（光学工程专业论文）三维微结构的激光热塑成型系统研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 三维微结构制备技术是m e m s ( m i c r o e l e c t m m e c h m i c ms y s t e m ，微机电系统) 领域 的关键技术之一，高效、经济的三维微结构制备技术对于m e m s 的发展和进步具有不可 或缺的作用。在众多的三维微结构制备技术中，激光微加工技术具有非接触、无污染、低 噪声以及便于实现智能控制等特点，可以克服其他加工技术的一些不足，在m e m s 领域 得到越来越广泛的应用。 本课题研制开发了一套基于激光热塑成型效应的三维微结构制备系统。该系统采用激 光直写、结合卫】，二维矢量扫描的方式，无需掩膜等复杂过程，可以实现三维微结构高效、 快速和低成本地制备。这一新的制备系统，能用于制备微机械、微光学技术、微电子技术、 微光学电子机械系统( m e m s ) 及微纳米技术等领域的三维微结构，具有广阔的应用前景。 本文的主要工作和研究成果如下： 研制开发了一套基于激光热塑成型效应的三维微结构制备系统。设计了微结构制备系 统的光路、机械、控制和监控模块，在制备三维微结构时可以对制备过程进行实时显微监 控，能够方便地观察微结构生长情况，可实现微结构快速、方便地制备。 设计完成了三维微结构的激光热塑成型及c c d 成像监控软件系统。该软件系统包括 三维微结构制备、制备过程实时监控以及视频、图像获取和处理等功能。可以高效地制备 各种三维微结构。 采用p c 机软件直接控制激光器和二维电控平移台，而不是通过单片机间接控制加工 系统，可以方便地在线升级软件模块功能而不用重新烧入单片机，减低了硬件成本，提高 了系统的灵活性和通用性。 利用研制的三维微结构制备系统进行实验。制备得到了点、线等基本微结构以及复杂 微结构，其中有些具有实用性。实验结果研制了系统的可行性 关键词：m e m s ，三维微结构，激光微加工，热塑成型，二维步进平移台，视频采集，实 时监控 i i 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t t h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) m i c r o s t r u c t u r ef a b r i c a t i o nm e t h o di so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s o fm e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) e f f i c i e n ta n de c o n o m i c a l3 dm i c r o s t r u c t u r e f a b r i c a t i o nm e t h o d sp l a ya ni n d i s p e n s a b l er o l eo ft h ed e v e l o p m e n to fm e m st e c h n o l o g y a m o n gal a r g en u m b e ro f3 dm i c r o s t r u c t u r ef a b r i c a t i o nm e t h o d s ，l a s e rm i c r o f a b r i c a t i o n t e c h n o l o g yh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n c o n t a c t ，n o n - p o l l u t i n g ，l o wn o i s ea n de a s yt oa c h i e v e t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l ，i tc a l lo v e r c o m es o m es h o r t c o m i n g so fo t h e rp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s s oi t i sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fm e m s i nt h i sa r t i c l e ，w ee s t a b l i s h e dan o v e l3 dm i c r o s t r u c t u r ef a b r i c a t i o na n d m o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nt h el a s e r - i n d u c e dt h e r m o p l a s t i cf o r m a t i o n i ti sl a s e rd i r e c tw r i t i n gw i t h o u tm a s k ，c a n f a b r i c a t e3 dm i c r o s t r u c t u r e se f f i c i e n t l y , r a p i d l ya n dl o wc o s t t h i sn e wt e c h n i c a la p p r o a c hh a s b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nm i c r o m e c h a n i c s ，m i c r o - o p t i c st e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , m i c r o - o p t i c a le l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) ，a n dm i c r o n a n o t e c h n o l o g y a n ds oo n i nt h i sp r o j e c t ，t h ei n n o v a t i o n sa n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n ti sa sf o l l o w s ： w ed e v e l o p e da3 dm i c r o s t r u c t u r ef a b r i c a t i o na n dm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e d o n l a s e r - i n d u c e dt h e r m o p l a s t i cf o r m a t i o n w ed e s i g n e dt h eo p t i c a lc i r c u i ts u b s y s t e m ，m e c h a n i c a l ， c o n t r o la n dm o n i t o r i n gm o d u l e w h i l ef a b r i c a t i n g ，t h em i c r o s c o p ep r o c e s sc a l lb em o n i t o r e di n r e a l - t i m e s oi tc a l lb ee a s i l yf o ru st oo b s e r v et h ep h e n o m e n o no ft h e r m o p l a s t i cm a t e r i a lc a u s e d b yf o c u s e dl a s e rb e a m t h es y s t e mh a sl o wc o s t ，s i m p l eo p e r a t i o n ，t h em o d u l ec a nb es t r o n g s u b s t i t u t i o n ，e t c ，i tc a nr e a l i z em i c r o s t r u c t u r eq u i c k l ya n de a s i l yf a b r i c a t i o n w ea l s od e s i g n e da3 dm i c r o s t r u c t u r ef a b r i c a t i o na n dc c d i m a g i n gm o n i t o r i n gs o f t w a r e s y s t e m i ti n c l u d e st h ec a p a b i l i t i e so ff a b r i c a t i n g3 dm i e r o s t r u c t u r e s ，r e a l t i m ef a b r i c a t i o n m i c r o s c o p ep r o c e s sm o n i t o r i n g , a n da c q u i s i t i o no ff a b r i c a t i n gp r o c e s sv i d e o ，黟a p h i c sa n d d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g b ys e t t i n gd i f f e r e n tf a b r i c a t i o np a r a m e t e r so rr e a d i n gd x ff i l e s ，i tc a l l e a s i l yf a b r i c a t eav a r i e t yo f3 dm i c r o s t r u c t u r e s w eu s e dt h es o f t w a r ei nt h ep cd i r e c t l yc o n t r o l l i n gt h es t a t e m e n to fl a s e r sa n dm o v i n g p o s i t i o na n ds p e e do ft w o d i m e n s i o n a le l e c t r o n i c - c o n t r o lm o v i n gu n i t s ，r a t h e rt h a ni n d i r e c t l y i i i 浙江人学硕上论文 c o n t r o l l i n gt h r o u g hm i c r o c o m p u t e rs y s t e mw h i c hi sl a r g e l yu s e di nt h ep a s tm i c r o - f a b r i c a t i o n s y s t e m ，w ec a l le a s i l yc h a n g et h es o f t w a r ef u n c t i o nb yr e w r i t et h es o f t w a r ec o d e sw i t h o u t h a v i n gt og e tr e b u r n e di n t ot h em i c r o c o n t r o l l e r i nt h i sw a y , w em a k et h es y s t e mm o r e f l e x i b i l i t ya n dv e r s a t i l e i nt h ee n d ，u s i n g3 dm i c r o s t r u c t u r ef a b r i c a t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e m ，w eh a v ed o n eal o t o fe x p e r i m e n t so np a r a f f i nb a s e do i ll a s e r - i n d u c e dt h e r m o p l a s t i cf o r m a t i o na n dg a i n e ds o m e3 d m i c r o s t m c t u r e ss u c ha sp o i n t ，l i n ea n ds oo n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e l lv e r i f yt h a tt h e s y s t e mi ss t a b l ea n da c c u r a c y w eh a v ea l s of a b r i c a t e ds o m ec o m p l e x3 dm i c r o s t r u c t u r e so n d i f f e r e n tt h e r m o p l a s t i cm a t e r i a l s s o m eo ft h e mc a nb eu s e di np r a c t i c e k e yw o r d s ：m e m s ，t h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e , l a s e rm i c r o f a b r i c a t i n g ，l a s e r - i n d u c e dt h e r m o p l a s t i c e x p a n s i o n ，x - ys t e p - m o v i n gs t a g e ，v i d e oc a p t u r i n g ，r e a l t i m ed e t e c t i n g 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：绳正湖签字日期：圳。年弓月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥江盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲绳立酒 签字目期：上oi o 年弓月年日 翮躲弓移务蚀 签字日期：0 9 p 年歹月争日 浙江大学硕士论文 致谢 本文是在导师张冬仙教授和章海军教授的严格要求和悉心指导下完成的。从论文的选 题到撰写，每一步都倾注着两位老师的心血。两位老师渊博的知识，严谨的治学态度，忘 我的工作精神给我留下了深刻的印象，让我受益终身。 在这两年多时间里，两位老师在学术科研和生活上都给予了我无微不至的关怀，使我 获益匪浅。在此，我由衷地向两位老师致以最诚挚的感谢和敬意! 感谢国家自然科学基金项目( 批准号：5 0 7 7 5 2 0 5 ) 对课题的资助。 在本课题的研究过程中，得到了实验室各位同学的热心帮助，本论文的顺利完成，与 他们的大力支持是分不开的。感谢王乐妍博士在我两年多的学习和课题研究中对我的指导 和帮助。感谢已经工作了的何玉琳师兄、李新弘师姐、单小磊师兄、于海峰师兄、徐凤师 姐和陈超师姐，他们在我的学习和生活中给予了极大的帮助。感谢实验室里一起学习工作 的刘超博士，伏霞博士、马利红博士、郭利硕士、王旭龙琦博士、谢志刚硕士、周雅各硕 士、支绍韬硕士和赵冬伟硕士。 感谢我的寝室室友王潇、徐涛和叶炎钟在生活和学习上对我的帮助。我将永远怀念与 他们共同探讨、共同进步的日子。 最后，感谢我的父母、家人和朋友一直以来对我默默的关怀，感谢所有关心支持我的 人们。 温正湖 2 0 0 9 年1 2 月于求是园 浙江人学硕上论文 第一章绪论 1 1 微机电系统( m e m s ) 概述 m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，微机电系统) 是一种把电子、机械、光学 及其他部分相结合的器件或者器件组合，包括微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、 通信接口和电源部件等，是具有信息获取、传输、处理和执行等诸多功能的综合性系统【l 】。 它具有尺寸小、重量轻、能耗少和可大批量生产等特点并集成了当今科学发展的许多尖端 成果，在材料学、力学和运动学等性能上与传统的机械系统有很大的不同，能完成这些机 械系统所不能完成的工作，极大地提高了系统的微型化、智能化和可靠性。被认为是微电 子技术的又一次技术革命【2 卅。 m e m s 的开发始于2 0 世纪6 0 年代，迅速发展于2 0 世纪8 0 年代末，主要的加工技术 有：硅基微加工技术、l i g a 及准l i g a 技术、精密机械加工技术。随着m e m s 的发展， 产生了多种与m e m s 相关的研究领域，对微纳米、物理、机械、电子和光学等众多学科 产生了深远的影响。欧美发达国家对m e m s 的发展十分重视。主要发展特点有：国家高 度重视、重视基础技术建设、发展方向明确、企业参与积极和市场需求旺盛等。1 9 8 7 年， 美国的加州伯克利大学( u c b l ) 发明了微型马达，成为m e m s 的开端；1 9 9 3 年，美国 a d i 公司批量生产了应用于汽车防撞气囊的微型加速度计，从此m e m s 进入商业化阶段； 九十年代中后期以后，欧美发达国家竞相投入巨资发展m e m s ，多种微制备技术得到迅 速发展；近年来，m e m s 已经进入了全面发展和产业化起步阶段。国内m e m s 的研究始 于2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，政府各部门、科研院校对其十分重视。经过二十多年 的发展，初步形成了几个研究力量比较集中的地区，积累了大量的科研能力，包括仪器设 备和人力资源等，目前已经能实现m e m s 制备的全过程一条龙整合，为进一步发展打下 了较好的基础，初步形成了微惯性器、微机械领域、微加工工艺、生物工程技术领域和微 机器人技术等研究方向，但与国际先进水平相比，还有较大的差距【5 1 。 m e m s 是一个综合系统，把复杂多样的功能集成到极小的几何空间里，充分体现了多 学科交叉、多加工技术融合等趋势。m e m s 组成单元主要有电力电子器件、微传感器、 浙江大学硕士论文 微光学元件、微机械执行器和真空微电子器件等。在生产和生活各领域m e m s 都能找到 其应用的价值，如工农业生产、信息通讯、环保与监测、生物医学和军事领域等。获得较 大的经济效益的应用主要有仪器仪表、汽车电子、医疗器械以及显示与通讯领域。在汽车 电子领域获得应用的产品主要有微型加速度计，在光电子领域的应用主要有微型陀螺、微 光传感器和执行器等 6 7 1 。m e m s 器件的大量商业化应用，不仅预示着尖端信息技术和智 能技术向实用技术渗透的成功，而且必定会对社会生产方式和人类的进步产生重大影响。 1 2 三维微结构制备技术的研究和发展 m e m s 微加工技术是实现m e m s 技术研究的前提，三维微结构制备技术是m e m s 的 关键技术之一，高效、经济的三维微结构制备技术对于m e m s 的发展和提高具有不可或 缺的作用【8 1 1 1 。下面简要回顾三维微结构制备技术的历史、现状及其未来发展趋势。 1 2 1 三维微结构制备技术的历史与现状 随着m e m s 的不断发展，使三维微结构制各技术得到了快速发展，各种制备技术不 断涌现，如采用光刻、刻蚀的硅基微加工技术以及l i g a 或准l i g a 等。这些技术不断发 展成熟，以光刻和刻蚀为基础的平面加工技术已经成为超大规模集成电路的技术核心。丰 富的微结构制备技术反作用于m e m s ，在过去的5 0 多年中，极大地推动了微电子技术和 光电子技术的进步。两者相互促进，使整个m e m s 领域迈向了更好的水平。 经过数十年的发展，当前用于三维微结构制备的微细加工技术包括基于光刻技术的三 维微细加工技术和传统的精密机械加工技术两大类，主要的微结构制备方法有l i g a 技术 及准l i g a 技术、硅基微加工技术、电子束曝光技术、微细电火花加工技术和激光微加工 技术掣1 2 】，下面对这些方法进行简要说明。 一、l i g a 技术及准l i g a 技术，l i g a 技术基于x 射线光刻，起源于德国。l i g a 一 词来源于德语l i t h o g r a p h i e ，g a l v a n o f o r m u n g 和a b f o r m u n g 三个词语的缩写，表示深层光 刻、电镀、模铸三种技术的有机结合。该技术是由德国k a r l s r u h e 原子能研究中心在8 0 年代开始研究并发展成熟【1 3 】。它包括三个基本步骤：利用同步辐射x 光源和掩膜板实现 厚光刻胶曝光、将待加工的样品放入电解液中在样品结构的凹陷位置电镀上金属和实现微 复制的注塑成形，图1 1 是典型l i g a 技术工艺流程刚1 4 】。l i g a 技术之所以能够制备大 深宽比的三维微结构，其技术关键是深层光刻，为此需要光束平行度高、辐射能量强的光 源。标准l i g a 技术采用由同步辐射加速器产生的x 光作为曝光光源。 2 浙江大学碗论i ! ! 三日叵瑶毗 。垦k 旦如* * 壅盈翟瑷m * 塑瑟瑟瑟“* 葱豳豳n m 囡酽甯* * 图i - i 典型的l i g a 工艺流程示意图 l i g a 拄术具有精确度高、可制作大深宽比的立体微结构、可使用的加工材料多样并 可大批量制各等众多优点，弥补了表面微加工技术的不足，因此被广泛地应用于制备各种 三维微结构，与l i o a 相关的技术成为学术界的研究热点1 1 5 , i q 。我国对于发展l i g a 技术 极为重视，在全国很多科研院校里，都开展了相关方面的研究，并分别在北京、合肥和上 海建立了从第一代到第三代同步辐射光源，供实验和研究使用。图l - 2 所示为中国科技大 学国家同步辐射实验室利用l i g a 技术制备的微结构”1 。 囤l t 采用l i g a 技术制各的微结构阵列 但利用l i g a 技术来制各三维微结构需要昂贵的同步辐射光源、工艺流程长，所以制 备成本很高，标准l i g a 技术一般采用高能质子流来增加x 光的透射能力和使用更高灵 敏度的光刻胶来减低制各成本，但效果有限。另外受光源平行度和工艺限制，所得微结构 是直柱状的，难于加工含有曲面、斜面和其他对侧面有特殊要求的微器件，因而限制了它 在诸多领域的应用。 为了克服l i g a 技术的某些不足，找寻能同时具有l i g a 技术的优点，而又可以避免 一3 - 浙江大学硕一i ：论文 其不足的制备方法，人们发展了多种准l i g a 技术，如紫外线l i g a ( u v - l i g a ) 、激光 l i g a ( l a s e r - l i g a ) 等，它们都是通过寻找其他光源和材料来替代同步辐射光源和掩膜 板。与标准l i g a 技术相比虽然能简化操作、降低制备成本，但在准确度、深宽比等指标 却远不如l i g a 技术【1 8 】。 二、硅基微加工技术，采用光刻掩模、硅干法刻蚀及硅湿法刻蚀技术，通过曝光，有 选择地去除部分单晶硅材料，余下部分就是所需的三维微结构。该技术主要由美国发展起 来，包括刻蚀和停止刻蚀两项关键技术。到目前为止，该技术已经比较成熟，主要用来制 作微传感器和微执行器，在微电子技术和光电子技术领域得到了广泛的应用，对于工业和 信息技术的进步发挥了重大作用。其固有局限性是只适用于加工单晶硅材料，j j n i 结构简 单，不利于制作可动微结构，技术可控性差【1 9 2 0 。 三、电子束曝光技术是利用电子束在涂有感光胶的晶片上直接刻写或投影复印样板的 曝光技术。该技术是2 0 世纪6 0 年代从扫描电镜技术的基础上发展而来。电子束具有波长 短、易控制、精度高、灵活性大等优点。基于电子束曝光原理发展而来的三维微结构制备 方法有电子束液态曝光、电子束灰度曝光和电子束重复增量扫描等，这些制备方法能够实 现三维微结构大批量生产，具有与l i g a 技术相同的优点，同时还能够制备任意曲面微结 构，可以应用于多个m e m s 领域，如制备微光学元件等，但该方法需要昂贵的真空设备 和复杂的流程，极大限制了对它的使用和发展。 四、微细电火花加工技术( m i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，m e d m ) 。它的研究起 步于2 0 世纪6 0 年代末，其基本原理是利用材料和电极之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现 象来制备三维微结构，日本东京大学及国内对微细电火花加工技术的研究取得了不少成 果。图1 3 为微细电火花加工流程图，在脉冲放电电路的正极与待加工的材料之间放置绝 缘介质，如图1 - 3 ( a ) ；电路两端加载电压时，绝缘层被击穿，形成数千度高温的放电通道， 如图1 3 ( b ) ；高温熔化放电通道周围的电极、材料和绝缘层，形成熔化液，如图1 - 3 ( c ) ； 放电结束后，混合着三种物质的溶化液快速冷却，发生爆炸，爆炸物嵌入绝缘层，从而完 成材料去除，如图1 - 3 ( d ) 。 浙江大学硬论文 厂翟霸广餐蕊 罐罐 “) ( m 囤i o 微细电火花加工流程图 该方法对制备系统的移动及定位精度、系统的放电电源、微结构制备过程的检测和控 制等具有较高的要求，能制各亚微米级的复杂三维微结构。微细电火花加工技术具有电极 制作简单、电极与工件间宏观作用力小、可控性好等优点，已成为微机械制造领域的一个 重要组成部分。其主要局限在于需要可导电的材料，在加工非导电材料对效果不理想、具 有加工屑、在实现材料去除的同时，放电的脉冲电极也会有工具损耗口”。 五、激光微加工技术，它由激光加工技术发展而来，采用合适的激光器作为光源，可 用于制各百微米及更小尺度的三维微结构，具有高时间和空间分辨率、非接触、无污染、 低噪声以及便于实现智能控制等特点，可以克服其他加工技术的一些缺点，在m e m s 领 域得到越来越广泛的应用。作为系统光源的激光器具有波长可选择范围广，功率密度可调 节等可阻根据需要定制不同参数的激光器，因此具有极大的发展前景。激光徽加工技术 起步较晚，相对于其他m e m s 加工技术，当前可用于工业化使用的技术和设备种类有效。 目前较为成熟的激光微加工技术主要有飞秒激光和准分子激光微加工等。借助于性能优越 的激光器和不断突破的材料学研究，大量新型的激光微加工技术不断涌现阱4 q 。 1 22 三维微结构制备技术的发展趋势 三维微结构制各技术作为m e m s 技术的重要方面，己广泛地应用于诸如微电子学、 光学、微机械学以及流体力学等各种领域。传统m e m s 制各技术存在一些不足，如需要 接触式加工( 如传统机械加工) 、昂贵的真空设备( ) ( 射线、电子束、离子束加工等) 、无法 加工致密材料( 粒子束加工) 和非平版样品( 平版刻蚀技术) 等，这些不足不利于m e m s 技术 的进一步发展。 浙江大学硕士论文 因此，发展既能快速、高效地制备三维微结构，同时又能避免上文所提不足得制备技 术，对促进m e m s 更加快速、健康地发展具有重大意义。目前所进行的研究主要分为两 个方面：一方面，利用近年来新技术革命的成果，继续改进传统的m e m s 制各技术，如 在l i g a 技术上，采用更加经济的曝光光源、缩短工艺流程来减低制备成本。使用机械制 造技术的进步改造落后的微结构制备系统，使用更加先进的软件版本提高系统的集成度和 自动化水平，并实现系统小型化；另一方面，发展全新的三维微结构制备技术，如激光微 加工技术和电化学微加工技术等。 激光具有高度的相干性，所产生的光束具有单色性好、平行度高和辐射强度大等特点， 非常适用在工业加工领域。目前，激光加工技术已经广泛地用于生产生活的各个领域。激 光微加工是激光加工技术的一个新分支，它具有光源功率密度高、适用的材料范围广、微 结构制备精度高和非接触、无污染、低噪声以及便于实现智能控制等特点，可以克服其他 加工技术的一些缺点。通过不断发展，该技术的工业化程度有了极大的提高，并有效地降 低了加工成本，在m e m s 领域得到越来越广泛的应用。 欧美国家对激光微加工技术的研究十分重视，将其作为未来m e m s 制备的主要技术 来发展，制订了多项政策和措施，投入大量的人力和物力支持激光微加工技术和激光微加 工系统的研究，基于不同激光作用原理的微结构制备新方法不断出现，并发展成熟，多种 性能卓越的激光器和激光加工系统不断涌现【2 7 2 9 1 。在中国，激光微加工技术作为“先进制 造技术”之一，已被列入国家重点发展项目之中，图1 3 所示为1 9 9 5 2 0 0 6 年我国激光加 工系统年销售额增长趋势【3 们。它对传统产业的技术改造和新兴产业的发展将起到重大的 促进作用。相信随着对激光微加工技术的不断研究，其在三维微结构制备领域的地位和产 品所占的市场比重必将越来越大，对m e m s 技术的发展和人类社会的进步做出越来越大 的贡献。 图l _ 4 我国激光加工系统1 9 9 5 2 0 0 6 年销售额增长趋势 浙江大学硕士论文 1 3 本文的主要内容及研究成果 三维微结构制备技术是m e m s 的关键技术之一，高效、经济的三维微结构制备技术 对于m e m s 的发展和提高具有不可或缺的作用。在众多的三维微结构制备技术中，激光 微加工技术具有非接触、无污染、低噪声以及便于实现智能控制等特点，可以克服其他 m e m s 加工技术的一些不足，在m e m s 领域得到越来越广泛的应用。 本课题研制开发了一套基于激光热塑成型效应的三维微结构制备系统，采用激光直写 方式实现了三维微结构无掩模、高效、快速和低成本地制备。这一新的制备系统，能用于 制备微机械、微光学技术、微电子技术、微光学电子机械系统( m e m s ) 及微纳米技术其 它领域的三维微结构，具有广阔的应用前景。 主要的研究内容及其章节安排如下： 第一章介绍了m e m s 的特点、发展过程以及应用。对传统的三维结构制备技术做了 介绍，简述了它们的应用范围和各自的优缺点。对激光微细加工技术的优点及其发展进行 了简要分析。 第二章详细的介绍了激光微细加工技术。阐述了激光微细加工技术的概念、加工原理 及其主要应用领域，简要分析了当前激光微细加工技术的局限，并提出了三维微结构的激 光热塑成型系统研究课题。 第三章对三维微结构的激光热塑成型系统各部分进行了详细的介绍。系统包括硬件部 分和软件部分，其中硬件部分包括了激光光源模块、显微监控模块、二维电控平移模块、 控制信号输出模块和图像采集模块等；系统的软件部分包括了微结构制备模块、制备过程 的监控和采集模块、微结构图像显示和图像处理模块等。给出了系统的整体框图以及实物 图，并分别给出了各部分的实物对照图。软件部分也相应地给出了软件流程图和界面截图。 第四章分析了三维微结构制备系统性能影响因素，并进行了改进或优化。影响系统微 结构制备的因素主要有系统控制和操作平台性能、二维电控平移台、所选激光器性能等， 针对不同的来源，做了相应地改进，从而提高了系统的性能。 第五章利用研制的系统分别用不同的材料做了大量的三维微结构实验研究。得到了包 括点及点阵微结构，多边形及各种弧线所构成的图形微结构在内的三维微结构。用实验结 果验证了系统的性能，表明系统能够用于激光热塑成型的各种三维微结构制备。 第六章对本文课题进行了研究工作总结和展望。 本文的主要工作和研究成果如下： 7 浙江大学硕上论文 研制开发了一套基于激光热塑成型效应的三维微结构制备系统。设计了微结构制备系 统的光路、机械、控制和监控模块，在制备三维微结构时可以对制备过程进行实时显微监 控，能够方便地观察微结构生长情况。该系统具有设备造价低廉、操作简单、模块可置换 性强等优点，可实现微结构快速、方便地制备。 设计完成了三维微结构的激光热塑成型及c c d 成像监控软件系统。该软件系统包括 三维微结构制备、制备过程实时监控和视频、图形获取和处理等功能。通过设置不同的参 数或读取相应的a u t o c a d 文件，可以方便地制各各种三维微结构。 采用p c 机软件直接控制激光器和二维电控平移台，而不是通过单片机间接控制加工 系统，可以方便地在线升级软件模块功能而不用重新烧入单片机，减低了硬件成本，提高 了系统的灵活性和通用性。 利用研制的三维微结构制各系统进行了实验，制备了基于激光热塑成型效应的点、线 等简单三维微结构。开展了多种热塑性材料的三维微结构制备实验，获得了多种复杂微结 构，其中有些具有实用性。实验结果表明系统具有较高的精确度和稳定性。 浙江大学硕上论文 第二章激光微加工技术 自上世纪6 0 年代，梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器以来，科研工作者对激光 进行了多方面的研究和应用。在随后几年里相继发明了c 0 2 、y a g 激光器，通过对激光 的特性、激光束与物质相互作用机理的深入研究，激光技术的应用领域开始不断明确和具 体化。 2 1 激光微加工技术 2 1 1 激光加工技术简介 激光具有高单色性、高相干性、高方向性等优点，尤其是它具有极高的功率密度，可 达1 0 1 0 叱w c m 2 ，是一种性能优异的加工光源 3 1 3 3 1 。激光加工技术利用激光光源对材料进 行切割、焊接、表面处理、打孔、增材1 j 口- r 及微加工等操作和处理。它涉及光、机、电、 材料等领域，是一门多学科融合的综合技术，主要研究方向有激光加工工艺和激光加工系 统。 随着激光加工技术的不断发展，其应用越来越广泛，加工领域、加工方式多种多样， 但从本质而言，激光加工是激光束与材料相互作用而引起材料在形状或组织性能改变的过 程。激光加工分为以下几种类型：激光材料去除、激光材料增长、激光快速成型、激光材 料改性、激光精细加工和其他激光加工等。 相较于传统的机械加工方式，激光加工具有不受加工形状的限制，非接触性、对工具 无磨损、i j i - r 变形量小以及加工质量高等诸多的优点。4 0 多年来，激光技术与应用发展 迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，这些交叉技术与新的学科的出现，极 大地推动了传统产业和新兴产业的发展，同时赋予激光加工技术更广的应用领域。9 0 年 代初，随着三维微结构制备技术的研究与应用，激光微加工技术作为激光加工技术的一个 新分支，开始蓬勃兴起，表现出了极强的应用前景，图2 1 所示是使用激光微加工技术制 备所得的各种微结构【3 4 1 。 * 江 学论z 图 l 使埘激光镟加工技术所得的各种微结柯 激光微加工技术即指利用精细激光束进行微米甚至纳米尺度范围内的材抖加工的一 门技术，它可以准确地控制材料的加工范围和加工深度，保证高可靠性和重复性。激光微 加工技术在激光加工技术应用方面占有重要地位，在制备具有小孔或微细沟槽复杂结构的 m e m s 嚣件、医疗、汽车等诸多领域具有重要的应用价值l 州。 212 激光微加工技术的现状与发展 近年来，随着激光光源性能的提高，激光微加工技术得到了迅速发展，广泛应用j 。加 工各种金届、陶瓷、玻璃、半导体等材料的具有微米尺可的微型零件或装置，在激光技术 应用方而具有举足轻躯的作用，是一种极有前途的微加工技术。 激光微加工技术在国外发展迅速尤其在发达国家加工制造业争相采用激光微加工 技术提高产品质量和生产效率。随特人们对产品的需求不断向小型化发展，激光微加工技 术也不断发展，微加l ：精度不断提高。精密加工技术先进的欧美发达国家已经率先进入“光 加工”的时代。 我国激光微加工产业起步较娩从2 0 世纪9 0 年代开始逐步发展起束。随着国内经济 的快速发展和各种激光加工技术和系统的进步，国内微型机电产品市场的形成和发展，激 光微加工市场在不断扩大，每年均以较快的速率增加。但与国外的先进水平相比还有较大 差距，包括激光微加工技术和激光微加工系统婷方面的技术和研究都较为落后。但是近年 来，随着国家的逐步重视和国力的增强，国家已将激光微加工技术作为一个具有重要战略 意义的技术束发展相信我国激光徽加工技术水平和相关产业的规模将不断地提高和扩 大。 未束，激光加工技术将沿着数控化、小型化、智能化、高精度、崭可靠性方向发展。 浙江人学硕士论文 高效率的激光加工设备，以及高精度、高质量的激光微加工技术将是未来研究的重点。 2 1 3 激光微加工技术的优点 与传统的加工方法相比，激光微加工技术之所以有如此广泛的应用前景和生命力，是 与其自身独特的特点分不开的，其主要特点如下【3 6 3 9 】： 一、功率密度高：激光加工的功率密度可达1 0 8 1 0 9 w c m 2 ，激光与物质发生作用的时 间很快，几乎瞬间完成，从而大大缩短了加工时间。 二、加工范围广：激光微加工的对象包括各种金属和非金属材料，对较难加工材料， 比如陶瓷、玻璃、宝石、金刚石、硬质合金、石英等加工效果非常好。 三、加工精度高：激光束光斑直径可达1 岬以下，可进行超微细加工；同时它又是 非接触式加工，无明显机械作用力，加工变形小，可以保证较高加工精度。 四、加工性能好：激光微加工对加工场合和工作环境要求不高，不需要真空环境，更 无需对x 射线进行保护；激光微加工还可透过玻璃等透明材料进行，可以方便地在某些 特殊工况下进行加工，如在真空管内进行焊接加工。有着明显的现实性和经济性。 激光还有加工速度快、效率高、无污染及操作简单等优点。 2 2 激光微加工方法及其应用 激光微加工技术的最大特点是“直写”j j 口- r ，工艺简单易行，没有环境污染问题，是一 种绿色环保的三维微结构制备技术。当前主要的激光微加工方法有：激光刻蚀、激光 l i g a 、激光化学加工等【4 0 。3 1 。 2 2 1 激光刻蚀 激光刻蚀是激光技术、新材料、c a d c a m 技术及微细加工技术等的有机结合，现有 激光刻蚀方法的光源一般采用准分子激光器，主要包括了准分子激光的直接刻蚀、气体辅 助刻蚀两种方法。通过去除材料直接在硅片等基体上刻蚀出各种三维微结构。其技术柔性 程度高，生产周期短，大大降低了生产成本，为微加工技术领域提供了一个新的发展方向。 激光刻蚀微加工系统包括扫描运动装置、深度进给、控制软件等部分。相较于利用曝 光原理的刻蚀方法，该方法无需经历一系列的图形转印过程，从而大大节省了时间和成本， 提高了加工精度。目前，采用此方法在硅材料上可以获得最小宽度为一个微米、深近四百 微米的网格结构。 浙江大学硕上论文 在准分子激光气体辅助刻蚀方法中，激光对材料的刻蚀是在诱导气体的辅助下进行 的。与直接刻蚀相比，其单脉冲刻蚀量和热作用很小，使其加工精度很高，更适合于三维 微结构的制备。 准分子激光刻蚀适用于制备具有特殊形状的微结构，如与微电路集成的印刷头、记录 头等。 2 2 2 激光l i g a 激光l i g a 由l i g a 技术发展而来，标准的l i g a 技术虽然具有精确度高、可制作大 深宽比的立体微结构、可使用的加工材料多样并可大批量制备等众多优点。但是利用 l i g a 技术来制备三维微结构需要昂贵的同步辐射光源和高敏感度的掩膜板，因此制备成 本很高，需要经过深层光刻、电镀、模铸等长流程工艺。l i g a 技术的这些不足大大限制 了它的使用范围。 为了能够降低l i g a 技术在光源和掩膜板上的成本，1 9 9 5 年w e h r f e l d 等人首次提出 了激光l i g a 技术，随后成功地将其投入实际应用。它采用了波长为1 9 3 n m 的a r f 准分 子激光替代了昂贵的同步x 射线作为光源，对聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 光刻胶直接 进行消融光刻，其加工精度可以达到微米级，制备所得的微结构深宽比适中。 激光l i g a 技术具有高速、廉价等特点，目前已经成功应用于制备微型发动机绕组、 微型蜗轮刀片和微结构光学元件。最近，激光l i g a 技术又出现在聚合物微流控芯片加工 的研究中，成为m e m s 研究的又一个热点。 2 2 3 激光化学加工 与电子束或离子束相比，激光束对气相或液相物质均具有良好的透过性。激光化学加 工方法正是通过强聚焦的激光束穿透稠密的、化学性质活泼的基片表面的气体或液体，并 有选择地对气体或液体进行激发，受激发的气体或液体与衬底进行微观的热激活反应或光 化学反应，从而实现刻蚀、淀积、掺杂等微加工。 激光化学微结构加工是近年来发展起来的新技术，它通过对光刻掩模的修复，以及对 各种薄膜或基底进行局部淀积、刻蚀和掺杂，实现对微结构的添加或去除等加工工艺。 此项技术重点应用在集成电路和超大规模集成电路的制作方面。 浙江大学硕士论文 2 3 基于激光热塑成型的三维微结构制备方法 现有的激光微加工技术，无论是热加工还是光化学加工，都是使加工材料发生各种物 理或化学变化，被加工区域产生凹陷或在被加工区域添加材料为条件而进行加工的方法。 有些材料在红外激光的照射下发生热效应，受光动力作用能够产生膨胀凸起现象，这 种现象称为热塑成型效应，当处于密度合适的液体环境时，能形成逆着光束方向生长的微 结构，当处于空气中时，则形成中间凹陷而周围凸起的环形结构。能够产生热塑成型效应 的材料称为热塑性材料，典型的热塑性材料有石蜡、树脂以及部分金属等。 基于激光的热塑成型现象，我们提出一种三维微结构制备新方澍州7 】，该方法利用红 外激光束使热塑性材料产生热融膨胀形成凸起的微结构，在液体环境中完成微结构的制 备，使微结构向自由空间垂直生长。图2 2 所示为基于激光热塑成型的三维微结构制备方 法主要过程。将热塑性材料放置在装满液体的容器中，经过聚焦的红外激光透过液体照射 在材料表面，被照射区域强烈吸收激光