг. 1, поверхность кратера, полученного на поверхности силикатного стекла, достаточно гладкая, а его глубина составляет ~130 мкм, что значительно превышает максимальные глубины, получаемые с использованием аналога. Проведенные авторами эксперименты показали, что предложенным способом легко получать различные по глубине структуры, изменяя скорость перемещения образца из прозрачного материала вдоль его поверхности.
Таким образом, предложенный способ позволяет получить заявляемый технический результат, состоящий в увеличении глубины лазерного травления поверхности прозрачного материала.