信息来源：中国人民大学化学与生命资源学院公众号 发布日期：2026年8月3日

近日，中国人民大学化学与生命资源学院方红华教授与清华大学精密仪器系柴源博士（论文第一作者）、孙洪波院士等合作，在国际期刊《Light: Science & Applications》发表研究论文，报道了一种基于光诱导材料改性的精密切割方法——干涉散射光学断层切片技术（interferometric Scattering Optical Tomoslicing，i-SOT）。该技术利用飞秒激光在透明固体内部诱导的相干散射干涉效应，在石英玻璃、钇铝石榴石（YAG）等硬脆材料中实现了纳米级精度的改性切割，切口厚度从工业界常规的数十微米提升至最小7纳米，材料损耗从约30%降至1%以下。

研究背景与材料加工挑战

在半导体、激光晶体和光学制造领域，晶圆切片是连接原材料与功能器件的关键工序。切片质量直接影响后续抛光、外延和器件加工的工艺余量。当前工业界主流的金刚石线锯与激光辅助切片技术，切口宽度通常为20–50微米。以厚度100微米的晶圆为例，切口体积约占材料总体积的30%，大量昂贵材料被转化为碎屑或无法利用的损伤层。

从材料科学角度看，透明硬脆材料（如石英玻璃、YAG晶体、镁铝尖晶石等）内部具有稳定的共价键或离子-共价混合键网络结构，传统机械切割易产生应力损伤和微裂纹；而常规飞秒激光加工则长期受困于两个物理瓶颈：一是轴向分辨率受限，即便采用高数值孔径（NA>0.9）物镜，轴向加工精度也仅能维持在约150纳米，且工作距离极短，无法用于厚晶锭的体内切片；在工业常用的低NA（如0.6）条件下，轴向分辨率退化至2–50微米。二是近邻效应，以加工结构对光场的散射导致能量扩散，使加工精度进一步下降。

光诱导材料改性的干涉散射机制

飞秒激光与透明材料相互作用时，通过多光子吸收、隧穿电离等过程在焦点区域沉积能量，诱导局部等离子体形成和化学键断裂，产生纳米尺度的结构改性区。研究团队由柴源博士主导实验发现，当后续激光焦点与已形成的纳米孔洞距离小于200纳米时，入射光与纳米孔洞的散射光发生相干干涉，在特定空间位置形成局域场增强（光强比入射光高约10%），进而诱导新的材料改性区生成。新的改性区继续作为散射中心，使该过程沿特定方向持续进行，最终形成一条纳米级厚度的改性狭缝。

通过精确控制激光焦点相对于已有散射体的横向偏移量，可调控次级改性区的位置。当偏移量适当时，改性区沿水平方向连续延伸，形成可用于横向切片的纳米级狭缝。该技术将传统加工中视为干扰因素的散射效应，转化为可精确调控的加工机制。

材料表征与切片性能

基于上述原理，研究团队使用数值孔径0.6的物镜，在石英玻璃（SiO₂）内部加工出厚度约为7纳米的改性切割面。此前在类似光学条件下，传统激光加工的轴向分辨率通常为微米量级。i-SOT技术将加工精度提升了两个数量级以上，且保留了充足的工作距离，可同时加工多层切片。

在加工效率方面，研究团队将飞秒激光整形为线状光场，使多个散射体同步发生干涉散射，如线锯般一次性形成纳米级厚度的切割面。实验室条件下已实现每秒1.2平方毫米的切片效率。

在材料适用性方面，该技术已在多种透明硬脆材料中得到验证：

• 石英玻璃（SiO₂）： 形成7纳米级改性切缝；
• 钇铝石榴石（Y₃Al₅O₁₂，YAG）： 成功制备多层堆叠晶圆，单层厚度不到10微米，切缝宽度小于1微米，层间可自然分离；
• 镁铝尖晶石（MgAl₂O₄）： 验证了技术在复杂多元氧化物中的适用性。

力学测试表明，厚度仅10微米的YAG悬臂梁可弯曲45°而不破裂，其力学性能与完整晶体接近，表明切割过程未在材料本体中引入显著的内应力或微裂纹。这些超薄晶圆还可进一步加工为微孔阵列、异形薄片等复杂结构。

研究意义与应用前景

从材料加工角度，i-SOT技术将切口宽度从传统的数十微米降低至纳米量级，使切片质量损耗降至1%以下，显著提升了原材料的利用率。该方法通过光诱导材料改性实现切割，为透明硬脆固体的精密加工提供了新的技术路径。

该技术对激光晶体、MEMS器件及下一代半导体芯片制造中的晶圆切片具有潜在应用价值。研究团队表示，该方法有望推广至更广泛的透明固体体系。

项目获得国家自然科学基金重点项目，科技部项目的支持

论文信息

Chai, Y., Fang, HH., Li, ZZ. et al. Interferometric scattering for optical tomoslicing of transparent solids. Light Sci Appl 15, 297 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02344-z