（机械电子工程专业论文）空心玻璃微球球壳准分子激光刻蚀的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 调制靶是惯性约束聚变实验( i c f ) 中的重要装置。随着对r a y l e i g h t a y l o r 流体力 学不稳定性的研究的深入，聚合物平面调制靶已经不能够满足实验需求，而要求以空 心玻璃微球为基体制备表面具有一定调制图形的球面调制靶，用于惯性约束聚变实验。 本文首先简要介绍了当前国内外在微细加工、调制靶方面的相关技术的现状和发 展趋势，特别是详细介绍分析了以玻璃等硬脆性材料为加工对象的微细加工技术的现 状，以及球面调制靶的基体空心玻璃微球( h g m ) 的制备技术及其性能。简要介 绍了本课题所使用的准分子激光加工机。 在对玻璃微球性质的分析和准分子激光机光路传输系统解析的基础上，讨论了利 用2 4 8n mk r f 准分子激光刻蚀玻璃材料的问题。通过试验摸索出了一种有效的准分 予激光刻蚀玻璃材料的工艺方法，成功地在玻璃片上进行了刻蚀试验；进而，提出了 一种准分子激光直接刻蚀玻璃微球的加工方法，成功地在玻璃微球上刻蚀出点阵和图 形。 最后，对本文所提出的加工方法的优点、不足和需要改进之处进行了讨论，并对 将来的实验研究作了分析和展望。 关键词：准分子激光直接刻蚀加工加工工艺空心玻璃微球球面调制靶 j 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r t u r b a t i o nt a r g e ti sa ni m p o r t a n t p a r to fi c f ( i n e r t i a lc 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 a st h er e s e a r c ho n r a y l e i g h t a y l o ru n s t a b i l i t yg o e sf u r t h e r , s u r f a c ep e r t u r b a t i o nt a r g e td o e s n o tf e e dt h er e q u i r e m e n to fr e l a t i v ee x p e r i m e n t sa n ym o r e ，a n d m i c r o s p h e r e sw h i c hh a v e p e r t u r b i n gi m a g e so nt h es u r f a c es e r v ea sp e r t u r b a t i o nt a r g e ta r en e e d e df o rt h en e w c i r c u m s t a n c e s t h e t e c h n i q u e so fm i c r o f a b r i c a t i o na n dp e f l u r b a t i o nt a r g e tw e t ci n t r o d u c e df i r s ti nt h i s p a p e nt h em i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so nh a r da n df r a g i l em a t e r i a l ss u c ha sg l a s s ，t h e m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e sa n dt h ep r o p e r t i e so fh g m ( h o l i o wg l a s sm i c r o s p h e r e s ) a st h e m a t e r i a lo fm i c r o s p h e r ep e r t u r b a t i o nt a r g e tw e r ea n a l y z e d a l s ot h er o u g hi n f o r m a t i o no f t h e2 4 8n mk r fe x c i m e rl a s e rw h i c hw a su s e di nt h i s p r o j e c tw a si n t r o d u c e d s o m e s u c c e s s f u le x a m p l e s u s i n gt h i se x c i m e r l a s e ri nm i c r o - f a b r i c a t i o nw e r ea l s op r e s e n t e d b a s e do nt h ea n a l y z a t i o no ft h e p r o p e r t i e s o fh g ma n dt h eb d s ( b e a n ld e l i v e r y s y s t e m ) o f t h e2 4 8n mk r fe x c i m e rl a s e f s e v e r a lp r o b l e m so f e t c h i n gg l a s sm i c r o - s p h e r e s u t i l i z i n ge x c i m e r l a s e rw e r ed i s c u s s e d ，a n ds e v e r a le x p e r i m e n t so fe t c h i n g # a s sc h i p sw e r e s u c c e s s f u l l yc a r r i e do u t a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h ea b o v em e n t i o n e de x p e r i m e n t s ，a n e wp r o c e s se t c h i n gg i a s s m i c r o s p h e r e sw i t h2 4 8n me x c i m e rl a s e rw a si n t r o d u c e d ，a n d s u c c e s s f u l l y c a r r i e do u ti nl a be x p e r i m e n t s f i n a l l y ，t h er e s u l t so fe t c h i n gh g m w i t h2 4 8n mk r fe x c i m e rl a s e rw e r ed i s c u s s e d ，a n d s e v e r a ls u g g e s t i o n sw e r e g i v e nf o rf u r t h e rr e s e a r c hw o r k i nt h ef u t u r e k e y w o r d s ： e x c i m e rl a s e rd i r e c te t c h i n gh o l l o wg l a s s m i c r o s p b e r e m a n u f a c t u d n g p r o c e s 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 h 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：乏蒙号 日期：3 肿斗年j 月f 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 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：定策每 日期：j o 口争年歹月f e t言翥鬈：粥：詈吨日期：z n ，屿1 年f 月目 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 课题来源于华中科技大学机电信息工程系与中国工程物理研究院高温高密度等 离子物理国防科技重点实验室合作的国防科技重点实验室基金项目：球面调制靶工 艺研究( 课题编号：5 1 4 8 0 0 6 0 1 叭j w 0 5 0 5 ) ，本论文是该项目的重要组成部分之一。 1 1 2 课题目的和意义 目前，惯性约束聚变i c f ( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ) 是国际上已取得重大 进展的实现受控热核聚变的重要途径之一。从八十年代以来，实验室激光聚变虽然取 得了举世瞩目的进展，但在靶物理和相互作用物理两方面还有许多复杂的和关联的物 理技术问题未解决【m l 。在惯性约束聚变试验中，由靶丸表面不均匀性引起的瑞利一泰 勒流体力学不稳定性( r a y l e i g h t a y l o ri n s t a b i l i t y ) 是导致试验失败的原因之一， 进一步在理论上和实验中明确r t 不稳定性的作用是i c f 实验中迫切需要解决的一个 关键问题1 6 q o l 。因此，在较小型的高功率激光装置上进行单项分解研究受到人们的普 遍重视【卜2 1 。1 。靶丸表面的不完整是这种不稳定性的来源之一，通常，采用在平面上人 为引入面密度扰动的方法制备平面起伏调制靶来模拟并进而研究【m “4 1 卜”1 。出于近 年来受控热核聚变技术的发展，又有人提出了球面调制靶的概念，因此，研制球面调 制靶就成为了必要。目前，球面调制靶的基体是空心玻璃微球。 同时，就微光刻技术而言，钳1 对玻璃等硬脆性材料的加工，大多采用湿法刻蚀、 化学腐蚀等方法，而这些方法通常都比较耗时，且成本非常高，特别是在小批量加工 的时候，并不是一个非常好的加工手段【, 4 1 6 1 。本课题的目的在于探索设计一种球面调 制靶的加工工艺，找出一种实际而又简易可行的加工空心玻璃微球制备球面调制靶的 方法；另外，通过研究准分子激光直接刻蚀加工玻璃材料，可以为微细加工业中针列 华中科技大学硕士学位论文 硬脆性材料这丰巾难加工介质，以及利用准分子激光加工三维微细结构等问题找出一个 经济、简洁易行且具有广阔发展前景的加工方法。 1 2国内外相关技术领域的发展概况、动态和趋势 1 2 1 准分子激光微细加工技术的现状与发展趋势 微细加工技术从它诞生的那一天超，就一直飞速发展【1 7 1 。它主要是指褶对于传统 的加工技术丽言，加工尺度约在微米级范围甚至更小的加工方式。它起源于半导体制 造 = ：艺，是微米、亚微米级乃至纳米级微细加工技术的通称。微细加工技术曾经广泛 应用于大规模和超大规模集成电路的加工制作，正是借助于这些微细加工技术使众多 的微电子器件及相关制作技术和产业蓬勃兴起，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广泛的内容和更高的要求。今天，微细加工已经是当今 制造业最为活跃的研究方向之一，在很多领域都有着重要和广阔的应用前景l 埔_ 9 1 。当 前的微细加工技术主要包括微细刻蚀、l i g a 、微细特种加工、纳米切削和基于扫描探 针技术等微米、纳米级加工技术，并且它们可以大致分为两种：“自上而下”( t o p d o w n ) 式和“自下而上”( b o t t o m u p ，或称“由小到大”) 式。“自上而下”式的方 法主要是通过材料的去除和堆积逐步形成所需要的微细结构或构件。束流加工、切削 加工、激光刻蚀加工等方法都属于这一类：而“自下而上”式的方法，则是通过原予、 分子的挪移、搬迁、重组等来构成纳米尺度的微细结构，基于扫描隧道显微镜( s t m ) 的原子搬移方法就属于此类【1 9 】。准分子激光微细加工技术是一种“自上而下”式通过 去除材料以完成加工的微细加工技术。 1 9 2 7 年，i - r a g l e i g h 第一次在观测高气压汞蒸气的时候发现了中心波长为3 3 0n m 的完全不同于h 2 原子线状谱的连续谱带，而其激发态分子的寿命比与其对应的基态分 子的寿命长得多，与通常所指的分子的概念完全不同，于是，它被定义为“准分子” ( e x c i m e r ) 。其后，陆续发现了许多种类的准分子激光。自1 9 8 2 年出现准分子激光 刻蚀聚合物的报道后，紫外脉冲激光加工的优势得以显现，激光微细加工领域更加成 熟和完善。表1 - 1 列举了当前已经成功运转的准分子激光器采用的准分子激光及其工 华中科技大学硕士学位论文 作波长1 2 0 1 。 当前，工业上应用比较普遍、技术比较成熟的准分子激光器为稀有气体卤化物准 分子激光器a r f 、k r f 和x e c i 等，脉冲宽度通常都在卜几到j l 十纳秒。准分子激光可 用于消融、刻蚀无机材料( 如硅、金属、玻璃等) 和强吸收聚合物材料，出于其特殊 的刻蚀机制，一般都能取得微米或微米级加工精度。当前应用比较普遍的2 4 8n mk r f 准分子激光光刻技术主要用于0 2 5 0 1 8 l m 光刻，如果采取提高分辨率的方法， 甚至可以用于0 ，1 5b t m 以下尺寸的i c 器件制造；而与i 线( 汞弧灯) 光刻混用， 可用于多数0 3p m 光刻，但由于运作成本较高，使其难以成为0 3 0 3 5m l 微小 器件生产的主流设备。而1 9 3n m 抗蚀剂和光刻机技术的日益成熟，也使得目前的1 9 3 n m 准分子激光成为0 1 8a m 和0 1 5 t m 的主流生产设备【2 1 】。1 9 9 2 年美国 表卜1 准分子激光及其波长 同核二聚物准分子异核准分子 名称波长n m名称波长n m名称波长n m a r 2 +1 2 6 1a r f 1 9 3 3x e f +3 5 1 1 k r 2 +1 4 5 7k r c l +2 2 3x e o 5 5 0 r + 1 5 7k r f 2 4 8 4a r o 5 5 7 6 x e 2 +1 6 9 - - 1 7 6x e b r 2 8 1 8k r o 5 5 7 8 h f 3 3 5x e c l 3 0 8 t t g c l + 5 5 8 4 i b m 公司将准分子光刻机应用于生产线上，商品化的x 卜1 型1 9 3d m 光刻机能获得 0 2 5 , a m 线宽光刻胶图形，而相移掩模技术也将1 9 3n m 准分子光刻分辨率提高到 0 1 3 “，z 以下。1 9 3n m 准分子激光器近来向0 1p m 推进也在实验室中取得了很大的 进展【2 2 “2 6 1 。 1 2 2 玻璃材料的微细加工现状及发展趋势 利用准分子激光加工无机材料，一般有消融技术和蚀刻技术两种。采用消融方法， 准分子激光对无机材料的去除机制为热汽化机制，它主要是利用无机材料的强吸收性 能和激光自身的短脉冲特性，汽化消融无机材料以完成加工目的。但是由于消融过程 中有激波产生，以及消融带来的汽化产物的急剧膨胀，容易在材料消融表面产生裂纹， 消融面周围也容易破裂。因此，准分子激光消融无机材料很难实现微米级加工【2 0 1 。 华中科技大学硕士学位论文 必豳搦 ( a )( b )( c ) 图卜1准分子激光蚀刻光解a p d 过程 ( a ) 被吸收能量超过材料闽值 ( b ) 化学键断裂使极细微的粒予呈类气体态 ( c ) 体积急剧膨胀导致材料微粒喷出 与消融加工不同，准分子激光蚀刻无机材料主要是光化学过程，称为光解剥离 a p d ( a b l a t i v ep h o t od e c o m p o s i t i o n ) 过程，蚀刻同时伴随有一定的热作用，主要 是利用高能量紫外激光使材料化学键断裂，生成物所占据的体积迅速膨胀，最终以气 体爆炸的形式脱离母体并带走过剩的能量，从而完成整个刻蚀过程。整个过程参见图 卜1 。在气体中进行的蚀刻称为干法刻蚀，而在液体中进行的蚀刻则称为湿法刻蚀。采 用准分子激光蚀刻，蚀刻精度一般可以达到微米甚至亚微米级。准分子激光微细消融 要求被刻蚀材料对激光强吸收，而准分子激光蚀刻则可以对透明材料进行加工( 目前 主要指湿法刻蚀) 1 2 7 j 。 目前，对玻璃等硬脆材料的加工一般都采用微光刻技术的湿法腐蚀来刻蚀。选择 合适的加工工艺，腐蚀精度可以达到亚微米级。白光、咏涛等利用激光腐蚀在会刚石 膜表面形成壤小周期为3 p m 不同类型的高质量周期结构【2 8 】。h n i i n o 、x d i n g 、r k u r o s a k i 等人提出一种叫做激光感应背面湿法刻蚀( l i b w e ，l a s e r - i n d u c e db a c k s i d e w e te t c h i n g ) 的方法，利用准分子激光在某种溶剂和玻璃材料表面的特殊物理性质来 实现对玻璃的加工，其加工原理示意如图1 - 2 所示【2 9 j 。采用这种方法，刻蚀率可以通 过选择激光的波长、频率以及溶剂的浓度而控制在0 1 3 0n m p u l s e 的范围内，并且 也成功刻蚀出了1 0 + u m 线宽、深度1 弘m 的垂直度比较好的沟槽【2 9 瑚】。上面提到的 这些方法，主要都是应用于平面的硬脆性材料，并且都取得了比较好的效果。 4 华中科技大学硕士学位论文 准分 抄 l f 卜 乎激 l l1 光 l 1j 、 i i z r _ = = = 图1 2l i b w e 法刻蚀硅玻璃原理示意图 但是，在三维立体玻璃结构上应用这些方法具有非常大的困难，在液体中的构件 的定位是一个无法解决的难题。现在的研究者们一般都采用激光直写技术在三维立体 结构表面形成微突出结构，或者采用直接聚焦刻蚀的技术蚀刻三维结构体。例如希腊 电子结构和激光研究所的科学家利用飞秒级紫外激光通过切除精确地将材料转移到玻 璃工件上。他们将激光聚焦到透明石英晶片的铬膜上，被加工玻璃表面置于铬膜附近， 以2 4 8n m ，5 0 0f s 的脉冲从铬膜上消融铬，并沉积在玻璃上，用1 0 脉冲秒的速率， 可成功的在玻璃上形成4 r n 直径的点。h i r o f u m i h i d a i 、h i t o s h i t o k u r a 等利用4 8 8 n l t i a r 离子激光，选用直径7 0 z m 的铝粉末在苏打玻璃、硅玻璃等表面形成了宽度 8 0 8 0 0 z m 、高度1 0 1 2 0 m 的线条1 3 2 1 。国内学者在这方面也有一些相当成功 的尝试。杨蕾、范品忠等利用2 4 8n mk r f 准分子激光在光学玻璃上制作相位透射光 栅，在光学玻璃上获得了宽度和深度分别约1 0a m 和9 0 0n m ，底宽1 0 01 1 1 1 1 ，两 侧边斜度为5 5 。的刻槽【3 = l 】。谷怀民等利用3 0 8n mx e c l 准分子激光刻蚀金刚石和玻 璃，对x e c i 准分子激光刻蚀的能流阙值和单脉冲能流密度、激光脉冲重复频率等激 光参数对单脉冲刻蚀深度的影响作了很有成效的研究，为准分子激光加工硬脆材料的 实际应用提供了实验数据和理论依据【3 4 1 。 就目前针对玻璃材料器件的加工而言，由于玻璃材料的特殊性质，主要都集中采 用湿法刻蚀，浚方法加工的精度可以达到微米或亚微米级，并且可以取得很好的成果。 国内外的学者们在陶瓷、余刚石等硬脆材料的加工方面也作了很多尝试，在玻璃 的 加 ，也有很多的报道，但取得的成果还远不能保证能够成功地采用准分子激光加工这 华中科技大学硕士学位论文 种材料，因此，在这方面，特别是准分子激光直接蚀刻加：亡硬脆材料方面，要成功的 进行蚀刻加工并达到微米或亚微米级尺度，还有很多：】：作需要去做。 1 2 j 调制靶技术的现状与发展趋势 国外关于调制靶的研究始于研究瑞利一泰勒效应。理论证明，长波、中波和短波 扰动分别对靶丸压缩、壳裂和混合过程产生影响【1 2 】。采用不同波长和振幅的表面调制 靶可以从实验上研究不同幅度的表面起伏对靶物理过程的影响。 m 似 图1 3 扫描电镜测量薄膜表面图形形貌( 1 0 0 x 1 ( a ) 流延薄膜表面图形；( b ) 热压薄膜表面图形：( c ) 旋转涂覆薄膜表面图形 最初的调制靶都是平面调制靶，一般都是通过在有机膜上作出表面起伏图纹以达 到引入面密度扰动的目的。平面调制靶的相关技术( 制备、检测技术) 已经比较成熟。 国内学者陈建荣、周斌、王珏等在平面调制靶的制各方面作了很多研究工作，取得了 很大的成果，研究出了有效的平面调制靶的加工以及调制图形的制作工艺，制作出了 符合要求的平面调制聚合物靶和箔靶【1 1 1 。这些方法的平面调制靶采用聚合物类材料， 整个制作过程一般都包括四个部分：1 在光刻胶七产生表面调制图形；2 光刻胶上 的调制图形采用电镀转移工艺转移到金属衬底上：3 采用旋转涂覆、流延工艺、热压 工艺等将金属衬底模板上的调制图形复制到聚合物有机膜上：4 在以上各过程中观察 起伏图形的形貌，监测整个工艺过程。这些方法制备的平面调制靶，表面正弦起伏图 形的周期变化范围为2 0 1 0 0 # m ，起伏为0 2 3 5t i m ，尺寸误差小于1 0 1 1 - 2 , 6 - 7 , 1 1 以3 1 。图1 - 3 就是通过扫描电镜获得的用该种方法制备的平面调制靶的样品图片【7 1 。 球面调制靶是表面雕刻有一定的调制图形的微小空心玻璃球，目前国内的研究还 华中科技大学硕士学位论文 处于起步阶段。由于要在玻璃材质h 进行刻蚀加工，因此，制备球面调制靶的首要先 决条件就是要解决采取何种工艺加工玻璃材料以取得良好的加工效果的问题。d j 了二玻 璃的激光加工工艺比较复杂，激光脉冲与材料之间的作用机制也还远没有弄清楚；对 于三维微结构的加工也有很多技术和工艺上的困难。因此，目前球面调制靶的制备工 艺还没有比较成熟的技术，甚至到目前在国内还没有相关制各球面调制靶的报道出现。 但是，随着近年来在这方面的研究的深入展开，特别是球面调制靶的原材料空心 玻璃微球制备技术r 益成熟，很大程度的带动了这方面的研究，相信在不久的将来一 定能在这个方向上取得突破。 1 3 本文的主要研究工作 本文主要做了以下几个方面的工作： 1 对准分子激光微细加工、调制靶的相关技术等进行了简要介绍。在此基础上分 析了利用准分子激光直接刻蚀空一b 玻璃微球调制靶所面临的问题； 2 从现有的加工条件出发，分析了准分子激光直接刻蚀玻璃微球的可行性，提出 了准分子激光直接刻蚀空心玻璃微球的加工工艺和方法； 3 在刻蚀玻璃片试验的基础上，用2 4 8n mk r f 准分子激光直接刻蚀空心玻璃微 球，并对实验结果进行了分析和讨论； 4 对准分子激光直接刻蚀空心玻璃微球调制靶的加工工艺和方法作了进一步探 讨，以求在以后的实践中不断完善这套n 3 - ；工艺、方法，适应更高的要求。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 概述 2 准分子激光刻蚀加工 准分子激光位于紫外波段，由于强吸收以及短脉冲等特性，准分子激光刻蚀加工 具有加工质量好、精度高等特点，在微细加工、聚合物材料和脆性材料的j m 3 - _ 中具有 很大的发展和应用前景。随着微机电系统研究的发展，为准分子激光开辟了新的应用 领域，在该领域内有很多理论和应用课题需要解决。通过实验研究准分子激光刻蚀玻 璃等硬脆性材料以及在准分子激光刻蚀加工在三维微细加工中的应用，具有很大的意 义。 2 2 准分子激光的刻蚀特性 准分子激光直刻微细加工，是以准分子激光实现高质量微结构立体加工的最基本 和最初步的手段，它具有分辨率高、热效应小、加工灵活等显著优点，在微机械与微 细加工领域具有很大的应用潜力。准分子激光直接刻蚀作为新型的直写加工方式，在 三维微结构加工领域具有较大的应用潜力。与传统地投影曝光微细加工方法相比，准 分子激光直刻加工具有高柔性、低成本和胜任三维微结构加工的优点。准分子激光作 为目前微细加工中具有极佳刻蚀性能的加工工具，主要得益于它的两个特性：短波长 特性( 1 5 7n m 3 5 1n m ) 和窄脉宽特性( 脉宽一般为数十纳秒) 。这两个特性，使准 分子激光能够在刻蚀加工中获得刻蚀表面光洁，刻蚀边缘锐利的良好刻蚀效果。 准分子激光处于远紫外波段( a r f 激光的1 9 3n m ，k r f 激光的2 4 8n m 等) ，从光 学系统角度可获得比传统的可见光曝光系统和较先进的汞弧灯近紫外光( 3 6 5n m ，4 3 6 n m ) 曝光系统更高的横向分辨率。由于材料对短波长光的吸收率高，光子穿透深度浅， 从而可获高的纵向加工精度。准分子激光单光子能量大，它们能击断某些聚合物的化 学键而实现对某些高聚物材料的以光解为主的刻蚀过程，未受激光辐照部分材料不受 热影响。 8 华中科技大学硕士学位论文 准分子激光具有窄脉宽特性，脉宽一般都在2 0 i s 左右，远小于普通激光。这使得 激光束脉冲能量集中，有助于提高功率密度。窄脉宽还可显著缩短加工的有效时间， 并缩小热影响区。 准分子激光的这些特性使它在微细刻蚀加工中有很好的表现。在刻蚀金属材料的 时候，实验研究表明，当激光束能流密度在2 0j c m 2 的时候，刻蚀过程完全是一一个热 作用的过程，刻蚀过程中基本上没有加工碎屑的影响。而在刻蚀陶瓷等硬脆性材料的 时候，控制激光束能流密度在1 0 一1 5j c m 2 的范围内，可以使激光束的发散角达到最 小，不到1 0 0 ，虽然在加工的过程中也存在加工碎屑堆积、微小裂纹的出现和激光脉冲 对材料的冲击影响等，但是如果合理的控制激光束的能流密度和掩模的透光部分图形， 也能够取得比较好的刻蚀效果【4 6 】。 准分子激光刻蚀微加工技术制作微机械结构与现有其他方法比较有以下几个显著 特点： 1 、用该技术制作的微结构垂直高度从几百微米到几毫米，这是光学d u v ( d e e p u l t r av i o l e t ) 所不可及的； 2 、该技术与l i g a 技术相比具有掩模制作简单、工艺简捷、成本低等优点： 3 、准分子激光刻蚀技术是光子打断分子链的加工，避免了化学腐蚀的浸润影响， 且聚焦光斑的能量密度极高，所以刻蚀图形外轮廓的形状与尺寸基本与聚焦光斑一致， 可保证刻蚀边缘具有良好的陡直性。 与传统耗时又很不经济的光刻术和蚀刻技术相比，准分子激光直接刻蚀不仅装置 简单而且耗时小，而且也非常经济。这一点也有助于准分子激光直接刻蚀技术的推广 和普及。 准分子激光以其特殊的加工性质，在很多微加工领域都取得了显著的成果。在玻 璃、陶瓷等硬脆性材料的微加工方向，目前i ：乜有很多成功的应用范例。我们选用准分 子激光直接刻蚀微加工玻璃材料以及空心玻璃微球，是在综合考察了目前国内外在准 分子激光微细加工硬脆性材料的基础上做出的决定。当然，在实际应用中仍然有许多 的： 作要做，本文就是希望在这些问题上作一些有益的探索。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 3 准分子激光机的结构 我校微系统研究中心拥有一套商用准分子激光加工机，该加工机可以利用的准分 子激光包括2 4 8n mk r f 和1 9 3n ma r f 准分子激光。整个加工机的控制系统框图如图 2 一l 所示。 图2 - 1 准分子激光机控制系统结构框图 在激光系统中，激光束从激光发射器出来之后，经过一个水平导管进入激光束处 理部分。激光束处理部分在系统中称为光路传输系统( b d s ) ，它把从激光器出来的激 光束经过一定的处理，最后经过聚焦到达工件的表面。 准分子激光加工机的光路传输系统如图2 2 所示，图中原始激光束从激光器出来 后，依次经过准直校正、光束整形，形成光斑面积为1 2 2 4 m m 2 的平整均匀光束。 该光束经过掩模光栅再次整形过滤，形成像源，并最后通过聚焦透镜成像在被刻蚀表 面。另外，激光束传输过程中在m 1 和m 2 之间，还可以选择两个衰减率分别为 9 5 ( a 1 ) 和5 0 ( a 2 ) 的衰减镜片，对激光脉冲能量进行调节。在光路中，m 1 m 7 1 0 华中科技大学硕士学位论文 均可绕水平方向轴进行微凋，以改变调节聚焦光斑的位置，m 5 和m 6 水平位置可调， 从而改变物距，变化整个聚焦光路的缩小倍率。各有两种焦距的聚焦透镜可供选择， 其焦距分别是f = 1 5 5m m 和f = 7 5m m 。当聚焦透镜焦距f = 1 5 5m m 时，通过调整 m 5 和m 6 的水平位置，可变化整个光路系统的缩小倍率i 在5 1 2 和 图2 2 准分子激光光路传输系统示意图 ( 图中m 1 。m 7 均为反射镜，a 1 、a 2 为衰减器) 1 5 。1 7 之间变化：当聚焦透镜焦距f = 7 5 m m 时，通过调整m 5 、m 6 的位置，可 变化缩小倍率i 在2 0 3 5 之间变化。接个刻蚀加工过程可以通过系统配置的c c d 摄像仪实时监控，该摄像仪的放大倍数可以在3 3 2 1 7 的范围内调节【3 5 】。 该激光机配有一套转换装置( 不同镀膜以对应不同波长准分子激光的反射、透射 镜片和准分子气体容器，以及使用1 9 3n ma r f 准分子激光加工时的n 。清洗装置) ， 可以在2 4 8i l mk r f 准分子激光和1 9 3n ma r f 准分子激光之间转换，使用何种准分子 激光则可以根据加工要求而定。本课题中拟使用k r f2 4 8 1 i f t 准分子激光进行刻蚀试验。 激光加工机上配备有三维工作台，可以控制工作台面在x 、y 方向以及x y 平面上的 旋转等三个方向上的运动。工作台x 、y 方向的晟大行程为3 0 0 r a m x3 0 0 m m ，重复精度为 2 t m ，步进分辨力为1 * m ，最大运动速率为5 0m m s e e a 5 - 3 6 1 。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 准分子激光机的加工参数 该激光机的一些工艺参数( 以二1 ：作气体为k r f 为例) 如表2 - 1 所示。本激光机的 有效脉冲能量e 0 的范围是5 0 4 0 0m j ，并且在一定程度上和激光器电压成正比，电压 越高，脉冲能量也越高；反之，电压越低，脉冲能量也越低。在刻蚀加工的时候，激 光脉冲的单脉冲能量、频率和脉冲个数等参数，均可依据刻蚀加工的需要自由设定。 而激光束的平均功率w 则由脉冲能量e 0 和脉冲频率f 决定，如式二1 所示： = 瓦， ( 2 - 1 ) 表2 - 1p m 一8 4 8 k 激光器特征参数 参数参数值 最大脉冲能量( g s v ) 4 0 0m j 最大平均功率 8 0w 屡大脉冲频率2 0 0l t z 赢屯压范围2 6 3 5 k v 脉冲持续时间( 半高宽)1 2 2 0n s 发射波长( k r f ) 2 4 81 1 1 1 1 一般而言，在刻蚀加工的时候，平均功率越高，则刻蚀效果越明显；但是对被刻 蚀材料的冲击也相应的越大，也越容易破坏被刻蚀材料。激光脉冲的宽度由激光器中 设定，一般在加工的过程中是不变的。激光脉冲的宽度极短，仅为1 2 ，2 0n s ，其脉冲 空间分布图形如图2 3 所示。脉冲个数则可以依据刻蚀加工的需要在实验的时候设定。 在脉冲能量能够产生刻蚀效梁的时候，脉冲个数越多，则刻蚀深度就越大。且在刻蚀 速率稳定的时候，控制刻蚀脉冲的个数，即可控, n n 蚀深度。 0 t2 t t ( s ) 图2 。3 准分子激光的脉冲空间分椎图形( t 为脉冲周期) 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 5 激光机微细加工应用范例 利用该准分子激光加工机，选用2 4 8n mk r f 准分子激光，典型的加工例子如下： 例2 1 在钽箔( 厚度为4 0 微米或2 5 微米两种) 上加工微孔阵列，选用k r f 准分子 激光，波长为2 4 8 纳米，激光脉冲宽度为1 2 2 0 纳秒。激光脉冲能量设置为1 5 0 - - 3 5 0 毫焦，激光脉冲重复频率设置为1 0 1 5 0 赫兹，激光脉冲数量设置为3 0 0 一1 0 0 0 0 个。 由此获得的矩形微孔边长或圆形微孑l 直径为3 4 0 微米，深宽比为8 1 4 。图2 4 为 c c i ) 数据采集系统获取的加工样品图片。 图2 4钽箔样品图片 例2 - 2 加工金箔( 厚度为2 0 一2 5 微米) 方孔阵列样品，选用波长为2 4 8 纳米的准分 子激光，正方形微孔的边长为2 4 0 微米，深宽比为8 1 4 。，激光脉冲宽度为1 2 2 0 纳秒。激光脉冲能量设置为5 0 - - 2 5 0 毫焦，激光脉冲重复频率设置为1 0 1 0 0 赫兹， 激光脉冲数量设置为1 0 0 1 0 0 0 个。图2 5 为c c d 数据采集系统获取的样品图片。 图2 5 金箔样品图片 例2 - 3 蓝宝石芯片的微切割工艺实验，将激光脉冲能量设置为2 0 0 - - 3 5 0 毫焦，激光 脉冲重复频率设置为1 0 一1 5 0 赫兹，激光脉冲数量设置为1 0 0 一1 0 0 0 个，取得了比较 好的微切割的效果。并且在实验结果中证明，准分子激光微切割工艺与金刚石微切割 工艺相比，前者对蓝宝石芯片的机械损伤要小得多【3 7 1 。 华中科技大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章首先简要的介绍了准分子激光直接刻蚀加工的特殊性质，以及本课题中使用 的准分子激光机的基本情况，包括该激光机的总体结构、工作台和激光机的光路传输 系统。然后简要介绍了一下在刻蚀加工中准分子激光机的参数的选择。在本章的最后， 介绍了利用该激光机，选用2 4 8n mk r f 准分子激光，在微细加工领域进行的一些成 功的典型加工例子。 一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 1 概述 3 玻璃材料的准分子激光刻蚀 在使用准分子激光加工空心玻璃微球的时候，玻璃材料在2 4 8 n mk r f 准分子激光 作用下的破坏阈僮是在刻蚀加工中的一个非常关键的参数。选用多大的激光脉冲能量 输出值才能够达到玻璃的破坏阈值，以及加工的脉冲个数和其频率等参数都还有待确 定。而且，玻璃微球的材料在2 4 8n mk r f 准分子激光的作用下的破坏闽值也有待试 验的专门测定。因此，先进行试验，找出这些参数的合适的取值范围则是非常必要的。 而在与玻璃微球的材质相同的玻璃片上进行刻蚀试验则是一个非常不错的选择：既可 以测试确定各种参数，也可以对用准分子激光加工玻璃提供一些实际的操作经验。 空心玻璃微球的壁厚大约为1 2pm ，目- 其玻璃材料的性质比较脆，在拿取、刻 蚀的过程中都非常容易破裂，因此如果直接在玻璃微球上进行刻蚀试验，玻璃微球的 消耗就会非常大，在经济成本上不划算，而且，实验中的相关刻蚀参数的确定将要经 历很长的时问，也会延长课题研究的周期。而选用与玻璃微球材质相同的玻璃片进行 刻蚀试验，则相比而言就简便易行的多，对以后在玻璃微球上进行刻蚀实验，确定各 项刻蚀实验中的参数，有很大的帮助。 玻璃材料作为一种硬脆性材料，在以其为加工对象的微细加工中有很多问题要解 决。以准分子激光刻蚀加工玻璃材料的刻蚀机理也仍然需要进一步探索。同一种材料， 在以不同波长的激光作为加工工具的时候，其破坏阈值也都不相同，而且刻蚀的效果 也由于刻蚀机理的变化而可能有很大的差异。本章以2 4 8n mk r f 准分子激光作为加 工工具，试验直接刻蚀玻璃材料，希望在这些方面能够做一些有益的探索，并为准分 二f 激光直接刻蚀微细加工空心玻璃微球提供最直接的实践经验。 3 2 玻璃材料的光吸收问题 用准分子激光刻蚀玻璃等透明材料的器件所面临着的一个问题，就是玻璃对激光 华中科技大学硕士学位论文 光束的反射和透射的现象。对常见的光学玻璃而言，入射光的反射一般都是很小的。 同时，对于一般的玻璃，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，入射光波长在此值以下则全部或绝大部分被玻璃吸收) 至少 在3 0 0n m 以上，而本课题采用的准分子激光加工机上的激光波长分为1 9 3a mk r f 和 2 4 8n m m f 准分子激光，都在玻璃光吸收截止波长以下【4 2 】。本课题选用的空心玻璃微 球材质的性质与一般的光学玻璃性质相似，且其吸收性能相比较而言还要更好。另外， 对于一般的材料，对2 4 8 n m 准分子激光的吸收相比较其他波长的激光都要更好1 4 。 所以，在本课题中，利用2 4 8 l l m k r f 准分子激光直接刻蚀加工空心玻璃微球的时候， 微球表面对刻蚀激光的吸收的问题并不会对刻蚀效果有比较大的影响。 3 3 玻璃材料的破坏阈值 3 3 1 激光脉冲对玻璃微球的冲击破坏问题 空心玻璃微球的材质是硬脆性材料，加之其本身的直径和壁厚都非常小，因此在 对其进行刻蚀加工的时候，必须面对和考虑的另一个问题就是玻璃微球的机械强度问 题。太大的激光单脉冲能量会给玻璃微球很大的冲击力，是否会对玻璃微球造成破坏， 需要进行定量分析。 一般而言，在刻蚀实验中，激光单脉冲能量e 0 ，脉冲持续时间t ，激光器光 斑原始输| _ _ 面积s o 以及激光束的速度c 等参数是已经知道或设定的，另外，考虑到在 加工的时候需要加上掩模光栅以改变激光束的形状，形成物像。知道了这些参数，就 可以计算空心玻璃微球所承受的激光脉冲产生的压强，如下式： p ：( e o 啊d - - 薯i s o ) i t cs e o i 2 t c s ( 3 - 1 1 j 2 式中，d 为掩模光栅的透孔直径，s 为聚焦之后的激光束光斑面积，且s 2 玎，d 为 聚焦光斑直径，i 为聚焦光路的缩小倍率。本课题使用的准分子激光器的i 的取值范 围为5 1 2 ，1 5 。1 7 ，2 0 3 5 。于是，当i 在该范围内变化时，若取激光单脉冲能量 华中科技大学硕士学位论文 e o = 5 0m j ，则它施加在玻璃微球表面的压强值范围为： p = e o i 2 t c s 。= 0 0 7 3 5 9 1 x 1 0 4 p a 其中，激光单脉冲持续时间t = 1 2 2 0 n s ，光速c = 3 1 0 8 m s ，光斑面积s o = 1 2 m m x 2 4l n m ( 激光器原始输出光斑值一般都是在调整激光发生器的时候设定，且在以后 的实验加工中总是保持不变) 。这个值再加【| _ 大气压强，就会在玻璃微球表面的刻蚀加 工点的附近造成比较大的压力，加之微球的材料玻璃属于硬脆性材料，所以可能很容 易使小球破裂。玻璃微球的壁厚只有1 2 p m ，承外压能力有限，而刻蚀实验又是在 大气环境之中进行，所以，玻璃微球承受激光脉冲冲击的能力进一步减弱，可能会使 刻蚀实验很难获得成功。另外，玻璃材料的传热能力很差。而激光脉冲聚焦后的能量 又比较集中，那么，在激光加工点瞬间产生的热量而致的热应力也可能会影响刻蚀实 验的成功。虽然玻璃微球壁厚很小，但是，玻璃的传热能力非常差，传热系数大概在 0 8w m 左右，在激光刻蚀加工的时候，热量不能及时传播，在刻蚀加工点附近产 生热应力集中，也有可能导致玻璃微球的破裂【4 2 l 。因此，在刻蚀玻璃片的试验中确定 合理的刻蚀参数就显得非常重要。 3 3 2 玻璃材料的破坏阈值 刻蚀激光对被刻蚀材料的破坏阈值毋是准分子激光直接刻蚀加工中的一个非常 关键的参数。在刻蚀加工玻璃微球的时候，面临的一个矛盾就是：激光单脉冲能量过 大，它对玻璃微球的冲击力等影响也会相应增大，造成微球的破裂现象，使刻蚀加工 不能顺利进行；单脉冲能量太小，又会有可能达不到玻璃微球的材料的破坏阈值。对 于这个问题，需要进行一定的定量分析再加上试验探索才能够很好的解决这个矛盾。 一般来说，作用在被刻蚀材料上的激光单脉冲能量e 按大小可以分为三个区域， 并且在这三个区域内对被刻蚀材料的影响也各不相同【3 3 】： e 毋：在这个范围内，将产生刻蚀，且随着单脉冲能量的增加，刻蚀速率( 固 定单脉冲激光能量密度条件下，每个激光脉冲的刻蚀深度) 线性上升。当e 到达一定 的数值后，刻蚀速率也会达到一个饱和数值，不再按照线性规律增加，也就是刻蚀速 率的非线性效应产生。激光能量的取值未使刻蚀速率达到饱和值之前，且大于被刻蚀 材料的破坏闽值的这个范围，是理想的刻蚀激光能量取值范围。 设若玻璃材料的破坏阈值的参考值为毋( j c m 2 ) ，激光束在玻璃微球表面上的圆 形聚焦光斑斑点的直径为d ( um ) ，激光器单脉冲能量输出为e o ( m j ) ，所使用 线性掩模直径为d 1 ( m m ) ，而激光器聚焦光路传输系统缩小倍率为i ，初始输出光斑 的面积s o = 1 2 2 4m m 2 。若假设激光束能够在玻璃微球表面进行有效而稳定的刻蚀加 工，则到达玻璃微球表面的激光单脉冲能量为： 母竿 ( 3 2 ) 而激光输出原始脉冲通过掩模之后的能量为( 设若现在没有加上任何衰减器) ： 厶嘶( 孕佤。警 ( 3 - 3 ) 如果不计掩模之后的光束传输过程中的脉冲能量的损失，则应有e i = e ，于是： 驴车r c e f o d ? ( 3 - 4 ) 4 4 s 。 另外，由光路传输系统的关系我们有d = d 1 i ，则可以由上式得到激光单脉冲能量输 出e 0 和玻璃材料破坏阈值毋、聚焦光路缩小倍率i 之间的关系： e o = 庐s o i 2( 3 - 5 ) 式中，s 。的值是激光器本身的参数，固定不变。而光路缩小倍率i 的可用取值范围则 华中科技大学硕士学位论文 是5 1 2 ，1 2 1 7 ，2 0 一3 5 。由上式可以看出，在玻璃材料