（机械电子工程专业论文）宽禁带材料的激光微加工及其机理研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 宽禁带材料的研究及应用越来越受到人们的重视 像以氮化镓 g a n 为代 表的第三代半导体材料 石英玻璃 s i 0 2 材料都是研究的热点领域 其中石 英材料因其卓越的物理性能已成为m o e m s 器件制作的重要材料之一 g a n 基 半导体材料具有电子饱和漂移速度高 导热性能良好等特性 已成为发光半导 体l e d s 等器件的关键材料 其应用前景十分广阔 但是由于上述材料的化学惰性和硬脆特性 其加工难度极大 1 5 7 n m 深紫 外激光因其波长短 光子能量高 可直接破坏材料的化学键 热影响区小 被 视为石英和g a n 材料微加工的理想工具之一 本论文介绍了e x i t e c h 公司生产的m 2 0 0 0 型1 5 7 n m 深紫外激光微加工系统 及其加工特性 并利用该设备 对石英 含光纤 和氮化镓两种宽禁带材料进 行了一系列微刻蚀实验 并对其微力n r 机理进行了探讨 本文的主要研究内容 及结论如下 1 研究了1 5 7 n m 激光工艺参数对石英玻璃的刻蚀效率和表面粗糙度的影 响 实验结果表明 石英材料的刻蚀率随脉冲数的增加呈下降的趋势 大光斑 的刻蚀率高于同等条件下小光斑的刻蚀率 为提高微孔加工的质量 脉冲频率 不宜高于2 5 h z 根据研究结果 采用最佳工艺参数在石英基片进行了多种三维 微结构的加工试验 证实了1 5 7 r i m 激光微刻蚀工艺在制备m o e m s 器件方面的 实用性 另外 还在单模和多模光纤上制备了多种三维微细结构 这将为新型 光纤传感器的制备提供一种新的工艺途径 2 采用15 7 r i m 波长准分子激光 对l e d g a n 半导体薄膜进行了刻蚀试验 研究 确定了最佳工艺参数范围 并结合数控技术在g a n 薄膜上试制了多种三 维微结构 还研究了工艺参数对刻蚀壁面垂直度的影响 结果表明 1 5 7 r i m 激 光对氮化镓材料具有良好的三维微加工能力 3 探讨了两种重要宽禁带材料的1 5 7 r i m 激光刻蚀机理 并建立了数学模型 分析表明 单光子吸收引起的光化学反应是1 5 7 n m 激光刻蚀石英材料和氮化镓 材料的主要机制 关键词 激光微加工 1 5 7 r i m 深紫外激光 石英玻片 光纤 氮化镓半导体 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fw i d eb a n d g a pm a t e r i a l sg e tm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n sb ys c h o o l a r s u c ha ss i l i c ag l a s s s i 0 2 a n dt h er e p r e s e n t a t i v eo ft h e l i r d g e n e r a t i o ns e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s g a l l i u mn i t r i d e g a n m a t e r i a l sh a v eb e c o m e t h er e s e a r c hf o c u s b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e s f u s e ds i l i c ah a s b e c o m eo n eo fi m p o r t a n tm a t e r i a lf o rf a b r i c a t i o no fm o e m sd e v i c e s g a n b a s e d s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lw h i c hh a sc h a r a c t e r i s t i c so ft f i g he l e c t r o ns a t u r a t i o nd r i f t v e l o c i t y 9 0 0 dt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n do t h e rp r o p e r t i e s h a sb e c o m ek e ym a t e r i a lo f t h el e d sl i g h t e m i t t i n gs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s a n di t sa p p l i c a t i o np r o s p e c ti sv e r y b r o a d h o w e v e r t h e ya r ed i f f i c u l tt om a c h i n eb e c a u s eo fc h e m i c a li n e r t i aa n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i so fb r i t t l ea n dh a r d t h e15 7 n md e e p u l t r a v i o l e tl a s e ri so fs h o r t w a v e l e n g t ha n dl a r g es i n g l ep h o t o ne n e r g y s ot h a ti t c a i l d i r e c t l yd e s t o r yt h e c h e m i c a lb o n do fm a n ym a t e r i a l s a n dt h et h e r m a l e f f e c tr e g i o ni sv e r ys m a l l h e n c e 15 7 n ml a s e ri sa ni d e a lt o o lf o rm a c h i n i n gr u l e ds i l c aa n dg a nm a t e r i a l s i nt h i sp a p e r a15 7 n md u vl a s e rm i c r o m a c h i n i n gs y s t e m m 2 0 0 0 t y p e a n di t s p r o c e s s i n gp e r f o r m a n c ea r ed e s c r i b e d u s i n gt h es y s t e m as e r i e so fm i c r o e t c h i n g e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e df o r 斫d eb a n dg a pm a t e r i a l s s u c ha sf u s e ds i l i c a o p t i c a l f i b e ra n dg a nf i l l a n dt h e i rm i c r o e t c h i n gm e c h a n i s m sa r ed i s c u s s e d 1 1 1 em a i n r e s e a r c hc o n t e n ta n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 f o rf u s e ds i l i c a t h ea b l a t i o nd e p t ha n ds u r f a c er o u g h n e s sa r ei n v e s t i g a t e d a f t e r15 7 n ml a s e rp r o c e s s i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t w i t hi n c r e a s i n go fl a s e r s h o tn u m b e r s t h ea b l a t i o nr a t eo ff u s e ds i l i c aw o u l dr e d u c e 鲈a d u a l l y ml a g e rl a s e r s p o ti sp r e f e r a b l et oe n h a n c et h ea b l a t i o nr a t e 硼1 el a s e rr e p e t i t i o nr a t ei sp r e f e r a b l y n o tm o r et h a n2 5 h zf o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fa b l a t e dm i c r o h o l e s a c c o r d i n gt o t h er e s u l t sa n d s i n gt h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r s s e v e r a lt h r e e d i m e n s i o n a l m i c r o s t r u c t u r e sa r ep r o d u c e di ns i l i c ag l a s sc h i p w h i c hc o n f i r m e dt h a t15 7 n ml a s e ri s a v a i l a b l eo nm a n u f a c t u r i n gm o e m sd e v i c e s i na d d i t i o n av a r i e t yo ft h r e e d i m e n s i o n a lm i c r o s t r u c t u r e sa r ef a b r i c a t e di nf i b e r s i g l e m o d ea n dm u t i m o d e 武汉理工大学硕士学位论文 w h i c hw o u l dp r o v i d ean e wt e c h n o l o g yf o rf a b r i c a t i n gt h en e w t y p ef i b e r o p t i c s e r 塔o r 2 u s i n ge x c i m e rl a s e rw i t h15 7 r i mw a v e l e n g t h e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so n m i c r o a b l a t i o no fl e d g a ns e m i c o n d u c t o rf i l m sa l ec a r r i e do u t t h er a n g eo f o p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r si s d e t e r m i n e d c o m b i n e dw i t hn u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y s e v e r a lt h r e e d i m e n s i o n a lm i c r o s t m c h l r e sa r et r i a l p r o d u c e di nt h eg a n f i l l t h ei n f l u e n c eo fp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ea n g l eo fs i d ew a l li sa l s or e s e a r c h e d n 圮r e s u l t ss h o wt h a t 15 7 n ml a s e ri so fs t r o n g e ra b i l i t yo nm a c h i n i n g3 d m i c r o s t r u c t u r e so fc r a nm a t e r i a l 3 n 玲p r i m a r ya c h i n gp e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i s mo ft w oi m p o r t a n tw i d e b a n d g a pm a t e r i a l s a r es t u d i e d a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d a n a l y s i ss h o wt h a t p h o t o c h e m i c a lr e a c t i o ni n d u c e db ys i n g l ep h o t o na b s o r p t i o n p l a y sad o m i n a n tr o l ei n15 7 n ml a s e rp r o c e s so ff u s e ds i l i c aa n dg a nm a t e r i a l k e y w o r d l a s e rm i c r o m a c h i n i n g 15 7 n md u vl a s e r f u s e ds i l i c ac h i p o p t i c a lf i b e r g a ns e m i c o n d u c t o r h i 独创性声明 本人声明 所呈交的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 尽我所知 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 武汉理工大学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已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意 签名 垒 到日期 竺 兰乙 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留 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 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文 同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文 并向社会公众提供信息 服务 保密的论文在解密后应遵守此规定 研究生c 签名 住叫导师c 签名 奄钿期3 t o r 愿 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 宽禁带 e g 2 3 e v 材料因其优良的物理化学特性和广阔的应用前景 越来 越受到人们的重视 像以氮化镓 g a n 为代表的第三代半导体材料 石英类材 料等都是研究和探索的重点领域 l 2 1 氮化镓是继单晶硅之后最重要的半导体材料 主要用于发光二极管 l e d 等光电子器件 这些发光器件的发展 将使现有存储器容量提高一个数量级 并可能取代现有灯具而带来2 1 世纪照明技术的革命 因此氮化镓半导体的应用 前景与意义不亚于硅半导体所带来的电子技术革命 而l e d 或l d 制作技术专 利几乎被日本 美国等国的少数机构所垄断1 3 石英玻璃硬度可达莫氏七级 具有极低的热膨胀系数 高的耐温性 极好 的化学稳定性 优良的电绝缘性 低而稳定的超声延迟性能 最佳的透紫外光 谱性能以及透可见光及近红外光谱性能 并有着高于普通玻璃的机械性能 可 用于制作半导体 电光源器 半导通信装置 激光器 光学仪器 实验室仪器 电子设备 医疗设备和耐高温耐腐蚀的化学仪器等 因此它是近代尖端技术中 空间技术 原子能工业 国防装备 自动化系统 以及半导体 冶金 化工 电光源 通讯 轻工 建材等工业中不可缺少的优良材料之一 4 而1 5 7 r i m 深紫外激光微加工技术 是一种可打制1 微米微孔的难得的超精 密微加工技术 关于1 5 7 r i m 激光三维微加工技术的开发研究在世界范围内还几 乎是空白状态 本论文结合理论与实验研究宽禁带材料的深紫外激光微刻蚀机 理 并探索加工过程模拟方法 具有较高的学术价值 在工艺研究方面 利用 1 5 7 r i m 激光加工平台 开发宽禁带材料 氮化镓 氧化硅 的三维微加工工艺 技术 将为氮化镓基光电子器件和其他m o e m s 器件的制作提供一种新的工艺 途径 本研究成果对提高我国蓝光l e d 等新型光电子器件工艺水平具有重大意 义和实际应用价值 也是未来开发大规模微光机电系统 m o m e s 的重要技术 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 氮化镓材料微力n r 研究现状 以氮化镓 g a n 为代表的第三代半导体材料 是目前世界上最先进的半导 体材料 2 0 0 5 年氮化镓基器件在全球市场已经达到4 0 亿美元 其代表器件为 蓝光二极管 l e d 白光二极管等 这些发光器件的发展 将使现有存储器容 量提高一个数量级 并可能取代现有灯具而带来2 1 世纪照明技术的革命 因此 g a n 半导体的应用前景与意义不亚于半导体硅所带来的电子技术革命 相比加工技术非常成熟的s i 半导体 g a n 的微加工技术还处于初期发展阶 段 耐腐蚀 化学性能稳定是g a n 基材料的优点之一 但同时也给刻蚀等微加 工带来了相当大的困难 室温下所有的酸对g a n 腐蚀都很慢 热碱对它腐蚀也 很慢 采用电化学 光化学增强的方法可以提高湿法刻蚀的速率 但由于湿法腐 蚀存在图形转移精度差 表面 侧面粗糙 难以控制等缺点 使其难以用于实用 器件的制备 5 1 1 6 1 因此无论是商用领域还是科学研究均广泛采用干法刻蚀的技 术 目前 氮化物刻蚀主要采用反应离子刻蚀 陋 国外有学者使用氯气作 为介质 对m o c v d 生长的单层g a n 外延膜反应离子刻蚀来形成多平面镜片r 7 1 也有学者使用干法蚀刻制作g a n 基l e d 阵列 8 国内清华大学 西安电子科技 大学以及北京工业大学等机构也已开展这方面的研究工作 取得了一些有价值 的研究成果1 9 1 1 0 1 但无论国内国外 目前还未见利用激光对g a n 晶体进行三维 微细加工的研究报道 其他方面 如日本理化学研究所学者t a k a n e 等人 l l 利 用氟激光对g a n 晶体进行照射 照射区域边缘出现了清晰的几何结构 用更高 强度的激光作用并没有实现更高的刻蚀率 说明氟激光对g a n 晶体具备明显的 加工能力 但并不依赖光束强度 这可能与光化学作用有关 由于他们没有配 套精密数控工作台 难以进行三维微细加工 数年来未见其后续研究报道 在 国内 这方面的研究主要集中在利用准分子激光对g a n 晶体和蓝宝石衬底进行 剥离处理 如北京大学利用2 4 8 n m k r f 激光器进行了蓝宝石衬底g a n 外延层剥 离的研究 对极薄的m o c v d 生长的单层g a n 外延膜 3 1 a n 和i n g a nl d 外延 膜 5 t t m 实现了大面积剥离 优化结果表明 能量密度分别在4 0 0 m j e r a 2 和 6 0 0 r r d e m 2 可实现稳定的剥离 1 2 1 中科院物理研究所 南京大学的学者也做了类 似研究 北京工业大学学者还对激光剥离g a n 薄膜的热物理过程进行了有限元 2 武汉理工大学硕士学位论文 分析 1 3 1 4 1 1 2 2 石英材料微加工研究现状 据中国建材报2 0 0 5 年7 月15 日第0 0 3 版报道 日本产业技术综合研究所宣布 已开发出利用激光化学加工技术对石英玻璃等表面进行精细加工的装置 能在 表面硬度高 历来难以加工的石英玻璃等坚硬表面进行高品位精细加工 日本 璺桥技术科学大学的池野顺一教授等完成了目前被认为是不可能的晶体玻璃三 维激光打孑l 试验 并获得了成功 h t a k a o 等人 1 5 j 用15 7 r i m 氟激光做s i 0 2 透镜 国内对于s i 0 2 的激光加工研究较少 袁明权等人 1 6 j 提出了利用激光精密切割石 英玻璃薄板 对石英玻璃薄板激光切割原理进行了探讨 哈尔滨工业大学的周 岩等人 1 7 建立了基于回归分析的石英晶体激光切割参数模型 并总结了激光切 割石英的一些规律 在其他激光微加工方面 国内外学者主要以硅基材料 聚合物等为加工对 象 以飞秒激光或准分子激光 2 4 8 n m 为工具展开研究 如中国科技大学 1 卅 1 明 利用飞秒激光在丙烯酸酯光固化材料上制作出直径为6 u m 的万字形微型转子 并利用光镊装置实现了微转子的光致旋转 还探讨了飞秒激光与l i g a 工艺集成 的可能性 其他如北京大学 2 0 1 上海光机所 2 l 中山大学 2 2 1 江苏大学 2 3 1 哈 尔滨工业大学 天津大学等单位也在飞秒激光加工领域做了不少工作 在准分 子激光应用方面 上海交通大学开发了u v l i g a 工艺技术瞄 华中科技大学在 水和空气两种介质中进行了单晶硅的刻蚀实验瞄 北京工业大学研制了微流控 芯片脚 武汉理工大学则利用准分子激光制作光纤光栅 1 5 7 n m 激光是波长极短的深紫外激光 其操控难度大 最近十年其设备技术 才有了较大突破 目前 利用1 5 7 r i m 激光进行微加工的研究文献并不多见 日本 学者i k u t a y 等研究了1 5 7 n m 激光刻蚀石英玻璃的理化学机制 2 7 加拿大学者 h e r m a n p 等利用1 5 7 n m 激光制作光栅 马赫增德尔干涉仪等光电子器件 2 8 1 2 9 英国学者j a k o g r e u t e r s 等利用1 5 7 r i m 激光尝试在光子材料中制作各种微细构造 3 0 1 在国内 电子科技大学的饶云江等人采用1 5 7 r i m 激光制作光子晶体光纤法布 里一珀罗传感器 3 1 1 武汉理工大学的姜德生 戴玉堂等人利用国内首台1 5 7 n m 激 光微加工系统 并针对石英基片 光纤材料等开展了一系列研究 如在单模光 纤上刻制出4 微米微孔 在石英基片上刻蚀微孔阵列 另外还对蓝宝石 碳化硅 3 武汉理工大学硕士学位论文 等难加工材料进行了一些前期试验工作 证实了1 5 7 a m 深紫外激光较高的微细加 工能力 3 2 1 5 7 r i m 深紫外激光光子能量高 可直接击断超硬半导体材料的原子结合键 热效应小 精度高 适合制作理想的三维结构 这无疑将成为超硬半导体材料 微细加工的关键技术 1 5 7 r i m 深紫外激光在空气中易被吸收 相关设备和光路集 成技术相当复杂 基本理论 加工机理和工艺研究都非常薄弱 1 5 7 n m 激光应用 研究在世界范围内才刚刚起步 在这一领域进一步开展研究和探索的空间极大 利用我校引进国内首台1 5 7 r i m 深紫外激光机 开展光电子材料和器件的微加工技 术和机理研究 有望在这一领域取得先进的技术成果 1 3 本文的主要研究内容 作为目前商用的波长最短的激光加工设备 1 5 7 r i m 激光加工设备还有很多不 为人们所熟悉的领域 特别是在国内 本实验室拥有国内第一台1 5 7 n m 激光加工 设备 故在文中对其加工系统和加工特性做了详尽的介绍 并利用该设备 对 石英玻璃 含光纤 和氮化镓两种宽禁带材料进行了一系列微刻蚀实验 并对 其微加工机理进行了探讨 根据课题来源 本文主要做了以下工作 1 通过对石英材料的激光微加工 研究了激光工艺参数对刻蚀效率和刻蚀 质量的影响 主要包括对激光掩膜微孔刻蚀和扫描微槽刻蚀两种加工方式的影 响 根据研究结果 采用最佳工艺参数在石英玻璃基片上刻蚀各种二维 三维 微结构 探讨m o e m s 器件制作的可能性 另外还针对光纤做了很多刻蚀工作 在单模和多模光纤刻蚀各种三维微结构 为光纤新型传感器 光纤f p 腔 光纤 生物传感器等 的制作打下良好的基础 最后根据实验情况和理论分析 研究 1 5 7 r i m 深紫外激光加工石英材料的物理化学作用机制 并通过光子吸收理论和热 物理理论等建立了合适的数学模型 2 采用15 7 r i m 波长准分子激光 对l e d g a n 半导体薄膜进行了刻蚀试验研 究 研究脉冲频率 扫描速度和能量密度等工艺参数对刻蚀效率和刻蚀质量的 影响 根据前期基础实验结果 确定最佳工艺参数范围 并选用此范围内参数 并结合数控技术对g a n 表面刻蚀多种三维微结构 还研究工艺参数对刻蚀结构壁 面垂直度的影响 这些研究都对g a n 锘o 作l e d 光电子器件打下了坚实的基础 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 针对第三代半导体材料g a n 结合刻蚀实验 揭示了材料与深紫外激光 的相互作用机制 材料去除过程中的离子 粒子形成及其残留物质的形成方式 残留物质对深度刻蚀的阻碍机制 并建立了刻蚀机理模型 4 激光刻蚀后试件的清洗对加工质量的影响也很大 在试验过程针对石英 材料和氮化镓材料摸索了激光刻蚀后微器件的清洗工艺 1 4 本文研究方法和创新点 1 4 1 研究方法 本研究基于国内首台1 5 7 n m 深紫外激光微加工平台 遵循理论与实验相结合 的原则 按以下路线进行了微加工技术与工艺探讨 1 加工机理 准分子激光烧蚀机理强烈地依赖于准分子激光波长和材料本身 针对不同材 料 揭示材料与深紫外激光的相互作用机制 分析加工残留物的成分及其对刻 蚀的影响 针对路径扫描和孔加工 采取不同的激光加工参数组合 研究其对 刻蚀效率 底部粗糙度的影响 寻求最佳组合 以达到最佳加工效果 2 理论计算与模型仿真 研究1 5 7 n m 激光与材料作用过程中的有关物理问题 探讨其光子吸收模式 如单光子吸收或双光子吸收 尽管1 5 7 r i m 激光被许多学者认为是热效应很小的 冷光源 但对不同材料其热效应略有差异 本研究揭示 光化学反应 与热 溶化作用在材料去除过程中各自的作用与影响程度 继而建立物理数学模型 对激光微加工过程进行计算机模拟 根据计算机仿真结果 对激光微加工技术 参量进行优化处理 3 微气流辅助制作三维微加工 1 5 7 n m 激光出射光斑是边长可调的正方形或长方形 0 1 5 0 p m 1 5 0 p m 而不是点光源 第一步我们进行了大量的基础实验 研究两种宽禁带材料在各 种加工条件下对刻蚀率的影响 我们的前期试验表明 1 5 7 r i m 激光刻蚀微结构时 随着深度的增加 光解飞溅物质的再沉积就无法避免 从而影响加工的进行 甚者造成刻蚀中止或 壁弯 等缺陷 根据我们的前期研究 气流吹拂有助于 碎屑的飞出和加工的进一步 因此 我们制作了增大气流压力的 微喷嘴 以 5 武汉理工大学硕士学位论文 引入大压力微气流 起到了非常积极的辅助作用 帮助光解飞溅物质的快速飞 散 减少热量积聚造成的微熔化 1 4 2 本文特色与创新点 1 国内首次利用1 5 7 n m 深紫外激光对石英材料 含光纤 进行了三维微加 工的系统性研究 2 首次利用1 5 7 n m 深紫外激光对氮化镓薄膜材料进行了三维微加工的研究 与工艺探索 3 揭示两种重要宽禁带材料的1 5 7 r i m 激光刻蚀机理 具有较高的学术价值 4 在世界范围内 15 7 r i m 深紫外激光微加工设备屈指可数 有关研究都才 刚刚起步 上述研究在国内外都具有领先性 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章深紫外激光加工系统及其加工特性 准分子的概念起源较早 2 0 世纪3 0 年代初 lr a y l e i 曲就观察到稀有气体准 分子辐射谱 h 9 2 x e 2 k r 2 n e 2 a t 2 口q 真正的准分子的含义 是指在激发 态能够暂时结合成不稳定分子 而在讵常的基悉又离解成原于的缔合物瞰l 换 言之 仅在激发态存在的分子称为准分子 其英文名字e x c i m e r 来源于e x c i t e d d i m e r 意为激发态的双原子分子 有两个同棱原子构成的缔舍物称为d i m e t 有 两个异核原子构成的缔合物称e x c i p l e x 另外 由三个核原子构成的缔合物 t r i m e r 也称为准分子 本文实验采用了英国e x i t e c h 公司生产的m 2 0 0 0 双激光微加工机 如图2 一l 所 示 该机配备有1 5 7 r i m 波长的深紫外 d u v 准分子激光器和3 5 5 m n 波长的固体 激光器 前者主要用于各种材料的微细加工 后者主要用于金属掩模板的制备 下面将以1 5 7 r t m 波长的深紫外准分子激光器为特例阐述准分子激光加工的各种 特性和加工机理 图2 1m 2 0 0 0 激光微加工机 21 深紫外激光加工系统 作为一种典型的准分子激光器 f 2 准分子激光器 自问世以来得到了迅速 武汉理工大学硕士学位论文 的发展 1 9 7 7 年 j a m e sk r i c e 等首次利用h e f 2 混合气体的长脉冲电子束泵浦 实现了2 2 1 n j 的1 5 7 m 激光输出 3 6 1 次年 改用短脉冲高激发率电子束泵浦 将 输出功率密度提高至u 7 m w c m 2 明 同年 h p u m m e r 实验小组采用h e f 2 混合气 体放电泵浦 获得脉宽1 5 n s 的激光 但能量很低 只有8 5 i n j 3 羽 到1 9 9 2 年 s m h o o k e r 等通过研究不同形状的谐振腔 将激光最大输出能量提高到2 3 7 m 能量密度3 3 j l 3 9 f 2 准分子激光器的工作气体通常为h e n e f 2 或h df 2 输出激光波长1 5 7 n m 由于f 2 分子激光器的输出具有较高的量子效率 且是准分子激光器在真空紫外波 段唯一能获得较大输出的最短波长的激光器 因而 在光切割 光化学 泵浦 源 激光精加工等方面有着广泛的应用前景 2 1 1f 2 准分子激光器原理 本文中用到的f 2 激光器为德国t u il a s e r 公司 现已并入美国c o h e r e n t 公司 生产的m 1 0 0 型 工作气体为h e f 2 混合气 输出波长1 5 7 n m 脉冲宽度2 0 n s 激 光器最大输出能量2 5 m j 到达工作台的最大能量密度为5 j c m 2 f 2 准分子激光1 5 7 姗的谱线是由激发态能级e d 3 兀2 9 寸e a 3 l i z 跃迁 产生 图2 2 示出了工作气体为h df 2 的f 2 分子激光的能级跃迁图 f 2 d 来源 于三种激发途径 1 直接激发 f 2 p 专f 2 d p f h e 专b d h e f 2 如 哼e d 如 2 中性碰撞 f 2 f 一e f 3 离子碰撞 r f 一 h e 哼f 2 0 3 i i e 因为直接激发需要很高的电子能量 所以激发的概率很小 2 3 之间 由于f 的产生速率比f r 快 所以在激光开始阶段 2 过程占据主要地位 但激发f 所需的能量比激发r r 要多的多 一般的电子难以达到这么高的能 量 因而随着激光的形成 离子碰撞激发逐渐占据了主导地位 柏 8 武汉理工大学硕士学位论文 一 疆 图2 2 能级跃迁图 另一方面 工作物质会猝灭激光上能级f 2 d 粒子 这主要由f 2 e 电子等 碰撞引起 f 2 d e 专e e f 2 d f 2 专2 f 2 电子密度太大或f 2 含量过高都会降低激光的输出能量 此外 氧分子的存在 也会猝灭激光 因为氧分子对1 5 7 r i m 波长有很强的吸收作用 由于f 2 分子激光能级f 2 d f 2 a 的寿命较短 因此f 2 分子激光器的泵 浦要求同时满足大面积均匀放电和快速泵浦激励 图2 3 是一放电泵浦f 2 激光器原理图 4 1 1 s g 表示火花隙 t 为触发器 p 为预 电离针 工作气体为h e f 2 图2 3 中 由于h e 的电离能很大 且f 原子核对电子 吸引力非常强 因而放电主电极间隙很小 一般不超过2 c m 充电电压v c 达到几 万伏 图2 3 放电泵浦f 2 激光器原理图 为了有效地激发气体 进行辉光放电 提高能量转换效率 必须在主放电 之前用许多的预电离针p 来均匀预电离工作物质 在实际的激光器中 峰化电容 9 武汉理工大学硕士学位论文 c 2 与预电离针p 均匀地分布在主电极的两侧 或者置于一电极网罩后面 为了主 放电过程能均匀进行 还要求两主电极表面平滑并且在整个放电区有很高的平 行度 激光输出取决于上下能级f 2 d f 2 a 的跃迁粒子数反转 增大气体压 强可提高能级f 2 a 的抽空速率 但相对来说对f 2 d 的影响较小 同时高 压气体放电需较高的充电电压阈值 相应提高了激光的泵浦能量 因而有利于 激光输出 如图2 4 所示 充电电压阈值随着气体总压强的升高而增大 输出能 量也明显上升 但是对于低压气体 泵浦很快达到饱和 尽管充电电压继续加 大 输出变化并不明显 4 2 此外 激光器放电脉冲上升越快 脉冲周期越短 越能实现能级f 2 d f 2 a 的粒子数反转 根据公式 盟 v l 诈s i i l 刍二旦 兑t 出 c l c 2 三c 2 1三q c 2 选择最佳的c l c 2 v c 组合且最大限度地减少放电回路电感l 可提高激光器泵 浦速率和效率1 4 3 j 售 v 一 鼍 罚 图2 4 气压与输出能量关系 放电泵浦f 2 分子激光器中 h e 气掺入的比例对激光输出能量也有很大的影 响 首先可以确定h e 气的掺入能很大地提高电子的平均能量 有助于激发工作 气体 但是过多的h e 气又会抑制激光的输出 研究表明嗍 激光输出能量随着 h e 气的增多而上升 但上升速率逐渐下降 到一定的h e f 2 气压比后 继续增大 h e 的含量 输出反而下降 在低充电电压时 这种规律尤其明显 因此 对于 一定的v c 存在一最佳的h e f 2 气压比 2 1 2 光路调节系统 准分子激光的光场分布与普通的单模高斯光场分布不同 纵横方向光强分 1 0 武汉理工丈学硕士学位论文 布规律不同 光束近场剖面呈非对称的高阶模式口 一般准分子馓光输出光束轮 廓为长宽比略大于2 l 的矩形 在长轴 东平 方向上呈高帽型分布 在短轴 垂直 方向上呈近高斯分布 这两个方向上 准分子激光的发散角也不一样 在水平方向上的发散角较丈 一般为十几毫弧度 而垂直方向上的发散角为3 毫弧度左右 两个方向的发散角比为4 l 左右 准分子激光光柬在两个方向发 散角的差异 使得对于它的整形与变换存在较大的困难 准分子激光器的工业应用 对光束的质量要求很高 在m 2 0 0 0 激光加工系 统中 1 5 7 r i m 激光光路通过非常复杂匀化整形 得到了相对满意的光束质量 具体1 5 7 r i m 激光光路系统示意图如图2 5 所示 光束从激光器输出后 先通过 一个光束开关后经m 反射镜进入两个双折射棱镜进行第一次光束匀化 再经 m b 反射通过两个6 6 的蝇眼匀光器进行进一步的光束匀化 经m c 反射通过掩 膜板得到预定的加工形状 最后经m d 反射和一个高分辨率的s e h w a r z e h i l d 型投 射镜聚焦后照射在工件衰而 r w 5 图2 5m 2 0 0 0 微加工系统及1 5 7 r i m 激光光路示意图 m 4 5 反射镜 b p 一双折射棱镜 a 一蝇眼匀光器 在该光路系统中最为重要 对光束质量和激光精加工起关键作用的是蝇眼 光束均匀器和s o h w a r z c h i l d 型投射镜 现分别做具体介绍 图2 6 示出了蝇眼透镜匀光示意图 从图中可以看出 透镜阵列凡和a 2 构 成光束匀化器 每个透镜阵列由3 6 块小透镜组成 激光束经透镜阵列扎后被分 成3 6 束小光束 每束光经透镜阵列a 2 后 会产生一定的偏折角 带有偏折角度 的光经聚焦透镜后 会对称分布于焦平面上 即均束面上 所有的小光束都叠 武汉理工大学硕士学位论文 加在均束面的同一位置 即产生均束的效果 p c t m l m 图2 6 蝇眼透镜匀化示意图 当采用一级透镜阵列 也能产生能量均匀的效果 但发散角的影响将最大 化的呈现在均束面上 不同发散角的光在均束面不叠加在同一位置 导致均束 面边缘柔化 影响均柬效果 4 5 为了解决发散角对均柬面的影响 采用两级透 镜阵列 将靠近光源的一级命名为照明阵列 将另一级命名为成像阵列 解决 的方法就是将照明阵列置于成像阵列的前焦面上 使照明阵列和均束面在诚像 阵列和收集透镜组成的系统中成麸轭关系 也就是说 不同角度入射的汇集于 焦平面上一点的光经过透镜系统后会成像在均束面的同一点 照明阵列的作用 是对光进行重新分布 照射在成像阵列上同一点的三条不同入射角度的光线 经过均束系统后相交在均束面上的同一点 这样就消除了发散角对均束面的影 响 使均束面呈现理想的正方形分布 对没有进入对应透镜的杂散光 系统可 将他排除在均束面之外 杂散光经过小透镜的转换后明显偏离原光束 再经过 聚焦透镜 在均束面位置大大偏离能量均匀分布的光斑范围 起到了消除杂散 光的目的l 帕l cs c h w a r z c h i l d 发现 对于入射平行光首先与凸面主镜相遇 被反射到凹 面次镜上的反远摄型双反射镜系统 如果两个反射镜都是球面的 并且有公共 球心 则当两个反射镜的曲率之比为26 1 8 0 3 4 时 初级球差 慧差和像散全部 为零 1 反射式投影物镜系统具有以下优势 4 q 由于反射式投影物镜系统依靠 反射传输光束 从而不会引起光路的色差 在设计物镜时得到简化 反射式系 统不需要经过别的介质的传输 所 三l 对不同波长的光束具有同样的传输效果 一二一王 r 1 一 武汉理工大学硕士学位论文 波长从红外到紫外都可以适用 一套镜头系统可以应用于多种光源的加工系统 中 另外 光路中可以传输多种波长光的特点 可以使用做对准工作的光束与 工作激光在同一光路中传输 二 反射式系统更容易获得较高的数值孔径和较 低的剩余球差 这是由于对于具有相同成像能力的透镜来说 反射透镜的曲率 比折射透镜曲率要小 而且较大的数值孔径也不易引进彗差和高级球差 三 反射式系统的镜片对激光的吸收很少 系统透过率大 能量利用率高 如图2 7 中的s c h w a r t z c h i l d 型物镜投影系统中 光通过主镜的中间孔照射到第二反射镜 上 经其反射到主镜 再被第一反射镜会聚到加工件表面 当两个反射镜都是 球面 有公共球心 且两反射镜的曲率半径之比达到一定的数值时 相差和球 场都可以得到较好的校正 但是反射式透镜系统自身也有缺点 即在光束的传 输过程中 第二反射镜总要挡住部分光线 造成部分光能的损失 其次系统中 用到的非球面镜在加工时非常困难 要达到高精度微加工的要求所需成本较大 2 1 3 数控工作台 图2 7s c h w a r z c h i l d 物镜结构图 为了保证工件的精确加工 该设备还配有精密数控工作台和a e r o t e c h 公司 研制的u n i d e x5 0 0 控制系统 该工作台具有4 轴3 联动数控系统 可精密控制 工作台的平移或回转运动 数控工作台实物图如图2 8 所示 工作台的运动精度 在x y 方向可达0 5 1 l m z 方向达0 1 p m 回转轴的精度则为0 8 m d e g 最大 移动速度在x y 方向可达6 0 0 0 0 m m m i n z 方向5 0 0 r a m r a i n r 回转轴为5 r p m 具体控制指标见表2 1 u 5 0 0 控制系统可支持多达4 个同步伺服控制和4 轴步 进控制轴同时运动 满足当今机械设备对数控系统最苛刻的要求 u 5 0 0 控制系 武汉理工大学硬士学位论文 统协调激光脉冲开启和各数控轴的运动节拍 保证了精密加工的进行 圈2 8 数控工作台实物图 表2 1 数控t 作台特征参数 a x i s d e p t i o n t r a v e ld r i v er e s o l u t i o n xxw o r k p i e c e3 0 0 m ma ci i n e a r m o t o r05 u m y y w o r k l a i e c e 3 0 0 r a ma cl i n e a r m o t o r05 u m zf o c u s1 0 m m a cb m s h l e s sm o t o r0 l m n r w o r k p i e c er o t a t i o n 4 5 0a cb r u s h i e s sm o t o ro8 m d e g a 0 1 s t e p p e r m o t o r 0 0 1 22 深紫外激光加工特性 221 激光与材料相互作用理论模型 当激光辐照在材料表面时 可能产生不同的作用机理 这要依赖于激光源 的波长和材科本身 由于波长短和分子能量高 激光入射辐射被大多数材料在 表面亚微米表层内吸收 这对材料微加工是有利的 因为大多数的能量可以被 吸收到所希望看到的过程中 按照不同的理论基础 目前对超短激光刻蚀过程主要存在以下几种数学模 型 3 4 l 1 光化学过程理论模型 b m n n o n 等人从光化学角度出发 在光吸收和材料刻蚀的基础上 运用比尔 武汉理工大学硕士学位论文 法则得到了刻蚀率公式 x 玎1h 氍 2 1 但该公式是建立以两个假设为前提 1 刻蚀过程是在所有激光脉冲都通过基 片之后才发生 2 刻蚀过程与几个辐射到基片的时间无关的 光化学模型理论的核心在于 只有当激光能量大于刻蚀阈值时 刻蚀过程 才能发生 当光子能量大于材料的键能时 激光击断材料的化学键引起光化学 反应刻蚀过程 2 光热过程理论模型 光热作用理论认为 激光与物质的相互作用是材料在激光的辐照下吸收光 能 转化为热能 被吸收的热能短时间内来不及散去 导致局部温度过高 形 成等离子体喷发 带走局部材料和热量 完成加工过程 3 s s b 理论模型 该模型将光化学和光热过程相结合 认为光热和光化学 在激光刻蚀中 会同时起作用 在不同的阶段 其中一个模型占主导地位 在刻蚀能量刚大于 刻蚀阈值的时候 光化学过程占主导地位 随着能量的提高 热作用的影响开 始增强 并占据上风 但当热作用到达一定的值后变不再增加 光化学作用机 理又重新掌控刻