Micro- et nanofabrication
Photopolymérisation
La photopolymérisation induite par laser, ou lithographie/écriture laser directe, forme des nanostructures 3D dans des résines photosensibles.
Présentation
Qu’est-ce que la photopolymérisation ?
La photopolymérisation est un procédé de fabrication additive utilisé pour fabriquer des micro- et nanostructures 3D en solidifiant sélectivement des matériaux photosensibles avec de la lumière. Combinée à des impulsions laser femtoseconde étroitement focalisées, la technique permet la fabrication directe de structures aux tailles de motifs submicroniques, ce qui la rend adaptée aux applications en photonique, micro-optique, microfluidique et génie biomédical. Les avancées récentes de la technologie laser ultra-rapide continuent d’améliorer le débit de fabrication, la stabilité de procédé et l’accessibilité de la microfabrication 3D haute résolution.
Le processus chimique
La photopolymérisation est un processus chimique induit par la lumière, dans lequel des matériaux photosensibles liquides sont transformés en structures polymères solides. Le processus commence lorsque plusieurs photons sont absorbés par une molécule de polymère photosensible, la portant à un état excité qui forme finalement un radical. Le radical généré participe ensuite à une réaction de polymérisation en chaîne, conduisant à la réticulation chimique et à la solidification du matériau exposé. Les régions non exposées restent liquides et peuvent ensuite être éliminées lors du développement, ne laissant que la structure fabriquée. La photopolymérisation induite par laser ne se produit qu’à l’intérieur du foyer laser. Cette interaction fortement localisée offre un contrôle spatial précis du processus de fabrication et permet une véritable structuration 3D à l’intérieur des matériaux photosensibles.
Qu’est-ce que la lithographie laser directe ?
La lithographie laser directe (DLL), également appelée écriture laser directe (DLW), est une technique de fabrication fondée sur la photopolymérisation localisée initiée par un faisceau laser étroitement focalisé. La DLL écrit des structures directement à l’intérieur d’un matériau photosensible en balayant le foyer laser le long d’une trajectoire 3D prédéfinie. Lorsque des impulsions laser femtoseconde ultracourtes sont employées, la photopolymérisation est généralement initiée par absorption multiphotonique. Parce que l’absorption non linéaire ne se produit que dans le volume focal où la densité de photons est suffisamment élevée, la polymérisation reste confinée à un petit volume 3D appelé voxel. En translatant ce voxel à travers le matériau, des micro- et nanostructures de forme libre complexes peuvent être fabriquées directement, sans masques ni plusieurs étapes de traitement.
Comment le processus est écrit
Le processus de fabrication commence en focalisant des impulsions laser femtoseconde dans un matériau photosensible. Le foyer laser est positionné à l’emplacement souhaité dans la résine, où l’absorption non linéaire dépose de l’énergie uniquement à l’intérieur du volume focal. Cette exposition localisée initie la polymérisation au sein d’un seul voxel, tout en laissant le matériau environnant inchangé. Le déplacement successif du foyer laser à travers le matériau produit des voxels se chevauchant qui forment des structures polymères continues. Après l’exposition laser, l’échantillon est développé en éliminant le matériau non polymérisé, laissant la structure 3D fabriquée.
Mécanisme de photopolymérisation
La photopolymérisation est initiée lorsque des photons sont absorbés par des molécules au sein du matériau photosensible, les portant à un état électronique excité. Dans les photorésines conventionnelles, cette excitation génère des radicaux réactifs via des molécules de photoamorceur, qui initient ensuite la polymérisation en chaîne. Le réseau polymère réticulé résultant forme la structure solide qui demeure après développement. Les événements photochimiques menant à la formation de radicaux peuvent suivre une multitude de voies impliquant différents états moléculaires, et le rendement en radicaux peut différer en conséquence. Les coefficients d’absorption à deux photons, à trois photons et d’ordre supérieur peuvent également différer fortement et présenter des dépendances en longueur d’onde différentes, car des états moléculaires différents suivent des règles de sélection différentes. Une photopolymérisation localisée a également été démontrée sans photoamorceurs, ce qui indique que les mécanismes de photoexcitation sous-jacents peuvent varier selon le système photosensible.
Absorption multiphotonique
La photopolymérisation multiphotonique est généralement initiée par absorption à deux photons dans des matériaux dits à seuil. Toutefois, le nombre de photons absorbés simultanément pour exciter une molécule depuis l’état fondamental dépend à la fois du spectre d’absorption de la photorésine et de la longueur d’onde d’excitation. Lorsque la longueur d’onde d’excitation coïncide avec le pic d’absorption du matériau, la polymérisation procède par absorption à un photon. Si la longueur d’onde d’excitation est approximativement le double de la longueur d’onde d’absorption, une absorption à deux photons peut être induite, tandis qu’une absorption à trois photons est attendue lorsque la longueur d’onde d’excitation est approximativement trois fois plus longue. Les impulsions ultracourtes sont sensibles à la dispersion de retard de groupe introduite par le système optique, qui peut étirer l’impulsion dans le temps et réduire son intensité de crête. Comme cela diminue l’efficacité des processus multiphotoniques, la dispersion du système optique doit être compensée en introduisant un préchirp temporel opposé avant que le faisceau laser n’atteigne l’échantillon.
Formation de structures tridimensionnelles
Parce que la polymérisation reste confinée au volume focal, le foyer laser peut être translaté à travers le matériau pour fabriquer des géométries 3D arbitraires. Les voxels individuels sont positionnés séquentiellement pour former des structures continues, tandis que le balayage couche par couche permet la fabrication d’objets allant de quelques dizaines de micromètres à plusieurs millimètres, avec une résolution de motifs submicronique. Les dimensions de chaque voxel fabriqué dépendent de l’intensité laser, de la durée d’impulsion, de la longueur d’onde, de l’ouverture numérique de l’optique de focalisation, du taux de répétition, de la vitesse de translation et des propriétés du matériau.
Avantages de la lithographie laser directe
La lithographie laser directe permet la fabrication de géométries 3D difficiles ou impossibles à produire avec les techniques de fabrication conventionnelles. En raison du caractère localisé de l’absorption multiphotonique, la polymérisation reste confinée au volume focal du laser, permettant des tailles de motifs jusqu’à environ 100 nm tout en produisant des structures fonctionnelles dont les dimensions vont de quelques dizaines de micromètres à plusieurs millimètres. La lithographie laser directe permet également d’écrire des structures directement à partir de modèles de conception assistée par ordinateur (CAD). Cela permet un prototypage rapide et une flexibilité de conception, tout en éliminant le besoin d’un outillage dédié.
Matériaux de photopolymérisation
Les matériaux photosensibles utilisés pour la lithographie laser directe diffèrent par leurs propriétés optiques, chimiques et mécaniques. Les photorésines conventionnelles sont principalement fondées sur des résines acryliques et époxy. Les polymères époxy présentent un faible retrait et une haute stabilité structurale, tandis que les acrylates offrent généralement une photosensibilité plus élevée, une énergie critique plus faible, une viscosité plus faible et des propriétés mécaniques contrôlables. Outre les photorésines conventionnelles d’origine pétrolière, une attention croissante a été portée aux photopolymères obtenus à partir de ressources renouvelables. Les huiles végétales se sont imposées comme précurseurs polymères attractifs ; parmi celles-ci, l’huile de soja et l’huile de soja époxydée acrylatée (AESO) sont largement utilisées. Bien que les photopolymères à base d’AESO offrent une alternative durable, leurs longues chaînes aliphatiques conduisent à des réseaux polymères relativement mous, si bien que des comonomères aromatiques — dont le vanillin dimethacrylate et le vanillin diacrylate d’origine végétale — sont couramment ajoutés pour améliorer les propriétés mécaniques.
Où elle est utilisée
En photonique et en micro-optique, la lithographie laser directe est utilisée pour fabriquer des cristaux photoniques, des éléments optiques diffractifs, des microlentilles et d’autres composants optiques exigeant des géométries de forme libre complexes et des motifs submicroniques. La technique est également employée pour les métamatériaux et les structures plasmoniques. La capacité à fabriquer des canaux fermés et des composants mobiles sans assemblage l’a établie pour la microfluidique et la micromécanique. En génie biomédical, elle est largement utilisée pour fabriquer des échafaudages pour l’ingénierie tissulaire, des structures biomimétiques, des réseaux de micro-aiguilles et d’autres dispositifs biomédicaux.
Lasers pour la photopolymérisation
La lithographie laser directe exige des systèmes laser capables de délivrer des impulsions ultracourtes stables, d’excellente qualité de faisceau et aux paramètres d’impulsion précisément contrôlés. Les lasers femtoseconde CARBIDE et PHAROS fournissent les puissances de crête et moyennes élevées ainsi que les durées d’impulsion ultracourtes requises. Leur longueur d’onde fondamentale à 1030 nm, conjointement à la génération d’harmoniques à 515 nm et 343 nm, prend en charge la photopolymérisation sur une large gamme de photorésines disponibles dans le commerce. Pour les applications exigeant une flexibilité supplémentaire en longueur d’onde, l’amplificateur paramétrique optique I-OPA de grade industriel, intégré à la plateforme laser, étend la plage spectrale accessible au-delà des harmoniques fixes, de sorte que la longueur d’onde d’excitation peut être appariée aux caractéristiques d’absorption de différents matériaux photosensibles.
