作者

王金石、房丰洲、安豪杰、吴珊、戚慧敏、蔡越轩、郭冠宇

单位

天津大学

Citation

Wang J S, Fang F Z, An H J, Wu S, Qi H M, Cai Y X, Guo G Y. 2023. Laser machining fundamentals: micro, nano, atomic and close-to-atomic scales. Int. J. Extrem. Manuf.5012005.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/acb134

撰稿 | 文章作者

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文章导读

光学、生物、微电子及信息等领域核心器件与传感器的特征尺寸已经从微米量级减小到纳米量级，而基于量子理论工作的下一代元器件要求加工的精度、特征尺寸、材料完整性达到原子及近原子尺度，制造技术正在面临从基于机器精度的可控制造向以原子及近原子尺度制造（ACSM）为核心使能技术的制造新范式（即制造III）的演变。激光加工作为微纳制造的重要技术之一，具有高精度、高效率、材料普适性强等优势，加工过程覆盖了宏、微、纳观多尺度，且具备在原子层量级去除材料的潜力。研究人员系统分析了基于非线性光化学效应的超快激光三维加工以及激光诱导形成的表面结构，阐述了直接获得高精度、高表面质量的微纳结构仍然存在挑战。这些问题决定了自上而下方式的激光加工能否应用于ACSM这一未来制造领域的重要技术，研究人员需要从机理层面出发寻找新方法、新工艺。近期，天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的王金石、房丰洲等人在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）期刊发表了《微米、纳米、原子及近原子尺度激光加工机理》的综述，系统介绍了小尺度下激光加工的研究背景、最新进展及未来展望。如图1所示，文章首先阐述了典型材料在不同尺度下（特别是纳米及原子尺度）的光致去除机理，进而讨论了电子激发、材料缺陷与激光参数等因素的影响以及三类常用的理论模拟方法，列举了纳米与原子尺度结构的实际加工案例，并面向ACSM对激光加工进行展望。

激光加工；机理；原子及近原子尺度制造；ACSM；制造III

亮点

系统分析了小尺度下的激光加工机理。

探讨了光致脱附具备单原子层去除极限的可能性。

分析了原子尺度激光加工有望实现极高的表面完整性。

强调了减小波长与化学辅助手段的优势。

阐述了激光加工是具有潜力的原子及近原子尺度制造技术。

图1 材料去除机理、影响因素、理论研究方法与应用

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研究背景

20世纪60年代以来，激光已经成为科学研究与工程应用的重要工具。1983年微透镜阵列的实现证明了激光能够作为微纳加工的有效方法，超短脉冲技术的发展进一步提高了光与物质相互作用的空间分辨力，通过多光子吸收、光致聚合等效应使得激光加工具有超衍射极限与三维复杂结构制造的独特优势，在金属、半导体材料上诱导的微纳结构也受到了广泛关注。目前，激光能够在微纳米尺度进行增减材加工以及物化性能调控，实现光学、光电子、生物医学等领域关键元器件及各种功能表面的制造。另一方面，通过光聚合与化学腐蚀虽然能够获得理想的表面质量，但对可加工材料造成了限制，尤其当使用激光直接去除脆性晶体时容易造成表面损伤。即使飞秒激光被认为是冷加工手段，在纳米尺度下其热效应仍然会体现出来，而低粗糙度、低损乃至无损表面的需求正在日益增加。具有亚纳米级特征尺寸的量子器件已经处于实验室阶段，意味着原子与近原子尺度制造的时代即将到来。激光直接辐照能够在原子层量级去除材料而不破坏亚表面晶格，一些辅助手段通过削弱表层原子键强度使得加工过程具有选择性与自限性进而提高了可控度，有望发展成为ACSM的主要技术之一。随着加工精度与表面完整性趋近材料极限，基于热等离子体激光烧蚀的加工模型难以适用，需要从光与材料相互作用这一基本问题入手寻找方案，尤其是以非热形式实现材料去除的微观过程。图2表明不同尺度下激光去除材料的典型方式。

图2 激光辐照下材料在不同尺度的去除过程示意，包括热烧蚀（微米级）、库仑爆炸（纳米级）、原子脱附与发射（原子级）

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最新进展

本文详细探讨了微米、纳米、原子及近原子尺度激光加工机理，主要包括：纳米与原子尺度下的材料非热去除机理、原子层辅助加工方法、减小波长的优势以及原子尺度结构加工案例。

纳米与原子尺度下的材料非热去除机理

激光加工时光子首先被电子吸收，如果在电子向晶格传热并导致晶格温升之前表层材料脱离基底即发生非热去除；若在此之后晶格不出现剧烈的相变、冲击波等过程，就能够在材料去除的同时获得较高的加工表面完整性。库仑爆炸是低辐照条件下纳米尺度非热去除的一种重要机制，材料表面被电离后暂时带正电，由于晶格原子间距仅为埃米量级，表层粒子或团簇在强库仑斥力下被发射，其速度大、沿表面法向附近分布且动量与电荷态正相关，这些特征与烧蚀去除等离子体羽辉中粒子的低速、电中性及大角度分布截然不同。

原子层去除机理是建立在量子理论基础之上，且与材料种类、表面晶向与重构、缺陷等微观状态相关。超高真空环境下的激光辐照配合扫描隧道显微镜、动能分布表征等实验表明，原子倾向于从特定晶格点位或缺陷附近出射，以此作为“种子点”在原子层内扩展，且在第一层原子被完全去除之前下层原子有维持理想晶格结构的能力（图3）。对于二维材料，随着原子层去除数目逐渐减小，体系维度发生变化并导致阈值能量密度增加，呈现出“原子尺度的尺寸效应”。

图3 激光辐照表面扫描隧道显微镜表征（a）Si(111)-7×7表面，辐照参数：波长500 nm、脉宽28 ns、能量密度300 mJ/cm2；（b）Si(100)-2×1表面，辐照参数：波长532 nm、脉宽7 ns、能量密度150 mJ/cm2。（a）经许可使用，版权所有（1996）Elsevier；（b）经许可使用，版权所有（1996）American Physical Society。

原子层辅助加工方法

如果能够减弱表层原子与其下方原子的键合强度，就有可能通过控制激光参数仅切断被弱化的原子键，从而去除单个原子层而不破坏加工表面及亚表面晶格。通过在表面吸附高电负性粒子（如卤素分子）便能够实现上述效果，这种辅助加工方法具有材料选择性或自限性，即只有那些表面吸附与激光辐照同时存在的区域才会发生原子层去除，极大程度地提高了过程的可控性，在氯吸附的砷化镓以及氧吸附的金刚石体系中得到了验证。还可以采用该方法先制备分散的空位缺陷，然后通过常规激光辐照扩大缺陷范围，完成整个原子层的去除（图4a）。另一种方法则是通过互扩散将杂质原子掺入表层，使得扩散层的阈值能量密度低于基底，在合适的辐照强度下仅将扩散层去除而不损伤加工表面（图4b）。

图4 原子层辅助加工方法（a）GaAs(110)表面的原子层去除：第一步通过Br吸附辅助加工（CALID）获得岛状分布空位，这些缺陷作为种子点在第二步激光辐照（LID）中扩大至整个原子层；（b）通过In原子与GaAs表层内的Ga原子互扩散降低去除阈值。（a）经许可使用，版权所有（1998）American Physical Society；（b）经许可使用，版权所有（2018）IOP Publishing Ltd.。

减小波长的优势

当材料带隙大于单光子能量时，需要通过多光子强场吸收进行电子激发。这一方面是飞秒激光加工获得高空间分辨力的基础，另一方面也带来了纳米及原子尺度晶格热损伤的隐患。采用短波长高光子能量便能够在促进电子激发的同时降低辐照剂量，以库仑爆炸、原子层脱附等非热方式提高加工表面质量。超过带隙与电子亲和能之和的高能光子可避免电子向缺陷能级弛豫过程中的声子发射，获得热变形小、侧壁陡峭、表面平坦的微纳结构。作为短波长的典型代表之一，极紫外（EUV）波段光子能量可切断几乎所有化学键并引起强电离、强吸收，去除阈值降低可达到2个数量级。在热烧蚀过程中，光斑中心位置的能量沉积与材料去除深度会由于表面上方等离子体羽辉的吸收作用而降低；而EUV光子的强电离效应能够穿透羽辉，维持辐照表面的电子激发与材料去除。EUV激光已能够在介电晶体与有机物表面加工出高质量纳米结构。

原子尺度结构加工案例

图5a所示为采用基于互扩散掺杂的原子层辅助加工方法获得的GaAs亚纳米深度沟槽，结合干涉曝光能够更高效地实现周期性“纳米岛状”结构，以此为模板可提高量子点分布的有序性。对于二维材料，通过四波混频技术能够在线监测石墨碳层随激光扫描次数的递减过程（图5b）；利用聚焦脉冲激光直写获得了仅为原子层厚度的超透镜（图5c）、全息图等超薄光学器件，在宽波段实现超衍射极限聚焦等优异性能；以激光减材方式加工的单层MoS2场效应管（图5d）具有与原始单层形态材料可比拟的电学特性。

图5 原子尺度结构激光加工举例（a）GaAs激光加工表面与所生长的量子点；（b）石墨碳层减薄过程，数字代表初始层数；（c）MoS2原子级平面透镜；（d）基于单层MoS2的纳结构与场效应管。（a）经许可使用，版权所有（2018）IOP Publishing Ltd.；（b）经许可使用，版权所有（2015）Royal Society of Chemistry；（c）经许可使用，版权所有（2021）Springer Nature；（d）经许可使用，版权所有（2012）American Chemical Society。

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未来展望

作为具有潜力的ACSM技术，激光加工的精度与结构尺寸由微纳米向原子尺度发展过程中存在若干关键问题有待突破，如材料能带结构、缺陷、声子激发等因素对原子层去除的影响机理仍需要明确，解决这些基础问题便可以阐明哪些激光参数（波长、脉宽、功率等）对原子尺度加工起主导作用，从而实现确定性调控；已有研究已经体现了选择性、自限性机制在提高过程可控性方面的重要作用，借助吸附、掺杂、引入缺陷等多种方式，有望实现可用于实际生产的原子层高效加工新方法；同时，需要深化现有激光加工技术（包括短波长光源、光束整形与光场调控、核心光学元件设计与制造、多尺度数值模拟等）的研究，使其能够在更多种类材料上获得精度、结构尺寸与表面完整性的提升。

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作者简介

王金石副研究员

王金石，天津大学副研究员，从事激光加工、原子及近原子尺度制造、超精密加工方向研究。参与国家973计划、国家自然科学基金重大研究计划及重点项目、国防科工局科学挑战计划专题项目等。发表学术论文20余篇，授权发明专利4项。担任International Journal of Extreme Manufacturing期刊客座编辑、Nanomanufacturing and Metrology期刊青年编委、国际生产工程研究院（CIRP）青年会员（Research Affiliate）、国际工程技术促进会（AET）会员、国际纳米制造学会（ISNM）会员、中国机械工程学会生产工程分会委员。

房丰洲教授

房丰洲，天津大学教授，长期从事微纳加工、精密制造、超精密制造、光学自由曲面制造与检测的基础理论研究与应用开发。作为项目负责人承担国家973计划、863计划、重点研发计划、国家自然科学基金及企业合作等科研项目，历年名列Elsevier “工业与制造工程”领域中国高被引学者榜单。国际纳米制造学会（ISNM）首任主席及Nanomanufacturing and Metrology期刊主编，先后被评选为AET、ISNM、SME、CIRP等制造领域国际主要学术机构会士。提出制造发展的三个范式，并阐明原子及近原子尺度制造（ACSM）是“制造III”的核心使能技术。