CN103008882A - 脉冲激光脆性材料微加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明为脉冲激光脆性材料微加工方法及系统，本方法为脉冲激光聚焦于处在水中的脆性材料工件表面进行微加工，激光脉冲频率大于2Hz，功率密度为GW/cm²量级，脉宽为20～50ns。脆性材料为硅、砷化镓、玻璃。本系统激光控制单元控制的脉冲激光器输出的激光束经反射镜、聚焦透镜聚焦于容器内水中的工件表面；容器固定于可二维平动的工作台上，脉冲激光频率大于2Hz，功率密度为GW/cm²量级。微量泵进水口接入水池，出水口接入容器。计算机连接控制的X轴和Y轴伺服电机驱动工作台进行二维平动。本发明提供了水中脉冲激光对脆性材料进行大深宽比微加工的新方法和系统，深宽比可达3。

Description

脉冲激光脆性材料微加工方法及系统

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种脉冲激光脆性材料微加工方法及系统。

背景技术

激光直刻工艺具有分辨率高、不需要特制掩模就能实现图形转移等优点，因而在刻蚀加工领域获得广泛应用。

但是对于如硅、砷化镓、玻璃等脆性材料，目前的激光刻蚀工艺微孔或细线的深宽比一般只能达到1左右，普通电化学刻蚀此值更小。脆性材料大深宽比的刻蚀加工尚在研究中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲激光脆性材料微加工方法，用高能量脉冲激光对水中的脆性材料进行微加工，微孔的深宽比超过1，甚至可达3。

本发明的另一目的在于提供一种脉冲激光脆性材料微加工系统，包括激光控制单元、脉冲激光器、工作台、容器，工件置于水中加工。

现有研究说明，高能量短脉冲激光对水中的工件加工时，其力效应对工件材料的去除主要是局部冲击作用。在超声加工工艺中，超声产生的冲击力对工件的冲击在方式和效果上都类似于压痕硬度实验中压头作用于脆性材料。超声波加工中的材料去除是靠极小磨料局部、瞬时的撞击作用。脉冲激光对水中的脆性材料工件的部分材料去除的力效应与之相类似。

首先基于脆性材料在载荷作用下的断裂机理，可建立水中高能量脉冲激光加工时力效应对脆性材料的去除率模型。材料去除率模型的建立如下：

裂纹的深度为C_h，C_h=ξ₃(F/H)^1/2            (1)

单个冲击力在一次撞击工件中所去除掉的材料体积为：

$V=\mathrm{\ξ}\frac{F^2}{{\left(K_{\mathrm{IC}}\right)}^{3/2}\·H^{1/2}}---\left(2\right)$

式中，

为一比例系数（ξ₂、ξ₃为常数），F为冲击力，K_IC为材料的断裂韧性，H为材料的维氏硬度。

定义单位时间内去除掉的材料体积为材料去除率M_V，则有：

$M_V=f\·V=\mathrm{f\ξ}\frac{F^2}{{\left(K_{\mathrm{IC}}\right)}^{3/2}\·H^{1/2}}---\left(3\right)$

由式(3)可见，水中高能脉冲激光加工脆性材料的去除率M_V与冲击频率f、冲击力F有关。

高能量脉冲激光在激光与工件的相互作用机理主要是热－力效应。而水中激光加工的力效应尤其显著。当靶材周围存在水时，水的不可压缩性将限制激光等离子体的对外膨胀，从而引起等离子体冲击波对靶材反冲压力的增大。除此之外，高能短脉冲激光加工水中物质时，当激光作用下被加热的壁面温度快速升高，壁面上的水过热、不断有新的汽泡胚核涌现，当汽泡在固体壁面附近溃灭时，泡表面的压力梯度会形成指向靶材的高速水射流。这就是水中激光加工时特有的空化现象。当加工的激光功率密度较大，在加工过程中激光的力效应对刻蚀工艺的影响更大。

本发明提供的脉冲激光脆性材料加工方法，激光聚焦于处在水中的脆性材料工件表面进行微加工，所述激光为脉冲频率大于或等于2Hz的脉冲激光，所述脉冲激光功率密度为GW/cm²量级；所述水为蒸馏水。

所述脆性材料为硅、或砷化镓、或玻璃。

所述脉冲激光脉宽为20～50ns。

本发明设计的脉冲激光脆性材料加工系统，本系统包括激光控制单元、脉冲激光器、反射镜、聚焦透镜和工作台，激光控制单元连接控制脉冲激光器，脉冲激光器输出的激光束经反射镜、聚焦透镜聚焦于工件表面；所述工作台为可在平面的X轴和Y轴平动的工作台。包括盛放水的容器，容器固定于工作台上，工件浸在容器内的水中、固定于容器底部。所述脉冲激光器发出的脉冲激光频率大于或等于2Hz，功率密度为GW/cm²量级。

所述工件表面与容器内水面距离为2～4mm。

所述工件为硅、或砷化镓、或玻璃的脆性材料工件。

所述脉冲激光脉宽为20～50ns。

为了保证容器内的水面与工件表面的距离不变，还配有微量泵和水池，微量泵进水口接入水池，出水口接入容器。

另有一根回流管，一端接于水池，另一端接入容器，回流管在容器的管口高度为容器的最高水位，回流管接入水池的管口有过滤器。微量泵工作将水泵入容器，当容器内的水位过高，经回流管返流到水池，保持容器内的水位不变，回流的水经回流管管口的过滤器过滤继续使用。

为了精确控制工作台的移动，计算机连接控制的X轴和Y轴伺服电机驱动工作台进行二维平动。计算机按设定的加工路线控制X轴和Y轴伺服电机运行、驱动工作台移动，从而使工作台上的容器内的工件在激光束的光斑下移动，使工件表面的加工区的材料在脉冲激光的冲击和水射流的作用下被去除。

与现有技术相比，本发明脉冲激光脆性材料加工方法及系统的优点是：1、根据高能量短脉冲激光对水中物质的过程中作用的复杂性和特殊性，并考虑到脆性材料的加工特性，提供了一种水中脉冲激光对脆性材料进行大深宽比微加工的新方法和系统，2、本发明脆性材料加工的深宽比可达3，解决了脆性材料大深宽比加工的难题；3、系统由现有仪器部件组成，易于实现。

附图说明

图1为本脉冲激光脆性材料加工系统实施例示意图；

图2为在不同条件下脉冲激光加工脆性材料硅的刻蚀深度对比曲线图。

1、激光控制单元，2、脉冲激光器，3、反射镜，4、聚焦透镜，5、容器，6、工件，7、工作台，8、Y轴伺服电机，9、X轴伺服电机，10、计算机，11、回流管，12、水池，13、微量泵。

具体实施方式

脉冲激光脆性材料加工方法实施例

本例脉冲激光脆性材料加工方法，激光聚焦于处在水中的硅片表面进行微加工，所述水为蒸馏水，所述脉冲激光波长为248nm，脉宽20ns，脉冲重复频率为20Hz～100Hz，脉冲能量为150mJ～250mJ，功率密度为GW/cm²量级。

本例方法通过下述脉冲激光脆性材料加工系统实施例得以具体实施。

脉冲激光脆性材料加工系统实施例一

本例系统如图1所示，包括激光控制单元1、脉冲激光器2、反射镜3、聚焦透镜4、工作台7和盛放水的容器5，激光控制单元1连接控制脉冲激光器2，脉冲激光器2输出的激光束经反射镜3、聚焦透镜4聚焦于工件6表面。

本例容器5内的水为蒸馏水。

计算机10连接控制的X轴伺服电机9和Y轴伺服电机8，X轴伺服电机9和Y轴伺服电机8驱动连接工作台7进行二维平动。

容器5固定于工作台7上。

本例工件6为厚度430μm的硅片，材料为n-Si、晶向〈100〉，加工前工件6表面用丙酮溶液清洗。工件6浸在容器5的蒸馏水中、固定于容器5底部。工件6表面与水面距离为3mm。工件6采用1.17mm孔径掩模。

微量泵13进水口接入水池12，出水口接入容器5。另有一根回流管11，一端接于水池12，另一端接入容器5，回流管11在容器5的管口高度为容器5的最高水位，回流管11接入水池12的管口有过滤器。微量泵13工作将蒸馏水泵入容器5，当容器5内的水位过高，经回流管11返流到水池12，保持容器5内的水位不变，回流的水经回流管11管口过滤器的过滤继续使用。

本例脉冲激光器为248nm的KrF准分子激光器，脉宽20ns，脉冲重复频率2Hz，掩模孔径为1.17mm，单脉冲能量为150mJ～250mJ，光斑直径为90μm，以脉冲数为100、200、300、400、500、600对在水中和空气中的相同工件进行加工，加工结束，用高倍显微镜和计算机图像采集系统进行表面形貌分析，采用表面轮廓测试仪测量刻蚀深度。不同条件下脉冲激光加工脆性材料硅的刻蚀深度对比曲线如图2所示，图中◆连线为脉冲激光在水中刻蚀硅片时不同脉冲数达到的刻蚀深度曲线，所得微孔直径为90μm，由该曲线可见脉冲数600时，刻蚀深度达30μm；●为脉冲激光在空气中刻蚀硅片时不同脉冲数达到的刻蚀深度曲线，所得微孔直径为90μm，由该曲线可见脉冲数600时，刻蚀深度仅18μm；■为脉冲激光在水中刻蚀硅片时不同脉冲数的脉冲产生的冲击力达到的刻蚀深度曲线，所得微孔直径为90μm，由该曲线可见脉冲数600时，刻蚀深度为12μm；▲为脉冲激光在空气中刻蚀硅片所得刻蚀深度和冲击力刻蚀硅片所得刻蚀深度之和的曲线，与◆连线的趋势基本吻合。由图2中◆连线与●连线相比较，可看到脉冲激光在水中刻蚀硅片、相同的脉冲数达到的刻蚀深度明显大于在空气中刻蚀的深度。本例实验证明了本发明脉冲激光脆性材料加工方法及系统脉冲激光在水的作用下诱导力效应增强刻蚀脆性材料的效果。且由图中曲线看到随着激光脉冲数的增加，所达到的刻蚀深度越大，而微孔直径基本不变，即微孔的深宽比随着激光脉冲数的增加而加大。由■连线的上升趋势可见，脉冲数和刻蚀深度成正比。激光脉冲的重复频率进一步提高，将有利于加快刻蚀速率。

仍采用本例脉冲激光器，在脉宽20ns，脉冲重复频率20Hz，掩模孔径为1.17mm，单脉冲能量为200mJ，光斑直径为90μm，3分钟脉冲数达3600，所得微孔直径为90μm，刻蚀深度为105μm，深宽比达1.2。当脉冲数达到上万个数时，刻蚀的微孔深宽比能达到3。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.脉冲激光脆性材料加工方法，激光聚焦于处在水中的脆性材料工件表面进行微加工，所述激光脉冲频率大于或等于2Hz的脉冲激光，所述脉冲激光功率密度为GW/cm²量级，所述水为蒸馏水，所述脆性材料为硅、或砷化镓、或玻璃。 

2.根据权利要求1所述的脉冲激光脆性材料加工方法，其特征在于： 

所述脉冲激光脉宽为20～50ns。 

3.根据权利要求1或2所述的脉冲激光脆性材料加工方法，其特征在于： 

所述脉冲激光的脉冲频率为20Hz～100Hz。 

4.脉冲激光脆性材料加工系统，包括激光控制单元（1）、脉冲激光器（2）、反射镜（3）、聚焦透镜（4）和工作台（7），激光控制单元（1）连接控制脉冲激光器（2），脉冲激光器（2）输出的激光束经反射镜（3）、聚焦透镜（4）将激光聚焦于工件（6）表面；其特征在于： 

还包括盛放水的容器（5），容器（5）固定于工作台（7）上，工件（6）浸在容器（5）内的水中、固定于容器底部（5）；所述脉冲激光器（2）发出的脉冲激光频率大于或等于2Hz，功率密度为GW/cm²量级；所述工件（6）为硅、或砷化镓、或玻璃的脆性材料工件，所述水为蒸馏水，所述工作台（7）为可在X轴和Y轴平动的工作台。 

5.根据权利要求4所述的脉冲激光脆性材料加工系统，其特征在于： 

所述工件（6）表面与容器（5）内水面距离为2～4mm。 

6.根据权利要求4所述的脉冲激光脆性材料加工系统，其特征在于： 

所述脉冲激光脉宽为20～50ns。 

7.根据权利要求4所述的脉冲激光脆性材料加工系统，其特征在于： 

还配有微量泵（13）和水池（12），微量泵（13）进水口接入水池（12），出水口接入容器（5）。 

8.根据权利要求7所述的脉冲激光脆性材料加工系统，其特征在于： 

另有一根回流管（11），一端接于水池（12），另一端接入容器（5），回流管（11）在容器（5）的管口高度为容器（5）的最高水位。 

9.根据权利要求8所述的脉冲激光脆性材料加工系统，其特征在于： 

所述回流管（11）接入水池（12）的管口有过滤器。

10.根据权利要求4所述的脉冲激光脆性材料加工系统，其特征在于： 

计算机（10）连接控制的X轴伺服电机（9）和Y轴伺服电机（8）、驱动工作台（7）进行二维平动。 

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