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光子設備被廣泛應用于自然科學中，用于制造，操作和探測光。在未來，制造先進的光子設備將是一種挑戰，并需要靈活性和可調諧性。因為它們需要先進的三維光刻技術， 制造這些設備并非易事。激光直寫技術（DLW）是一種有趣的方式，它的目標是運用液態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人造橡膠光學可調諧光子設備的光刻膠是如何進行特殊設計和測試的，以及如何用掃描電子顯微鏡(SEM)來幫助設計改進過程。

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，它能使結構的制作到 100 納米。一種超快的激光聚焦在一種透明材料的體積內，稱為光刻膠，它可以吸收兩個或多個光子，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（i），然后根據預先定義的設計掃描（ii）。在開發步驟（iii）樣品沉浸在一個適當的液體，展示了圖案的結構（iv）。因為它可以使用各種各樣的材料作為光刻膠，DLW漸漸被用于很多不同的實驗室的不同應用程序中。（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） 開發和iv） 完成結構 （A. Selimis et al, Microelectronic Engineering, 132 (2015), 83-89）。

光刻膠材料：液晶光刻膠的設計

三維液晶彈性體(LCE)結構是光阻材料，可以在光的照射下變形，并將彈性體聚合物與液晶結合起來。它們正變得越來越有趣，因為通過化學控制它們的分子結構，可以調節它們的行為。S. Nocentini等研究了使用不同的液晶混合物制作三維LCE微觀結構。對每個光刻膠的書寫條件進行了研究，并研究了自立式結構的可行性。（材料2016,9,525;doi:10.3390）

LCE光刻膠的設計需要三種元素:

• 聚芳酯，一種可以顯示液晶性能的化合物;
• 交叉鏈接，它提供了一個具有彈性力學響應的網絡;
• 光引發劑，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性質和物理性質的LCE光刻膠。例如，聚合反應閾值，定義為能夠創建明確高分子線的zui低能量，可以通過改變書寫速度和激光功率來調整。

通過掃描電子顯微鏡(SEM)對由兩個參數變化引起的結構變化進行成像，如圖2所示。雖然書寫速度對所獲得的結構有一定的影響，但激光功率對聚合反應閾值有很強的影響。

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。

為了提高結構的剛性，可以調合光刻膠的書寫參數，以及光刻膠的成分。這對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演示了三維結構的SEM顯微圖，光刻膠具有不同構成和不同的聚合反應閾值(PR- 20，PR-30和PR-40)。不同的光能也顯示出來。使用PR- 20制造的結構更柔和，但也包含少量銳利邊緣，而那些用PR- 40制作的結構更堅硬和更垂直。

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

利用綠色聚焦激光的輻照圓柱結構對設計光刻膠的光響應也進行了測試。用一個中性密度輪濾光器來改變光的強度，而焦點則覆蓋了整個圓柱體的表面。從頂部可見的變形，如圖4所示。

圖4:圓柱形結構的SEM圖像，用于研究光刻膠的光響應。標尺寸為 10µm。

綜上所述，LCE光刻膠的設計對制造結構的質量至關重要。為了獲得剛性和明確定義的三維設備，還需要對模式參數進行微調。

正如在之前的博客中所展示的，SEM是一個強大的工具，能夠對圖案結構進行成像，從而對光刻設計和書寫過程的質量確定提供有價值的見解。電子顯微鏡的高空間分辨率對于成像和確定納米尺寸和結構的大小是*的。