（机械电子工程专业论文）准分子激光微刻蚀加工的实验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 球面调制靶是一种具有特殊构型的激光聚变靶，它对于研究惯性约束聚变( i c f ) 实验中的瑞利一泰勒流体不稳定性具有重要意义。球面调制靶的制备技术是i c f 研究 的重要组成部分之一，其关键难点集中在对空心玻璃微球( h g m ) 外表面生成预定的扰 动条纹的微细加工。鉴于h g m 的外形、材质等物理特点，通过对多种形式的微细加工 技术进行分析，本文选择准分子激光微刻蚀加工技术制备球面调制靶。 本文首先简单介绍了准分子激光和微细加工相关领域的技术和设备，详细地分析 了m a e s t r o 型准分子激光工作站的结构；介绍了液滴法制备h g m 的方法及其物理品质 的测定方法；选取了合理的激光微刻蚀加工环境和汲取h g m 的方案；针对h g m 外形微 小且力学性能差、极易破碎等物理特性，结合微刻蚀加工的具体需要，分别给出了用 于t l g m 准分子激光直写和掩膜加工工艺的两种特殊装夹实验设备及其实验方法。 其次，对m a e s t r o g 型工作站的准分子激光束参数和光路传输系统( b d g ) 的光学 性能着重进行了分析和探讨，研究出一种采用2 4 8 n m 波长的k r f 准分予激光加工球面 调制靶的方法，进行了若干次加： 实验。 最后，通过对实验加工数据和球面调制靶实物的分析，说明采用准分予激光微刻 蚀加工球面调制靶的方法可行，效果良好，i 叮以达到预定的工艺要求。 关键词：准分子激光空心玻璃微球球i f i 凋制靶刻蚀加工 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o s p h e r e sp e r t u r b a t i o nt a r g e ti sak i n do f l a s e rt a r g e tw h i c hh a ss p e c i a lc o n s t i t u t i o n a n di ti s s i g n i f i c a n tf o rt h er e s e a r c ho nr a y l e i g h - t a y l o ru n s t a b i l i t yi nt h ei c i n e r t i a l c o n f i n e m e n tf u s i o n ) e x p e r i m e n t m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fm i c r o s p h e r e sp e r t u r b a t i o n t a r g e t j sa ni m p o r t a n tp a r to fi c fr e s e a r c h ，t h ek e yd i f f i c u l t yi s m i c r o m a c h i n i n go nt h e s u r f a c eo fa h g m ( h o l i o wg l a s sm i c r o - s p h e r e s ) a n de n g e n d e r i n gs c h e d u l e dp e r t u r b i n g s t r i p e i n a s m u c h a sh g m s p h y s i c a lp e c u l i a r i t ys u c ha se x t e r i o r , m a t e r i a l ，e t c ，e x c i m e r l a s e r e t c h i n gw a ss e l e c t e dt om a c h i n em i c r o s p h e r e sp e r t u r b a t i o nt a r g e t a f t e ra n a l y z i n gs o m e k i n d so fm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e si nt h i st h e s i s f i r s t l y , s o m et e c h n o l o g i e sa n de q u i p m e n t si nt h er e l a t i v er e a l mo fe x c i m e rl a s e ra n d m i c r o - m a c h i n i n gt e c h n o l o g yw e r ei n t r o d u c e d e s p e c i a l l y , t h ec o n f i g u r a t i o no fp a r t so ft h e m a e s t r oe x c i m e rl a s e rw o r k s t a t i o nw a sa n a l y z e di nd e t a i l a f t e rt h a t ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e dh g m s m a n u f a c t u r i n g m e t h o d sa n dt h em e n s u r a t i o no fi t s p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s t h ee n v i r o n m e n to fm a n u f a c t u r i n ga n dm e t h o do fh g m sd r a w i n gw e r e s e l e c t e d s m a l lv o l u m e ，l i m i t i n gm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n df r a g i l i t yo fh g mm a k ei t v e r y d i f f i c u l tt om a c h i n et h eh g m t h e r e f o r e ，c o m b i n i n gw i t ht h e p r e c o n d i t i o n o f m i c r o - e t c h i n g ，t h es c h e m e s o ft w od i f f e r e n tk i n d so fs p e c i a lc l a m p i n gd e v i c e sw e r eb r o u g h t f o r w a r dj nt h i st h e s i s ，o n ek i n dw a sb a s e do nh g m e x c i m e rd i r e c tw r i t i n g ，a n dt h eo t h e r w a sb a s e do nm a s k e d m a c h i n i n g t e c h n i c s s e c o n d l y ，a m o n g t h ec o n s i d e r a b l ef a c t o r s d u r i n g t h ec o u r s eo f d e s i g n i n g t h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h ep a r a m e t e r so fl a s e rm a c h i n i n g t e c h n i c sa n do p t i c a lp e r f o r m a n c e o fb e a md e l i v e r ys y s t e m ( b d s ) w e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d b a s e do i lt h ew o r ka b o v e ， a nm a c h i n i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o du s i n g2 4 8 n mk r fe x c i m e rl a s e rf o rt h em i c r o 。s p h e r e s p e r t u r b a t i o nt a r g e tw a sp r e s e n t e d s o m em a c h i n i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tw i t ht h i s m e t h o d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ld a t u m a n dh g m e x a m p l e s w e r ea n a l y z e d t h er e s u l ts h o w e d t h a tt h em e t h o do fe x c i m e rl a s e rm a c h i n i n g m i c r o - s p h e r e sp e r t u r b a t i o nt a r g e tc a na c h i e v e b e t t e rp e r f o r m a n c ea n dm e e t ss c h e d u l e dt e c h n i c a ln e e d k e y w o r d s ：e x c i m e r l a s e r h g m ( h o l l o w g l a s sm i c r o 。s p h e r e s ) m i c r o s p h e r e sp e r t u r b a t i o nt a r g e t e t c h i n g “ 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 时滴 日期：知瓯年s 月f o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：坟才漓 日期：如叱年 月i o 日 艚撕签名：刺q t 日期：矿岬年，月，口日 华中科技大学硕士学位论文 1 , 1 课题概述 1 1 1 课题来源 1 绪论 课题来源于中国工程物理研究院高温高密度等离子物理实验室国防科技重点基金 项日：球面调制靶工艺研究( 项目编号：5 1 4 8 0 0 6 0 1 0 l j w 0 5 0 5 ) 。本文是该课题的主要 研究部分之一。 1 1 2 课题目的与意义 目前国际上实现受控热核聚变的主流技术是激光惯性约束聚变( i c f ) 。在激光惯 性约束聚变研究之中，激光聚变靶的制备技术是一个极其重要的组成部分。球面调制 靶是一种具有特殊构型的激光聚变靶，它对于研究i c f 实验中的瑞和一泰勒流体不稳 定性( r a y l e i g h t a y l o ru n s t a b il i t y ) 具有十分重要的意义。研究表明，靶丸表面的 不平整是引起瑞利一泰勒流体不稳定性的主要原因之一。现阶段普遍采用的是在靶球的 平整球面上人为引入面密度扰动的方法，出此模拟产生瑞利一泰勒流体不稳定性。因此 具有起伏表面图形的球面调制靶的制各就显得尤为重要。 球面调制靶的制备技术可以分为静后两阶段： ( i ) 空心玻璃微球( f g m ) 的制备； ( 2 ) 通过对h g m 外表面进行微细加工，在f l g m 外表面生成预定扰动条纹。 经过对不同形式的多种微细加工技术进行对比研究，结合已有设备m a e s t r o 型准分子激光工作站和被加工对象h g m 的各项特性，选择采用准分子激光微刻蚀技术 作为球面调制靶制备的基本朋工方法。 本课题针对球面调制靶制备工艺着重展丌采用准分子激光微刻蚀加工的实验研 究。 j 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外相关技术领域的发展概况和趋势 1 2 1 惯性约束聚变( i c f ) 以及激光聚变靶制备技术现状与发展趋势 1 惯性约束聚变( i c f ) 简介“1 所谓惯性约束聚变( i c f ) ，就是利用高功率驱动器( 现阶段主要是强激光束) ，通 过聚心内爆，压缩加热d t ( 氘钏) 靶丸，使之达到高温高密度的热核点火状态，在惯 性约束的条件下发生自持热核反应。 惯性约束聚变的研究是由我国著名物理学家王淦昌教授和美、苏几位科学家同期 独立提出构想，在一系列试验性研究中利用高功率激光束诱发热核聚变而发展起来的。 激光核聚变的研究，从长远耳标看来可以为人类终极能源开发作出巨大贡献，在近期 主要是为理沧核物理研究以及核爆模拟试验进行服务。在国际全丽核禁试条约签署后 的今天，实验室激光核聚变的研究越发具有战略意义，显得尤为重要。因而以强激光 为驱动器的惯性约束聚变研究目前已成为国际上最为重要的前沿科学研究领域之一， 我国也对此予以高度重视，将其列为国家8 6 3 高技术研究发展的一个主题项目。该主 题项目旨在跟踪研究国际上先进的强激光技术以及利用它发展起来的惯性约束聚变技 术，从而带动发展相关学科的系统研究。 2 激光聚变靶制备技术研究现状与发展趋势 瑞利一泰袖流体不稳定性是激光驱动和射线驱动内爆理论和实验研究中一个重要 的课题，它是i c f 实验中在靶物理和相互作用物理两方面迫切需要解决的问题之一。 研究表明，引起瑞利一泰勒流体不稳定性的原因有多种，靶丸表面的不完整性是其中之 。美国利弗莫尔实验室的t h o m a sd il t r i c h 经实验研究证明当靶丸表面粗糙度增加 时，中子产额会减少并使聚变反应迅速减少。如何进一步在理论和实验中明确瑞利一 泰勃流体不稳定性的作用是目前i c f 实验中的一个关键问题。采用分解实验是一条可 行途径，通过人为引入而密度扰动可模拟i | i 此j 虹生的不稳定性。刚此具有表面起伏图形 的激光调制靶的研制及其参数的精确测定就显得尤为重要。目前，利用调制剥进行的 瑞利一泰勒不稳定性的研究已经取得一系列结果，而且已从二维空间调制模拟发展到三 维空| l j 调制模拟，但关于激光调制靶自身的制备技术却鲜有系统的报道。 激光调制靶根据靶本身形状的不同可以分为平面靶、球形靶、异形靶等。 同济大学波耳固体物理研究所的周斌、王珏等人在平面调制靶制备领域进行了深 入的研究，并成功研制成功了具有表面起伏图形的平面调制靶”。其实验流程大致如 华中科技大学硕士学位论文 下：采用金属n i 电镀图形转移工艺将激光干涉工艺获得的耦合在光刻胶表面的起伏图 形转移到n i 基衬底上，从而获得具有表面起伏图形的金属n i 模具，再选用合适的聚 合物薄膜，采用热压工艺和称为“流延法”的工艺将金属模具上的表面起伏图形转移 到聚合物薄膜上，进而获得具有表面起伏图形的平面调制靶。 中国工程物理研究院激光聚变研究中心的唐永健、邱龙会等人在球形聚变靶空心 玻璃微球( i i g m ) 的制备领域进行了研究”1 。解决了玻璃原料配方优化、液滴的初始速 率、大小及玻璃形成物含量的控制、多区高温液滴炉内轴向温度分布等诸多技术问题， 优化了液滴法制备h g m 的工艺，为神光i i 直接驱动内爆出中予实验成功提供了直径分 别为1 0 0 um ，2 0 0 um 和5 2 0 pm 等3 种规格的薄壁空心玻璃微球，其几何参数、耐 压能力、保气性能等各项指标均满足了打靶实验要求。2 0 0 0 年4 月在上海神光i i 装置 上使用这三种薄壁t l g m 充d t ( 氘训) 靶丸进行了激光直接驱动出中子试验，获得成功。 现阶段的研究重点和发展趋势是如何运用现有微细加工技术针对空心玻璃微球 ( h g m ) 进行球壳表面微细加工，进而制备出用于研究瑞利一泰勒流体不稳定性的球面 调制靶。 1 2 2 微细加工技术现状与发展趋势 微细加工( m i c r o f a b r i c a t i o n ) 起源于半导体制造工艺，原来指加工尺寸约在微 米级范围的加工方式，在微机械研究领域中，它是微米级微细加工 ( m i c r o f a b r i c a t i o n ) 、亚微米级微细加工( s u b m i c r o f a b r i c a t i o n ) 乃至纳微米级 微细加工( n a n o f a b r i c a l i o n ) 的通称。广义上的微细加工，其方式十分丰富，几乎 涉及各种现代特种加工、高能束加工等方式。而微机械制造过程又往往是多种加工方 式的组合”4 1 。 从基本加工类型看，微自1 1j e i j e 可大致分为四类： ( 1 ) 分离加工将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、 切削、破碎等： ( 2 ) 接合加工i 刊利一或小州利喇料的i ：f lj j u j ：l l 或柏互结合加工如蒸镀、淀积、 掺入、生长、黏结等； ( 3 ) 变形加工使材料形状发，k 改变的加一l 方式，如塑性变形加工、流体变形加 工等： ( 4 ) 材料处理或改性和热处理或表面改性“。 表1 1 列出了经常涉及的不同形式的微细加工方法。 华中科技大学硕士学位论文 表l ，1 不同形式的微细加l 方法 类型加j l ：机理 加：i ：方法 化学分解( 热激活式) ( 液体，气体，l 州体)光刻活性离子刻蚀i 化学抛光 分 电子化学分解( 电解激活式) ( 液体，闹体)l h 解抛光t 电解加工( 刻蚀) 离 蒸发( 热式) ( 气体，硎体)电子束j n y l 激光加工热射线加一i ： 加 扩散分离( 热式) ( 1 嗣体，液体，气体)扩散去除加工( 融化) 工 熔化分离( 热式) ( 同体，液体气体)熔化去除加工 溅射( 力学式) ( 固体)离子溅射加工光子直接去处加上 离子化表面原子的电场发射用电场分离( s t m 加：l ：，a f m 加。【：) 化学沉积及结合( 1 卤l 体，液体，气体)化学镀气相镀反麻镀a r p 电化学沉积及耋占台( 同体，液体，气体)电镀睡i 极氧化电镀电泳成型 接 热沉积及热结合( 吲体，液体，气体)蒸发沉积外延生蚝分子求外延 台 扩敢结合( 热式)烧结发泡离子渗氮 加 熔化结台( 热式)熔化镀浸镀 。i j 物理沉积及结合( 力学式)溅射沉积离子镀膜1 离子束沉积 注入( 力学式)离子注入加工 电子场发射s t m ( 扫描隧道显微镜) 加j l ： 变热表面流动热流动表面加。i ： 形黏滞性流动( 力学式)液流( 水) 抛光气体流动加i ： 加 摩擦流动( 力学式) 微细粒子流抛光( 研磨压光) i ： 塑性变形电磁成酗放电弯i t h 拉伸等 分子定何s 1 m ( 扫描隧道显微镜) 装置 材料热激活( 电子。光子离子谆)淬硬遐火上光硬化 处理涮合沉积( i 出- ，离于，光乎求)扩放混合( 离子) 或化学反应( l bk - ，高r ，光f 等)聚合解聚合 故性 加能化学反应( 电f ，光f 束，离子)嵌面活性抛光 儡化反应反应激励 微细加工技术曾经广泛应用j 二大规模和超人规模集成电路的加工制作。且证是借 助于这些微细j 1 1 工技术，众多的微f 乜予器件及牛关技术和产业爿得以蓬勃兴起，并迎 来了人类社会的信息革命。同时微细加工技术也逐渐被赋予更为广泛的内容和更高的 华中科技大学硕士学位论文 要求。目前微细加工技术在特种新型器件、微型电子零件和电子装置、精密机械零件 和装置、表面分析、材料改性等诸多方面也在发挥着日益重要的作用。特别是在微结 构研究和制作方面，微细加工技术已经成为必不可少的基本环节。 1 2 。3 准分子激光加工技术现状与发展趋势 准分子激光属于气体激光的一种，因组成气体工作物质的原子只在激发态才成为 分子，一旦回到基态即离解成原予而得名。它包括稀有气体的准分子激光，稀有气体 氧化物和稀有气体卤化物准分子激光几种不同类型“”“1 。 在脆性硬质材料加工方面，准分子激光有着传统的c 0 2 和n d ：y a g 激光所不可比 拟的优越性。c o 。和n d ：y a g 激光加工材料的机理是通过将材料加热到熔点且对材料汽 化，往往容易对周围区域形成热破坏，属于热加工性质。而准分子激光与之对比主要 有以下优点： 1 准分子激光的波长相比c 0 ：和n d ：y a g 激光更短，可以得到尺寸微小的聚焦光 斑，适合于微米级乃至亚微米级的微细加工。 2 准分子激光的光子能量大，可以直接与材料中的化学键作用并使之断裂，形成 自由原子、分子和离子组成的等离子体羽。 3 c 0 。和n d ：y a g 激光的脉冲宽度为m s 级，而准分子激光的脉冲宽度一般为 2 0 - 6 0 n s ，前一个脉冲产生的微4 q j h 熟, ! 量在下一个脉冲到来之前有充裕的时间被驱散， 且等离子体羽也可带走大部分热量。因而准分子激光微细加工对周围材料形貌的破坏 影响较小，基本可以归为冷= | j l 工。 由此可见，准分子激光相比一般的激光更适合于微细加工。此外，其短波长的特 性为具有高透射家的光学材料的微细加工提供了不可替 弋的工具，扩大了可加工材料 的范围。一般包括金属、玻璃、陶瓷、泌料、尼龙、溶凝胶、会刚石以及半导体材料 等。 准分子激光微细加工的主要应用领域有以卜i 三种： 1 准分彳激光对材料进行剡蚀微细加一i ：； 2 利用准分子激光的短波长特性进行光刻； 3 利用光致折变效应进行光纤光栅或光波导的制备。 在刻蚀加工应用领域，国外一些公司如英国的e x i t e c h 公司已有成套加工没备进入 商用阶段，主要是采用投影成像技术进行微细加工，包括打孔、刻字、电路板制作以 及各种微结构的制作，应川在微机电系统( m e m s ) 、微l 乜予业以及i i 物医学等领域“；一 ir 1 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究工作 本文的主要研究工作如下： 1 对准分子激光微细j j l l 工相关领域的技术进行了介绍。研究了准分予激光光束的 基本特性和传输特性，并从设备构成和设备控制软件两个方面分别对激光微刻蚀加工 的实验设备进行了详细的分析。 2 介绍了h g m 的制备方法和物理品质，并在此基础上针对直写、掩膜两种刻蚀加 二r ：方法分别提出了特殊装夹实验设备的设计方案和具体实验方法。分析讨论了准分子 激光束微刻蚀加工的相关参数设置。 3 通过对实验结果的分析，提出了准分子激光微刻蚀加工的参数取值范围，并对 微刻蚀加工实验的设备提出了改进和拓展意见。 4 对准分子激光加工球面调制靶实验的进一步研究作了一定的探讨和展望，提出 了努力的方向。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 准分子激光器 2 准分子激光微加工设备 “准分子”，顾名思义，它与常态分子不同，不具有稳定的基态( 内部能量的最低 状态) ，是束缚在电子激发念下的分子。准分子是一种只在激发念( 其茁比基态能量商 的状态) 下才能暂时结合成不稳定分子，而在正常的基态下会迅速离解的不稳定缔合 物。它从产生到消失的时问总共只有几十纳秒，很快便自动离解成原子或其它分子团， 形成自山原子，分子和离予组成的等离子体羽。 准分子特有的能级如图2 1 所示。 h2 ，i 准分r 能缎示意i i “ 准分i 了可以按照标准分为两种类型：类足同核准分予，如稀有e 体准分了a r ：+ ， k r ：+ ，x e ：+ 和衾属凇分。fi g ：8 等。其小“$ ”v - 表永准分f 。另一类是异核准分子，如稀 有气体氯化物和卤化物x e o + ，k r o ，a r o ，a r f ，k r f * ，x e c l 等，以及金属卤化物h g c i ， c u f * 等。早期的参考文献称两个i 司核原子形成的准分子为“d i m e r ”，两个异核原予形 成的准分子为“e x c j p j 。x ”，：i 个饮原予形成的准分予为“t r i m e r ”。现征一般通称准 分子为“e x c i m e r ”，即为e x c i t e dd i m e r 的缩写“”“。 产生准分子激光需要有外界激励源，使处在高能念的原子数量大于低能态的原了 数量，c ；! f j 上卜能态之刚产生反转；，f ：提供起放火作用的增益介质作为激光。1 ：作物质， 7 华中科技大学硕士学位论文 其激活粒子有适合于产生受激辐射的能级结构，即亚稳态级( 高低能态之问存在的一 个具有较长寿命并能存贮大量粒子的能级) ：此外，还需要有激光谐振腔以使受激辐射 的光能够在谐振腔内部维持振荡。由于高能态与解离的低能念之间的反转可自动维持， 所以准分子能充当激活介质的理想分子。用它作为工作物质有以下两个明显的特点： ( 1 ) 准分子寿命很短，即电子受束缚状态上能级寿命仅为1 0 s ；激光跃迁的下能 级是排斥态或寿命非常短( 仅l o “”s ) 的弱束缚态，故基态基本上总是抽空的。只要 激发态的分子存在，就会形成很高的粒子数反转，可期望准分子激光器具有非常高的 饱和强度( 可高达m w c m 2 量级) 和量子效率。 ( 2 ) 与其他激光器的束缚束缚辐射跃迁不同，准分子系统属于束缚自由 辐剩跃迁。有益于没有明显的振动转动跃迁，所以跃迁具有较大带宽，这就需要 具有较高的阈值泵浦功率柬保证。 准分子激光器是一种高压脉冲式气体激光器，其激活介质通常是多种不同混和气 体构成的准分予系统，激光的跃迂发生在束缚的激发念和排斥或弱束缚的基念之阳j ， 属于束缚自由跃迁。 构成准分子系统的混合气体有多种类型，这些混合气体在泵浦作用力下反应而形 成受激分子态，即准分子。目前实用化准分子激光器中一般采用的是双原子稀有气体 r 。和稀有气体卤化物r x ( 其中r 表示稀有气体原子，x 表示卤素原子，术表示准分子) ， 工作压力分别为几兆i 的和儿百兆帕。在稀有气体卤化物r x 准分子系统巾除了占比例很 小的用于形成准分子的气体以外，主要成分为n e ，h e 或a r 构成的稀释或缓冲气体， 一般需占整个混合气体的8 8 9 9 ，主要用于传递能量，其本身并不参与产生准分 了激光。准分子激光器的激射波长完全墩决于构成准分子系统的混合气体种类”“”。 高压 储能电容器 放电区 图2 2 典删准分子激光器的i 作原理示意幽 弘! = 害 u 激光输出 华中科技大学硕士学位论文 图2 2 所示为典型的准分子激光器结构与工作原理。准分子激光器中有一根充有 激活混合气体的管道，泵浦系统通过它对混合气体进行激励。由于激活气体在运行时 会逐渐变质，视气体种类和具体条件的不同，一般只能激射1 0 8 1 0 8 次，因此激光器 均设有气体更换系统或净化处理系统。另一方面，为了提高准分子激光脉冲的重复率 和输出功率，大部分的准分子激光器都将部分激活气体存贮在激光区域之外的贮气室 中，并可以通过循环系统流动。激光谐振腔设计成密封形式，长度在l m 以下，标准结 构为一个稳定的共振腔。由于增益较高，这种腔可以产生相当强的激射光束”。 1 9 7 0 年b a s o v 等人利用强流电子束激发液态x e ，观察到1 7 2 n m 谱带因增益而变窄 的现象。1 9 7 2 年在气相x e 中获得了x e 。受激辐射，这便是世界上第一台准分子激光器。 1 9 7 4 年在美国k a n s a n 州立大学报道了稀有气体卤化物在紫外波段的强荧光辐射，这 一结果引起了激光学术界的极大兴趣，美国海军实验室在1 9 7 5 年首先实现了x e b r + 激 光振荡；随后其它各种稀有气体卤化物准分子激光器也相继研制成功。因为能够发射 各利，不嗣的特别是紫外谱波段激光( 到目前已实现激光振荡的激光器，除少数x e o ， k r o ，a r o 等准分子产生绿带激光振荡外，输出波 乏多分布在紫外、远紫外和真空紫外 波段，因此准分子激光器常被称作紫外激光器) ，同时在发射短波长时能保持最佳的转 换效率，并具有较高的单次激光脉冲能量，这些特点使准分子激光器技术得以飞速的 发展，并在微细加工等领域表现巨火的应用潜力。其中稀有气体卤化物准分子激光 器的效率最高、输h ；功率也最高，因而得到了j 。泛应用。”4 “。已成功运转的一些准分 子激光器及其波长见表2 1 所示。 嵌2 1 准分f 激光及其波k 同核一聚物准分， 异 幺准分f 名称波k n m乞称波k n m名称 波陡n m a 1 2 6 ia 1 9 3 3x e f +3 5 1 1 k r 2 。1 4 5 7 k lc l +z z ：jx e o +5 5 0 f 2 1 5 7 k r f 2 4 8 4a r o t5 5 7 6 x e ，+1 6 9 1 7 6x e b r +2 8 1 8 k r o 5 5 78 i i g ，+3 3 6 x e c l 3 0 8 l l g c i 5 5 8 4 注：可见光波欧范围为3 8 0 7 8 0 n m 。紫外光波k 短丁 3 8 0 n m ，分真空紫外( 1 0 2 0 0 n m ) 、远 紫外( 2 0 0 3 0 0 n m ) 平近紫外( 3 0 0 3 8 0 n m ) i 个谱区。 华中科技大学硕士学位论文 迄今，准分子激光体系同渐丰富，其激励方式不断改进，功率和效率也不断提高。 单脉冲输出能量已高达百焦耳量级，k r f ，a r f + 等准分子激光器的峰值功率最高可达千 兆瓦以上，平均功率可以超过2 0 0 w ，脉冲宽度一般十几到几十纳秒( 拉长脉冲宽度可 以达到us ，脏缩脉冲宽度可以达到f s 量级) 准分子系统器件的总效率可达1 0 ， 输出发敞角达到了衍刳极限值，k r f + a r f 激光器的波长调谐范围超过2 n m 。 2 2 准分子激光器的光束特性分析 2 2 1 准分子激光的基本特性 i 激光波长x ( 1 ) 分辨率与焦深 光学系统能分辨的最小特征尺寸公式为w 。 ( 1 2 8 n a ) ，其中 为激光波长， n a 为数值i l 径。大数值的孔径镜头能提高分辨率；根据焦深公式z = 凡( 2 n a 2 ) 可 以得知焦深与数值孔径的平方成反比，当增大数值孔径的同时，焦深会随之急剧f 降。 而从缩短波长的角度考虑，准分子激光器发射紫外光，波长极短，利用这一特性不但 能提高光学系统分辨率，并且焦深也有所增加。特别是利用准分子激光进行直写微细 加工时，聚焦光斑的尺寸精度会相应地得到较大提高。 ( 2 ) 光子能量高 根据爱因斯坦的光子能量公式为e = h v = c v ，因此短波长的紫外激光具有更高的 光子能量，已知最高可达7 9 e v 。这不仪扩大了可加工材料的范围，而且在加工机理 上与传统的纯粹热传递耦台方式不川。n j 于光子能量高于多数分子的化学键能，所以 准分子激光可深入被加工材料分i i 结构内部进 r 直接加工，从而人大减小了微细刻蚀 ：l i i | 工的热效应。 ( 3 ) 易l f 被牛，i $ ： 吸收 半导体材料和大部分金属材料的比吸收系数都随激光波i 圭减小面急剧增加。硅和 玻璃作为微机械的典型材料能强烈地吸收紫外辐射，其吸收系数大约在2 6 5 n m 左在取 得最大值。从有效吸收光能量的角度柬肴，准分子激光尤其是波长为2 d g n m 的k r f 激 光相比其它种类的光源更适合硅和玻璃等脆性硬质材料的微细加工。 被) j h i 材料对准分子激光的较商吸收系数有助于将光束能量最大限度地转化为老 除利料的虹接有效动力，町减轻激光加工过程i f j 的热扩敞，同时定量的光能所对应 的材料刻蚀量变小有利于提高微细加工精度和加一亡过程可控制性。 华中科技大学硕士学位论文 材料强烈吸收紫外光的特性也影响着准分子激光光学元件的选择。准分子激光的 光学元件一般采用透过性较好的s i o ：、c a f 。、m g f ：等材料，建立准分子激光直写加工 系统时需要特别考虑相关问题。 2 脉冲宽度 准分子寿命短，准分子激光一般都为脉冲式产生，脉冲宽度大多在2 0 n s 左右，远 小于普通激光。这有助于提高功率密度。脉冲宽度经压缩后甚至可达f s 量级，原来在 纳秒o ( n s ) 量级下不能加工的材料，在飞秒( f s ) 量级下可轻松去除。窄脉冲宽度可显 著缩短加工的有效时间，并缩小热影响区。 3 发散角0 紫外激光器的发散角一般为毫弧度量级，为普通的c 0 。，n d ：y a g 激光的十几分之 一。发散角决定着激光平行性和空间相干性，较小的的发散角有利于在被加工工件上 得到更小的聚焦光斑和较高的聚焦能量，从而有助于提高微细加工的精度和效率。 4 激光光强的分部空间 准分子激光的光强分布具有特殊性。一般激光为高斯形，而准分子激光在相互垂 直的两个方向的光强分别为高斯形( 或准高斯形) 和高帽( t o p h a t ) 形。 准分子激光跃迁有较大带宽，这会降低激光单色性。微细加工中形成色差的倾向 增强。山于时间相干性也会桐应减小，敞不易生成散斑。另外宽带容易得到可调谐的 激光发射。对准分子激光合理采用压缩带宽的相关技术，可是其频带宽度压缩至数个 n 田毖至i n 埘以下，其单色性会得到显著增强。 5 效率、功率和能量 准分子激光的平均功率巧i 商，一般小_ j 二2 0 0 w ，相比其它常用激光器小的多，但它 属1 ：脉冲宽度极短的脉冲激光器，发溆角也非常小，。坟其功率密度。怍常高，可达 1 0 ”w e m 2 以上，参见表2 2 。以| j 1 ：微细加工r | l 硐来产生紫外光的主要是汞灯，准分予 激光的效率仅为百分之几，与汞灯的5 0 或更高的电光转换效率相比要低很多。但准 分了激光的输出功率都是有用功率；而汞灯绝大部分输出光在可见光区和红外区，必 须过滤掉以免在应用时产生副作用。从紫外光波段考查，准分子激光具有少见的商功 率输出。 准分子激光的其它一些特性参数也会对微细加工产生一定影响，例如能量和发散 角的稳定性、光强分前j 的对称性和均匀性等。 华中科技大学硕士学位论文 准分予激光与e 0 2 ，n d ：y a g 激光的特性比较如表2 。2 所示。 表2 2 准分子激光0c o 。，n d ：y a g 激光的比较 激光器波b 乏输山脉冲宽度 输出功率戏能域输出最人功率 ( um ) 方式( m s )密度( w c m 。2 ) 准分子o 1 9 3 0 3 5 lp w( 7 3 4 ) 1 0 “ 1 0 1 0 1 m j 1 0 激光器 c o z1 0 6p w c w0 1 1 0 0p w ：数j1 0 8 激光器c w ：数十j 数千j n d ：y g1 0 6p w c w0 0 l 1 0 p w ：数j 数十j 1 0 8 激光器c w ：数十i 数千f 注：p w 为脉冲式输出；c w 为连续式输。 2 2 2 准分子激光的传输特性 1 光束截面内的光强分撕i 准分子激光束在传输过程巾任意一个截面上符点的振幅是不同的，振幅 和光束 截面半径r 之脚的数学关系满足高斯函数。 r 2 a = a 。e t 0 2 ( 2 一1 ) 式中 。为激光束中心的振幅，u 足一个与激光束截殛半径有关的常数。 图2 3 为激光束械l f l i 上】的振l 蝓分和n 线1 j 意i 斟。饯f i t 心振i 嗡最大，离丌r 。心一 定距离则振幅迅速卜| 降，直到光束的边缘振幅的1 - 降速度义变得较为缓慢，一直延伸 到无穷远。因此光束不存在鲜l 蝈的光束边界，【! | j 在理论上没有确定的光束半径。 形 ，4砸。 1 7 u l 一 刚2 3 激光粜截面振幅分布示意| 笙j 华中科技大学硕士学位论文 山公式2 1 可衍爿。盘。 e 般规定当振幅下降到中心振幅的l e 时所对应的光束截面半径作为激光束的名 义光束截面半径，简称光束截晰? 卜经，川u 表示。山此可得出式2 一i 中的u 值即为激 光束的截面半径。 激光束在均匀介质中传输时，光束截面半径u 和中心光强i 。都在变化，但在任意 一个光束截面内，光强分厕i 始终满足商斯函数公式。因此准分子激光柬在传输过程中 具有各向同性的优点，有利于保证对工件微刻蚀加工的质量。 2 传输方向上的光束轨迹 普通光束中不同光束截i 西f 边界的连线为直线，但在准分子激光束中由光束截面半 径u 所确定的光束边界的连线并非直线，而是双曲线，如图2 4 所示。 肄抟 p z l 。，i 1 馓光辐射1 ：材剁表面时 0 ) 可得激光脉冲结束后刻蚀图案的深度hf f 【i 宽度w 分别为为 n 一瓜夏蒿一面w o ( 3 一1 1 ) 华中科技大学硕士学位论文 w = 2 i 3 e c a 叵n r ( 3 1 2 ) 其中，e = i ，- ，为激) 乜脉冲辐射能量；i 为激光脉冲功率；t 为脉冲宽度。 由式( 3 - - 1 1 ) 、( 3 1 2 ) 可知，刻蚀图案的深度和宽度与激光辐射能量、聚焦光 斑的初始宽度成非线性关系，而聚焦光斑的初始宽度与靶材距准分子激光束的焦点位 置有关。即离焦量越大，聚焦光斑的宽度也越大。 同时，准分子激光在焦点两边的光路情况，也可以进行定性解释。激光沿光轴中 一c 、在焦点两边呈双曲线分斫j ，如图3 7 所示。 离熙量t t 图3 7 准分子激光聚焦焦点附近的光路示意图 准分子激光沿z 轴方向垂直入剁，当离焦量z 为负值时，激光光束是收敛的，加： 截断而的“v ”型比较明显。而当离焦景z 为币值刚，激光光束是发敝的，加工时截断 而的轮廓应近似为细圆柱型。形成该现象的主要原因是，当以收敛激光束照射i i g , m 表 层材料时，深处光斑尺i ，小于表面处，烧例! 所形成的坑壁实际上是基本4 i 吸收光流的， j f - l n , t 破损机制为玻璃材荆的蒸发，丽坑啦j 有少最的因导热而产生的熔化。若以强度 足够的发散光束照射时则牛h 反，深处光斑尺寸大于表面处，坑壁将产生强烈的烧蚀熔 化。 在激光脉冲能量不变的情况f ，理论i 二烧蚀加： 光斑的宽度越大，加工深度越犬。 这是于面积较大的光斑有利于烧蚀玻璃材料所形成的离子云的逃逸，从而使到达靶 材的有效激光能量较多的缘故。当离焦量为汇时，即光束焦点位于l 靶村前方时，加_ t 肜状与离焦量之问的关系比较复杂，1 i 具仃娃性规律。产：生这种现象主要的原因足从 3 7 华中科技大学硕士学位论文 靶材烧蚀蒸发溅射出来的离予云的运动轨迹逐渐接近光束焦点，并可能直接经过光束 焦点处，所受的激光辐射能量密度也越来越大，到焦点处的激光能量密度最大，导致 离子云发展和运动状念的变化，改变了离予云对激光能量的吸收，最终改变了到达靶 材的激光能量。除了受激光能量的影响外，离子云运动还受空气状态等周围环境影响， 导致了这种情况下加工状态的复杂化。 ( 4 ) 脉冲数量问题 准分子激光刻蚀加工的深度并不随着脉冲数量的增加线性增加，两者之问成曲线 变化关系，且该i f l l 线的斜率随着脉冲数量的增加而逐渐减小，即刻蚀加工的深度越大， 再增加脉p p 数量所刻蚀的深度越小。当达到足够多的脉冲数量时，脉冲数量的增加基 本刈刻蚀深度没有影响，这种脱织可称之为刻蚀深度饱耳现象一 3 4 实验用m a e s t r o 准分子激光束指标分析 在空心玻璃微球( h g m ) 的激光微加工实验研究中，为保证加工的非破毁性和高精 确度，需要列影响d u _ - 效果的激光束各个参数作f 指导性定量分析，具体是对准分子 激光的波氏、脉冲频率以及脉冲能量等参数予以确定。 选择m a e s t r o 准分子激光工作站所产乍的波长为2 4 8 n m 的k r f 准分子激光进行刻 蚀加二r = 实验，其指标参数见表3 4 ”1 。 表3 4k r f 准分子激光的指标参数 | = 旨杨；参数( p a r a m e t e r ) 数值( s p e c i f i c a t i o n ) 最人n 永冲能姑( m a xp u l s e e n e r g e )4 0 0 m j 臌人；h g 功率( m a x a v e r a g e p o w e r )8 0 w 最人脓冲频率( m a xp u l s er a t e ) 2 0 0 h z 高l uj | ：范i 嗣( h i g h v o l t a g er a n g e )2 6 3 5 k v i 脉冲持续时阿( p u l s ed u r a t i 0 1 1 ) j 2 2 0 n s l 激光波k ( e m i s s i o nw a v e l e n g t h )2 4 8 n m 实验d i i - - e 的目标是在玻璃微球球面上刎蚀生成离散性分柑的扰动条纹，图形线性 宽度需保持枉j ( ) 2 0 u1 1 1 左矗，要求所剿蚀图形姐订搬女f 的线性度和分辨率，j f ：i l 刘 蚀加工的深度不能穿透空心玻璃微球壳，最佳应在0 5 “i l l 左右。 华中科技大学硕士学位论文 1 光能量的吸收问题 对于一般的玻璃材料，其光吸收截止波长 ( 吸收截止波长指透过4m m 厚玻璃 板的透过率为1 的波长，入射光波艮在此值以下则全