Direct laser writing (DLW) или лазерное письмо – технология получения компонентов полупроводниковых, оптических и других устройств с помощью сфокусированных лазерных лучей. Её также называют multiphoton lithography и иногда direct laser lithography. О ней мы и поговорим в сегодняшнем материале.
Метод
DLW — это технология выращивания определённых микроструктур и узоров на подложках с помощью лазерных лучей. DLW широко используется в различных отраслях производства, таких как электроника, фотоника, биомедицина и микропроизводство. Она позволяет создавать детали высокой чёткости и получать требуемые материалы без использования масок или сложных методов типа ионно-лучевого травления. Развивается несколько физико-химических разновидностей метода с использованием жидких и газообразных прекурсоров, инертных сред, многофазных систем. Общей чертой которых является локализованное взаимодействие лазерного излучения с прекурсором с инициацией заданной химической реакции и с последующим осаждением требуемого материала на поверхность используемой подложки. Примерами являются лазерно-индуцированное осаждение из раствора (LCLD, ЛОМР); восстановительное селективное лазерное спекание (reductive SLS).
В зависимости от типа лазеров мировой рынок можно разделить на фемтосекундный, наносекундный и другие:
Лазеры на основе фемтосекундных импульсов: эти машины используют сверхкороткие лазерные импульсы в фемтосекундном диапазоне (10⁻¹⁵ секунды) для высокоточной обработки материалов. Они обеспечивают субмикронное разрешение и минимальную зону термического воздействия, что делает их идеальными для создания сложных наноразмерных узоров. Они применяются в фотонике, микрофлюидике* (microfluidics) и биоинженерии. Микрофлюидные чипы, в которых по узким каналам движутся крошечные капли жидкости, уже применяют в медицине, фармацевтике, химической промышленности и других областях. Хорошая статья на эту тему здесь и на Хабре.
Наносекундные лазеры: наносекундные лазеры работают с более длительными импульсами (10⁻⁹ секунды) по сравнению с фемтосекундными лазерами, обеспечивая меньшую точность, но более высокую энергоэффективность. Эти системы подходят для задач, требующих более крупных деталей или более низкой стоимости, например для маркировки и гравировки.
Прочее: в эту категорию входят пикосекундные лазеры (10⁻¹² секунды) и другие специализированные системы, предназначенные для конкретных задач. Эти машины выполняют нишевые функции, сочетая в себе точность, скорость и стоимость. В зависимости от типа лазера они используются для уникальных задач, таких как обработка гибких подложек или производство сложных оптических устройств.
В зависимости от отрасли, в которой используется DLW, мировой рынок можно разделить на следующие категории: фотонные устройства, микроэлектроника, МЭМС (MEMS), микроконтактная печать, оптические переменные устройства (OVD), дифракционные оптические элементы (DOE) и другие:
Фотонные устройства используют прецизионное лазерное письмо и гравировку для создания сложных узоров на волноводах, фотонных кристаллах и оптических соединительных элементах.
Микроэлектроника использует DLW для изготовления наноструктур, необходимых для полупроводниковых устройств, интегральных схем и печатных плат (PCBs).
Преимущества производства MEMS методом DLW состоят в возможности создания микроскопических механических структур, таких как датчики, исполнительные механизмы и резонаторы. Эта технология позволяет быстро создавать прототипы и изготавливать сложные 3D-конструкции с высоким разрешением, используемые в автомобильной промышленности, здравоохранении и потребительской электронике.
Микроконтактная печать (Micro Contact Printing): DLW упрощает создание мастер-форм и штампов, используемых в микроконтактной печати — методе переноса изображений на поверхности. Это приложение широко используется в гибкой электронике, органических светодиодах (OLED) и биосенсорах.
Оптические устройства с изменяемыми характеристиками (OVD): DLW играет ключевую роль в производстве OVD, которые могут использоваться в качестве защитных элементов на таких документах, как банкноты и паспорта.
Дифракционные оптические элементы (DOE): DLW используется для производства DOE в таких отраслях, как здравоохранение и телекоммуникации.
Другие направления включают биомедицинские устройства, микрофлюидные системы и изделия, разработанные по индивидуальному заказу. DLW позволяет быстро создавать прототипы и производить сложные конструкции, помогая различным отраслям поиск инновационных решений.
В маркетинговом исследовании Direct Laser Writing (DLW) ожидается рост рынка оборудования для полупроводникового производства с 187 до 334 млн долларов с 2024 по 2033 г. с темпом CAGR 6,26% за рассматриваемый период 2024-32.
Главными игроками являются NanoScribe, Heidelberg Instruments, Microlight3D, FEMTIKA, Vanguard Photonics, Moji-Nano, Huaray.
В данной статье нас интересует только патентный аспект.
Патентный аспект
На портале Google.Patents поиск по запросу Direct laser writing показывает более 100 000 документов. По международной патентной классификации лидируют следующие темы:
обработка цифровых данных с помощью электрических устройств G06F — 26%
передача цифровой информации H04L — 13,1%
передача изображений H04N — 12,4%
системы обработки данных G06Q — 12%
полупроводниковые приборы H01L — 7,5%
технические устройства Y10S — 7,5%
фотомеханическое изготовление рельефных (текстурированных) поверхностей или поверхностей с рисунком, например для печати, для изготовления полупроводниковых приборов; материалы для этих целей G03F — 7,1%
распознавание, представление и воспроизведение данных; манипулирование носителями информации; носители информации G06K — 6,6%
накопление информации, основанное на относительном перемещении носителя записи и преобразователя G11B — 6,3%
Видно, что большинство патентов на изобретения касаются обработки и передачи цифровых данных, в том числе изображений.
Лидерами в патентовании выступили следующие (и в основном американские) компании:
Accenture Llp — 1,7%
The Code Corporation — 1,3%
Eastman Kodak Company — 1,2%
Canon Kabushiki Kaisha — 1,2%
Citrix Systems, Inc. — 1%
Специальный поиск по запросу Direct laser writing (DLW) (G06F) Google.Patents выдал в мае 2025 года 16238 документов. Динамика по годам представлена на рис.
Рисунок 1: Динамика мирового патентования изобретений на тему Direct laser writing (DLW) (G06F)
Источник: интерпретация автора данных Google.Patents 04.05.2025
Видно, что последние 20 лет темпы патентования изобретений в наиболее популярной теме (обработка цифровых данных с помощью электрических устройств G06F) носят платообразный характер. Лидерами патентования по количества патентов являются:
Samsung — 1,5%
Microsoft Corporation — 1,4%
Intel Corporation — 1,4%
Huawei — 1,2%
Dell Products L.P. — 1,1%
Как видно, лидируют знаменитые компании из США. Невольно их зауважаешь за усилия в больших базах данных и, очевидно, многоплановом развитии элементов и блоков искусственного интеллекта. Стараются не отставать корейцы и китайцы в лице Samsung и Huawei.
Примеры патентов:
US10656353B2 Directly written waveguide for coupling of laser to photonic integrated circuit. Current Assignee Google LLC.
US11397327B2 Method of manufacturing a grating waveguide combiner for an optical engine. Current Assignee Google LLC.
А что в России?
Яндекс Патент показывает по Direct laser writing 47 патентов на изобретения и полезные модели в период 1992-2023 г., как правило, по 1 ед. в год, но в 2018 г. был пик в 10 документов. Не все патенты касаются нашей темы, много цитирований, прототипов и информационного шума; есть просрочка (напомним, максимальный срок действия патентов 20 лет).
В базе ФИПС в рефератах на изобретения РФ по запросу Direct laser writing нет (!) патентов на изобретения. На запрос Лазерное Письмо, аналогично. Мы вручную отобрали 15 релевантных патентов на изобретения по Яндексу. Примеры:
№2377615 (2009) Устройство для оптической записи дифракционных структур. Институт автоматики и электрометрии СО РАН. Заготовка дифракционной структуры приводится во вращении (скорость вращения 15-30 об/с). Подвижный стол с фокусирующим объективом перемещается по команде от блока управления на заданную координату, по сигналу от блока управления источник записывающего лазерного излучения выдает импульс излучения, который экспонирует поверхность заготовки, покрытую пленкой фоторезиста или хрома
№2444161 (2012) Способ лазерного нанесения металлических покрытий и проводников на диэлектрики. Санкт-Петербургский государственный университет. Осуществляют фокусирование излучения лазера на границу раздела диэлектрик-раствор и сканирование лазерным излучением по поверхности диэлектрика, при этом в раствор вводят фотоактивные гетерометаллические металлоорганические комплексы, например золота, меди.
№2492599 (2013) Способ лазерного осаждения меди из раствора электролита на поверхность диэлектрика. Санкт-Петербургский государственный университет. Осуществляют сканирование излучения по поверхности диэлектрика со скоростью перемещения относительно точки фокуса в диапазоне 0,0025-0,01 мм/сек и мощностью лазерного излучения в диапазоне от 100 до 1000 мВт.
С помощью Яндекс.Патент отобрано три патента РФ на полезные модели по нашей теме, все от одной группы авторов, вот пример: №185038 (2018) Делительная машина маятникового типа для формирования штриховых структур на неплоских рабочих поверхностях. АО "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО"). Методом прямой лазерной записи (фотолитографии) дифракционный оптический элемент получают непосредственно в материале подложки, в стекле, в том числе LDW-стекле (Laser Direct Write) или в металле.
Увы! Мы обнаружили, что адекватного русского научно-технического термина для DLW нет. Калька «лазерное письмо» не годится, поскольку вызывает ассоциацию распечатку делового письма на лазерном принтере. Поэтому российские изобретатели применяют самодельные термины, кто в лес кто по дрова, например «лазерно-пиролитическое нанесение металла» (авторы Чесноковы из Новосибирска); «метод прямой лазерной записи (фотолитографии)» у Мельникова из ГИПО, Санкт-Петербург; «лазерная нанолитография» в ФИАН, Москва; «лазерная нанокристаллизация» в РХТУ им. Менделеева; «прямое лазерное письмо» в МФТИ; метод лазерного "прямого письма" «прямая лазерная запись» в ИОФАН. Кстати, термин «лазерная запись» в российской технической практике занят технологиями записи информации, например на оптических дисках, с помощью лазерного излучения.
НИОКТР
Патенты на изобретения и полезные модели в области сложных технологий готовятся в ходе плановых научно-исследовательских, конструкторских и теоретических работ. Открытая информация включает отчёты по грантам, диссертации, научные статьи, доклады на конференциях, объявления о тендерах.
На портале «Наука и инновации» по Direct Laser Writing учтено всего 14 документов, из них одна диссертация «Оптические и морфологические свойства микроструктур, полученных методом DLW-STED-фотолитографии» (2021 год, к. ф.-м. н., Данила Колымагин, ФИАН) и 13 отчётов о НИР.
Прямое (3+1)D-лазерное письмо элементов фотонных интегральных схем исследуется в 2022-2025 гг. в МФТИ на грант Российского научного фонда в 6 млн руб. В рамках НИР получены фоточувствительные композиции на основе метакрилатсодержащих N,N-диэтил-4-(фенилдиазенил)анилиновых красителей. В качестве элементов фотоники разработаны дизайн и шаблоны для создания 3D-микроконекторов ввода/вывода оптического излучения в фотонных интегральных схемах (ФИС, англ. PIC). Созданы образцы взаимодействующих волноведущих структур методами прямого (3+1)D-лазерного письма и/или DLW-STED-фотолитографии, и проведены исследования морфологических и оптических характеристик данных 3D-структур. Исследовано пропускание полученных структур сплиттеров. Из необычного: член научного коллектива Rilond Pattia Matital (гражданин Индонезии), успешно защитил диссертацию «Confocal Microscopic Investigation of 3D polymer microstructure components fabricated by Direct Laser Writing (DLW) lithography» (на английском языке), МФТИ, 26 сентября 2023 г. Также в рамках проекта идет подготовка диссертации члена научного коллектива Казанцевой (Писаренко) Анастасии Владимировны.
Метод лазерного "прямого письма" металлических и композитных паттернов для создания микроустройств на гибких полимерных подложках изучен в 2020-2022 гг. в СПбГУ на грант в 3 млн руб. от Российского фонда фундаментальных исследований. Основной задачей было исследование влияния условий лазерного синтеза и состава раствора на функциональные свойства получаемых материалов с целью выявления фундаментальных закономерностей протекания исследуемых реакций, а также разработки методик управляемого лазерно-индуцированного синтеза электродных материалов для термоэлектрических элементов и бесферментных сенсоров. Основное внимание направлено на получение (поли)металлических и композитных микропаттернов в системах Cu-Ni-Co/CuO-NiO-CoO.
Спиральные волноведущие брэгговские решётки, создаваемые методом прямой фемтосекундной лазерной записи, изучены в 2022-2023 гг. в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН на грант 3 млн руб. от РНФ. В рамках проекта созданы основы технологии изготовления и теоретическая модель спектрально-селективных устройств нового типа на основе спиральных волноведущих брэгговских решеток (СВБР), устройств способных возбуждать волноводные моды с орбитальным угловым моментом. Авторы проекта провели пионерские эксперименты по формированию СВБР в кристалле иттрий-алюминиевого граната ИАГ методом трёхмерной прямой фемтосекундной лазерной записи (Direct Femtosecond Laser Writing).
Заключение
Отсталость российских разработок в Direct Laser Writing ярко проявляется в том, что нет ни адекватного термина вроде лазерного наскрёбывания, ни англицизма типа коучер, блогер и т.п.
Патентный анализ показал, что последние 20 лет данный метод активно и настойчиво развивается ведущими мировыми компаниями в области электроники и фотоники, в основном в США – в интересах обработки огромных потоков информации и продвинутых элементов искусственного интеллекта (AI) и Искусственного суперинтеллекта (ASI). Российские изобретения, немногочисленные и фрагментарные, патентуются в основном техническими вузами и физическими учреждениями науки РАН, так, для диссертаций кандидатов в доктора. Из производителей реальных устройств патент на изобретение имеет только АО "Новосибирский приборостроительный завод", оптическое подразделение Госкорпорации "Ростех".
Активность в российском патентном поле в данной теме патентообладателей из передовых стран, например США, Японии, Ю. Кореи, нулевая.