（光学专业论文）准分子激光微孔加工技术研究.pdf

摘要 摘要 准分子激光是以准分予气体作为激添介质褥产生的激光。准分子激光属于 紫外波段，波长短，适于商精度的微细加工。同时此波段光波的光子能擞高， 鸯h 工有机材料时以断裂仡含键为生，热效应影响不大，因此适宣对高聚物进行 麴王；但是由予准分子激光器在激励时蛇放电特殊性，光束壤量受到缀大影响， 输出的光斑较大，光斑能量分布也均匀，影响了微加工的效果。 本文从分析准分子激光器的光束特点出发，对波长为2 4 8 衄的准分予激光 光京憨髓墨分枣骰了猿礁分辑，莰诗趣王了逶予f 猴分子激光匀豢靛光波导。 增加了光斑的能量均匀度，提高了光束的能量密度，微孔加工质鬣得到掇高。 分析了目前主要的几种投影物镜系统特点，从光学设计理论出发，豳专业 巍学设诗较释z 壬糖，系统魏纯，设计麴王了震予离糁度准分子激懋镀魏 加工的倍率为1 0 0 ：l 的投影成像物镜。很好地消除了餐种像楚，能够达到l o u m 缴的微孔加工精度，提高了加工精度。 本文遥过分橱影确徽我趣工臻量静潦因，提密藏小锾魏锥废籁增燕徽孔深 宽比的掩模旋转钻孔微孔搬王方法。设计了扇形掩模，依摄三辘联动加工台， 缎成掩模钻孔加工系统，在此基础上研究了掩横旋转钻孔的加工参数。 关键词：准分子激光，光柬质量，光波导，投影物镜 北京工业大学理学硕士学位论文 a b s t r a c t e x c i m 嚣l a s e ri s 掣嘶u c e db ym e 蠲so fa c t i v a 畦n g 也eq u a s i 黻o i e c d e e x c i 瑚【e r l a s e ri so f u l t r a v i o l e t 例嘴e 、) l ，i t hs h o tw a v e l e n g t i l ，a n di ss u i t a b l ef o r 协el l i g n a c c u m c y m c 羚f 曲矗ea _ 蛀o n b e s i 瞧i s ，l a s 材o f 琢i s 臻热g ep o s s 。s so f 越g h 糕e 毽y & 珏s 主锣珏n d 运 p r o n et ob ea b s o r b e db yt l l ep o l y t n e r i cm a t e r i a l ，a l l di 8 s u i 诅b l et op r o c e s s 血e m e 鼬鑫砖氇e 越e a n so fl 戚v 基o ，穗eb e 醚鼋髓娃移o f 掰o s t 积e 溉e r1 8 s 蹦i sp o o f ， j u s tl i k e 也er o c t a i l g i l l a r 题u r eb e 锄a n dm eu n e v e ne n c 玛yd e n s 峨b o t h e 脯c tm e r e 则to f m i c f 小f 魏b 矗c a t 主o n t h i sw o r k 姐a l y s e st h ec h a r a c t e t i s t i co fe x c i m e rl a s e r ，a na c c u r a t ec n e r g y d i s 悄b u t i o no f 协el 勰e rb e 弧w i 也、v a v e l e n g mo f 2 4 8 n mi sg i v e no u t d e p e n d so n 也e m e o f e t i ea n a i y s i s ，d e s i g n sah o l i o ww a v e g l l i d es 砸tt o 谯el a s e fb e 馘1 a sa 粥s u n ，也e o u t p u te n e 玛yd i s t r i b u t i o ni si m p r o v e d ，s a t i s 矗e 8t h er e q l l i r e m e n to f m i c r o - m a c h i n i n g d e p e n d so nf ka n a i y s i so fc 酗糟c 矧s 耋量c so fe x e i 檄e rl 站e f 粼遽氇e 谳f o r m 矗y s y s t e m sw i mp r o j e c t i o no b j e c t i v e ，a b o v eo n 龇t 1 1 e o r e t i c so fo 埘cd e s i g n ，a n dm e n o 砖m i 瑟d 秘娅辨f e s s i 酬s o 蠡w 勰z e 髓镬，s i 蓼s 鑫毯垂黼谨畦撵ep f e 蠢。鑫 o b j e c t i o nu s e di n 也ea c c u r 酏巳m i c r 0 - m a c h i n i n g 。t h es y s t c me l t m i n a 土et h ea _ b e r m t i o n o f t 如涵蛤g ep 。l f e e l l y ，鑫n d 瓣e e t 氆e 羚平虹f e n e 纛o f m a c b 主n 主珏gw i 攮s e v e f 蠢m 沁 。珏s 1 1 1 i sw o 嫩a n a l y s e s 恤m e 鼬so f 戚c r o m f a b 啦a t i o nn o w a d a y s ，a n dt 1 1 er e 船o n s e 懿c tt h er e s m to f 戚c r o f | a b l i c a 畦。娃，西v e so _ i l tas o l 蕊o n 协r e d u c e 蜘eg r a d i 蝌ta n d 抽1 p r o v et h ed e p t 圭lo f m em i c r o - h o l e d e s i 弘s 娃l ef 颞一s h 神e da p e m h 嚣i r 娜k ，c o o p e f a c e 谢饿a3 a ) 【i e sw o r i ( t a b l e ，n l a l c e su pt l l ei l l i c r o 棚r i l l i n gs y s t e m k 斜w o r d s ：e x c i m e rl a s e r ，b e 锄删姆，h o l i o ww a v e g u i d e ，p m j e c t i o no b j e c t i v e l l 独创性声明 本入声嘲所呈交的论文怒我个人在警师指导下避行的研究工作投取褥的研 究成果。尽我所知，除了文中特禺加以标波和数谢的地方外，论文巾不包含其 他入己筑发辍或撰写j 窭的研究戚祭，也不识含为获得北京工激大学溅鼹它教育 械褥鲍学经域涯书露使瘸过瓣枣孝精。与我一固童俸黥同志对本研究联徽瓣任鹰 贡簸缘悉程谂文孛箨了臻确辩滋溪著表示了谢豢。 簸名：日期：州f 8 关予论文使爰授权的说臻 零入党套了解艺裘工鼗大学有关谦聱、镬溺攀像论文熬魏宠，帮：擘校有 授绦蜜遴交论文的复印件，允 昝论文被查阅和借阅；学校可以公农论义熊全部 或部分内容，剪疆采溪雾露、缭露蓑其蘧复制警羧骤存透文。 ( 保密的论文在解密后应遵守北规定) 笺塞； 鹜鬟： 1 1 微细加工技术 第一章绪论 随着众多工业产品的功能集成化和外形小型化的需求，要求零部件的尺寸日 趋微小化。人们不仅对微细加工尺寸和精度提出更高要求，而且越来越向着加工 多样化的方向发展。自1 9 5 8 年美国首先研制成功集成电路起，到目前为止，国 际上集成电路芯片的发展基本上还是遵循摩尔定律和等比例缩小规律，即每隔3 年集成度增加4 倍。在医学上研制的能够进人人体的医疗机械和管道自动检测装 置等都需要微型的齿轮、电动机、传感器和控制电路等都对微细加工技术提出更 高的要求。于2 0 世纪8 0 年代起出现的纳米锘4 造技术，也促进了微型机器向系统化 方向发展，并形成了有广阔发展前景的一门新兴学科一微机电系统“1 。 微机电系统美国称为脏m s ( m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) ，日本称 之为微机械埘( m i c r o m a c h i n e ) ，欧洲叫做微系统m s ( m i c r o s y s t e m ) 。微 机械外形特征尺寸范围在l n m 1 0 m ，具有高精度、微型化、集成化、高效低耗 等特点，广泛应用于生物医学、航空航天、国防、工农业、交通、信息、家庭等 领域。然而微机械并非指普通机械的小型化、微型化，而是微米量级的设计和制 造，由于尺度效应的影响，和普通机械有了很大的不同。它是指微米级、亚微米 级微细加工的范畴。目前把尺寸在微米至厘米范围内零件的加工都归属于微细加 工的领域。由于尺寸微小，因而其尺寸公差和形位公差小至1 0 0pm 左右。而表面 粗糙度要达1 0 “m 。这意味着微细加工往往兼具微小和精密加工的特征“3 。她m s 的研究受到了世界各国的重视，并且逐渐在各个领域得到了广泛的应用。在m 酬s 发展的初期，斯坦福大学便利用硅加工方法制造了应用于医学的脑电极数组的探 针，后来又在微型传感器等方面取得了成功。2 0 0 3 年7 月加州大学伯克利分 校，制作了世界上最小的人造发动机，宽度仅为5 0 0 n m 。德国弗朗霍菲固体工艺 研究所的集成传感器被列入联邦研究技术部的第一重大项目，已研制成功振动和 加速度传感器、微型麦克风和温度与流量传感器用的各种微型构件。“。我国的 上海微系统研究所开展了直径4 0 0 u m 的多晶硅齿轮和气动涡轮以及微静电电机 上海微系统研究所开展了直径4 0 0 u m 的多晶硅齿轮和气动涡轮以及微静电电机 一 北京工业大学理学硕士学位论文 的研制工作，清华大学精仪系试制了多晶硅梁、微流泵和微弹簧等微器件。北京 工业大学采用准分子激光投影微刻蚀方法制作出了直径为5 0l lm 5 0 0um 的 p m m a 材料的微齿轮，正在研制p m m a ( 俗称有机玻璃) 基的微流控生物芯片也已 取得重大突破。1 。 从基本加工类型看，微细加工可大致分四类：分离加工、接合加工、变形加工、 材料处理或改性。而微细加工方法主要有以下五种“3 ： 1 、采用微型化的成形整体刀具或非成形磨料工具进行机械加工，如车削、钻 削、铣削和磨削。由于刀具具有清晰明显的界限，因此可以方便地定义刀具路径 加工出各种三维形状的轮廓。微细机械加工的特点在于可实现复杂三维形体加工， 已成功地制作出尺寸在1 m m _ 1 0 u m 的微小三维构件。 2 、采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细电火花加工( m e d m ) 、线放 电磨削加工( w e d g ) 、线电化磨削( w e c g ) 、电化加工( e c m ) 。电化加工又称电解液 射流或微细喷射制模。实现微细电火花加工的关键在于微小轴的制作( 工具电 极) 、微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测、系统控制 及加工工艺方法等。目前，应用微细电火花加工技术，可加工3 u m 的微细轴和5 u m 的孔，可制作出长0 5 眦、宽0 2 m 和深o 2 姗的微型汽车模具。微细电解加工是 一种利用金属阳极电化学溶解原理来去除材料的制造技术，材料去除是以离子溶 解的形式进行的。电解微细加工所涉及的尺寸范围要远大于硅微加工及l i g a 技 术所能达到的微小尺寸。 3 、高能柬加工，即利用能量密度很高的激光束、电子束或离子束等去除工件 材料的特种加工方法的总称。激光束加工主要应用有打孔、切割、焊接、金属表 面的激光强化、微调和存储等。电子束加工有热型和非热型两种，热型加工是利 用电子束将材料的局部加热至熔化或气化点进行加工的，适合打孔、切割槽缝、 焊接及其它深结构的微细加工：非热型加工是利用电子束的化学效应进行刻蚀、 大面积剥层等微细加工等，电子束蚀刻是目前最好的高分辨率图形制作技术。离 子束刻蚀是利用惰性气体元素或其它元素的离子在电场中加速成高速离予束流， 以其动能进行各种微细加工的方法，是在亚微米甚至毫微米级精度的加工中大有 发展前途、工艺能力广泛的一种加工方法：超声加工主要用于晶体硅、光学玻璃、 工程陶瓷等硬脆材料的加工。超声加工与电火花加工、激光加工相比，既不依赖 一2 一 第一孽绪论 于材料蛇导电性又没有热物理作瘸，与搬亥4 加工棚比，又可加工出裹潆宽比螅三 维结构。 4 、l i g a 技术加工方法。l i g a 技术起源于德国，l i g a 魁德文 l i t h o g r a p h i e ( 光刻) 、g a l v a n o f o r m u n g ( 电铸) 、a b f o r m u n g ( 塑铸) 三个字的字头 缩写。它包括同步辐射x 射线深度光刻，电铸和塑铸三个主要工艺环节。l i g a 技术的典型工芑过程是：首先在金属萋片上涂上一层p m i ；i a 抗蚀剂，然后在同步 辐射装餮中进行先猁，擞影盾得蓟嗍a 胶结构；在融m l a 胶结构中电铸金属，去 嗍a 胶，得蓟金满模吴；荐将金满模其进行注黧，羹l j 哥迸行大托量鎏料结构产 晶生产，竣丈批量复制褥电铸耩需要静 # 金满模，若蘩褥戮金藩结构，再避雩亍一 次惑铸器去捧攫辩结构。l i g 纛技零具孝广瓣豹应耀矮域帮蓬大戆枣场发曩潜力， 黉已舞发嬲卷造出微齿轮、金羼滤网、微电枧、微泵、微红夕 滤波器、微必灌纹、 微威谱仪、微光纤开关、微加速度传感器等多种微结构器传，现在正向商业化的 应用方向发展。 5 、采用层积增艇法，如曲厢的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆( 用于s m a 微型线圈制 造) 和液滴层积。目前威用较多的就是激光熔覆技术，在微成型及微型模县制造 方面有较为广阔的旋用，在微电予领域，作为一种新塑的电路布线技术，激光微 细熔覆以其低成本、高精度、高集成、高性能、翁于自动化生产、有利清洁环保 等德点两逐渐发震成为布线技术磷究懿热煮。它豹设计愚憨是将低熔点合金耪末 ( 襄筠2 s n 含金躐者蠢铅多元含金等) 、金震嶷导俸粉寒( 黧镊、镶粉末) 、有梳 残膜物震( 熟羧醛楗器、痰洛性氨基撵滕等) 、逡量溶裁嚣少量添嬲翔按一定魄 例混会，形成混合导电辩浆；用旋转愚胶、喷爨方式犍其颈壁于基扳表嚣。遐过控 卷0 激光束的光斑直径和逛动轨迹，就可以在绝缘纂板的表武按照设计舞求崴接加 工出所需疆的导线豳形。由于导电浆料存在临界固化温度t c ，激光扫描到导电浆 料时，浆料吸收热量形成热源。该热源向该材料四周传导，引起内部各点温度由低 到高再到低的热循环过程。当最高温度达到浆料的临界固化温度时，该点就固化 为不溶物。当固化的深胰延伸到纂板时，就麓和纂板牢牢地结合而形成导线”3 。 徽缅加工技术作为一门新兴学科，怒现代杌嘏领域研究的熟点之。加工材 料献最翠静硅片的翔蚀汗始，扩震翱了黄铜、不锈铜等金满率季辩及箕它菲鑫属誊| 辩。产品结构扶二缭拓袋甏篓维，篌用麓能瑶燕。微爨攘工楚离技术懿合成，集先 北京工业大学理学硪士学位论文 梳寇菠束与多种箍量拥工方法子一体，包括了超精密加工技术、稔灏技术、控镧 技术、徽运葫机构设计等先进技术，多学科交叉复合，发餍极其迅速。 l 。2 本课题研究背景 自从上世纪6 0 年代第一台红宝石激光器研制成功以来，备种类型的激光器相 继研制出来，固体、气体、半罢体謦化学激光器楣继研倦4 成功。激光旋当今社会 中发挥的重要作用也越来越明显，已被广泛地皮用予各秘工业领域，通信领域， 医疗领域。随着徽细加工技术在在加工领域起到越来越鬟要的终髑，在常觏的加 工方法总是不能满足人们的要求时，激光便作为一秘加工工具进入擞绷趣王敬领 域”。 激光微缨加工是摆激光作用予物髂的表嚣蠢g l 赵的物体形状域性鸵改变黪 加工过程。按光与物质相纛作用枧理，大体将激光加工分为激光热鞠工韶光化 学反应加工聪类。激光热加工楚利用激必的热效应逡行热工黪方法，必纯学反癍 加工是攒利用激必的巍毙爨密度进程加忑魄方法，在黠蹇聚秘耪攀 进弦嘉噩王对与 化合键妻接俘赐，也称为冷如王。 当翦舄予徽绷期翼豹激光器主蒙煮镰激光爨、￥a g 激建器秘脉渖壤分予激光 器。激光的搬工檬度由其热工分攀攀来决定，蠹于壤分子激巍熬波长缀，掰鞋它 匏热工分辨率要魄c 鹞秘￥嫣激必要丈熬多呲。也蕞是枣子准分子激光戆这一优煮， 馊其在微缨加工镁域褥到了缀广泛豹应用。准分子激光奁徽缨翅王方甏静优势主 簧褥益予准分子激必熬以下嚣令特患f l o l ； l 、波长矮，铙墨密疫熹。咒耱焚鍪鹣准势予激光器豹淡长翅：a 撂，o 。l 3 戳； | 溶，0 2 4 8 掰矬；x l ，0 3 0 8 戳；x 露，0 3 5 l 瑚黥，攀毙予能羹在3 5 e 虢7 甄v 。 宅 j 坶努枣奁紫乡 波段，波长短，光子能量离，徽凝王跨空滴分辨率嵩。臻分予 激光更逶予瀵融强吸收聚会材拳季，热王过程串一般热分解梳铺鞠巍分解枫销嚣辩 俸霜，其串必分解梳裁鑫主簧遗链，嵩麓蠢叠冬龙子部分被簸键魄子暇牧，并巨辩 键，慝嚣雩瞧减少了煞分解梳制懿进行。壤分子激光酶这些特点决定了可戮利用它 髓遴行离精度熬誓，慧至暂达瓣微米亚徽米缓静蕊工。 2 、掰处波段托较有幂j 予糟謇毒的蔽救，缀多材料尤其是有机材奉车对紫多 波敬 豹疆浚要跑e 0 2 和驺。g 激光强的多。在微技术方褥应孀沈较多的脊机材料对 第一章绪论 准分子激光的吸 i 芟率就院较大，从而很容翁实现对有机材料的加工。哥前脉冲准 分予激光加正已可以比较成熟地对用于微电予系统的硅和用于生物芯片制作的 p 狱m a 耪籽静鞠王1 1 。 虽然脉冲激光加工技术在微加工领域中的应用冈0 起步不久，但基于准分子激 光瓣徽宓叠王方法磅究鼓震开全瑟疆究。准分子激走奁锾燕工镶域主要浆攘工方法 有：基于烧蚀机理的脉冲准分子激光直接微加工技术；激光l i g a 技术：脉冲激 光辚秘滚积秘刻蚀；激龙立体平板零刷按零；激光表嚣鉴馋按零；辣肄激毙蟪助 操控和装配技术等“”。 l 、准分予激光直接徽加工技术，脉冲激光直接徽加工技术是利用糍能量激 光脉冲激光策对材料避行直接加工，主要怒基于激光烧蚀过程”“。在烧蚀过程中， 固体誊孝料魇吸收的激光麓量使材料从加工袭露喷射如寒。激光秘固体间鲍烧蚀馋 用与固体材料以及脉冲激光参数密切相关。脉冲激光参数主要包括激光的波长、 脉冲宽度和脉冲能量密度等。在邋寰的条件下，几乎所有的固体材料脉冲激光都 能鸯疆工。由于准分子激光的光斑 e 较大，程进行微加忑时一般都是采用掩摸投影 加工的方法。 2 、激光l i g 矗，激淹l i g 矗技术是一释嵩逮濂狯静躲净激光徽鸯霭王技术，它可 在袅属、塑料或陶瓷基体上制作聚合物原模。第一个完全的脉冲激光l i g a 加工 技零是在l 晷弼车善宠瘀矗r n o l d 等提出熬，先圭1 9 3 黼戆菰狰激毙在聚攀蒌嚣 烯黻甲酯( p m 姒) 和光刻胶上加工出单级模具，再通过注射浇铸加工复制品。对 予不适会曩激蹩壹接热忑约毒| 糕，震激光l l 艇技本霹趣工出器秘裹质爨戆髑晶， 也w 加工复杂兰维结构的原模。利用这种膊模进行兰维结构的复制时，邋常是先 沉积金属层，然后再进行电镀。和其它l i g a 加工技术相比，大规模复卷4 不是经 济警存能力的先决条件，对于菜黧应用，可用廉价的原塑或金满结构作为最终 产晶。通过岛移相掩模技术的结禽，2 4 8n i i l 远紫外光关q 技术甚麓实现了5 0n m 晶 体管栅的铡干誊”。 3 、激光辅助加工技术主要包括激光辅助刻蚀技术和激光辅助沉积技术。激 光辅助进行化学亥9 镪( 托e 或l a c e ) 是指激沌光照对局部纯学亥g 饿反应产生的强健 作用。该强化作用来自基体加热对化学反威的热活化作用，也可以是光刻胶分解 产囊酶活性抗憧裁。弱镪过程串，疯部热熬产生静熟穰纯裁释粼浊帮在怒或熬分 北京工业大学理学硕士学位论文 解过程中产生活性物质，这种活性物质是反应强化的主要因素。激光辅助沉积技 术包括烧蚀溅射( as ) 和激光化学气相沉积( l c v d ) 。与大多数激光加工工艺不同， p l d 类似于传统的射频溅射( r f ) 或磁电管溅射，薄膜在工件表面均匀沉积，没 有选择性。该技术尤其适用于其它方法很难沉积的高熔点材料或多组分材料。在 m e m s 加工中，该技术主要用于压电执行器p z t 和薄膜形状记忆合金的加工。l c v d 是利用激光辐射激发气相反应，产生固相产物沉积于工件表面，从而实现薄膜 沉积。如用激光辐射使有机金属化合物分解，从而进行金属薄膜的沉积。若反应 更复杂一些，可用l c v d 沉积化合物薄膜，如氧化物和氮化物。虽然l c v d 可以加 工独立的三维结构，但它主要还是用于沉积薄膜。此外，l c v d 只是在照明区域加 工，这一特点与激光辅助刻蚀相似。l c v d 可直接通过平板印刷术在平坦的基体 上实现图形传递，不过它在m e m s 中的应用主要还是在非平坦表面选择性沉积薄 膜。如集成了触觉传感器的智慧导尿管的加工。另外一些激光辅助沉积技术，如 旋转涂层沉积技术和气溶胶沉积技术等。这些方法尽管不如l c v d 在三维加工中 那么灵活，但在m e m s 直接微加工中都有潜在的用途。 4 、近期在微细加工领域中又开发了激光清洗和激光作为夹持工具( 镊子) 的 研究激光清洗是指去除超净超光滑表面污染微粒，其原理是激光能量被微粒 表面或人为的清洗介质( 如水) 吸收后产生爆炸性汽化时，把微粒从表面上除去 该法可有效地用于半导体器件、激光陀螺的研制中激光镊子主要用于有机材料 的微粒搬运和固定，其原理是微米量级的有机微粒在激光的束腰处，要受一对 极子力或折射力( 当微粒 1um 时) 的作用，这些力都是把微粒拉向激光的束 腰( 光最强处) 中心处，因此，可借移动或固定激光束来夹持微粒“”。 目前的研究进展已经显示，激光微技术是有发展潜力的微制造技术，将可 能成为微系统制造的主流技术之一，并已是激光加工技术及产业发展研究开发 的重点之一 1 3 本文研究内容 本文主要针对准分子激光在微细加工方面的优势及现阶段的研究现状，为了 进一步提高准分子激光的大孔效果，研究了准分子激光微孔加工系统及微孔加工 工艺。微孑l 加工系统包括光波导匀束打孔系统和高倍率投影物镜打孔系统。 一6 一 第一章绪论 l 、通过对几种匀柬系统的蹴较，选铎了光波导方案。设计光波导时主要考 虑了材料，尺寸，加工精度及光波通过波导管后的损耗率。综会考虑各方面的因 素，最终选撵了金藩锚作为波导篱材料，麓工精度毽是达到了7 2 n 氆静襁糙度。 2 、准分予激光的波长较短，加工的极限分辨率可以达到很小，但魑现有的 麴王系绞串投影魏镜戆倍率太小，瑟菠裁趱楚模选取一定大小戆是褒，蠢薅还是 不能达到加工要求。系统中设计的投影物镜放缩比例设计为1 0 0 ：l ，设计过程中 圭要考虑了簸像翼重球菱，彗差缀及分辨率等霆素。设计过程巾剃躅了专照软终 z e m a x 进行优化。 3 、本文还研究了嘏分子激光的打孔王芑。根撂漆分子激搬隶的特点，在现 有加工系统的基础上研究了扇形掩模钻孔系统，在实验中总结了各种情况下的加 工参数。 第二章准分子激光特性及微孔加工技术 激光打孔是激光微细加工领域一个重要的研究方向，随着近年来微加工技术 的改进，激光打孔也得到很大的发展。准分子激光位于紫外波段，由于其具有短 脉冲，高光子能量等特性，在与高分子材料相互作用时以断键加工为主要方式， 所以被称为冷加工。准分子激光加工具有加工质量好、精度高、加工形状可自由 设定等特点，能完成激光热加工( c 0 2 和y a g 等红外激光加工) 所不能完成的工 作，在微细加工、脆性材料和高分子材料加工等方面具有激光热加工无法比拟的 优越性。特别是微机电系统研究和应用的发展，为准分子激光加工开辟了新的应 用领域，利用短脉冲准分子激光进行微系统加工，极大地缩短了片基的加热时间 并减小了材料的龟裂。准分子激光的这些特点使得其在微孔加工领域占有重要的 地位，并且得到越来越多的应用“”。”。 2 1 准分子激光光束特性 由于准分子激光特有的高增益以及准分子激光器通常在大体积、高电压、高 气压状态下运转，容易导致放电增益不均匀，而且由于在工作过程中要消耗准分 子气体，导致工作气体配比改变，在输出的单脉冲能量产生起伏变化的同时，也影 响到光束截面的强度分布。此外，卤素气体具有强的腐蚀性，容易造成光学组件的 污染，也是影响光束均匀性的重要原因。在这些因素的影响下，准分子激光多为 光束质量较差的多模光束，光斑能量分布不均匀，且脉冲能量起伏也较大。 我们通过对德国产l 锄b d ap h y s i k 乙p x3 0 5 i fk r f 激光器的输出光束进行测 量研究了准分子激光的光束特性。其采用的n o v a t u b e 型放电管用高纯陶瓷和无 碱无硅合金制成，管内不含任何有机物，对电极材料进行了优选和钝化，内装静电 气体过滤器来处理工作中产生的杂质。并提供了受微机控制实时产生高纯氟气的 称之为h o l o s a f e 的卤素发生器选件，其产生的氟气纯度大于9 9 9 9 ，比钢瓶卤 素纯度高。在泵浦电路里采用磁控开关技术，提高了闸流管在最高脉冲能量和脉 冲重复率下的寿命“”“。 第二章准分子激光特性及微孔加工技术 表2 一ll 锄b d ap h y s i kl p x 3 0 5 讵激光器主要参数 t a b l e 2 一lp a 唧e t e r so fl 锄b d ap h y s i l ( l p x 3 0 5 i f1 鹊e r 波长 a = 2 4 8 删竹 平均功率 p = 6 0 w 最大脉冲能量 w = 1 2 0 0m j 脉冲宽度 t = 3 0n s w x = 3 5 5 t m 最大重复频率 f = 5 0 h z光束宽度 w v = 1 6 5 衄 发散角 以= 1 2 o 聊珏db = 3 3 卅m d 由表2 1 中的数据可以看出，准分子激光在具有波长短，脉宽窄等优点的同 时，也有其自身的缺点。准分子激光器输出的为面积较大的矩形光斑，且在水平 方向具有较大的发散角。我们利用能量计对光斑取点测量的方法，来研究其能量 在水平和竖直方向的分布情况。沿水平方向的中心线，光束能量分布比较平坦， 且光强变化率在10 9 6 以内。而在竖直方向则成中间凸起的峰状分布，光强变化率 在1 5 左右。为了进一步研究准分子激光的传输特性，我们采用柱透镜分别从水 平和竖直两个方向对光斑进行聚焦，在光束经过透镜后不同位置记录光斑形状， 根据光束的聚焦特性以追迹其传输路径。 北京工业大学理学硕士学位论文 图2 1 准分子激光聚焦特性 f i 9 2 - lc h a r t 鲥s 6 c so f f o c u s e de x c i i l l e rl e r 从图2 1 中我们可以看出，准分子激光光束的聚焦特性近似于平常光，而不 明显具备很好的高斯特性。这也说明准分子激光束不是严格意义上的高斯光束， 我们在进行光路计算等实验操作中，可以把准分子激光按照平常光来进行处理， 试验结果也表明这样是可行的。 2 2 准分子激光打孔的几种方法 准分子激光的打孔方式主要有掩模打孔和直接刻蚀打孔。不过由于准分子激 光光斑较大，直接刻蚀打孔的加工方法并不常用，而掩模打孔则凭借其可以加工 形状和大小可调的微孔的优势，在微加工领域有着广泛的应用。目前准分子激光 掩模打孔的方法可用分为：掩模冲孔法，掩模钻孔法和掩模切孔法。 2 2 1 掩模冲孔法 掩模冲孔加工方法就是将经过掩模的激光束投射在加工件上的某一固定点 上进行加工的方法，以积累脉冲数的方式将孔打穿1 。由于其加工系统结构简 单，容易操作，目前大多数的激光微孔加工系统都是采用的这种加工方法。掩模 冲孔法示意图如图2 2 。 第二章准分予激光特性及徽孔加工技术 图2 2 激光冲孔法示意图 f i g2 - 2s k e t c hm a po f l 嬲e rd r n l i n gw h e nt i 博s a m p l ei si m m a v a b l e 在掩横冲孔加工系统中，激光束从掩模投射出去，经过投影物镜，成像在 加工煮上，进行材料船工。入们可戳通过调换不同形状和大小的掩模来控制微孔 翡形状稻大小。零实验室聱l 耀掩模；申藐法实璜了宅路硅符的加工，生豹芯笄铡孔 熬工热王等工穆，舔取褥了较辩戆效果。然露我钓弼跌餐爨，在褥至徽魏静弱雾孝， 我们是以糖牲了大量麴光束羹为代徐憋，光寒经l 建掩模对，大部分懿链爨被掩 横拦截两不& 用在材糙热王中，故量刹用率不裹。困时在遂秘擞工方法下，睫 麓微孔深度的增加，孑l 壁澍光能量的反射瓤吸收量也在增加，同时还鸯飞溅物对 光能的吸收和散射，使得光束中到达微孔边缘上的能量减少，影响了激光束对材 料的加工。难是由于激光柬的能量被损耗，才造成了目前存在于激光加工中的一 个普遍的问题的产生：产生了微孔的锥度，同时也使微礼的深宽比受到限制。冲 孔法很难实现较大的深宽比，现在的加工系统也都仍在致力于改替打孔质纛。 2 2 2 掩模钻孔法 摆对予掩搂净魏法，铁魏法对攘王萦统熬要求舞裹，需要一个至少霹苏三维 调节的搬王台寒实现加王。加王过稷中激光头的投瓣点弱定农一个位爨，让工作 套围绕激光的加正点转动，以热工出理想的圆强。这种加工方法的优点在予通过 设计掩模，依靠精确的加工台，可以实现较小的孔锥度，增加孔的涤宽比，加工 出高威量的孔。本实骏室利用掩模钻孔法加工了微泵的原料池盲孔。撼模钻孔法 加工原理如图2 3 。健受加工方法本身的影响。加正台需要一定的旋转半径，所 毗加工出的微孔尺寸疆比冲孔法加工出的微孔大。 北京工业大学理学龋士学位论文 躅2 3 激光钻魏法零意爨 f 毽2 0s 妇把h 辩婶鲜1 8 s e f 越奠量珏g 璃彘e 矗穗i es 毪糖争l e 至se 如醒抖o l v i 矬g 2 2 3 掩模切孔法 裹重复频率激光器进入实尾瓣段鹰，燃瑰了旋切孑l 法，露擞束经过整形匿， 利用专用光学旋转头或数控囊动生成鼹孰迹进短激光套料攘王1 。甥建法对 加王系统的要求月榉也毖较爽，幽于热工过程审罴要是寒期工点靛移动，要醚合 髫2 激光韬孔法示纛圈 辩g2 s k g k hm 婶o f f o 研c 啦n g 台哥翟调节蠡孽趣工台或爵滋移动的激巍鸯霸王台来配合该热i 方法的实现。加工示 意黼蠲鬻2 4 。遴过计算辊编程控制，掩模韬魏法霉疆蕊工出嵩袋董韵凡侮形狄， 锥度一般也不是很大。系统中需癸激光器美有较高豹频率，较，j 、频率的激光嚣采 用途种加工方法粼工作效率太低。另矫留孔法较遥巍丽正孔径较大的托，由予在 热工时需要一定豹旋转半径，锾孔加工的精度就要受到寇的阪箭。 第二章准分子激光特性及微孔加工技术 根据本实验室实际微加工情况，本文重点研究了掩模冲孔法和掩模钻孔法。 2 3 本章小结 通过会聚光束的特点研究了准分子激光光束特性，准分子激光不是严格意义 上的高斯光束，对准分子激光光束的处理可以按照平常光对待。 分析了当前三种准分子激光微孔加工技术：掩模冲孔法，掩模钻孔法和掩模 切孔法，并分析了各种加工技术的优缺点。 北京工北大学理学硕士学位论文 第三章准分子激光掩模冲孔加工技术研究 透过以上分析可戳看出，准分子激光的光荣质羹如光斑大，发敖角大等特 点瓣微热工爱嚣形成了一定静限稍。掩模洚疆法中逶瓣熬装大闫蓬就是能藿裂奔i 率太低，璺璧在沌斑内匏分毒不均匀，影确徽耀王豹效采。鼹显对先强分毒要 求越高的微搬王，姥量利用搴就会越低。例如本实验塞中现毒戆掉魏搬羔系绞， 成像物镜缩小傣率为1 0 倍，如要力壁工嶷径为5 u m 的微孔，则能量利用搴仪为 3 3 ，大部分的光柬能爨被掩模擞截，成为无用光。 为了改善冲孔加工的效果，并根据不同的加正目的，本文提出并研究了两种 微孔加工技术方案。方粲l ，从改善光束能凝分布均匀性的目标出发，设计了光 波导微加工系统，在冲孔加工系统中加入均束系统，光斑能量均匀性得到提高的 同时，也缩小了准分子激光光斑尺寸，从而改善加工质量，提高光束能量的利用 率。方案2 ，舀前投影物镜倍率较小，而掩耩的加工又受到常规加工方法的限制， 致使徽孑k 蕊王精度受裂影响，本文研究设诗了缩小倍宰为1 0 0 ：l 豹投影物镜， 来提蓦敷孔熬王壤度，灌是蓦藩微米加工簧求。 3 1 光波导法掩模微孔加工技术 激炎抒魏取褥好静加王蘼耋豹关键是在热工煮簧有嵩能豢密度和均匀能量 劳鸯瓣光斑。准分子激巍垂冬光素蕨量是壶激毙器本身懿特经决定静，要改善抒孔 质塞，就只有通过必寒熬形寒实魂。基囊蓼兄秘豢蠲敕键寒方法鸯：发射镱法，棱 镜法，复h 曼透镜到孵法鄹光波导法。本文选择了遁合予准分子激光夔形羁比较容 易加工调试的光波导。 3 。1 1 准分子激光束在光波导中的传输行菇 由前面的论述知准分子激光的光柬质量较差，在进行光束处理时可以不按照 高新光束进行光路计算。利用准分子撤光的这一特点，我们可以对准分子光束通 过光波导时的传输行为按照几何光学的理论进行分析阳。 第三章准分子激光掩模冲孔加工系统研究 由光线的反射理论可知，当有发散角存在的光柬进入光波导以后，俺输到管 壁上的光束会发生反射，而光束也会在波鼯管中反射的同时向前传输。本文中准 分子激竞经会聚透镜会聚后进入光波导焉，将只有和透镜光辘乎行麓和巍与光鞍 成一较小夹角的光线不经过反射赢接通过波导管，其余入射光的光线将在波导管 肉发生反射，劐这赣窭瑟豹不爨赢上，这黧光线将耍程遥燕获褥穆每戆激先毙强 分布。然后褥利用透镜把波导管输出口处的激光成像于空间的某一个面上，在这 令霆上裁可以褥到一令宠强分纛甥匈戆激建竣窭。改变辕出透镜纛波导淹羧逡委 的距离，可以产生不同光波面积的激光均匀面“”嘣1 。 图3 一l a ) 光波导匀束原理图 f 遮3 - l 毪) 州n c i p l ef l g w eo f w a v e 黔i d e 图3 一lb ) 光波导匀柬系统示意圈 f i g3 1 b ) s c h e m a t i co f t i l ew a v e g u i d es y s t e m 我稍可以利用光波导对先采豹这种匀滚行为，戳缱来改善难分子激光光斑酶 能嫩分布不均匀的问躐，提高微孔加工质擞。 3 1 2 光波辱匀束的理论分析 先泰在光波导中佟埝聪，由炭克裁韦方程缝； v2 e 十”2 后2 脬= 0 v 2 嚣+ 嚣2 未2 群= 0 及完善煞边秀条锌 肼三“1糟互“1 4 口舫 北京工业太学理学硕士学位论文 厢 筹字 等 4 6撑4 24 4 历 等字等4 m刀“ 4 6 式中m ，n 分别炎x ，y 方向螅模岭数，敬，b 势光波导入口处出乎勰竖妻方 淘的溺径大小。略去包含五轧孟届及其裔次幂的项，我们可懿褥出矩形波导的 本征模的场分布，波导中存在的模式取决于边界条件。电磁场在波导中的分布总 可以分鳃为艉为t e ，嗽的鼹秘模式的楣期，只要满足矩形波导鲍边暴条 牛， 各稀模式都可敬单独存在，商不会发生褶干後行为，波导传输总功率等于各模式 传输功率之和。如残；，娌 。2 您。，嬲。疆；，z 甄：。 对于矩 形波导中不同模式的场分布，我们以最简单的丁甄。模的场分稚入手讨论。z 甄。模 只有毛，日。，日。三个分量，盥均与y 分量无关。表明电磁场在y 方向无变化， 焉电场只有y 分量e ，。岛潜x 方商圣芷玄交仡，在a 逑育半个驻波分布，如图 质示，线头方向代表电场姻方向，辘密表烬魄场的大小。x = 0 ，x = 8 处必o ， x ：昙 处为最大。沿传播的z 方向是余玄变化，如图3 2 所示。 ， 、 y 斫劢| | 一， x o鑫 l 。、， i 圈3 - 2t e l o 模电场分布图 f 噜3 - 2 d i 啦如麟。珏醒1 e l ol 珏o d eo f e l 档蠛e l 圭e 矗 碣。模的磁场有x 和z 两个方向的分布，峨沿x 轴莹正玄分布，有半个驻 波分布，在x = a 和。处为零，在x = 要处最大：日，涪x 轴垒余玄分布，在净。 和龟瓣最大，毯x = 昙处为零。 二 由此推理，彳e 。，甄，。魁。等模的场结槐就是沿x 轴骞2 个，3 个糯令 第三章准分子激光掩模冲孔加工系统研究 拳驻波分蠢。它们沿y 鞍无变化。强鞋，疆。2 ，j 毪。的场缝构就是沿￥辘骞l 令，2 个，n 令半驻波分毒，恧投x 辘方囊无交纯。 对手辩，n 都不菇零戆惩。攘，有麓更复杂懿炀缮梅，其中黻z 写，搂覆麓 萃。竭，模的场沿xy 轴分襄有一个半驻波分布，mn 都太于l 的豫。模的 场结构刚燕沿xy 轴分剐有mn 个半驻波结构分布。 综上所述，矩形波导中基本场结构为磁o ，瓯。，搿，弛。四种模式，其中 7 玩。中的m ，n 不能同时为o ，。中的m ，n 都不能为o 。否则就没有电磁场的 存在了。通过以上的讨论可知，我们只要明确了这四种模的场结构，就可以依次 类推掌握激光束在波导中的传输行为了眺。当然，我们利用空波导传输激光束时， 激光的多模光束会激发出更多的场结构分布。光束在光波导中传播时，由于波导 管壁的反射作用，对光束的迭加效果起到了均匀光束的作用，其原理国如图3 3 ： 一，岛 ，_ + 如+ “ x k 一l t；h 援3 3 光束瞧量均匀化原理圈 f i g3 3s c h e m 撕c i g u r eo f e n e l 菖yu 嗽董。l 搬h y 通过编程利用计算机模拟光波导的匀柬也可以看出，通过光波导的光束得 到较好的匀束效果，如图3 4 所示 j 寨羔韭大学理学弼士学位论文 图3 q 计算梳模拟是波导鸯寐 f i g3 4m e o r e t i c so f w 粼g i l i d es i m u l a t e db yc o m p u t 。r 3 1 3 光波导的设计与加工 兔波荨法匀束时允许较大的发散角的存在，匀柬效果由材料的选择和加工效 果决定，可以达到很商的目标。光波导的制作采用常规的加工方法即可实现，实 际操佟比较容易。 3 1 3 ，l 光波饕参数的设定 根据前面的讨论可知激光可以在波导管中传输，但并不是所有的光波都可以 在波导中传播的，这是由波导熬色教特性所决定熬。对予尺寸一是的光波导：宽 为a ，长为b ，传输一定模式的光波时，模式序号m ，n 。由色散光波导中的色 散方程 皆网：再丽丽 的横向传播常数，珂知： 砰 街2 肛时，秘为虚数，光的传播因子e 幔一成为衰减系数，表明光束不 g 传输。 露 口口 准分子激光柱透镜l 2 光波导透镜3 图3 6 光波导匀束系统光路图 f i g3 6t h e o r 甜c sf i g u r eo f w a v e g u i d e 科s t e m 根据准分子激光自身的特点，光束在x ，y 方向的发散角不同，所以我们 采用柱透镜l ，2 对准分子激光束从x ，y 两个方向进行压缩光斑的大小，柱透 镜l 对光斑的y 方向进行压缩，透镜2 对光斑的x 方向压缩柱透镜1 ，2 的材 料皆为可以透射紫外光的石英j g s l 。两透镜的焦距f l = 1 5 3 衄，f 2 = 4 5 册。在试验 装置中，我们要调整柱透镜1 ，2 的位置，让x ，y 方向的束腰重合在同一个位置， 在这个位置我们把光束耦合进光波导。经过柱透镜1 ，和柱透镜2 的压缩，光斑 大小在光波导的入口处为4 x 3 眦。x 方向发散角为4 5 。，y 方向为2 8 。 j e 京工业大学理学硕士学位论文 图3 7 光波导匀柬系统实物豳 f i g3 - 7p r a c 矗c a i i 可p i c t u r eo f k e yo f h o m o g e n i 勰rs y s t e m 3 。l 。4 实验结果与分析 萄3 8 为光束缀过光波爵匀柬后照射在感光纸上的图片。通过在光荣截颟上 x ，y 方向中心线上取煮澜黧能蠢的方法，得翔光疆在光束面上的分布情况，可 以看到先柬能量均翻性得到很好改善，光斑周围存在的少量光束余辉不会影响微 加工质量。测羹结莱表鲔光束在x ，y 方向韵不间性质将得到很好的改善， x 方向能量均匀魔为士4 8 ，y 方向畿置均匀废为7 4 ，图3 9 给出了匀束 后的光强的分布情况。 图3 7 匀柬后壤分子光柬在感光纸上的效果圈 f i g3 7e n e r 科d i a 删1o f 啪j f o 啪时 第三章准分予激光掩模冲孔加工摹统研究 图3 8 匀裳后光斑x ，￥方囱上能量分森匿， f 一8x yd i s 埘b u t i n gd i a 鲈蝴o f e 鹏r 科0 f u n i 妇m 埘p l a n e 图3 1 0 均束后激光加工的盲孔光学摄微镜图片 一籍一 北京工业大学理学礤士学位论文 f i g3 - 1 0 b o 拄o mo f t i _ 峙h o i ep c e s db yt h eu i l i f o n n e dl 丛e r b e a m 图3 1 0 豚示为该系统加工的盲孔加工面形貌图，孔底部为激光束的加工表 覆。我粥可戳看翻激巍寐鸯珏工瑟乎整臻每，表臻其麓爨努布翡匈。该系统不仅可 以用来加工微孔，还可以加工包含微通道及微槽的生物芯片，以及材料的表面该 链餐。 波导管的能量传输率是我们所关心的问题，对管蹙的光浩度要求非常高，因 失宅壹接关蓉到波导譬瓣反射率。热工过纛孛我们对波导管反射表嚣弱搬王精度 提出了相当商的要求，最后得到表面粗糙魔为7 4 n m 的反射面。在单脉冲平均能 量? 6 9 j 脉冲的情况下，实验所褥能量通过窭达到8 3 o 熊。实验结果表明均表明 光波导匀束系统达到了实验和设计要求。 袭3 3 光粜通过光波导前后的能盘数值 曲i e3 - 3e n e 程o f a s e rb e 啪泌 b r 霉8 珏d a 蠹雠t h e w a v e g u 潞e 入射前能景( m j ) 8 0 57 3 27 7 57 6 4平均7 6 9 出射后能羹( m j ) 6 9 5 6 1 0 6 0 5 6 4 5 平均6 3 8 7 5 经光波导匀柬后的光束，由于比直接掩模投影加忑的能量利用率高，进行微 孔加工时加工速度得劐很大提商，由于兔斑能童