（精密仪器及机械专业论文）飞秒激光微细加工工艺及微器件加工研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 飞秒激光脉冲经强聚焦后，可以在很低的平均输出功率下实现g h ，嗍2 量 级的瞬时激发光强，与连续激光和长脉宽的脉冲激光相比，能以极低的脉冲能 量获得超强光场，并且激光辐照区淀积的能量难以通过热扩散途径逸出辐照区 域。在与物质的相互作用中它能快速、准确地将能量作用在特定的区域内，从 而可以获得诸如极高的分辨率和加工精度等优点。本文在国家自然科学基金重 点项目“飞秒激光功能微部件加工技术研究”( n o 5 0 3 3 5 0 5 0 ) 的资助下，分别对 飞秒激光双光子聚合产生三维微纳结构和飞秒激光热熔烧蚀微细加工的作用机 理进行了介绍，通过理论和实验相结合的方法对加工工艺进行了研究和优化， 在此基础上利用飞秒激光微纳加工功能器件做了初步探讨。本文的主要成果如 下： 1 在自行搭建设计的飞秒激光微细加工系统基础上，扩展了系统功能，包括 增方n 4 0 0 n m d h - i - 光路，增加新移动平台加大扫描范围，升级控制软件等。 同时通过理论和实验结合的方法，分析了不同环境参数对系统性能的影 响，并优化其参数提升系统稳定性。 2 深入研究了飞秒激光双光子微细加工工艺，基于双光予光化学反应的自由 基浓度理论，从理论和实验上研究了系统加工分辨率；建立了最大模型和 最小模型控制加了粗糙度和精度，引入数学形态学的膨胀算法和腐蚀算法 提高了系统的加工精度，仿真加工器件重建设计模型：提出变步距扫描策 略提高加工效率。在此基础上制作了若干微器件。 3 研究了飞秒激光热熔烧蚀微细加工的热作用原理，利用温度闽值模型结合 实验，研究了不同加工参数对加工形貌的影响。针对飞秒激光微图形化硅 基p z t 薄膜，引入了双层温度阈值模型优化加工参数，成功在p z t 薄膜上 扫描出各种图形而不破坏硅基体，尝试加工了几种衍射光学器件并检测了 其性能。 在深入研究了飞秒激光微细加工的原理和工艺基础上，有望可以加工制作 功能微器件，实现三维微光机电系统中所需要的各种微结构，为实现复杂微驱 中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 动器和微系统，推动其向功能化，集成化等方向发展。 关键词：双光子加工，飞秒激光，微细加工，微系统 a b s t r a c t a f t e rt i g h t l yf o c u s e d ，f e m t o s e c o n dl a s e ri sa b l et oo u t p u ti n s t a n t a n e o u se x c i t e d l a s e ri n t e n s i t ya sh i g ha st og w c m 2a tv e r yl o w e ra v e r a g el a s e rp o w e r c o m p a r e dt o c wo rl o n g - p u l s el a s e r ，u l t r ah i g hl i g h tf i e l d sc a nb e o b t a i n e da tv e r yl o w e rl a s e rp u l s e p o w e r ，a sw e l la st h ea c c u m u l a t e de n e r g yi sd i f f i c u l tt oe s c a p i n gf r o mt h ei r r a d i a t i o n z o n et h r o u g ht h e r m a ld i f f u s i o n ，d u r i n gt h ei n t e r a c t i o nw i t ht h em a t e r i a l ，t h ef e m t o s e c o n dl a s e ri sa b l et oa p p l i e ds u c hh i g he n e r g yi ns p e c i a lf i e l d sq u i c k l ya n da c c u r a t e l y ， w h i c hm a k e sm a n ym e r i t ss u c ha su l t r ah i g hf a b r i c a t i o nr e s o l u t i o na n dp r e c i s i o n i n t h i st h e s i s ，s u p p o r t e db yt h ek e yp r o j e c to f ”f u n c t i o n a ld e v i c e sm i c r of a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yb yf e m t o s e c o n dl a s e r ”f r o mn s f c ( n o 5 0 3 3 5 0 5 0 ) ，t h em e c h a n i s mo ft h r e e d i m e n s i o n a lm i c r os t r u c t u r ef a b r i c a t i o nd u et ot w op h o t o np o l y m e r i z a t i o ni n d u c e db y f e m t o s e c o n dl a s e ra n dm i c r op a t t e r n sf a b r i c a t i o nd u et oa b l a t i o nb yf e m t o s e c o n dl a s e r i ss t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h r o u g ht h em e t h o do fc o m b i n a t i o no ft h et h e o r ya n de x p e r i m e n tr e s e a r c h ，t h ef a b r i c a t i o nt e c h n i c si ss t u d i e da n do p t i m i z e d ，b a s e do i lw h i c h p r e l i m i n a r yw o r ka b o u tm i c r of u n c t i o n a ld e v i c e sf a b r i c a t i o nb yf e m t o s e c o n dl a s e ri s d o n e t h em a i np o i n t sa b o u tt h i st h e s i sa r e1 i s t e da s ； 1 b a s e do nt h ep r ed e s i g n e df e m t o s e c o n dl a s e rm i c r of a b r i c a t i o ns y s t e m ，e x p a n d i n gt h es y s t e mf u n c t i o ns u c ha sa d d i n gt h e4 0 0 h mf a b r i c a t i o no p t i c a lr o u t e ， u s i n gt h en e ws c a n n i n gp l a n f o r mw i t hl a g e rs c a n n i n gr a n g ea n du p d a t i n gt h e c o n t r o l l i n gs o f t w a r e ，e t c a n a l y s i s i n gt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n te n v i r o n m e n tp a r a m e t e r st ot h es y s t e mp e r f o r m a n c e a f t e rt h ee x p e r i m e n ta n dt h e o r ys t u d y ，t h e o p t i m a lp a r a m e t e r sa r ec h o s e nt oi m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i t y 2 i n - d e p t hs t u d yt h ef e m t o s e c o n dt w op h o t o np o l y m e r i z a t i o nm i c r of a b r i c a t i o n t e c h n i c s b a s e do nf r e er a d i c a lt h e o r yo ft w op h o t o np o l y m e r i z a t i o n ，t h ef a b - r i c a t i o nr e s o l u t i o no ft h es y s t e mi ss t u d i e dt h r o u g ht h em e t h o do ft h e o r ya n d e x p e r i m e n t c o n s t r u c t e dt h em a x a n dm i nm o d e lt or e c o n s t r u c tt h ep r ed e s i g n e dd e v i c ea n dc o n t r o lt h ef a b r i c a t i o nr o u g h n e s sa n dp r e c i s i o n i n t r o d u c e d 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i l a t i o na n de r o s i o na l g o r i t h mo fm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yt oi m p r o v et h e f a b r i c a t i o np r e c i s i o n ，w h i c hc a na l s os i m u l a t et h ef a b r i c a t i o ne f f e c tc o m p a r e d t ot h ep r ed e s i g n e dd e v i c em o d e l p r o p o s e dt h ev a r i a b l es c a n n i n gd i s t a n c ea c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ts l o p eo ft h ed e v i c e sp r o f i l et oi n c r e a s et h ef a b r i c a t i o n e f f i c i e n c y f i n a l l ys e v e r a lm i c r od e v i c e sa r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db a s e do n t h e s ew o r k s 3 t h em e c h a n i s mo ff e m t o s e c o n dl a s e rm i c r oa b l a t i o nf a b r i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h ei n f l u e n c eo fd 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 st ot h ef a b r i c a t i o nm o r p h o l o g y a r es t u d i e d p o i n tt of e m t o s e c o n dl a s e rm i c r op a t t e r n i n gp z tf i l mo ns is u b s t r a t e t w o l a y e rt h e r m a lt h r e s h o l dm o d e li si n t r o d u c e dt oo p t i m u mt h ef a b r i c a t i o np a r a m e t e r s f i n a l l yv a r i o u sp a t t e r n sa r et r a n s f e r r e do n t ot h ep z tf i l m w i t h o u td a m a g i n gt h es is u b s t r a t e s e v e r a lr e f l e c t i o nd i f f r a c t i v em i c r oo p t i c a l d e v i c e sa r es u c c e s s f u u yf a b r i c a t e db yt h i ss y s t e m b a s e do nt h ei n d e p t hr e s e a r c ho ff e m t o s e c o n dl a s e rm i c r of a b r i c a t i o nt e c h n i c s ， m i c r of u n c t i o n a ld e v i c e sa r ee x p e c t e dt ob eo b t a i n e d ，r e a l i z i n gv a r i o u sm i c r os t r u c t u r e u s i n gi nt h r e ed i m e n s i o n a lm o e m s a n df i n a l l yc o m p l e x i t ym i c r om e m sw i t hd r i v e r , p r o m o t i n gi t sd e v e l o p m e n ta l o n gt h ed i r e c t i o no ff u n c t i o na n di n t e g r a t i o n k e y w o r d s ：t w o p h o t o nf a b r i c a t i o n ，f e m t o s e c o n dl a s e r , m i c r of a b r i c a t i o n ，m i - c r o s y s t e m e 第一章绪论 “t h e r e sp l e n t yo fr o o ma tt h eb o t t o m ” r pf e y n m a n 美国物理学家，诺贝尔奖得主r i c h a r dpf e y n m a n 于1 9 5 9 年1 2 月在美国物理 协会举行的周年会议上的预言，指明了未来制造技术的两大发展方向：t o p d o w n ( 由大到小) 和b o t t o m u p ( f q 小到大) ，并指出将由此引发科学、技术、工程 和应用的巨大变革传统制造技术沿着t o p d o w n 的方向，正经历着从微制造技 术，到微米，纳米技术，再到微系统乃至纳米系统发展。物理学、化学、材料科学 和微电子技术的巨大进步，为微制造技术的飞跃提供了前提条件，出现了包括 光刻技术，刻蚀技术，l i g a 技术，快速成型技术等加工手段。二十世纪九十年 代中期发展起来的激光双光子微细加工技术以其高分辨率和三维任意形状的加 工能力，在m e m s 领域展示了巨大的优越性和广阔的应用前景。飞秒激光微加 工技术做为一项具有多种优点的新兴技术出现在微加工领域，与传统的光刻相 比，它具有分辨率高，无须掩膜，激光直写，热效应小等优点。这种技术为快速、 实用、低成本的制作任意形状三维微机电系统提供了有力的手段，使具有高复 杂度，高集成度和功能性的微光机电系统制造实现成为可能。 1 1微系统及微细加工技术 1 1 1 微系统简介及其当前研究现状 微系统被认为是较好地归纳和代表种类繁多的微纳米尺度上的各系列产品 的统称，具体是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及 信号处理和控制电路、甚至外围接口、通讯电路和电源等于一体的微型器件或 系统。其主要特点有：体积小( 特征尺寸范围为l p m 一1 0 # m ) 、重量轻、耗能低， 性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小、谐振频率高，响应时间 短：集约高技术成果，附加值高【l - 6 】。微型机械的目的不仅仅在于缩小尺寸和 体积，其目标更在于通过微型化、集成化，搜索新原理、新功能的元件和系统， 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 开辟了一个新技术领域，形成批量化产业，完成大型机电系统所不能完成的任 务。微型机械与电子技术紧密结合，使种类繁多的微型器件问世，广泛地应用 于人类生活众多领域。可以预料。在本世纪内，微型机械将逐步从实验室走向 适用化，对工农业，信息、环境、生物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重 大影响【l - 5 ，7 - 9 】。而微细机械加工技术是微型机械技术领域的一个非常重要活 跃的技术领域，其发展不仅可带动许多相关学科的发展，更是与国家科技发展、 经济和国防建设息息相关，有着巨大的产业化应用前景。 图1 1 ：微静电马达 美国加利福尼亚大学伯克利分校的l o n g s h e nf a n 和y u c h o n gt a i 用硅微细加 工技术制作了世界上第一个平面结构的、尺寸仅十几个微米大小的微静电 马达( 如图1 1 ) 【1 0 ，l l 】；s a n d i a 实验室用l i g a 技术研制成功微型齿轮传动系 统【1 2 1 ；美国宇航局设在加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气式飞机推进器实验 室( j p l ) 正在研制一种被称为“纳米麦克风”的微型扩音器，并在2 0 0 3 年发射的 火星登陆器上配备这种先进设备；m i t 和m i c r o c o s m 共同开发的m e m c a d 微型 机械设计软件【1 3 】：加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的l m m 的微梁，控 制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。日本东芝电器公司成功研制直径 仅为8 0 0 “m 的电磁式马达：东京大学研制出能爬坡的微型机械装置；研制的数 2 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 厘米见方的微型车床可加工精度达1 5 # m 的微细轴。德国创造了l i g a 工艺，制 成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学 器件；德国美因茨显微技术研究所采用l i g a 技术制成整个直径不至l j l m m ，每分 钟转动l o 万次的微电磁马达 1 0 i l 】。 目前部分器件已经实现了产业化，如微型加速度计、微型压力传感器， 数字微镜器件( d m d ) 、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等，并且应用领域 十分广泛。例如：尖端直径为5 z m 的微型镊子可以夹起一个红血球，尺寸 为7 r a m 7 r a m 2 r a m 的微型泵流量可达2 5 0 # l m i n ，能开动的汽车，在磁场中 飞行的机器蝴蝶以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型 惯性组合( m 1 m u ) 美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器( 机械部分) 和集成电路( 电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等) 一起集成在硅片 上3 m m 3 m m 的范围内【1 1 。 在对微型机械投入巨额资金进行研究的同时，微型机械产品的优良特性和 高的附加值，也给予投资者很大的市场效益作为回报，当如美国硅谷的b e i 公 司2 0 0 0 年的销售利润达4 0 0 多万美元，而1 9 9 9 年的利润仅1 5 0 多万美元，2 0 0 3 年 的利润达2 0 0 0 多万美元。国际市场对微型机械的需求也日与巨增，1 9 9 0 年全球 范围微型机械销售额为4 8 亿美元，1 9 9 5 年为1 5 亿美元，2 0 0 0 年达1 3 9 亿美元， 并带动2 0 0 0 亿美元的相关市场，2 0 0 2 年全球销售额达3 8 5 亿美元【1 4 l ，在2 0 0 5 年达到 t 4 8 f f f l 美元，预s t j 2 0 1 0 年将达塑j 9 5 0 亿美元，复合年增长率约1 5 。从 图1 2 中可看出，其中全球m e m s 器件市场在2 0 0 5 年为5 2 6 亿美元，预计2 0 1 0 年 达到9 8 6 亿美元，复合年增长率1 3 【l ，1 5 1 ，。 我国的m e m s 研究起步较早，在时间上几乎与国外同步，特别是在“八五” 和“九五”期间，国家科技部、国家自然科学基金委、总装备部等先后在该领 域投入了数亿元，扶持了一批重点m e m s 项目目前，国内开展m e m s 研究的 单位已达四十家之多，但由于主要属于跟踪型研究，且投入不大、资金分散、 产业界未及时介入等原因，至今还未全面展开，特别是国内尚无一家m e m s 中 试加工线，产业方面是一片空白。如何才能加快我国m e m s 研究和产业化，实 现跨跃式发展，尽可能缩短与国外的差距，已引起我国政府，学者及部分产 业人士的极大重视。2 0 0 2 年，国家科技部成立了m e m s 发展战略研究专家组， 并将m e m s 列入国家“十五”、“8 6 3 ”重大专项，投资数亿元予以研究和发展， 同时将根据我国m e m s 发展进程，对产业前景明朗、可能与产业界快速接轨 3 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 图1 2 ：2 0 0 4 2 0 0 8 年m e m s 细分市场规模 的重大m e m s 方向及时安排重大发展专项计划，“卫星中的m e m s 和m e m s 卫 星”、“大规模m e m s 光开关在全光通讯网中的应用”、“微惯性测量系统及其应 用”等将可能成为国家重点支持发展的方向；“十五”期间，国家将通过若干重 点领域的突破，一批示范工程的应用，若干加工基地和研究中心的建设，一支高 素质研究队伍的培养基本建立我国m e m s 技术创新体系【2 】。 在9 7 3 计划、8 6 3 计划、“十五”规划等重要研究计划中都提供了大量资金 支持下，也已取得了很多有价值的成果。例如，在体微细加工，准l 1 g a j i 工技术等研究上已经有所进展；清华大学1 9 9 7 年研究成功扭摆式微加速度 计 1 6 ，1 9 9 8 和1 9 9 9 年又先后研制成功振动轮式微陀螺仪和梳齿式微加速度 计，2 0 0 1 年1 2 月重为3 f l i n g 、长为5 r a m 、直径只有l m m 可为进入血管的机器人提 供动力的世界上最小的超声马达诞生；上海交通大学研制成功重为1 2 5 口、尺寸 为1 r a m 的电磁微电机【1 7 】：北京大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、中科院 上海智能微系统研究所等科研院所也正在进行包括微型传感器、微马达、微泵、 微毛细管电泳芯片、微电容式麦克风，微陀螺等的研究【1 8 l 。但与先进工业国家 相比，我国微型机械研究仍处于起步阶段。当前研究工作的深度、广度和规模 以及所达到的技术水平，特别是在微型机械的设计、制造、系统封装和测试等 技术等方面，与国外相比还存在很大差距，而且微系统的实际应用及其所创造 的价值还有限。 4 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 微细加工技术概述 在微系统的研究中，微制造技术的研究与开发是微系统发展的基础和关键 技术。由于微型机械不是传统机械直接微型化，它远超出了传统机械的概念和 范畴。微型机械在尺度效应、结构，材料、制造方法和工作原理等方面，都与传 统机械截然不同，其尺度效应、物理特性研究、设计、制造和测试研究是微系统 领域的重要研究内容。由于微型机械尺寸小，一方面使加工时的操作变得困难， 另一方面微型构件之间的连接方式亦发生了变化，便微型机械装配也变得困 难【5 】。对于制约微型机械发展的制造技术，人们一直在寻求相应的解决办法。 下面列出了现在常用的m e m s 微细加工技术，并对其工艺的特点和技术难 点进行了比较。 同步辐射l i g a 工艺【1 9 ，2 0 i 用电子加速器产生的同步辐射x 射线源进行光刻，结合电铸和注塑技 术，可获得深宽比为5 0 一5 0 0 ，深度5 0 0 l o o “m 的微结构。适用于金 属，合金，聚合物，陶瓷等材料的微结构制造。现己制造出微涡轮。微 泵，加速度计，医用微镊子，微光纤开关，微光谱仪等样品。 同步辐射设备庞大，昂贵；图形掩模吸收体必须选用金，钨等原子序 数大，且对x 射线吸收大的金属材料制造。只能使用l ：l 的共形掩模 板，图形尺寸小，加工困难，制备成本高。目前国际上能加工这种掩 模板的机构还很少 深反应等子刻蚀d r i e 或i c p 1 9 】 通过光刻，深反应离子刻蚀，可获得深宽比大于1 5 ，深度达到2 0 叽m 的 微结构该工艺与硅熔键合工艺结合，可实现表面微加工和体硅微加 工工艺的相互交融。此工艺一般分成两步：( 1 ) 浅刻蚀和硅熔键合嵌 入内腔；( 2 ) 进入内腔实现深反应离子刻蚀。 费用高，l 台进口深反应离子刻蚀设备通常高于5 0 万美元。物理化学 反应生成的离能等离子体轰击基片表面时，会损伤基片晶格，在微结 构内形成残余应力隐患。 电化学微加工f 2 l ，2 2 】 5 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 通过调节微探针电极阴极与工件阳极之间的距离，电压幅值，频率， 周期，脉冲宽度等参数，调节反应溶液和辅助反应气体的配方，可控 制定向化学腐蚀深度，消除不必要的横向化学腐蚀问题获得较大深 度比的微结构。在纳秒脉冲电压作用期间。电极间距可在纳米级至微 米级范围内变化，只要双层电极电容的充电时间常数，即电解质电阻 与双层电极电容的乘积，足够小，电化学反应的速率就会随着双层电 极电容之间的电压呈指数关系规律变化，所以电化学反应可被约束 在极化电极的近邻区域内进行。 微探针制造困难，成本高：电极间距的精确控制困难；微探针在电化 学微加工过程中有磨损，必须定期更换探针显然该工艺运行成本比 较高；工艺过程中出现的钝化膜问题，往往阻碍电化学反应的顺利进 行，有效地消除钝化膜，加速电化学反应是电化学家关往的焦点之 激光微制造【2 3 - 2 5 】 n d ：y a g 激光微加工的结构横向特征尺寸可达到1 0 # m 范围，深度 比为i o 。微结构的深度可达毫米级：准分子激光光子能量可达 到5 6 e 矿，可克服被加工材料原予和分子的结合能，n - r 的最小横向 特征尺寸可达到亚微米范围。聚合物结构深度可达毫米范围，陶瓷结 构深度可达1 0 0 # m 。加工后的结构材科基本没有损伤，例如加工生物 材料时深度宽比可达4 0 ，微孔直径可达2 5 # m 。 寻找焦点困难，费时，耗材，因而需要增设最清晰像平面跟踪装置。 掩模板可用不锈钢光栅或在基片上镀膜刻蚀成光栅，前者易变形。后 者易污染准分子激光光束呈非对称高斯分布，聚焦直写加工方式的 应用受到限制。 从以上这些微细加工方法的加工原理和特点可以看出，现有这些方法的加 工能力均有限，只能用于加工平面的结构比较简单的微器件。目前，能制作三 维微结构的l i g a 技术，还存在加工时间比较长、工艺过程复杂、价格昂贵等缺 点。 6 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 飞秒激光微细加工概述 1 2 1激光微细加工技术及其研究现状 自激光出现以来，有关用激光对材料进行微细加工的研究一直没有停留过。 由于激光具有方向性好，能量高和单色性好等优点，自6 0 年代后就受到科研领 域的高度重视，激光技术应用范围越来越广，在加工领域的应用尤为显著。 激光加工是指用激光束作用于材料引起材料物体形状或性能的改变。按光 与物质的相互作用机理，大体可以将激光加工分为激光束作用于物体引起快速 热效应的加工过程，或称为热加工和激光束作用于材料，借助其高能量密度的 光子或控制材料的光化学过程的冷加工。热加工和冷加工均可对金属和非金属 材料进行切割，打孔，刻槽和标记等。热加工可对金属材料进行焊接，表面强化 和切割比较有优势：而冷加工适合材料的对光化学沉积，激光刻蚀，掺杂和氧化 等【2 6 。 当前用于激光加工的激光器主要有三类：c 0 2 ，n d ：y a g 和准分子( k r f ，a r f ) 激 光器。随着半导体激光器技术的迅速发展，二极管激光器，二极管泵浦全固体 激光器，光纤激光器和超短脉冲激光器也开始广泛应用于材料加工业，特别是 在微细加工工业。自1 9 8 2 年准分子激光刻蚀聚合物报道出现后，紫外脉冲激光 加工的优势得以显现，激光微细加工进入了一个新的发展阶段。准分子激光加 工由于其波长短，脉宽窄，峰值功率高等特性优势表现明显如在文献中报导 了用准分子激光器同时在一根头发上冲出六个均匀的孔，而不使头发受到热损 失【2 7 ，此类特性使它应用在一些特殊要求的场合。c 0 2 激光器和n d ：y a o 激光 器通常作为一种经济节约的方式取得传统的切割，钻孔和焊接技术近年来有 关c 0 2 和y a g 激光在微细加工方面的研究和工业应用也很多，特别是半导体泵 浦的固体激光器的高速发展。通过三次或四次倍频后产生紫外激光，同时脉宽 可在皮秒以下以下它们的一些应用实例： 准分子激光器准分子激光器是发射的是紫外光脉冲激光光源，带宽宽， 输出尺寸约为2 5 r a mxl o m m 的矩形光束，发散角大，而且在矩形光束两 个方向上的发散度不同，因此其空间相干性很差，通常不会直接聚焦而用 于加工，大多数应用采用掩模投影技术。又分为静止掩模和工件( 图1 3 ) ， 移动掩模，移动工件，同时移动掩模和工件( 图1 4 ) 等不同投影方式，最 近又出现了通过整形准分子激光光束实现直写加工技术，如图1 5 【2 8 1 。 7 中国科学技术大学硕士学俺论文第一章绪论 图1 3 ：准分子激光掩模投影加工的墨盒微喷头。 图1 4 ：准分子激光同时移动掩模和样品加工实例。 固体激光器激光直写技术中使用较多通常是n d ：y a g 激光器，因为它具 有良好的光束传输性能，加工时聚焦成一个小光点，利用激光柬或者样品 的运动在样品上加工微细结构。激光直写技术有两大优点：不需使用掩模 和加工路径可以直接由加工系统比如计算机直接控制，方便的加工任何复 杂的图形。如图为普渡大学机械工程系激光中心用激光直写技术在软基板 上用激光直写技术加工出的印刷电路【2 9 1 。 1 2 2 飞秒激光微细加工现状 上世纪9 0 年代初期，飞秒钛宝石激光器的出现将立体光成型技术推向一个 全新的领域，与连续激光和长脉宽的脉冲激光相比，超快飞秒脉冲与材料的相 互作用发生了本质的变化。飞秒激光脉冲经强聚焦后，可以在很低的平均输出 8 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 5 ：准分子激光控制反射镜实现直写。 图1 6 ：激光直写印刷电路板 功率下实现g w c m 2 量级的瞬时激发光强，如此高强度的激发光强可诱发材料 发生显著的非线性光化学反应。主要应用有： 飞秒激光双光子徽细加工 将飞秒激光技术引入到三维微细加工中实现材料的双光子吸收， 使这种新型的三维光成型技术表现出了很多优良特性其优于单光 子吸收固化的特点从图1 7 9 可以很容易就看出来。双光子吸收现象 是k a i s e 和g a r r e t 在1 9 6 3 年首次在实验中观察到的，立即引起了人们的关 注。f l r e n t z e p i s , , 组将双光子技术应用于光学存储以来，双光子技术以其 独特的技术优势引起了世界范围内的广泛重视【3 0 。1 9 9 2 年w e b b 小组首先 双光子技术引入了微细加工领域【3 i i 。日本大阪大学的k a w a t a 和孙宏波等 人利用双光子微细加工技术制作的1 0 u r n 长，7 # m 高的三维公牛图形，成 为飞秒激光双光子微细加工技术的里程碑式标志 3 2 1 。随后利用飞秒激光 在树脂内加工三维微器件的报导越来越多，如图1 8 是德国汉诺威激光中 9 中国科学技术大学硕七学位论文第一章绪论 图1 7 ：( a ) 连续激光的“路径激发”和飞秒激光的“焦点激发”示意图；( b ) 飞秒 激光的双光子聚合加工示意图。 心在o m r m o c e r 材料内制作的三维微器件，图1 9 足他们制作的木堆结 构的光子晶体第一层和第二层的线成9 0 。 图1 8 ：飞秒激光双光子微细加工三维微器件。 在加工工艺方面，k a w a t a 和孙宏波小组研究了单点分辨率与能量关系 如图1 1 0 ，通过拟合得出双光子聚合单个固化点尺寸是与能量的平方成 正比的。同时还研究了扫描步距与加工租糙疫的关系，如图1 1 l 所示【3 3 1 。 在此基础上利用微透镜阵列，进行了并行加工的尝试【3 4 1 。在文献【3 5 1 中 作者以实验为基础根据设计器件外轮廓的不同斜率，将器件分区域采用 不同的扫描步距一定程度上提高了加工效率如图1 1 2 。加拿大古明研 究小组也实验了不同曝光时间和曝光能量对单个固化点尺寸的影响，同样 发现是与能量的平方成正比这一规律【3 6 】。 飞秒激光热熔烧蚀微细加工 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文第章绪论 图i 9 ：飞秒激光双光子微细加工三维光子晶体。 图1 1 0 ：飞秒激光双光子单点尺寸与能量的关系。 2 0 世纪9 0 年代初，利用飞秒激光器开始应用到热熔烧蚀加工领域，同 时一些研究学者从理论上对飞秒激光烧蚀过程进行研究【3 7 _ 4 5 】。与传统 激光加工不同，它的超短脉冲具备极高的三维光子密度，可以改进现有激 光材料微加工的不足之处，对各种材料实现逐层微量加工：其加工的热 影响区域( h e a ta f f e c t e dz o n e ) 极小，并且不存在长脉冲激光或连续激光 加工中的等离子体屏蔽效益，这就使得其能量利用率和加工精度都非常 高( 如图1 1 3 和1 1 4 ) 。当用飞秒激光加工透明介质材料时，加工过程不受 材料本身的线性吸收系数的影响，同时，对材料表面或内部的缺陷不敏 感。此外从光和物质相互作用的角度来看飞秒激光加工涉及的主要是 多光子电离的过程，在机理上不同于传统激光加工，因此，飞秒激光进行 微加工有固定的加工闽值，因此加工过程重复性好。可以预计飞秒激光超 微细加工技术在微电子，生物芯片和新型材料等科学技术领域中都将有广 中国 、 。# 技术大学硕士学位沦文第一章绪论 图1 1 i ：飞秒激光双光子加工扫描步距与粗糙度的关系。 泛应用。 在飞秒激光烧蚀加工研究方亟的主要进步有，1 9 7 5 年苏联学者s ，l a n i s i m o v 等 提出烧蚀金属材料的双温模型【4 6 】。以该模型为基础，1 9 8 4 年英国学 者j g f u j i m o t o 用皮秒与飞秒染科激光器对铜材料进行了确定祸合特征参 数g 的研究【4 7 1 。1 9 8 7 年美国学者h e e l s a y e d a l i 利用1 5 0 f s 和3 0 0 f s 的激光 脉冲研究热量在铜薄片中的传导，发现了电子与品格的温度差异，得出电 子与光子的能量传递过程为几个皮秒的量级，并随着激光能量的提高而延 长【4 8 。1 9 8 8 年加拿大学者p b c o r k u m 对双温模型进行了解析求解【4 9 】。 并与铜和钼烧蚀闽值的实验值进行比较，认为脉冲间隔小于纳秒量级时 用双温模型可以很好地理解激光脉冲作用于金属时引起的损伤。1 9 9 6 年德 国学者b n c h i c h h o v 揭示了烧蚀率对能流域值的对数关系，该关系也适用 于半导体材料及聚合物 4 4 】。2 0 0 2 年j k c h e n 等的数值结果表明，在超 短脉冲激光烧蚀过程中，非熔融态损伤占支配地位，这种非熔融态损伤主 要动力来源于热电子爆炸力【5 0 。 大量理论和实验的研究，推动着这一领域的快速发展，同时新的现象和新 的问题也不断出现，吸引着越来越多的科研人员投入其中。 1 2 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 2 ：不同区域采用不同扫描步距提高加工效率。 1 3 论文课题来源及主要内容 本论文来自于中国科学技术大学s p m 实验室承担的国家自然科学基金重点 项目“飞秒激光功能微部件加工技术研究”( 批准号：5 0 3 3 5 0 5 0 ) 。本论文作为其 中的一部分，主要需要解决完成的任务包括： 1 完善飞秒激光加工系统的硬件和软件系统，扩展加工系统的性能，如在原 有的系统基础上扩展4 0 0 h m 倍频加工光路，整合新移动平台扩大系统的加 工适用范围，增加了新平台的驱动，实现了多轴联动等。 2 研究飞秒激光加工双光子微细加工和热烙烧蚀加工的机理，建立相关数学 模型，结合实验研究不同加工参数对加工效果的影响，为加工三维微功能 器件提供基础，尝试加工若干简单功能器件。 论文将按照系统，工艺和器件的步骤，通过理论和实验相结合的方法逐步 展开。 1 3 中国科? 技术大学硕卜学托论文第一章绪论 图1 1 3 ：飞秒激光热熔微细加工实例。 图i 1 4 ：不同激光脉冲重复频率的钻孔效果。 1 4 第二章飞秒激光微细加工系统的研制和完善 课题来源与国家自然科学基金重点项目( n o 5 0 3 3 5 0 5 0 ) “飞秒激光功能微 部件加工技术研究”，作为总个研究课题的基础，本章在自行搭建设计的震荡级 飞秒激光微细加工系统基础上，扩展了系统功能，包括增j j i l 4 0 0 n m 加工光路，增 加新移动平台加大扫描范围，升级控制软件等。同时通过理论和实验结合的方 法，分析了不同参数对系统性能的影响，并优化其参数提升系统稳定性。 2 。1原加工系统介绍 微器件的三维成型是通过控制激光焦点在加工样品内的相对扫描动作和加 工光束的通断来实现的，加工系统的扫描可以通过控制样品的移动完成。移动 平台按照设计模型，采用不同的扫描策略( 如行栅扫描，轮廓扫描等) 实现。整 个加工系统可以划分为光路传输设备，三维微扫描平台和控制软件等，是集超 快激光技术，显微技术，超高精度定位，c a d c a m 技术为一体的综合应用系 统框架如图2 1 所示，主要构成部分包括： 飞秒激光光源，包括泵浦光源和飞秒激光谐振腔。 光路传输控制，激光器发射的飞秒激光，经滤波，光闸，扩束等后进入共 焦显微镜。 共焦实时监视装置，可以在实时监视加工状态，及时发现问题。 三维移动平台，承载样品相对聚焦焦点移动，完成扫描。 c a d c a m 控制软件，控制样品根据设计的实体模型，结合光闸通断相对 聚焦焦点移动，完成实体扫描。 各部分的详细介绍可以参考文献【5 1 1 。以下主要对原系统优化和功能扩展 的部分进行详述。 中国科学技术大学硕士学位论文第二章飞秒激光微细加工系统的研制和完善 图2 1 ：飞秒激光三维微细加工系统光路示意图和实物图 2 2 系统性能分析和功能扩展 2 2 1飞秒激光器稳定性分析 我们的飞秒激光系统由自行搭建的自锁模钛蓝宝石飞秒激光腔，图2 2 是谐 振腔内部光路示意图，采用标准的四腔镜像散补偿x 彤折叠腔振荡级，t i ：a l 2 0 3 晶 体作为激光介质，连续的5 3 2 n mn d ：y l f 激光器作为泵浦光源。由于加工系统 对飞秒激光的输出功率，激光频谱和锁模稳定性要求较高直接影响加工的效 率和一致性，因此我们对这些参数进行了理论分析和优化。 首先我们对飞秒激光“x ”型腔的稳定性作了理论分析，运用矩阵光学 理论，厚透镜模型建立模型，计算了系统的克尔透镜灵敏度随两个核心腔参 1 6 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章飞秒激光微细加工系统的研制和完善 臀斗心) 一1 1 叫 图2 2 ：飞秒激光x 型谐振腔示意图 数：两个曲面镜之间的距离。和钛宝石晶体和一个曲面镜之问的距离z 的关系 曲线，得到得到激光腔稳定区间：在光斑切平面上，有稳定区间9 7 1 9 6 8 m m 。 9 9 6 3 9 1 m m 1 0 1 0 7 1 r a m z 1 0 3 5 1 4 m m ；在光斑径向平面上有稳定区 间9 7 5 6 5 4 m m z 1 0 0 1 6 6 r a m ，1 0 1 6 9 5 m m p t h 的区域认为 材料固化，反之则认为材科聚合达不到使材料固化的程度要求结合前面的分 析，我们得到材料聚合固化区域的数学阚值模型： p p t h 2 5 ( 3 9 ) 中国科学技术大学硕士学位论文第三章 飞秒激光双光子微细加工技术 图3 2 ：激光光强分布与材料聚合光强阈值示意图，只有在光强大于闽值光强的 区域才会发生聚合 3 2飞秒激光双光子微细加工工艺研究 双光子聚合微细加工的过程如图3 3 所示，采用点与点累积，层与层叠加的 方式形成三维实体，由图中可以看出，加工得到的器件，其外轮廓是由设计器件 外轮廓与单个固化点形貌祸合形成的，其表面粗糙度和加工精度，受单个