최근 QIU Min의 미래 산업 연구 센터와 Westlake University의 엔지니어링 스쿨은 고출력 레이저 처리에서 열 드리프트 문제를 효과적으로 줄일 수있는 새로운 유형의 실리콘 카바이드 광자 장치를 성공적으로 개발했습니다. 이 팀은 반도체 기술을 사용하여 대규모 사례, 고정밀 4H-Sic 슈퍼 렌즈를 준비하고 고성능 상업용 목표 렌즈에 대해 벤치마킹하고 회절 제한 초점을 달성했습니다. 장기 고전력 레이저 조사 후, 장치 성능은 안정적으로 유지되며 열 흡수에 의해 거의 영향을받지 않습니다. 이 성과는 고출력 레이저 시스템의 주요 획기적인 획기적인 것을 나타내며 응용 프로그램 및 효율성 개선을 위해 새로운 지평을 열어줍니다. 관련 연구 결과는 "4H -Sic Metalens : 고출력 레이저 조사에서 열 드리프트 효과를 완화"라는 제목으로 International Journal Advanced Materials에 발표되었습니다.
연구 배경
레이저 처리에서 정확한 빔 포커싱이 중요합니다. 그러나 전통적인 대물 렌즈 재료의 열전도율이 낮기 때문에 고전력 레이저 조사 하에서 적시에 효과적인 방식으로 열을 소산하기가 어렵 기 때문에 열 응력으로 인해 렌즈의 변형 또는 용융을 초래하여 초점 드리프트를 유발합니다. 광학 성능의 저하, 심지어 돌이킬 수없는 손상. 이 열 드리프트 문제는 처리 정확도에 영향을 줄뿐만 아니라 생산 효율성 및 장비 신뢰성을 제한합니다. 냉각 장치를 사용하여 열 소산 문제를 완화 할 수 있지만 시스템의 부피, 무게 및 비용을 증가시키고 장치의 통합 및 적용 가능성을 줄입니다. 따라서, 높은 광학 성능과 소형 크기를 유지하면서 고출력 레이저 처리에서 열 드리프트를 억제 할 수있는 새로운 유형의 광학 장치가 절실히 필요합니다.
3 세대 반도체 재료로서, 실리콘 카바이드 (SIC)는 넓은 밴드 갭, 높은 열전도율, 근적외선 밴드의 가시 손실 및 우수한 기계적 경도와 같은 우수한 특성을 갖는다. 고출력 전자 장치, 고온 및 고주파 장치, 광전자 및 광학에서 큰 잠재력을 보여줍니다. Qiu Min의 연구 그룹은 마이크로-나노 처리 기술 분야에서 20 년 이상의 경험을 쌓은 4H-SIC 재료의 대량 생산과 호환되는 대규모 지역의 고지대 비율 나노 구조 처리 기술을 개발했습니다. 이 프로세스의 광범위한 처리 기능을 기반으로 한 팀은 고성능 상업용 대물 렌즈의 광학 지표를 참조하여 대규모 사과물 4H-Sic 슈퍼 렌을 설계했습니다. 결국, 연구팀은 가혹한 조건에서 안정적이고 내구성이 뛰어날 수있는 고성능 슈퍼 렌스 장치를 성공적으로 달성하여 고출력 레이저 처리에서 전송 초점 장치에 대한 산업의 엄격한 요구 사항을 충족하고 관련 산업의 개발을 촉진했습니다.
연구 하이라이트
이 연구에서 Qiu Min의 연구 그룹은 상업적인 대물 렌즈와 비슷한 광학 성능을 달성하고 고출력 레이저 조사 하에서 열 드리프트 효과를 성공적으로 감소시키는 균질 한 4H-sic 슈퍼 렌을 설계하고 준비했습니다 (그림 1). . 선택된 4H-SIC 재료는 높은 굴절률의 장점, 근적외선 스펙트럼 범위에 가시가있는 낮은 손실, 우수한 기계적 경도, 화학적 저항 및 높은 열전도율을 갖는다. 광학 테스트 결과는 4H-SIC 슈퍼 렌즈가 상업적 대물 렌즈와 비교할 수있는 광학 성능을 가지고 있음을 보여줍니다. 고전력 레이저 조사 테스트에서 가혹한 작업 조건 하에서 장기 연속 처리가 시뮬레이션되었고 4H-SIC Superlens는 안정적인 성능을 보여 주면서 복잡한 냉각 시스템에 대한 의존성을 제거하여 SIC 광자에 대한 새로운 응용 프로그램 전망을 열었습니다. .
이 4H-Sic Superlens는 고성능 상업용 목표 렌즈 (Mitutoyo 378-822-5)에 대해 벤치마킹되어 0의 설계 대상이 있습니다. 4H-sic 슈퍼 렌즈의 조리개 폭은 1.15cm이며, 이는 고출력 레이저에 의해 일반적으로 생성되는 빔 크기를 초과하며 광범위한 적응성을 갖는다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 설계 및 준비의 균형을 잡기 위해, 장치는 동적 인 나노 필라를 H=1 µm의 높이와 함께 슈퍼 셀 (그림 2a에 표시된 것처럼)으로 사용하여 잘린 도파관 형태로 동적 단계를 제공합니다. 인접한 슈퍼 셀 사이의주기는 p=0. 6 µm이며, 이는 회절 제한 초점을 달성 할 수 있습니다. 4H-SIC의 복굴절은 X- 및 Y- 편광 사고 사이에 약간의 위상 차이를 유발하기 때문에 연구팀은 품질 요소를 최소화하여 각 수퍼 셀을 최적화했습니다. 마지막으로, 8 가지 크기의 슈퍼 셀이 얻어지고 (그림 2b-d), 선택된 각 슈퍼 셀은 1의 파장에서 해당 목표 위상 변조를 달성하는 동시에 0.85보다 크고 둔감 한 투과율이 높습니다. 편광에.
4H-SIC 수퍼 렌의 제조는 전자 빔 리소그래피, 물리 증기 증착 및 유도 결합 플라즈마 에칭과 같은 일련의 반도체 처리 기술을 채택합니다. 완전히 채워진 높은 종횡비 나노 필라는 1.15 × 1.15 cm²의 기판 표면에서 처리되었다. 도 3A-E에 도시 된 바와 같이, 구조주기는 6 0 0 nm이고, 충전 계수는 0.3 내지 0.78이고, 구조 높이는 스캔 전자 현미경 및 원자력 현미경에 의해 측정 된 1.009 µm이다. 샘플 특성화 결과는 처리 기술의 우수성을 증명합니다. 이 대규모 지역, 고정밀, 고지대 비율 초과 수면 준비 방법은 대량 생산을 달성하기 위해 유사한 장치에 적용될 수 있습니다.
4H-SIC 슈퍼 렌즈의 광학 성능은 자체 제작 전송 현미경 이미징 시스템을 사용하여 테스트되었습니다 (그림 3F와 같이). 이 시스템은 파장이 4H-Sic 슈퍼 렌에 1 0 30 nm 인 평행 레이저를 수직으로 안내하고 동축 현미경 시스템을 통해 CCD 이미징을 실현합니다. 초점 평면에서 ± 35 µm 범위 내에서 계단 스캔 테스트를 수행하고, 초점 평면 및 초점 필드의 이미징이 얻어졌다 (도 3G-H에 도시 된 바와 같이). 데이터 분석에 따르면 1cm의 초점 길이의 초점 필드는 평활 가우스 분포를 나타냅니다. 초점 평면 테스트에서의 광 강도 분포는 우수한 포커싱 성능을 보여 주었고 (그림 3i-J), 초점의 반 높이의 전체 너비는 2.9 µm였습니다. 시험 결과에 따르면, 4H-SIC 슈퍼 렌의 초점 효율은 96.31%로 계산된다. 4H-SIC 슈퍼 렌의 입사 및 출구 표면은 광학 전력계를 사용하여 측정되었고, 장치의 투과율은 0.71로 측정되었다. 이러한 광학 테스트 결과를 기반으로, 4H-SIC 슈퍼 렌즈는 상업적 대물 렌즈와 비슷한 광학 지표를 나타내며 레이저 처리 시스템에서 동일한 처리 기능을 달성 할 수 있습니다.
레이저 처리에서 가혹한 고출력 연속 처리 조건을 시뮬레이션하기 위해, 열 드리프트 테스트에서 광학 테스트와 동일한 광학 경로를 사용했지만 광원은 15 W 1 0 30 nm으로 대체되었습니다. 원자 램프. 장치 온도, 초점 평면 및 4H-SIC 슈퍼 렌 및 상업용 대물 렌즈의 절단 효과의 변화를 1 시간의 연속 작동에 대해 테스트 하였다. 적외선 열 이미 저에 의해 측정 된 장치 표면 온도의 변화는도 4A-B에 도시되어있다. 60 분의 고출력 레이저 조사 후, 4H-SIC 슈퍼 렌의 장치 온도는 3.2도 증가했으며 온도 변화는 대물 렌즈의 6%에 불과했다 (온도 54.0도). 기존의 대물 렌즈와 비교할 때, 4H-sic 슈퍼 렌은 추가 냉각 성분없이 약 10 분 동안 실행 한 후 안정적인 온도에 도달 할 수 있으며 온도 변화는 작고 작동 온도가 낮습니다. 이 우수한 열 관리 성능은 가혹한 작업 조건에서 4H-Sic 슈퍼 렌의 효과를 보여줍니다.
장치의 광학 성능의 변화를 반영하기 위해 CCD를 사용하여 1 시간 이내에 장치의 초점 평면 오프셋을 기록했습니다 (그림 4C-D와 같이). 테스트 결과는 4H-SIC 슈퍼 렌스의 초점이 명백한 오프셋이 없으며, 상용 목표 렌즈의 초점은 30 분 후에 명백한 오프셋을 가지고 있으며, 마지막으로 과도한 오프셋으로 인해 CCD를 이미 모방 할 수 없습니다. 초점의 반 높이의 전체 너비 및 중앙 좌표는 이미지 처리에 의해 얻어지며, 초점 좌표는 초기 위치와 비교하여 평면 내 변위 데이터를 얻습니다. 1 시간의 연속 고출력 레이저 조사 후, Z 축 플랫폼은 초점 평면의 변위 거리로 다시 이동하여 광축을 따라 장치의 오프셋을 얻습니다. 상업용 대물 렌즈의 초점 평면 오프셋은 213 µm이며, 4H-sic 슈퍼 렌의 초점 평면 오프셋은 13 µm에 불과하며, 이는 연속적인 고전력 레이저 조사 동안 우수한 광학 안정성과 일관성을 갖는다는 것을 나타냅니다.
레이저 절단 실험은 동일한 광학 경로를 사용하여 실제 레이저 절단 공정 동안 가공 효과에 대한 열 드리프트의 영향을 비교하기 위해 수행되었다. 실험은 절단 재료로 처리하기가 매우 어려운 4H-Sic 웨이퍼를 선택했습니다. 절단 광 경로를 단계 스캐닝 테스트에 의해 교정 하였다. 교정 후, 절단을 10 분마다 X 방향을 따라 수행하고, 1 시간 내에 절단 효과의 변화를 기록 하였다. 절단 웨이퍼의 단면의 절단 형태는 광학 현미경 (도 4E-F에 도시 된 바와 같이)에 의해 특징 지어졌다. 결과는 4H-SIC 슈퍼 렌의 레이저 절단 성능이 60 분의 작동 후에 안정적으로 유지되었으며, 상업용 대물 렌즈의 초점은 30 분 후 기판 내부로 크게 이동 함을 보여 주었다. 데이터 분석에 따르면 1 시간의 작동 후 4H-Sic 슈퍼 렌의 절단 깊이의 변화는 상업용 대물 렌즈의 11.4%에 불과한 것으로 나타났습니다. 실험 결과는 초점 평면 오프셋의 테스트를 검증하고 실제 산업 응용 분야에서 4H-SIC 슈퍼 렌의 우수한 장치 안정성을 반영했습니다.
요약 및 전망
이 연구는 고전력 레이저 처리에서 열 드리프트 문제를 완화시킬 수있는 4H-sic 슈퍼 렌즈를 제안했습니다. 실험 결과에 따르면 4H-SIC 슈퍼 렌즈는 우수한 열전도율로 인해 우수한 열 안정성과 광학 성능을 달성 함을 보여줍니다. Superlens는 고성능 상업용 목표 렌즈의 광학 지표를 벤치마킹하고 Nanocolumn Supercells를 기반으로 편광에 둔감 한 효율적인 초점을 달성합니다. 대규모 사과물 4H-Sic 슈퍼 렌즈의 준비 문제는 대량 생산과 호환되는 반도체 처리 기술을 통해 성공적으로 해결되었습니다. 실험에 따르면 Superlens는 설계된 초점 길이에서 회절 제한 초점을 달성하고 연속적인 고전력 레이저 조사 하에서 우수한 안정성을 나타내며, 매우 작은 초점 이동으로 상업적인 대물 렌즈보다 훨씬 우수합니다. 레이저 절단 응용 분야 에서이 슈퍼 렌을 사용하는 절단 형태는 거의 변하지 않습니다. 이 결과는 전통적인 대물 렌즈와 비교하여 4H-Sic 슈퍼 렌의 우수한 성능을 강조하며, 일반적으로 유사한 수준의 안정성을 달성하기 위해 복잡한 냉각 시스템이 필요합니다. 추가 연구 및 최적화로 4H-SIC Superlens는 고전력 레이저 시스템에서 널리 사용될 것으로 예상되며 관련 분야의 개발을 촉진 할 것으로 예상됩니다. 컴팩트 한 디자인과 우수한 광학 및 열 성능을 통해이 새로운 세대의 메타 수면 장치는 증강 현실, 항공 우주 및 레이저 처리와 같은 분야에 적용하여 현재 산업의 주요 열 관리 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.
Zhejiang University와 West Lake University의 공동 박사 과정 학생 인 Chen Boyu와 Sun Xiaoyu는 공동 우선 저자이며 West Lake University의 Qiu Min 교수 인 Ji Hua Laboratory의 팬 메이 얀 (Pan Meiyan), Mude Micro-kaikai 박사의 연구원 팬 메이 얀 (Pan Meiyan) 교수입니다. West Lake University Optoelectronics Institute의 Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd. 및 연구원 자오 딩 (Zhao Ding) 은이 논문의 공동 대응 저자입니다. 이 연구는 중국 국립 자연 과학 재단과 광동 주 기본 및 응용 기본 연구 기금에 의해 지원되었으며, 미래의 산업 연구 센터와 웨스트 레이크 대학교의 고급 마이크로-나노 처리 및 테스트 플랫폼에서도 강력하게 지원되었습니다.
