（机械工程专业论文）复杂微结构的激光加工工艺规划.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 超短激光是具有广泛运用的前沿技术，是理想的超精密微加工手段之一。 超短激光朝着波长越短和脉冲越短的两个方向发展，在这两个方向中1 5 7 r i m 准 分子激光和飞秒激光最具代表性。1 5 7 n m 准分子激光具有较高的单光子能量， 对材料的热影响极小，刻蚀精度高；飞秒激光实现飞秒量级( 1 0 以5 s ) 的脉冲输出， 作用于材料的时间很短，峰值功率高。它们较传统的加工方式，更容易获得较 高的加工精度和理想的加工效果，是目前激光技术研究的前沿和热点。 本文在研究1 5 7 n m 超短波长激光和飞秒超短脉冲激光的工艺规划基础上， 开发了超短激光微加工的数控自动编程系统，即人机交互界面。结合数学模型 与基础微加工实验，探讨各工艺参数对加工质量的影响规律，并找到最优化的 工艺参数组合。 本文主要研究内容与成果如下： ( 1 ) 进行了1 5 7 n m 激光加工工艺规划研究，并进行了相应的基础实验。结 果表明，利用1 5 7 r i m 激光进行抛光加工时，被刻蚀面累积辐射能约为3 5 0 j c m 2 时，表面粗糙度r a 可以达到2 0 r i m ，取得了良好的抛光效果。用数学解析式的 方法构建数学模型，并运用最d , - - 乘法推导出了粗糙度r a 的计算式。模型分析 合理地解释了抛光后底面沟壑的形成，为今后改善加工质量提供了理论依据。 ( 2 ) 进行了飞秒激光加工工艺规划研究。在石英材料的飞秒激光抛光实验 中，其他工艺参数相同时，扫描行间距越大，抛光面的沟壑越明显，底面越粗 糙。利用m a t l a b 强大的运算和图形功能来构造数学模型，来解释粗糙度的形成 机理。模型分析表明，飞秒抛光加工应尽可能采用较小的激光能量，再利用粗 糙度数学模型选择合适的行间距。 ( 3 ) 利用v i s u a lb a s i c 和m a t l a b 语言工具，开发出基于超短激光微加工的 人机交互界面。人机交互界面包含两个主要部分：15 7 r i m 激光微加工和飞秒激 光微加工。人机界面可以自动生成数控指令代码，驱动工作台的移动。m a t l a b 可以根据选择的加工形状，模拟仿真加工的全过程。根据仿真的结果，可以适 当的调整相应的加工工艺参数，直到获得预期的加工质量。 关键词：准分子激光，飞秒激光，工艺参数，数学模型，人机界面 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r a s h o r tl a s e ri sa na d y j l n c e dt e c h n o l o g y w i d e l yu s e d , o n eo ft h e i d e a l u l t r a - p r e c i s i o nm i c r o - m a c h i n i n gm e a n s u l t r a s h o r tl a s e ri sd e v e l o p i n gt o w a r dt h e 出删。璐o ft h es h o r t e rw a v e l e n g t ha n dt h es h o r t e rp u l s e ，15 7 r i me x c i m e rl a s e ra n d f e m t o s e c o n dl a s e r 眦t h em o s tr e p r e s e n t a t i v e 15 7 r i me x c i m e rl a s e ro w n sa d v a n t a g e s o fh i g hs i n g l e - p h o t o ne n e r g y , m i n i m a lh e a ta f f e c t e dz o n ea n dh i g he t c h i n gp r e c i s i o n ； f e m t o s e c o n dl a s e ro u t p u t sf e m t o s e c o n d ( 1 0 叱s ) p u l s e ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h o r t t i m ea c t i n go nt h em a t e r i a la n dh i g hp e a kp o w e r c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lp r o c e s s i n g m e t h o d s ，u l t r a s h o r tl a s e ri se a s i e rt oo b t a i nh i g hm a c h i n i n ga c c u r a c ya n dt h ei d e a l p e r f o r m a n c e ，w h i c hi st h eh o t t e s tr e s e a r c hf r o n t i e ro fl a s 盯t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t or e s e a r c hm a c h i n g sp r o c e s sp l a n n i n gu s m gt h e15 7 n ml a s e ro f u l t r a s h o r tw a v el e n g t ha n dt h ef e m t o s e c o n dl a s e ro fu l t r a s h o r tp u l s e ，t h eu l t r a s h o r t l a s e rm i c r o - m a c h i n i n gc n ca u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e m ( m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) i sd e v e l o p e d c o m b i n a t i o no fm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n db a s i cm i c r o - m a c h i n i n g e x p e r i m e n t si st of i n dt h ei n f l u e n c e so fp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ep r o c e s s i n gq u a l i t y , a n dt of i n do p t i m a lc o m b i n a t i o n so fp r o c e s sp a r a m e t e r s t h ec o n t e n ta n dt h er e s e a r c hr e s u l t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 1 5 7 r i ml a s e rm a c h i n i n g sp r o c e s sp l a n n i n ga n dt h eb a s i ce x p e r i m e n t s 勰 d o n e t h er e s u l t ss h o wt h a t , f o r15 7 n ml a s e rp o l i s h i n g ，w h e nt h ec u m u l a t i v er a d i a t i o n e n e r g yo fe t c h e ds u r f a c ei sa b o u t3 5 0 j c m 2 ，s u r f a c er o u g h n e s sr ac a na c h i e v et h e b e s t2 0 n m t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l tb ym a t h e m a t i c a la n a l y s i sm e t h o d s ，a n d t h el e a s ts q u a r em e t h o di st od e r i v et h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h er o u g h n e s sr a i t e x p l a i n sg u l l y sf o r m a t i o no f t h ep o l i s h e ds u r f a c e ，w h i c hp r o 吡sat h r e t i c a lb a s i s t oi m p r o v et h em a c h i n i n gq l m l 时i nt h ef u t u r e ( 2 ) p r o c e s sp l a n n i n go ff e m t o s e c o n dl a s e rm a c h i n i n gi s r e s e a r c h e d i nt h e e x p e r i m e n t so ft h ef e m t o s e c o n dl a s e rp o l i s h i n gq u a r t zm a t e r i a l s ，w h e no t h e rp r o c e s s p a r a m e t e r s a r et h es a m e ，t h eg r e a t e rt h es c a nl i n ed i s t a n c e ，t h em o r eo b v i o u st h eg u l l y , t h er o u g h e rt h eu n d e r s i d e m a n a bw i t hp o w e r f u lc o m p u t i n ga n dg r a p h i c sc a p a b i l i t i e s c a n n 吼删am a t h e m a t i c a lm o d e lt oe x p l a i nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fr o u g h n e s s f r i s t l ys m a l ll a s e re n c t g ys l l o u l db eu s e di nt h ef e m t o s e c o n dp o l i s h i n g , t h e nu t i l i z e 武汉理工大学硕士学位论文 t h er o u g h n e s sm a t h e m a t i c a lm o d e lt os e l e c tt h ea p p r o p r i a t es c a nl i n ed i s t a n c e ( 3 ) t h ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c eb a s e do nu l t r a s h o r tl a s e l m i c r o m a c h i n i n gi s d e v e l o p e db yu s i n gt o o l so fv i s u a lb a s i ca n dm a t l a b m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ec o n s i s t s o f15 7 r i me x c i m e rl a s e rm i c r o m a c h i n i n ga n df e m t o s e c o n dl a s e rm i c r o m a c h i n i n g i t c a na u t o m a t i c a l l yg e n e r a t et h en ci n s t r u c t i o nc o d et od r i v et h es t a g e m a t l a bc 距 s i m u l a t em a c h i n i n gp r o c e s so ft h es e l e c t e ds h a p e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， u s e r sc a na d j u s tt h ea p p r o p r i a t ep r o c e s sp a r a m e t e r su n t i li tr e a c h e st h ed e s i r e d p r o c e s s i n gq u a l i t y k e y w o r d ：e x c i m e rl a s e r , f e m t o s e c o n dl a s e r , p r o c e s sp a r a m e t e r s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ， m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 激光的能量密度极大，光束的聚焦能力强，当激光辐照到被刻蚀材料上， 材料瞬间熔化或气化，而对周围的热影响很小，是精密加工的理想手段之一【u 。 随着激光技术的发展，超短激光技术的加工越来越精细，成为目前微结构精密 加工的重要手段。超短激光目前朝着波长越短和脉冲越短两个方向发展，其中 准分子激光和飞秒激光最具代表性 2 h 3 。准分子激光具有的刻蚀精度高、光子能 量密度大等的特点，对加工材料的热影响极小，适合材料的精细力i i t 4 。 6 1 。飞秒 激光脉冲持续时间在飞秒量级，瞬间峰值功率又极高，对周围材料的影响也很 小。在精细微结构加工方面，飞秒激光得到越来越多的重视和应用r 7 1 。 光纤传感器体积小、质量轻、灵敏度高、适应能力强，凭借着它优越的性 能得到广泛的应用，是目前新型传感器研究的热门_ 】。超短激光可以在光纤上可 以刻蚀光栅、加工f p 腔、打阵列孔等微结构，这些微结构可以改善现有光纤传 感器的一些机械性能和光学性能，并有助于开发新的传感器 9 1 【1 1 】。同样，超短 激光能实现对光电子材料的复杂三维加工，例如大平面的抛光和工件的切割等， 有利于新型半导体器件的制备和研究【l 引。 激光加工复杂微结构的过程中，需要对各种加工工艺进行规划，包括加工 路径和工艺措施的选择，各种工艺参数的优化。通过提出和构建数学模型的方 法，来研究加工的形成，确定各工艺参数对激光加工质量的影响，为改善加工 质量提供必要的依据。同时，为了提高人机的交互性，自主设计自动化编程界 面，提高激光加工复杂微结构的效率。同时可以对加工参数进行保存记录，有 利于以后的数据分析整理。最后，还能对整个超短激光加工过程进行模拟仿真 和优化分析，确定最合适的激光加工工艺参数。 本课题将结合理论分析和实验研究，探索超短激光加工复杂微结构的工艺 规划的研究，通过各种工艺优化的措施来改善加工的质量。对提高复杂微结构 激光加工工艺水平具有重大意义和实际应用价值，以后也能为带有微结构的新 型光纤传感器的提供技术支撑。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外发展状况 1 2 1 激光技术的发展 激光是上世纪最重要的发明之一，早在1 9 1 6 年，著名科学家爱因斯坦提出 了受激辐射后能量跃迁产生激光的设想，由此他获得了1 9 2 0 年的诺贝尔学奖。 直到1 9 6 0 年，这个设想才被一位叫梅曼的美国青年科学家实现，世界上第一台 红宝石激光器研制成功，从而引发了科学界的巨大轰动。由于激光具备能量高、 作用时间短等良好的的特性，激光的精密加工技术成为未来激光技术最具有潜 力的领域【l 那。 上个世纪7 0 年代，以c 0 2 激光器和y a g 激光器为代表的大功率激光器被 相继研制成功，实现对金属等难于加工材料的切割、焊接等加工处理，激光器 第一次运用到工业化生产中。其中，y a g 激光器的输出能量甚至能够达到千瓦 级，输出激光波长范围为红外光。这类大功率激光器的原理是利用光子共振将 光能转化为热能，材料迅速熔化或气化，从而达到去除材料的目的 1 4 1 。目前广 泛应用于金属与非金属材料的切割、打孔、标记等。随着调q 技术和倍频技术 的发展，此类激光的能量增加、脉宽变窄、波长降低可达紫外区域，可实现材 料直接去除加工。 激光技术发展到8 0 年代，科学家成功研发出准分子激光器，激光输出波长 范围为1 5 7 - 3 5 3 n m 。这类激光器都是由惰性气体和卤素气体组成的混合气体受 激辐射后，产生紫外波段波长的激光。准分子激光的单个光子能量很高，可以 直接打断材料的化学键来刻蚀加工，热影响很小，加工精度剐”】【1 6 1 。利用它短 波长特性实现对聚合物、瓷器、玻璃和半导体等非金属材料进行钻孔、打标、 光刻、表面处理以及直接成型m e m s 器件等多种微细加工。 到9 0 年代初，飞秒激光技术取得了很大的突破，通过锁频技术能够输出飞 秒量级的脉冲。它的出现彻底突破了原有激光技术的局限，把人类引入到生物、 医疗、化学、信息等众多新兴的领域。飞秒激光与材料的作用时间很短，被刻 蚀材料来不及释放电子能量，因此对周围的热影响也较小。而且脉冲能量峰值 很高，能瞬间将材料气化，对材料进行超精细加工处理【1 7 】。随着飞秒激光技术 的成熟与发展，飞秒激光在材料的超微细加工和结构处理、光学器件制作、高 密度数据存储等领域的发展日趋成熟。 由于激光的单色性、相干性和平行性三大特点，激光的精密加工技术成为 2 武汉理工大学硕士学位论文 未来激光技术最有前途和潜力的领域。目前激光技术越来越成熟，并与高精密 的数控平台相结合，既能达到实验用于研发产品的标准，又可以满足大批量的 工业生产的需求【1 8 】。激光技术正朝着高精密、高智能、高效率的方向发展，未 来将成为运用最为广泛的加工手段。 1 2 2 国内外研究现状 目前，超短激光朝着波长越来越短和脉冲越来越短两个方向发展，准分子 激光和飞秒激光就是其中的代表。各国的专家学者在超短激光加工领域，已经 取得了大量举世瞩目的成果。 在国内，电子科技大学的饶云江教授等人用高频c 0 2 激光制作长周期光栅， 而后成功的利用1 5 7 r i m 准分子激光和飞秒激光两种激光分别制备出法布里珀罗 ( f p ) 光纤传感器【1 9 1 2 0 l 。中国科技大学利用飞秒激光在丙烯酸酯紫外光固化材料 上，通过双光子聚合制作出直径为6 t t m 的万字形微型转子。并使用光镊装置实 现了微转子的光致旋转，为制作微机械马达提供了一种有效方式。台湾元智大 学w e i c h il e e 等人用k r f 准分子激光和湿化学结合刻蚀g a n 基的l e d 外延片， 改善了光的输出性能。天津大学的王清月教授等人用飞秒激光加工微光学器件， 在飞秒激光加工材料微结构领域取得了卓有成效的研究成果【2 l l 。 武汉理工大学戴玉堂、李维来教授等人利用15 7 r i m 准分子激光在单模光纤 上刻蚀微孔田】，对蓝宝石、氮化镓材料等难于加工材料的刻蚀工艺和加工机理 展开了一系列研究田】。北京大学黎子兰、胡晓东等人曾利用2 4 8 n m 的k r f 准分 子激光器进行了蓝宝石衬底g a n 外延片的剥离，剥离后g a n 基外延膜易于解离， 表面平整光滑。w c i c h il e e 等人用k r f 准分子激光和湿化学结合刻蚀g a n 基的 l e d 外延片，改善了光的输出性能。其他一些知名院校或科研单位如华中科技 大学、香港理工大学、哈尔滨工业大学、上海光机所等，也在超短激光微加工 领域取得了重大的研究成果幽j 。 在国外，英国h e r i o t w a t t 大学使用准分子激光写入光纤光栅，来制备高灵 敏的分布式弯曲传感器瞄j 。日本大阪大学研究员t o m o k a z ut a n a k a 利用飞秒激光 在光硬化树脂上加工微型齿轮，该齿轮结构紧凑精细，代表了飞秒激光微加工 领域的世界先进水平。澳大利亚悉尼大学的研究小组利用超短激光在纤芯制作 孔状微结构，来提高布拉格光栅的横向应力灵敏度【2 6 1 。美国m i c h i g a n 大学的研 究小组应用飞秒激光在掺钕玻璃内部，成功制作了长度为l m m 的增益光波导。 武汉理工大学硕士学位论文 发现飞秒激光脉冲的辐射并没有破坏掺钕离子的原有分子，并且在高温下仍然 可以保持良好的稳定性。 日本科学家s u n 等人利用飞秒超短激光的双光子聚合手段，成功制作出三 维微细结构的搿纳米牛一，造型非常逼真和精细【2 7 】。英国伯明翰大学的vr m a c h a v a r a m 等人采用1 5 7 n m 激光在蓝宝石光纤上制作f a b r y p e r o t 腔，通过光 谱分析出现f p 腔干涉的现象。w a t e r u 等科学家首次提供一种利用飞秒激光加 工手段，提出并开发了一种新的三维光存储技术【2 引。美国c o m i n g 公司的a m s t r c l t s o v 等人利用飞秒激光钛宝石振荡器输出的飞秒脉冲在高硼硅玻璃内加工 得到定向耦合器，大大提高了加工速度并降低了系统成本。加拿大蒙特利尔大 学的教授们利用飞秒激光在光纤纤芯处打孔后，涂覆一层金属薄膜，对对通道 内流经的气体进行检测【2 9 】。 日木名古屋大学的m a r u o 等人使用负性光刻胶加工了一个前段具有针状 结构的三维“操纵杆一，该操纵器可在光镊的驱动下实现对轻小物体的夹持和搬 运。y u k ik o n d o 3 0 和e r i cf e r t e i n t 3 1 】等学者最先利用红外激光在单模光纤中制作 出长周期布拉格光栅，改光栅具有很好的可重复性和稳定性。德国s e r b l nj 等 人研究了飞秒激光诱导无机一有机激光材料的双光子聚合现象，并利用该技术 得到结构尺寸小于2 0 0 n m ，周期为4 5 0 n m 的三维微结构和光子晶体。英国a s t o n 大学的md u b o v 等人用近红外飞秒激光三倍频后产生的紫外飞秒激光脉冲在熔 石英上刻出周期为2 5 0 n m 的微纳米结构，这是迄今报道的飞秒激光写入的最短 的周期结构。 激光对于复杂微结构的工艺规划的深入研究还处于起步阶段，特别是光纤 传感器微结构的深入研究目前尚未取得很好的成果。因此，本文针对上述问题， 将会对复杂微结构的超短激光加工做进一步深入的研究。 1 3 本文的主要研究内容 现实验室拥有商业用最短波长的1 5 7 n m 准分子激光微加工系统和日本 c y b e rl a s e r 公司的飞秒激光微加工系统。利用这两种激光器对光电材料进行复 杂结构的微加工，通过一系列的实验研究，探索最佳的加工工艺参数。具体的 工作内容如下： ( 1 ) 结合激光加工非接触式的特点和数控工作平台的移动特性，理论分析 结合实验结论。找出加工路径对加工质量的影响规律，从而选择合适的激光加 4 武汉理工大学硕士学位论文 工路径，合理规划超短激光加工工艺。 ( 2 ) 为了设计1 5 7 r i m 激光微加工的人机界面，探讨1 5 7 n m 准分子激光加 工工艺规划的研究，进行了相应的基础实验。用数学解析式的方法构建数学模 型，并运用最小二乘法推导出了加工底面粗糙度r a 的计算式。合理的解释了加 工底面沟壑的形成，为今后改善加工质量提供了理论依据。 ( 3 ) 为了设计飞秒激光微加工的人机界面，进行了飞秒激光加工工艺规划 研究和一系列基础实验。在石英材料的飞秒激光抛光实验中，利用m a t l a b 强大 的运算和图形功能来构造数学模型，来解释粗糙度的形成机理。 ( 4 ) 使用v i s u a lb a s i c6 0 和m a t l a b 语言编写自动数控编程人机交互界面， 能够自动生成数控指令代码，导入到微加工系统中能够控制工作台的运动，激 光的开启及光路阀门开启等。加工工艺参数和加工模拟的结果等保存至e x c e l 文档中。m a t l a b 软件根据选择的加工类型和加工形状，动画模拟仿真激光加工 的整个过程，用户根据仿真的结果调整加工工艺参数。 本文将采用创新与继承相结合、实验与理论相结合的研究方法，对相关问 题做深入研究，具体问题具体分析，来对上述工作内容进行分析研究。首先， 阅读准分子激光和飞秒激光微加工方面的国内外相关文献，了解这两种超短激 光作用于材料的加工机理g 熟悉超短激光微加工系统的使用，对机器的加工流 程和操作方法做深入掌握：利用激光对氮化镓( q i n ) 材料、光纤做各种微结构 加工实验，实验结束后进行电镜扫描( s e m ) ，原子力显微镜扫描( a f m ) ，分 析加工质量，分析其原因，总结经验，提出下一步改善方案。 其次，学习v i s u a lb a s i c 软件和m a t l a b 软件相关内容，设计交互性较好的人 机交互界面，控制微加工系统的自动化加工；重点对微加工典型形状的工艺流 程进行优化设计，寻求微加工质量较高的扫描路径；对加工过程进行模拟仿真， 根据仿真的结果再选择合适的工艺参数，改善加工质量。 本文的特色与创新点如下： ( 1 ) 建立数学模型对微加工平面粗糙度进行模拟分析，探讨激光微加工工 艺参数对加工粗糙度的影响，借以改善加工质量。 ( 2 ) 设计自动数控编程人机界面，对加工过程进行动画模拟，并预测加工 结果，以提高加工效率。 ( 3 ) 人机界面将15 7 r i m 超短波长激光和飞秒超短脉冲激光两种加工系统有 机的结合。具有界面简洁，功能丰富等特点，满足不同微加工的实际需求。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章超短激光加工系统及其：j n - r 特性 2 115 7 n m 激光加工系统及其加工特性 准分子激光( e x c i m c rl a s e r ) 是卤素气体和惰性气体组成的混合气体分子受 激辐射后，基态跃迁释放能量从而产生的激光。准分子激光工作气体中的卤素 气体主要是f 2 、c 1 2 等，惰性气体包括h e 、n o 、a r 等。准分子激光的输出波长 范围一般为1 5 7 r i m 至3 5 3 n m ，属于紫外光或深紫外光。 本文实验采用的15 7 r i m 激光加工系统是型号m 2 0 0 0 双激光微加工系统，由 英国e x i t c c h 公司生产制造。它包含有1 5 7 r i m 深紫外准分子激光器，可用于各种 光电子材料的精密微加工实验研究中。1 5 7 r i m 准分子激光的工作气体为惰性气 体h e 和卤素气体f 2 的混合气体，是准分子激光在真空紫外波段能获得最短的波 长。1 5 7 n m 准分子激光波长极短，单光子能量很高，加工热影响区很小，因而 加工精度高。所以，1 5 7 n m 激光在热处理、光化学和激光精加工等方面有着广 阔的应用潜力和前景。图2 1 为m 2 0 0 0 双激光微加工系统的实物图。 叫m 2 咖 皇囊麓曩 图2 1m 2 0 0 0 双激光微加工系统 上文中提到的1 5 7 r i m 准分子激光器是德国t u il a s e r 公司生产的m 1 0 0 型激 翟 武汉理工大学硕士学位论文 光器。基本参数脉冲宽度为2 0 5 n s ，激光平均输出功率为1 5 w ，最大单脉冲 能量为1 5 m j ，最大重复频率为1 0 0 h z 。1 5 7 r i m 准分子激光器为了得到更好的加 工效果，需要对光束进行匀化整形，使光束各点的能量密度一致。在1 5 7 r i m 激 光微加工的光路中，能起到匀化整形作用的光学器件是蝇眼光束匀化器，如图 2 2 所示。 m 1 0 0 激光器受激辐射出1 5 7 r i m 波长的准分子激光，通过b p l 、b p 2 两个 棱镜传到a 1 、a 2 组合的蝇眼光束匀化器中，a 1 是由6 6 个小透镜组成，将光 束分为3 6 份小光束，此时每份光束的能量密度并不相同。每份小光束再经过a 2 时，会发生相应的偏折角透射到同一区域，因此即便每个小光束的能量不相同， 最后聚焦叠加在匀化束面上的光束也会相同，即达到光束匀化整形的效果。最 后，光束通过高分辨率的c a f 2 聚光透镜照射到试件上，对材料进行刻蚀加工。 此外，整个传输光路密封于高纯度n 2 的腔体中，可以避免1 5 7 r i m 准分子激光传 输过程中被空气吸收。 聚光透镜 f la 2 c a i b p 2 b p i 。气 工作台 掩腹板 酗罩j 良醋 丁1 工 图2 21 5 7 n m 激光系统的光路 数控工作台系统是a e r o t e e h 公司配套的u n i d e x5 0 0 控制系统，它能编译数 控指令，精准的控制工作台的移动，确保1 5 7 r i m 激光对工件精确的加工。该数 控工作台具有4 轴3 联动的功能，具有运动行程长和运动精度高的特点，实物 图如图2 3 所示。数控工作台的x 、y 轴的驱动使用交流线性电机，在x 、y 方 向的最大行程可达3 0 0 r a m ，运动精度可达0 5 t t m ；数控工作台z 轴和r 轴驱动 使用交流无刷电机，其运动精度比x 、y 轴驱动交流线性电机更高。z 方向最大 行程达1 0 m m ，运动精度达0 1 p m ；回转轴r 的转角范围为士4 5 0 ，精度可以达到 0 8 m d e g 。该数控平台具体控制指标参数见表2 1 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 数控工作平台 表2 1 工作台特征指标 轴描述行程驱动精度 x工作台x 方向3 0 0 m交流线性电机 0 5 u m y工作台y 方向3 0 0 m交流线性电机0 5 u m z焦点移动方向l o m交流无刷电机0 1 u m r工作台旋转方向4 - 4 5 0交流无刷电机0 8 m d 1 5 7 r i m 准分子激光刻蚀的机理，目前大多研究学者都有各自不同的机理解 释，最得到大家认可的是光化学离解的机理。即当激光辐照到光电子材料中， 单光子的能量大于被加工材料的化学键能时，激光直接破坏材料的化学键，材 料被分解成离子、原子等的形式喷射出去。这与传统激光的熔化或是气化去除 材料加工方式不同。光电子材料对1 5 7 n m 激光的吸收深度大多在数百埃，即每 个脉冲刻蚀大约几十n m 的深度，而多余的能量被喷射出去的物质带走，热影响 区很小，因此准分子激光加工又被视为冷加工【3 2 朋引。 2 2 飞秒激光加工系统及其加工特性 飞秒激光器是利用锁模技术获得的飞秒量级脉冲输出的激光器。飞秒是衡 量时间的一种单位，也称毫微微秒，1 自只有1 0 彤秒。飞秒激光是通过波长相干 获得时间上的极大压缩，来实现飞秒量级脉冲的输出，它是人类目前能获得的 最短脉冲激光。飞秒激光同时具有非常高的瞬时功率，物质在飞秒激光的作用 下都会瞬间变成等离子体喷射去除，因此加工效率非常高，是目前全球激光加 武汉理工大学硕士学位论文 工技术研究的热点。另外，飞秒激光有非常高的分辨率，能精准的聚焦在超细 微的空间区域内，是飞秒激光超精密加工的重要特性之一。 本文中用到飞秒激光加工系统的是日本c y b e rl a s e r 公司生产的i f r i t 飞秒 激光微加工系统，该机器运用最先进的飞秒光源技术，配合高精密的工作台， 可以提供半导体、透明材料等的精密加工。i f r i t 飞秒激光系统可以不需校准连 续工作1 0 0 0 个小时，具有很高的稳定性，图2 4 是i f r i t 飞秒激光器微加工系 统。i f r i t 飞秒激光器的基本参数如下：输出波长为7 8 0 n m ，最大输出功率为 1 0 w ，重复频率为1 k h z ，脉冲宽度为1 8 0 f s 。 图2 - 4i f r i t 飞秒激光加工系统 飞秒激光运用到精密微加工时，需要依靠光路的滤光和聚焦作用，改善飞 秒激光的光束质量。飞秒激光微加工系统的光路图，如图2 5 所示。飞秒激光的 设计光束直径为6 m m ，在激光透射到聚焦镜前，调节光圈的大小，滤除能量不 均的杂光。光路中聚焦透镜的焦距f 为6 0 m m ，聚焦透镜到光圈的距离a 为 1 4 2 2 m m 。激光加工工件时，我们根据实际加工的需求，一般选择在焦平面上加 工。也可以选择结像面上加工，结像面的大小根据结像面到聚焦透镜间的距离b 进行调节，满足操作者特殊的加工需要。 c y b v rl 嗽公司配套有s 1 0 0 m 数控工作平台控制系统，根据数控指令精确 的控制工作平台的运动，来实现对材料复杂微结构的精密加工。该数控工作平 台结构紧凑小巧，适用于搭建开放式的加工系统。在x 方向和y 方向上的最大 行程为1 0 0 - - + 1 0 0 m m ，运动精度为1 p m ；z 方向上的最大行程为2 5 , - + 2 5 m m ，运 动精度为0 5 i - t m 。 西 武汉理工大学硕士学位论文 瓯习 图2 5 飞秒激光系统的光路 与长脉冲激光微加工比较，飞秒激光具有自己独特的加工特性和加工机理。 飞秒激光作用于材料的时间很短，且峰值功率极高。光子能量通过材料的电子、 原子和晶格来传递，使得作用区域内的温度瞬间升高，大大超过材料熔化或气 化的温度，发生高度的电离。然后，作用区域的材料以等离子的形式向外喷射， 并带走多余的能量。材料加工表面的碎屑多数被带走，附着在表面上的碎屑很 少。这样加工过程对周围材料热影响较小，不会产生热应力引起的机械裂纹和 表面熔化凝结产生的重铸层，从而实现相对意义上的“冷”加工【3 4 】。飞秒激光 对材料的加工机理过程，如图2 6 所示。 飞秒激先咏冲 对表面用臣无提伤 无知工碎晨 图2 - 6 飞秒激光的加工机理 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章15 7 n m 激光抛光加工的数学模拟 3 115 7 n m 激光抛光g a n 外延片实验 氮化镓( g a n ) 材料被视为研制微电子器件、光电子器件的第三代新型半导 体材料，是目前全世界半导体研究的热点与前沿。它具有禁带宽度大、导热性 能良好、抗辐照能力强等优点，在光发射器件、高频微波器件和高温大功率器 件应用方面有着广阔的应用前景【3 5 1 。但g a n 材料的化学稳定性强，光透过性好， 是十分坚硬的高熔点材料，传统的加工手段很难达到理想的加工效果，而激光 直接刻蚀加工g a n 材料，能改善加工性能，是较为理想的加工方法之- - 殉。 惰性气体h e 和卤素气体f 2 组成的混合气体分子受高能电子激发后，产生 1 5 7 r i m 波长的的准分子激光光束。激光束在充满n 2 保护气体的光路腔中传播， 经过复杂的匀化整形聚焦后照射到工件上。用户通过数控指令来控制工作平台 的运动和光路阀门的开启关闭，完成对工件的复杂精密加工。在线加工的过程 通过c c d 摄像头来观测，1 5 7 r i m 准分子激光微加工系统如图3 1 所示。 1 6 7 衄准分子激光器 气的腔体 i _ - 1 ) c l f z r 数控工作台 图3 11 5 7 r i m 准分子激光微加工系统 为了探究g a n 外延片激光抛光的可行性，用1 5 7 n m 激光扫描加工 1 2 0 p m x 2 0 0 1 x m 的矩形面。我们采用以下4 种扫描路径，如图3 2 所示。图( a ) 为单向直线扫描加工，图( b ) 为双向直线扫描加工，图( c ) 为由外到内环绕加 工，图( d ) 为由内到外环绕加工等。扫描路径在激光抛光加工中，是非常重要 的工艺因素之一，直接影响到加工质量的好坏【3 7 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 = 二a 阜 三三； ( b ) 画画 旧呻 图3 2 扫描路径 实验对比结果表明，采用不同扫描路径都会对加工质量产生较大的影响， 如图3 3 所示。从图中可以看到，直线扫描的方式优于环绕式，原因在于环绕式 加工形成的沟壑形状比直线式加工的更复杂。兼顾加工效率和数控编程的简易 性，激光抛光扫描路径选用如图3 - 2 ( b ) 所示的双向直线型扫描路径。 ( b ) 、c ， i ， 图3 3不同扫描路径加工的光学显微图 在1 5 7 r i m 准分子激光抛光g a n 外延片的实验中，通过改变激光加工系统的 工艺参数，如激光的脉冲频率、激光扫描速度、光斑大小等，可以控制被刻蚀 1 2 岳i l + + 武汉理工大学硕士学位论文 面单位面积累计辐射能量。由不同累积辐射能获得的表面形貌判定各工艺参数 对加工的影响。根据实验和理论【3 8 ，假定单个脉冲的能量是相同的，得出被刻 蚀面单位面积累计辐射能量的计算式： p ：l _ h 一f y ( 3 1 ) p = 一 u 。1 ) 门， 式中p 为累计辐射能( 单位为j c n l 2 ) ，l 为光斑x 扫描方向的宽度，h 为光 斑y 扫描方向的宽度，f 为激光脉冲频率，丫为激光束焦平面的能量密度，h 为 光斑扫描间距，v 为激光扫描速度。 激光刻蚀g a n 外延片表面时，刻蚀面单位面积累积辐射能量对加工质量有 很大影响。获得合适的累积辐射能后，对g a n 外延片进行抛光加工，随即使用 光学显微镜观察。发现被刻蚀面及周围残留很多细小的碎屑，四周有一圈色彩 变化的色环，说明激光对周围材料存在一定的热影响。刻蚀后的g a n 外延片放 在浓度为3 0 的浓h c i 溶液中，用超声波清洗器清洗3 0 m i n 。最后，使用扫描 电镜( s e m ) 观察刻蚀后的表面形貌。可以看到，当能量合适时，被刻蚀面没 有多余的残屑和微裂纹，表面较为光滑平整，如图3 - 4 所示。 图3 - 4 合适的激光能量抛光后的s e m 形貌图 同时，可以看到扫描行之间存在有沟壑，这可能是造成刻蚀面不平整的主 要原因，因此加工过程中要尽可能消除行之间的沟壑。与此同时各区域之间不 是绝对的平滑，这可能是环境因素如氮气的流量、工作台振动等也会对加工效 果造成影响。因此要取得良好的加工效果，必须尽量保证各种加工条件的稳定 性。 当被刻蚀面累积的辐射能量过高或过低时，都会造成刻蚀表面的粗糙度变 大。能量过低时，会导致光斑分离的现象，刻蚀的效果不充分。材料有的部位 没有接受到足够的光子辐照，表面粗糙度相反会变大。当能量过高时，刻蚀深 度较大，但是会导致局部能量过于集中。刻蚀部位有明显凸起的颗粒，行之间 武汉理工大学硕士学位论文 的沟壑渐渐模糊，刻蚀表面粗糙度变大，如图3 5 所示。 爹一_ 鼍攀，攀黝磷鳓黼黼 图3 5 过高的激光能量抛光后的s e m 形貌图 被刻蚀面的表面粗糙度是衡量抛光效果的重要指标之一，本文的表面粗糙 度值选用轮廓算术平均偏差r a 。表面粗糙度的原始数据由原子力显微镜( a f m ) 测量获得，再利用仪器配套的n a n o s c o p e 数据分析软件得到r a 。材料表面的累 积辐射能根据式( 3 1 ) 计算得到，则表面粗糙度r a 与累积辐射能的关系，如图 3 - 6 所示。图中反映了当激光能量密度y 为3 5j c m 2 时，被刻蚀面表面粗糙度 i h 与累积辐射能的关系。当被刻蚀面单位面积累计辐射能量在1 0 0 - - , 3 5 0j c m 2 时，被刻蚀面累计辐射能越大，形貌越光滑。而当累计辐射能在3 5 0 - - 8 0 0j c m 2 时，被刻蚀面累计辐射能越大，能量会过度集中，形貌越粗糙。因此，被刻蚀 材料获得合适的累积辐射能将得到理想的抛光效果。 图3 - 6 材料表面粗糙度与累积辐射能的关系 从图3 - 6 中还可以看到，当被刻蚀面累积辐射能约为3 5 0j c m 2 时，表面粗 糙度r a 最小，大约为2 0 9 n m 。通过光功率计测量单位面积累计辐射能量的平均 值，在3 5 + 0 0 5j c m 2 的范围内会有一定的波动，所以关系曲线近似线性叠加， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 激光能量密度的波动有可能是造成粗糙度的一个重要原因。 当激光辐照在材料表面时，可能产生不同的作用机理，这依赖于激光源的 波长和材料本身。g a n 材料对1 5 7 n m 激光的吸收系数较高，深入材料内部的单 光子能量( 7 9 e v ) 大于被加工材料的化学键能( 3 4 e v ) ，因此高度的光电离将 导致材料表层的化学键迅速断裂。大量光解形成的等离子体成分，在光照层内 引起压强急剧增大，迫使光解物质高速喷出。由于激光脉宽为纳秒级，光化学 作用时间极短，热量传递范围极小，从而实现激光“冷”加工。因此，对于g a n 材料而言，1 5 7 r i m 激光刻蚀机理是光化学作用为主的过程【3 9 j - 【4 l j 。 3 215 7 n m 激光抛光的数学模型 1 5 7 n m 激光采用双向直线扫描路径和合适的累积辐射能，对g a _ n 外延片抛 光刻蚀。使用超声波器清洗后，用原子力显微镜( a f m ) 观察被刻蚀面表面的 形貌，如图3 7 所示。原子力显微镜采用美国v e e c o 精密仪器公司的n a n o s c o p ei v 型，其精度可以达到0 2 n m ，图中选取的是被刻蚀面5 0 9 m x 5 0 p a n 的区域。可以 看到扫描行之间存在有沟壑，这可能是造成刻蚀面不平整的主要原因。 k i l 一 图3 7 刻蚀表面的a f m 测试图 现用数学模型来构建沟壑的形成原理，可以分析各工艺参数对加工质量的 影响，找出相应的规律。最后将激光微加工的各工艺参数最优化，得到最佳的 工艺参数组合。用图形的形式构造沟壑的数学模型，如图3 8 所示。1 5 7 r i m 激光 光束