西湖大学工学院仇旻团队最新成果：面向高功率激光并行加工的晶圆级碳化硅超构光学平台|仇旻|光学平台|电子束|碳化硅|纳米|西湖大学工学院|高功率

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（来源：第三代半导体产业）

近日，西湖大学工学院仇旻团队联合慕德微纳（杭州）科技有限公司杜凯凯博士团队，开发了晶圆级碳化硅超构光学平台。研究将碳化硅衍射光学元件（DOE）与超透镜阵列相结合，通过“前端分束、后端逐束聚焦”的光学架构，实现多光束的分配与聚焦调控，并完成了晶圆级器件制备及数百瓦入射功率下的金属基材并行加工验证。相关成果以“Wafer-scale silicon carbide meta-optic platform for robust multi-beam laser processing”为题发表于 PhotoniX 期刊。

高功率激光加工是先进制造中的重要技术，在精密焊接、材料切割和增材制造等领域发挥着关键作用。激光器输出功率的提升为多光束并行加工提供了能量基础。通过分束将激光能量分配至多个加工位置，可在满足单束加工能量需求的前提下实现多点同步加工。增加并行工作的光束数量，能够减少重复加工任务所需的时间，从而提高加工效率。

然而，传统多头激光加工方案通常需要为各通道配置独立的光学组件。随着通道数量增加，系统体积及装配、对准的复杂度随之上升，限制了系统的紧凑集成。面向高功率精密加工，光学器件还需在承受较高激光负载的同时，保持对各束激光波前相位与聚焦特性的精确控制。因此，兼顾功率承载能力、系统集成度与逐束光场调控，是提升高功率并行加工系统性能的关键问题。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s43074-026-00294-8

从材料出发，为高功率光场调控提供支撑

高功率激光辐照下，材料吸收引起的局部温升与热积累会影响器件的光学性能和系统运行状态。碳化硅兼具高热导率、宽禁带和优良的机械性能，其高热导率有助于热量在器件中的快速传导，减轻局部热积累，为高功率光学器件的稳定工作提供材料基础。另一方面，碳化硅的高折射率（n≈2.6）有利于通过微纳结构设计实现相位调控，满足光束分配与聚焦的需求。

基于上述材料特性，如图1所示，研究团队采用碳化硅DOE和超透镜阵列分别实现分束与聚焦。前端DOE通过预设相位分布，将入射激光分配为多个空间通道。经过中继透镜整形后，各束光进入对应的超透镜，完成波前调制与聚焦。超透镜阵列中的各单元与分束光路一一对应，其相位分布可在设计阶段分别设定，从而对各通道的聚焦特性进行独立设计，适配不同的加工需求。

1：碳化硅多光束并行加工平台的光学架构示意图。

从单个器件走向晶圆级阵列

针对前端分束器件，团队在4英寸碳化硅晶圆上，通过三轮光刻套刻与刻蚀制备八阶DOE，并设计和表征了1×4、1×9和1×26等分束构型，如图2所示。通过调整相位分布，将入射光分配至相应数量的输出通道，满足不同通道配置下的分束需求。

2：碳化硅DOE的制备与分束性能表征。（a）器件制备流程。（b）4英寸碳化硅晶圆上的DOE器件实物。（c）三种分束构型的相位分布与远场光强仿真结果。（d）器件表面的原子力显微与光学显微图像。（e）分束测试光路。（f）1×4、1×9和1×26分束构型的实测光斑。

针对后端聚焦器件，团队采用步进式拼版纳米压印与硬掩模图形转移相结合的工艺，制备碳化硅超透镜阵列，如图3所示。首先通过电子束光刻和刻蚀制作单枚超透镜的硅母版，再利用步进式拼版纳米压印，在玻璃基底的不同位置重复复制该图形，形成包含26个单元的晶圆级工作模具。随后，将阵列图形压印至4英寸碳化硅晶圆表面的压印胶中，经硬掩模和刻蚀工艺转移，形成碳化硅纳米柱阵列。

该工艺仅需在制作单枚超透镜母版时进行高精度电子束曝光，随后通过步进式拼版纳米压印制备阵列工作模具，再将阵列图形整体复制到碳化硅晶圆上，避免了逐片、逐枚进行电子束直写。母版与工作模具可重复使用，有利于降低图形加工成本、保持阵列图形的一致性，为厘米级超透镜阵列的批量制造提供工艺支撑。

制备的阵列包含26枚超透镜，单枚口径为1.15厘米，数值孔径为0.5。通过关键尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）对26枚超透镜中的8种典型纳米柱直径进行测量，测得最大结构尺寸偏差为24.18纳米。在1030纳米波长下，阵列的焦距离散度（3σ）为10.73微米，仅为设计焦距的0.11%。上述结果验证了厘米级超透镜阵列在结构尺寸与焦距上的一致性，为多通道并行聚焦提供了器件基础。

3：碳化硅超透镜阵列的晶圆级制备与性能表征。（a）母版制作、步进式拼版纳米压印及图形转移流程。（b）单枚超透镜母版（上）与4英寸SiC超透镜阵列（下）。（c）纳米柱结构SEM图像。（d）26枚超透镜相同点位的CD-SEM图像。（e）26枚超透镜中典型纳米柱的直径测量结果。（f）光学测试装置。（g）阵列焦距分布。（h）焦斑半高全宽与图像归一化聚焦效率。

从光学表征走向高功率金属加工

团队采用1030纳米波长的高功率连续激光，对直接承受完整入射光束的碳化硅DOE开展辐照测试。在6.11千瓦/平方厘米的功率密度下连续辐照20秒后，器件未出现可见损伤，验证了其在该测试条件下的高功率激光承载能力。

4：高功率四光束并行加工测试。（a）加工光路示意图。（b）实验装置实物。（c）不锈钢打点加工形成的四个凹坑的三维形貌。（d）四通道扫线加工的光学显微图像。（e）四次重复扫描中各通道的加工线宽。

在系统验证中，团队采用1070纳米连续激光开展四通道并行加工，分别在732.5瓦和586.0瓦的DOE入射功率下，实现了对1毫米厚304不锈钢的打点加工和对2毫米厚304不锈钢的扫线加工，结果如图4所示。重复扫描实验进一步验证了各通道加工结果的重复性。

本研究通过碳化硅DOE分束器件与超透镜阵列的协同设计和晶圆级制备，构建了多光束并行加工平台，推动碳化硅微纳光子技术由单个器件向系统应用拓展。阵列中的超透镜为各束光提供了可独立设计的相位调控单元，使多通道扩展与逐束聚焦调控能够在同一平台上实现。通过进一步优化DOE加工精度、引入减反射设计和改进系统装调，有望提高有效功率利用率与通道一致性，为紧凑型高功率并行加工系统的研制提供支持。

西湖大学博士后陈博取为论文第一作者，西湖大学仇旻教授和慕德微纳（杭州）科技有限公司杜凯凯博士为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划的支持，并获得西湖大学先进微纳加工与测试平台及青岛天仁微纳（GermanLitho）的支持。

来源 | 仇旻实验室

差为24.18纳米。在1030纳米波长下，阵列的焦距离散度（3σ）为10.73微米，仅为设计焦距的0.11%。上述结果验证了厘米级超透镜阵列在结构尺寸与焦距上的一致性，为多通道并行聚焦提供了器件基础。