一种完整的 fs-激光消融工艺路线，用于制造微型单晶 PMN-PT 压电致动器

《Sensors and Actuators A: Physical》：A complete fs-laser-ablation route to miniaturized single-crystal PMN-PT piezoelectric actuators

　　梅诺蒂·马尔科维奇（Menotti Markovic）、卢西亚·奥伯恩多夫（Lucia Oberndorfer）、托比亚斯·M·克里格（Tobias M. Krieger）、叶夫根尼·布里塔夫斯基（Ievgen Brytavskyi）、芭芭拉·莱纳（Barbara Lehner）、朱莉娅·弗伦德（Julia Freund）、维什努·普拉卡什·卡鲁纳卡兰（Vishnu Prakash Karunakaran）、马蒂亚斯·多姆克（Matthias Domke）、多里安·冈洛夫（Dorian Gangloff）、克里斯蒂安·希姆普夫（Christian Schimpf）、彼得·米勒（Peter Michler）、西蒙妮·卢卡·波特拉鲁皮（Simone Luca Portalupi）、迈克尔·切尔特（Michael Jetter）、里纳尔多·特罗塔（Rinaldo Trotta）、哈维尔·马丁-桑切斯（Javier Martín-Sánchez）、阿曼多·拉斯特利（Armando Rastelli）、法迪·多纳尔（Fadi Dohnal）、桑德拉·斯特罗伊（Sandra Stroj）
奥地利福拉尔贝格应用科技大学微技术研究中心（Research Center for Microtechnology, Vorarlberg University of Applied Sciences），地址：Hochschulstra?e 1, A-6850 Dornbirn

摘要：
本文提出了一种新型的微型压电执行器制造方法，该方法完全依赖于基于飞秒（fs）激光烧蚀的工艺。先前的研究已经证明，飞秒激光特别适用于基于PMN-PT材料的压电执行器制造，这种执行器对于量子点（QDs）的多轴应变调控至关重要，例如用于生成高度纠缠的光子对。在此基础上，本文通过引入局部减薄策略进一步提升了执行器的性能和功能。这种方法使得制造出更小的设备成为可能，从而降低了工作电压，同时实现了在单个芯片上集成多个量子光源的能力。文章详细描述了整个制造过程，该过程完全基于飞秒激光加工步骤，从基板减薄到金属层结构化以及最终器件成型。特别关注的是最终切割工艺，使用第三代谐波紫外（UV）飞秒激光波长大大改善了边缘质量和形状精度，相较于之前研究中使用的第二谐波（SH）波长。通过局部减薄和基于UV的切割技术制造的器件不仅能够提高应变传输效率，还能确保实际应用所需的机械稳定性。这些成果确立了基于飞秒激光的制造方法作为下一代压电执行器的多功能和可扩展技术，为半导体量子光学和集成量子光子学中的先进应变工程技术铺平了道路。

1. 引言
压电材料在微机电系统（MEMS）中发挥着关键作用，因为它们能够将机械能转换为电能，反之亦然。这使它们成为传感器和执行器的理想选择，因为它们具有较大的动态范围、低功耗和最小的迟滞效应[1]。在各种压电材料中，单晶形式的铅镁铌酸盐-铅钛酸盐（PMN-PT）因其异常高的压电常数（d33）和耦合系数以及高灵敏度而脱颖而出[2],[3],[4]。值得注意的是，PMN-PT材料即使在低温环境下也能保持其有效性能，因此适用于低温环境的应用[5]。

基于单晶PMN-PT的执行器由于材料脆性、特征尺寸小和基板薄而较为复杂，这限制了可用的加工方法。为了实现可 reproducible（可重复的）、可靠的器件功能和可接受的产率，需要具备微米级分辨率、任意几何形状、低表面粗糙度和锋利的边缘。已经探索了几种PMN-PT的结构化方法，包括湿法蚀刻[6]、干法蚀刻[7],[8]、反应离子蚀刻[9]或离子铣削[3],[10]。每种方法都有其优点，但也存在局限性，如加工时间较长、几何形状选择有限或加工质量不足。激光烧蚀技术可以解决这些挑战，它提供了一种灵活的直接书写方法，具有竞争性的加工时间和高质量的结果潜力[7],[11],[12],[13]。特别是使用超短激光脉冲的微加工技术已被证明是一种可靠的技术，可以精确去除材料，同时将对周围区域的热负荷和附带损伤降到最低[14]。这使得高度可控、高质量的处理成为可能，并且对于加工特别硬和脆的材料（如PMN-PT）也非常有效[15],[16],[17]。

基于这些能力，我们之前的工作展示了飞秒激光加工在半导体量子光学相关PMN-PT器件中的潜力[18]。通过使用523纳米波长的飞秒激光产生的第二谐波进行激光切割，实现了各种几何形状的执行器，并通过选择性烧蚀金层来制作电接触点。最终得到的器件总厚度为300微米，侧边长度为5毫米，执行器臂之间的最小间距为30微米，这一限制由激光参数和样品厚度决定。在建立了可靠的制造流程后，我们将这些执行器用作半导体量子点（QDs）的应变调控器件。它们的精确可控性和强压电响应对于这一应用至关重要，因为应变会直接改变量子点在低温条件下的能带结构和光学特性。通过调控量子点中的平面应变场，例如可以生成偏振纠缠的光子[19]。已经成功证明，我们的多轴压电执行器能够调节量子点的发射能量，并生成纠缠光子对[20],[21],[22],[23]。

目前量子发射器集成的目标是提高器件密度，这促使了微型执行器的发展需求。因此，我们的新设计策略引入了活性区域的局部减薄（图1）。这样可以在保持机械稳定性的同时，在给定电压下增加电场强度。执行器的长度变化遵循ΔL/L = d33E的公式，其中应变取决于压电系数d33和电场E。由于E = V/t（V为施加电压，t为基板厚度），位移可以表示为ΔL = Ld33V/t。因此，响应取决于电场而不是绝对电压，达到目标应变所需的电压随厚度线性变化。因此，较薄的区域可以在更低的电压下实现相同的应变[24]。此外，在这些减薄区域进行激光切割可以实现更窄的切割宽度，从而有望实现更高的应变放大。然而，这种新型执行器的制造流程比之前发布的应变调控平台更为复杂。对于最终器件而言，制造过程中必须产生干净、无缺陷的表面——无碎片、裂纹或断裂点，因为这些因素会影响其使用功能。

下载：下载高分辨率图片（201KB）
下载：下载全尺寸图片
图1. 示意图展示了使用飞秒激光烧蚀实现局部减薄压电执行器的工艺流程，以及一个应变调控量子发射器的草图。第一步是使用飞秒激光的第二谐波局部减薄300微米厚的单晶材料（a）。然后，在前后表面蒸发沉积薄金属层（b），这些层分别作为底部的接地和顶部各个执行器臂的接触点。在腔体边缘覆盖完整的导电层对于确保各个执行器臂的可靠控制非常重要。通过选择性烧蚀在前接触点进行结构化处理（c）后，最后使用UV飞秒激光切割形成执行器（d）（e）。图中的草图展示了一个用于多轴应变调控的六腿执行器，该执行器将量子点嵌入在其顶部的GaAs纳米膜中。通过接触芯片载体的每个腿，可以为执行器的各个腿施加六个独立的电压（V1-V6）。

本研究涵盖了减薄过程（图1a）、接触层结构化（图1c）和UV切割（图1d）的工艺开发。除了激光工艺的开发外，还探讨了金属层厚度对非平面区域导电性的影响（图1b）。最终的执行器集成（见图1e）与之前的工作相同，不同之处在于局部减薄在活性区域为PMN-PT和芯片载体之间创造了空间，这确保了各个执行器臂的自由运动。

与之前的执行器[25]相比，本实验设计的侧径和切割宽度都更加微型化。它由两个对称的侧面、两个悬臂（手臂）和一个中心条组成，这种配置使得可以同时调控相邻两个区域的应变。

2. 实验
所有实验使用的材料是TRS陶瓷公司的x2b，厚度为300微米。激光烧蚀实验使用的是Spectra Physics公司的Spirit(R) 1040-HE飞秒激光源，脉冲持续时间为330飞秒（其中260飞秒为第二谐波）。激光器集成在3D Micromac公司的“microstructVario”微加工系统中。大多数实验使用的是523纳米波长的第二谐波。光束通过焦距为170毫米的galvo扫描仪进行聚焦和操控。切割实验使用的是348纳米波长的第三代谐波（UV），对应的焦距镜片为160毫米。激光束半径使用Liu等人的方法确定[26]，523纳米波长时为11微米，UV波长时为6微米。所有减薄和层结构化实验的重复率为100千赫兹。UV切割实验的重复率为250千赫兹。附录A总结了支持性研究，包括烧蚀阈值的确定（A.1）、UV激光烧蚀效率的测量（A.2）以及激光处理表面的拉曼光谱分析（A.3）。这些补充研究提供了定义和验证本工作中应用的处理条件所需的关键参数和验证。

基板采用电子枪（e-gun）通过真空蒸发进行涂层处理。使用的机器是Balzers BAK 550，配有ESQ 110电子枪。源材料放置在水冷石墨坩埚中。腔体的轮廓测量使用Keyence VK-X250激光扫描显微镜完成。

3. 结果
3.1. 生成具有可调节侧壁角度的腔体
作为执行器制造过程的第一步，300微米厚的PMN-PT基板需要在圆形区域内减薄至剩余厚度为100微米（见图1a）。减薄是通过沿相隔10微米的平行线扫描激光实现的。选择这种线间距是为了匹配有效脉冲间距10微米——该间距由1米/秒的扫描速度和100千赫兹的重复率设定——并且大约对应于激光束在焦点处的半径。将空间脉冲间距与激光束半径对齐已被证明对于均匀的材料去除非常重要，这样可以确保足够的覆盖面积并最小化脉冲重叠，从而限制热量积累。此外，每次重复后扫描图案会随机旋转一个角度。这样确保了线条交点在表面上的统计分布。对于特定的激光和结构化参数，测量了每次重复的烧蚀深度。为此，在N=200次重复后使用光学显微镜测量了一个腔体的深度，结果为150微米。基于这一测量结果，在所有后续实验中每次重复后应用150微米/N=0.75微米的焦点位移。这种焦点位移使得在加工过程中基板表面的能量密度保持恒定，从而在烧蚀深度和重复次数之间建立了简单的线性关系，如图2a所示。

下载：下载高分辨率图片（425KB）
下载：下载全尺寸图片
图2. （a）面板显示了每次扫描重复去除深度的线性依赖关系。使用共聚焦显微镜测量的不同重复次数下的腔体轮廓显示了从基底到侧边的凹陷（b）。随着重复次数的增加，这种凹陷现象更加明显。（c）和（d）面板分别展示了N=140和220时的腔体 SEM 图像。在140次重复后，已经可以看到侧边开始出现不规则性。在220次重复后，形成了一个带有明显凹陷的清晰环状结构。

为了研究轮廓几何形状，使用了激光扫描显微镜（LSM）进行了测量，结果见图2的（b）面板。腔体是在N=60、140、220次重复后加工的。在所有情况下，底部平面都与基板表面平行，表明去除过程是均匀的。从基底到侧边的过渡区域形成了一个半径，这是由于高斯光束轮廓所致，这一点在N=60次重复后非常明显。在N=140时已经可以观察到该区域的粗糙度增加。在N=220次及更高次数重复后，可以在这个过渡区域清楚地看到坑洞。图2的（c）和（d）面板分别展示了N=140和N=220时创建的腔体的SEM图像。在测量中可以观察到粗糙度增加，以及沿侧边开始形成小孔。随着重复次数的增加，这些孔变得更加明显，并在底部表面形成一个凹陷的环状结构。这种效应是众所周知的，已经在[27]、[28]中有所报道。这很可能是由于侧边的反射造成的，正如Toenshoff及其同事在研究飞秒硅切割时所讨论的[29]。反射导致边缘区域的强度增加，从而形成了凹陷。轮廓测量还显示，尽管每次重复都使用相同的直径，侧壁形成了大约13°的倾斜角。这可以归因于激光束在更深处的投影面积增加，从而降低了能量密度到阈值水平，因此不再发生进一步的烧蚀[30]。为了减轻上述的侧边孔形成问题，并系统地检查不同扫描模式对最终腔体几何形状的影响，采用了以下加工策略：
- 从大到小（LTS）：每次重复时减小圆形开口图案的直径；
- 从小到大（STL）：每次重复时增大直径；
- 随机（RND）：每次重复时在最大值和最小值之间随机选择直径。

每种策略都使用表1中列出的相同参数进行加工。表1中列出了实现减薄区域的工艺参数。这些值已经根据先前研究的结果进行了优化。标记速度和重复率导致脉冲间隔为10微米，这大约对应于光束半径，并在烧蚀过程中产生最低的表面粗糙度。此外，功率值位于最大烧蚀效率范围内，因此是实现高质量表面减薄的理想值。

波长：523纳米
透镜焦距：170毫米
重复率：100千赫
标记速度：1米/秒
功率：0.45瓦特（100千赫）
焦点移动：每次重复时移动-0.75微米
偏振：圆形

所有减薄策略（LTS、STL和RND）都使用表1中的相同参数进行了230次重复，形成了深度为200微米的腔体。每次重复时只改变圆的直径。因此，表面质量和几何形状的差异完全归因于所采用的扫描策略。内部和外部直径（450微米和500微米）的选择是为了与之前测试中观察到的侧壁倾斜角相对应。图3显示了腔体截面的扫描电子显微镜（SEM）图像。从底部表面到侧壁的过渡表明，所有三种方法都抑制了孔和沟槽的形成。这证实了孔和沟槽的形成是由于激光束在侧边的反射所致。在所有三种变体中，通过该区域的激光束都被减少了。在侧边区域，LTS方法下的边缘质量明显恶化。在腔体的较低部分，边缘显示出高质量的表面；向上移动时，越来越多的沉积物堆积在 upper edge。通过每次重复后减小扫描区域，沉积物更多地堆积在外侧区域。使用RND和STL方法时，由于较大直径的重复会不断清除侧边的沉积物，因此看不到这些沉积物。总体而言，RND和STL方法显示出相似的形态和可比的表面粗糙度。

**下载：下载高分辨率图像（179KB）**
**下载：下载全尺寸图像**
**图3.** 使用三种不同扫描策略处理的腔体截面的SEM图像。左侧图像（LTS）中，每次重复时烧蚀图案的直径减小；在RND中，图案的直径在两个值之间随机选择；在STL中，直径在加工过程中逐渐增大。

采用这两种选定的策略（RND和STL），进行了实验，每次实验改变腔体的内径，内径范围从350微米到450微米，步长为20微米，目的是研究侧壁角度的可能变化。这对于使用PMN-PT作为执行器的应用尤为重要，因为通过在这些关键区域的表面气相沉积一层薄金属来实现电接触。在这种情况下，侧壁角度和表面质量对层的导电性有决定性影响。

通过激光扫描显微镜再次测量了这样形成的腔体轮廓。结果如图4所示。总体而言，仅观察到侧壁角度随内径的轻微变化。这些值与几何计算预期值有显著差异，但两种方法的结果相当。对于直径变化较小的情况（小于1微米），角度和轮廓主要受光束的高斯分布的影响，而不是几何参数。如上所述，侧壁角度是由于激光束在沟槽侧壁上的投影面积随着烧蚀深度的增加而逐渐增大所致。增大的入射面积导致局部能量密度降低，接近材料的阈值能量密度，最终终止了烧蚀过程[31][32]。

**下载：下载高分辨率图像（212KB）**
**下载：下载全尺寸图像**
**图4.** 使用RND和STL方法得到的腔体轮廓。两种技术在侧壁角度上仅显示出微小变化，测量值与几何预期值有显著差异。

在底部表面的形成方面，RND和STL方法之间存在差异。对于导致更陡峭边缘角度的参数，RND在角落区域显示出轻微的凹陷，而STL方法则使整个底部表面保持均匀的深度。然而，对于较小的内径，STL方法形成的底部表面比RND更为弯曲。为了进一步研究侧壁角度向更低值的变化可能性，采用了表1中的相同参数，但改变了几何形状。这次选择的形状是一个宽度为500微米、长度为2.5毫米的矩形。在200次重复中，矩形从左向右移动固定距离。值的范围是0到10微米，步长为1微米。总共使用了这种方案生成了11个腔体。这种方法下，左侧类似于LTS，而右侧类似于STL。图5显示了三个腔体左右侧的结果，移动值分别为1微米、2微米和5微米。

**下载：下载高分辨率图像（410KB）**
**下载：下载全尺寸图像**
**图5.** 使用不同的移动值（分别为1微米、2微米和4微米）处理的腔体左右端的SEM图像。可以清楚地看到，与之前的实验相比，侧壁角度的变化范围更大。

当图案向右移动时，左边的加工表面不再被激光照射，预期会在侧边沉积沉积物。在1微米的移动值下，已经可以明显识别出表面质量的下降。然而，与之前测试相比，沉积物的积累量显著减少（相当于0.11微米的移动）。所有参数下的右端都显示出良好的质量，类似于STL。此外，还可以清楚地看到，侧壁角度的变化范围比之前的实验更大。相应的轮廓测量结果展示在图6的左侧面板中。

**下载：下载高分辨率图像（247KB）**
**下载：下载全尺寸图像**
**图6.** 左侧：不同图案移动值下的腔体轮廓测量结果，显示直线，移动方向对侧壁角度没有影响；右侧：测量得到的侧壁角度与估计值的比较。对于大于4微米的移动值，角度是一致的。

轮廓测量清楚地表明，可以生成具有更多种侧壁角度的腔体。还可以看到，如果持续移动图案，则在左右两侧会形成相同角度的倾斜平面。此外，对于大于4微米的图案移动值，得到的角度与计算值完全一致（见图6右侧）。在这个值以上，高斯光束分布导致的角度增加的影响不再明显。这使得可以通过适应开口层的激光减薄来实现准3D结构（限于非欠切割几何形状）。由于侧壁的形状和角度与加工方法无关，因此在底部边缘存在明显差异。左侧形成了与激光束尺寸相当的圆形边缘；右侧则是从底部表面到侧壁的平滑过渡，半径显著更大（见图6左侧）。我们假设半径差异的原因在于不同的几何起始点。当矩形每次重复时向右移动时，左侧的烧蚀总是在平坦表面上进行，最终形成尖锐的边缘；而在右侧，烧蚀总是在先前烧蚀表面的末端进行，因此是在不均匀的表面条件下进行的。这导致该区域的烧蚀能量降低，但不影响最终的侧壁角度。

**3.2. 在激光减薄区域之外实现导电路径**
为了对压电材料的全部减薄区域进行电控制，我们必须在先前处理过的表面上施加连续的导电层。由于非均匀的金属化层不易通过标准光刻方法进行图案化，因此随后通过选择性激光烧蚀对其进行结构化，以形成用于执行器控制的独立区域。为了准备蒸发测试，首先使用圆形开口图案的参数对基板进行减薄，并改变内径。使用去离子水清洗和氧气等离子体处理后，逐步在基底上沉积钛。每次沉积过程中，以1.5 ?/s的速率在基底上沉积25纳米的钛。对于最终应用，由于其更高的导电性，更倾向于使用金涂层。然而，这些测试使用了钛，因为钛的附着力更强。这样可以减少由于多次中断测量导电性而导致的各层分层风险。使用钨针测量电阻，一支针放在腔体底部，另一支针放在顶部表面。在两点之间测量电阻，两种减薄策略的结果如图7所示。

**下载：下载高分辨率图像（202KB）**
**下载：下载全尺寸图像**
**图7.** 使用RND（左图）和STL（右图）方法，对于不同内径生成的腔体，测量了不同钛层厚的电阻。尽管RND和STL方法在形态上显示出相似的结果（见图3），但边缘几何的微小差异导致沉积金属层的导电性有显著差异。特别是在边缘更陡峭的情况下，使用RND方法生成的腔体显示出明显更高的电阻值（见图7左侧）。虽然随着层厚的增加这些值有所下降，但与STL方法相比仍然较高（见图7右侧）。不同之处可能归因于RND案例中侧面边缘的明显凹陷，这似乎直接影响了该区域的层传导性。基于这些测量结果，进一步研究了使用STL方法制造的腔体的层结构。为了在非平面表面上创建结构化的金属接触点，生成了圆形腔体。选择了350微米和450微米的 inner diameter，从而得到了图4右侧图表中所示的最小和最大侧壁倾斜值。经过清洁步骤后，涂覆了10纳米的金和150纳米的钛。之后，使用飞秒激光器进行矩形结构化处理，其中一个长边位于腔体的中心位置（见图8的示意图）。结构化处理完成后，测试了矩形内外表面之间的电隔离性能，既在腔体底部也在基底表面上进行了测试。此外，还像在涂层测试中一样测量了从底部到顶部的导电性。

下载：下载高分辨率图像（53KB）
下载：下载全尺寸图像

图8. 激光结构化金层的示意图（左侧），显示了位于腔体外的矩形分离路径。为了获得一定的路径宽度，应用了5条间距为5微米的平行线。激光功率为0.88瓦，图案重复了三次。右侧的SEM图像确认了薄金层的完全去除。矩形内外的轻微对比度差异是由于电荷不同造成的，表明这两个区域是电隔离的。SEM图像中也标记了用于确定导电性的测量点。

使用超短激光脉冲进行烧蚀的一个特征是具有明确的烧蚀阈值。根据Liu的方法[26]测量，金材料的烧蚀阈值为0.14焦耳/平方厘米，而PMN-PT材料的烧蚀阈值为1焦耳/平方厘米，波长为523纳米。这些数值展示了在PMN-PT上选择性结构化金的潜力，我们将在下文中验证这一点。对于层结构化，选择了100千赫兹的重复频率和700毫米/秒的处理速度。这导致脉冲重叠略有增加，从而抑制了单个烧蚀点的可见性，并产生了更干净、更直的金层边缘。

不同样品使用0.882瓦和0.788瓦的功率值进行了结构化处理，每种处理都重复了2次和3次。焦点被定位在腔体深度的一半处。这样可以在侧面边缘提供最高的能量密度。由于光线投影到倾斜平面上，与平坦表面相比，这具有优势。聚焦光束的瑞利长度为696微米，远大于结构的深度。

切割区域之间的电阻必须在底部和基底表面都非常高。测量显示，所有八种激光功率和重复次数的组合产生的电阻值都超过了万用表的最大测量限制50兆欧姆。在涂层测试中还测量了金层在结构化侧边缘的电阻，所有样品的电阻值都在3欧姆到9欧姆之间。图8中的SEM图像展示了使用0.882瓦激光功率和三次重复处理后的结果。矩形内外的轻微对比度差异表明了这两个区域的电隔离特性。SEM图像中也标出了用于测量导电性的位置。

3.3. 在局部减薄的区域内使用紫外激光切割

基于PMN-PT的压电平台已经通过激光切割成功用于量子光学应用[33][34][35]。切割过程基于创建与切割路径几何形状等距的线条，线条间距可变。工艺参数（如能量密度和重复频率）处于一个狭窄的范围内，从而在对这种非常敏感的材料进行切割时能够将热应力降到最低。激光器工作在523纳米的波长下，以优化吸收并减少附带损伤。然而，当朝着本研究中追求的显著微型化执行器设计发展时，这些已建立的工艺参数已不再足以满足所需的精度。因此，这里引入了一种改进的处理策略。

作为参数集的第一个变化，激光的波长减少到了第三谐波，即348纳米。这样一方面可以减少光斑半径，另一方面改善了吸收条件。文献数据表明，单晶PMN-PT的带隙范围在3.1到3.3电子伏特之间，具体取决于材料组成和温度[36]。这个波长正好位于激光的第二谐波（2.37电子伏特）和第三谐波（3.56电子伏特）的光子能量之间。使用紫外波长，激光能量可以通过线性吸收沉积，与之前依赖双光子吸收的切割过程不同。这的优势在于在光穿透深度内实现与强度无关的能量沉积，从而减少了对周围材料的影响。如前所述，改进的执行器概念基于使用紫外飞秒激光进行局部减薄的区域来实现微型化设计。然而，由于PMN-PT在这种仅100微米的极薄厚度下难以机械操作，因此首次测试使用了300微米厚的基底来评估切割边缘。为了优化工艺参数并评估激光输出侧，基底被减薄至100微米的厚度，使用第3.1节中描述的方法。

图9中的SEM图像展示了使用不同功率值和不同切割次数的三腿执行器的设计。首先应用了两组等距线条来达到所需的切割深度。首先应用了10条间距为4.5微米的线条，以确保在几何结构的较宽部分也能均匀去除材料，从而在切割过程结束时没有明显的悬垂部分。然后，应用了间距更小的等距线条（5×2微米），以获得更清晰的切割边缘。

下载：下载高分辨率图像（470KB）
下载：下载全尺寸图像

图9. 使用第三谐波波长和不同激光及工艺参数切割的三腿执行器设计的SEM图像。对于该工艺，应用了两组等距线条；一组间距为2微米的5条线和一组间距为4.5微米的10条线。上排显示了三种不同激光功率下的结果，重复次数为100次。第2行和第3行显示了200次重复后的结果以及额外的切割设计概览。

激光器的工作重复频率为250千赫兹。这样选择是为了使激光器能够在其最大脉冲能量下工作，因为红外到紫外的频率转换阶段针对这种设置进行了优化。所有测试的扫描器速度为1250毫米/秒。上排显示的结果是通过100次重复切割线图案获得的。可以清楚地看到，尤其是在0.4瓦的功率下，烧蚀深度非常浅。尽管这个功率代表了最佳的工作范围和最高的烧蚀效率（见附录A.2中的烧蚀效率测量），但在这个功率下得到的切割深度不足以完成完全切割。因此，必须将激光功率提高到效率最优值以上以实现完全切割，尽管这需要超出理想的参数范围。在用于确定烧蚀效率的腔体中进行的拉曼测量显示，即使在这些较高的功率水平下，工艺参数也没有对拉曼光谱产生可检测的影响。更多细节见附录A.3。

切割线的排列在切割几何形状内形成了一个垫状基底，导致预期的切割路径出现明显的凹陷。随着激光功率的增加，烧蚀深度显著增加，而边缘质量几乎不变。在200次重复次数时，只有在最低功率0.4瓦的情况下才能看到垫状基底。对于更高的功率值，边缘质量不再可靠评估。对激光入口侧的切割边缘进行检查后发现，在1.1瓦的功率下质量很高，没有出现开裂或破坏的迹象。由于在2瓦时会出现轻微熔化现象，后续实验在1.1瓦的功率下进行。

为了估计出口侧的质量，可以评估在1.1瓦功率下、100次重复次数时腔体的底部情况。这已经显示出随着深度增加而出现的不规则性，表明需要调整加工策略以提高质量。在这种替代方法中，不是通过生成等距线条来切割执行器几何形状，而是使用第3.1节中描述的线-阴影图案进行处理。这样可以在保持最高表面质量的同时预先减薄几何形状，并获得平坦的内部区域。图10中的SEM图像显示了在不同图案重复次数下进行减薄时的执行器几何形状。由于尺寸小和 Gaussian 光束轮廓，形成了圆形的腔体形状。从15次重复开始，在结构底部出现了轻微的波浪形。超过70次重复后，结构底部形成了不规则的边缘。由于减薄时使用的能量密度较低，因此创建了边角较平的腔体。如[18]中已经讨论的，边缘角度仅取决于激光能量密度与材料烧蚀阈值的比率。预计在切割过程中更高的能量密度会扩大腔体，这应该会对切割边缘的定义产生积极影响。在定义了重复次数后，切割过程切换到使用等距线条和更高能量密度的实际切割过程，以提高激光入口和出口侧的最终切割边缘质量。

下载：下载高分辨率图像（539KB）
下载：下载全尺寸图像

图10. 使用第三谐波波长的不同激光和工艺参数切割形成的腔体的SEM图像。为了达到所需的切割深度，交替应用了两组等距线条；一组间距为2微米的5条线和一组间距为4.5微米的10条线。上排显示了三种不同激光功率和100次重复次数的结果。第2行和第3行显示了200次重复后的结果以及额外的切割设计概览。

激光器的工作重复频率为250千赫兹。这样选择是为了使激光器能够在其最大脉冲能量下工作，因为红外到紫外的频率转换阶段是为此设置专门优化的。所有测试的扫描器速度为1250毫米/秒。上排的结果是通过100次重复切割线图案获得的。可以清楚地看到，在0.4瓦的功率下，烧蚀深度非常浅。尽管这个功率代表了最佳的工作范围和最高的烧蚀效率（见附录A.2中的烧蚀效率测量），但在0.4瓦下的深度不足以完成完全切割。因此，必须将激光功率提高到效率最优值以上以实现完全切割，即使这需要超出理想的参数范围。在用于确定烧蚀效率的腔体中进行的拉曼测量显示，即使在这些更高的功率水平下，工艺参数也没有对拉曼光谱产生可检测的影响。更多细节见附录A.3。

切割线条的排列在切割几何形状内形成了一个垫状基底，导致预期的切割路径上出现明显的凹陷。随着激光功率的增加，烧蚀深度显著增加，而边缘质量几乎没有变化。在200次重复次数时，只有在最低功率0.4瓦的情况下才能看到垫状基底。对于更高的功率值，边缘质量不再可可靠评估。在激光入口侧检查切割边缘时，发现质量很高，没有出现裂纹或破损的迹象。由于在2瓦时出现了轻微熔化现象，后续实验在1.1瓦的功率下进行。

为了估计出口侧预期的质量，可以评估在1.1瓦功率下、100次重复次数时腔体的底部情况。这已经显示出随着深度增加而不规则性逐渐增加，表明需要调整加工策略来提高质量。在这种替代方法中，不是通过生成等距线条来切割执行器几何形状，而是使用第3.1节中描述的线-阴影图案进行处理。这可以在保持最高表面质量的同时预先减薄几何形状，并形成平坦的内部区域。图10中的SEM图像显示了在不同图案重复次数下进行减薄时的执行器几何形状。由于尺寸小和高斯光束轮廓，形成了圆形的腔体形状。从15次重复开始，在结构底部出现了轻微的波浪形。超过70次重复后，在结构底部形成了不规则的边缘。由于减薄时使用的能量密度较低，因此创建了边角较平的腔体。如[18]中讨论的，边缘角度仅取决于激光能量密度与材料烧蚀阈值的比率。预计在切割过程中更高的能量密度会扩大腔体，这应该对切割边缘的定义产生积极影响。在定义了重复次数后，切割过程切换到使用等距线条和更高能量密度的实际切割过程。这样做是为了提高激光入口和出口侧的最终切割边缘质量。

下载：下载高分辨率图像（539KB）
下载：下载全尺寸图像

图10. 使用不同图案重复次数通过线-阴影图案生成的腔体的SEM图像。随着重复次数的增加，首先形成了一个圆形的模具，随着重复次数的增加，这个模具越来越深，并在超过40次重复后发展成切割边缘。从第5次重复开始已经可以看到烧蚀过程中的凹槽形成，从第15次重复开始则形成了沟槽。侧翼变得越来越陡峭和不规则。

为了准备最终的切割测试，制造了剩余厚度为100微米的圆形腔体。在这些腔体内，实现了每个半部分都配备两个独立可控臂的几何分割执行器。在加工步骤中，使用聚乙烯醇（PVA）将基底粘合到陶瓷样品架上。特别注意确保压电基底的正面和背面都完全覆盖了涂层。这是为了在切割过程中能够一起去除碎片和PVA层。

图11展示了两个执行器的正面和背面。左列中的执行器是使用第二谐波波长切割的；相应的参数研究关于最佳切割条件的报告见[18]。相比之下，右列中的执行器是使用上述切割程序和紫外波长制造的，其中先进行了执行器几何形状的初步减薄（N=100），然后进行了等距线条的最终切割步骤（N=200）。切割位于剩余基底厚度为100微米的圆形减薄区域内。尽管腔体内仍然可以看到沉积残留物——很可能会因PVA覆盖不足引起——但整体边缘质量显著改善。与左边的执行器相比，紫外处理的设备在两侧都具有锋利且定义明确的边缘。出口侧对于后续加工步骤尤其关键，因为半导体膜包含量子发射器将集成在这里。右下角的SEM图像证实，基于紫外光的过程能够产生无凸出或断裂的干净边缘，这相较于使用二次谐波处理的结果有了显著提升。此外，出射端的最小切割宽度已降至约5微米，而使用二次谐波处理时通常为10-15微米。这种显著收窄有望使设备在较低的工作电压下实现比以往调谐平台更高的应变值。

图11. 使用二次谐波（左侧）和三次谐波波长（右侧）处理的激光切割执行器的SEM图像清楚地展示了采用紫外辐射所达到的质量改进。这两种设备都是通过优化的工艺参数制造的；在紫外光处理的情况下，执行器位于一个激光透射区域中，剩余基材厚度为100微米。激光出射端的最小臂间距仅为5微米，与使用二次谐波波长制造的设计相比有了大幅减少，这直接有助于实现更高的应变值。另外，紫外光处理后的执行器背面没有不规则现象，这对于后续的制造步骤（如粘合）非常有利。

4. 结论

在这项工作中，我们成功地利用超短脉冲激光处理技术，在不添加任何其他材料的情况下，实现了基于单晶PMN-PT材料的微型化且结构复杂的压电执行器的制造，包括样品局部减薄、电极结构化及执行器切割。特别是，紫外波长的使用使得激光切割能够达到极高的精度，这对于实现所需的分辨率和结构精度至关重要。新开发的工艺流程使得执行器设计具有广阔的应用前景，例如在多轴应变调控领域中集成多个可独立控制的量子发射器，或者利用微型化设备实现更高、更定向的应变值。

CRediT作者贡献声明：
Ievgen Brytavskyi：方法论
Michael Jetter：概念化设计
Menotti Markovic：撰写原文、实验研究
Simone Luca Portalupi：概念化设计
Javier Martín-Sánchez：验证、方法论研究、资金获取、概念化设计
Tobias M. Krieger：概念化设计
Rinaldo Trotta：验证、实验研究、资金获取、形式分析、概念化设计
Lucia Oberndorfer：方法论研究
Dorian Gangloff：项目监督、资金获取、概念化设计
Vishnu Prakash Karunakaran：验证
Peter Michler：概念化设计
Christian Schimpf：软件开发、实验研究、概念化设计
Armando Rastelli：验证、项目监督、实验研究、资金获取、概念化设计
Matthias Domke：数据整理、实验研究、方法论研究、撰写文本及审稿编辑
Sandra Stroj：撰写文本及审稿编辑、绘制可视化图像、验证结果、项目监督、方法论研究、实验研究、资金获取、概念化设计
Julia Freund：概念化设计
Fadi Dohnal：验证结果、项目监督、软件开发、资源协调、资金获取
Barbara Lehner：概念化设计