CN108637501B - 基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法 - Google Patents

基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法。该方法包括如下步骤：步骤一：将硅基置于在实验台架上，调节激光的入射角度；步骤二：打开激光发射器，完成一次聚焦点部位的加工；步骤三：重复步骤二，使其能够加工硅基内部空腔的不同位置，达到加工复杂空腔的目的。本发明利用激光激发超声波加工硅基材料内部，方法简单，操作难度低，且加工过程清洁无污染。

Description

基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法
技术领域
本发明属于微纳米制造技术领域，具体涉及一种基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法。
背景技术
微机电系统MEMS(micro electromechanical system)是指采用微机械加工技术可以批量制作的、集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。MEMS技术的发展显示出巨大的生命力,它把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度。目前MEMS产品如微传感器、微执行器和微电子机械部件正在机械制造，医疗，通讯等领域得到广泛的应用。
硅材料作为制作各种微机械谐振器的重要半导体材料，其加工方式的多样性也就成为了当下研究的热点内容。一直以来，以硅为代表的半导体材料微结构被广泛应用到机械装置中，近年来，各个研究领域都在致力于将不同形态的硅基微结构(Silicon onnothing SON)应用到各类微机械谐振器和传感器中，来提高其灵敏度与精度。所以，如何加工具有不同形态复杂空腔结构的硅基，来适应不同微谐振器的需求，也随即成为了该领域的难题之一。
超声波是频率大于20KHz的振动波，超声波具有方向性好、穿透能力强和易于集中声能等特点。超声波从物理性质来讲属于机械波，其具有迭加、干涉、衍射等性质。所以我们可以利用超声波特有的穿透性、方向性和聚焦性，将几束超声波聚焦到一个预先设定的靶点(即焦点)，在聚焦区域内沉淀的超声能量转化为热量，通过温度影响硅原子的扩散系数，进而对硅基内部空腔微结构进行加工。其中，硅原子扩散系数与温度成函数关系，对于晶体中原子的扩散，扩散系数D与温度T有指数关系:
D＝D0exp(-Ea/kT)(1)
式中D0为一常数，Ea为激活能，T为扩散温度，K为玻尔兹曼常数，当温度T升高时扩散系数D增加。
研究表明，激光可以激发超声波，具体的激发方式分为两种，一是当入射激光能量较低时，不足以产生材料的熔融，主要的激发机理为热弹性激发，固体介质吸收的能量来不及扩散，在材料中形成了温度梯度导致材料的热膨胀，周围介质有约束并产生了应力分布，应力场在介质中传播产生了超声波；二是当入射激光能量较大时，晶格动能超出材料的弹性限度，材料表面熔融、产生动量传递和等离子体的形成，此时激发超声波的主要机理为熔蚀激发。在本发明中，主要利用第一种超声波的激发方式，进一步复杂已经形成的硅基内部空腔。
本发明通过聚焦多束激光激发的超声波，利用聚焦产生的点温度场，以及硅原子的扩散运动对硅基内部的空腔进行形态上的加工，来丰富硅基内部空腔加工方式，相比较其他的加工方式，该方法在时间、操作难度和成本上来说都有一定优势。
发明内容
本发明提供了一种基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法。本发明利用激光激发超声波加工硅基材料内部，具有方法简单，操作难度低，且加工过程清洁无污染等优点。
为了达到本发明的目的，本发明采取如下技术方案：
基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：将硅基置于在实验台架上，调节激光的入射角度；
步骤二：打开激光发射器，完成一次聚焦点部位的加工；
步骤三：重复步骤二，使其能够加工硅基内部的不同位置，达到加工复杂空腔的目的。
优选的，所述步骤一中所用硅基具有初步的空腔结构。
优选的，所述步骤一中调节激光的入射角度的具体方法为：打开多个激光发射器，调整飞秒激光的入射方向，使多个激光发射器发射的激光在硅基内部空间中聚焦到一点，关闭激光发射器。
优选的，所述步骤二的具体步骤为：同时打开所有激光发射器，利用多束激光照射硅基，在硅基内部产生的超声波在空间聚焦到一点，声能转化为热能，经短暂时间后，在聚焦点完成对硅基空腔的加工。
优选的，所述步骤二中使用激光波长为532nm，脉冲持续时间为120fs，功率为75mw，激光点大小为8μm。
优选的，所述步骤三的具体步骤为：通过调节激光发射器的入射角度设计特定的聚焦点运动轨迹，完成对硅基内部其他位置的加工，达到硅基内部微结构复杂成型的目的。
优选的，所述步骤三的具体步骤为：通过调整硅基在实验台架上的位置，达到调整聚焦点位置的目的，使激光发射器的聚焦点与硅基内部其它待加工点重合，利用激光照射硅基完成对硅基其他位置的加工，进而达到在硅基内部形成复杂空腔的目的。
本发明方法操作过程如下：先将硅基置于实验台架上，调整激光发射器，使几个激光发射器发射的激光可在空间中聚焦，打开激光发射器，照射硅基，激光激发的超声波在聚焦点产生点温度场，并对硅基内部进行一次点加工，关闭激光发射器，调整聚焦点，进行其他位置的加工，从而完成复杂空腔的成型。
本发明基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法与现有技术相比较，本发明具有如下特点：
其一，本发明可以完成硅基内部复杂空腔的成型。
其二，本发明利用激光激发超声波加工材料内部，为其他非透明材料内部空腔的加工提供了一种新的思路。
其三，本发明中使用的加工能源为激光，清洁无污染。
其四，本发明所提出的方法在加工环境上的要求仅为在室温(20℃)下，避免了温度对硅基非加工部位的影响。
其五，本发明所提出的加工方法，与传统的空腔加工方式相比，也就是对层片加工再进行键合的方式相比，大大简化了操作步骤，降低了操作难度。
附图说明
图1为本发明实验台架示意图；
图2为具有简单内腔的硅基示意图；
图3为使用激光激发超声聚焦热场加工时原子扩散示意图；
图4为本发明可成型的复杂空腔示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能更加的明显易懂，下面将结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。需要说明是，附图采用简化的形式且均使用非精确的比例，仅用以方便、明确的说明本发明实施例的目的。
搭建图1所示实验台架，所述实验台架包括多个飞秒激光发射器1，激光发射器固定支架2，以及可调整硅基空间位置的实验平台3，激光发射器1通过激光发射器固定支架2固定，实验平台3被多个激光发射器1围于中心。
实施例1：
本实施例实验所用的材料为具有简单内腔的抛光6-in(100)n型硅晶片，如图2所示。
实验实施所处环境为室温(20℃)。
将具有简单空腔结构的硅基置于在实验平台3上，打开所有激光发射器1，调整各个发射器发射角度，使所有激光在空间内能够聚焦到一点，并且激光聚焦点与硅基内部待加工点位在空间上重合，关闭所有激光发射器。利用飞秒激光照射硅基，基于热弹性机理激发超声波，在焦点处聚焦，产生点温度场(但低于硅材料的熔点1410℃)，硅原子发生扩散运动，如图3所示，虚线部位为硅原子扩散位置，在聚焦点完成对硅基空腔的加工。
通过不断调节激光发射器的发射角度设计不同的加工轨迹，完成对硅基空腔内部其他位置的加工，进而达到在硅基内部形成复杂空腔的目的。
实施例2：
本实施例实验所用的材料为具有简单内腔的抛光6-in(100)n型硅晶片，如图2所示。
实验实施所处环境为室温(20℃)。
将具有简单空腔结构的硅基置于在实验平台3上，打开所有激光发射器1，调整各个发射器发射角度，使所有激光在空间内能够聚焦到一点，并且激光聚焦点与硅基内部待加工点位在空间上重合，关闭所有激光发射器。利用飞秒激光照射硅基，基于热弹性机理激发超声波，在焦点处聚焦，产生点温度场(但低于硅材料的熔点1410℃)，硅原子发生扩散运动，如图3所示，虚线部位为硅原子扩散位置，在聚焦点完成对硅基空腔的加工。
通过重复调节硅基在实验平台3上的位置，使激光发射器的聚焦点与硅基内部其它待加工点重合，利用激光照射硅基完成对硅基其他位置的加工，进而达到在硅基内部形成复杂空腔的目的。
通过实施例1或2的方法可以形成如图4所示的硅基复杂微结构。
以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将硅基置于在实验台架上，调节激光的入射角度，具体方法为：打开多个激光发射器，调整飞秒激光的发射方向，使多个激光发射器发射的激光在硅基内部空间中聚焦到一点，关闭激光发射器；
步骤二：打开激光发射器，完成一次聚焦点部位的加工，具体步骤为：同时打开所有激光发射器，利用多束激光照射硅基，在硅基内部产生的超声波在空间聚焦到一点，声能转化为热能，硅原子发生扩散运动，经合适时间后，在聚焦点完成对硅基空腔的加工，激光波长为532nm，脉冲持续时间为120fs，功率为75mw，激光点大小为8μm；
步骤三：重复步骤二，使其能够加工硅基内部的不同位置，达到加工复杂空腔的目的。
2.根据权利要求1所述的基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法，其特征在于，所述步骤一中所用硅基具有初步的空腔结构。
3.根据权利要求1或2所述的基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法，其特征在于，所述步骤一中所用硅基为抛光6-in(100)n型硅晶片。
4.根据权利要求1所述的基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法，其特征在于，所述步骤三的具体步骤为：通过调节激光发射器的入射角度设计特定的聚焦点运动轨迹，完成对硅基内部其他位置的加工，达到硅基内部微结构复杂成型的目的。
5.根据权利要求1所述的基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法，其特征在于，所述步骤三的具体步骤为：通过调整硅基在实验平台上的位置，使激光发射器的聚焦点与硅基内部其它待加工点重合，利用激光照射硅基完成对硅基其他位置的加工，进而达到在硅基内部形成复杂空腔的目的。
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