CN1579695A - 激光诱导等离子体法在石英基片上制作微型通道的技术 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种微型通道的制作技术，利用在调Q的Nd：YAG激光在石英基片上作微加工时伴随产生的激光诱导等离子体作为钻孔工具，在石英基片上制作微型通道。首先将激光束聚焦于石英基片的出光面，对光能吸收点作预处理，然后以此预处理点作为吸收光点开始激光钻孔，利用石英等离子体的高能高热局部融化并蒸发基片材料，按一定速率不断调整激光的聚焦面，可以保持石英等离子体的产生，从而可向深度方向不断融化并蒸发基片材料，形成微型通道。微型通道的直径从40微米至140微米可控制，截面基本上为圆形，管壁光滑(粗糙度优于0.2μm)，长度大于4mm。该微型通道可构成微型流体系统用于多种生物医学分析用途。
Description
一、技术领域
本发明是一种基于激光微加工的微型通道的制作技术，利用在调Q的Nd:YAG激光在石英基片上作微加工时伴随产生的激光诱导等离子体作为钻孔工具，在石英基片上制作微型通道。所制作的微型通道的直径从40微米至140微米可控制，截面基本上为圆形，管壁光滑(粗糙度优于0.2μm)，长度大于4mm。该微型通道可构成微型流体系统用于多种生物医学分析用途。
二、背景技术
国际上有影响地报道关于用激光加工方法在透明材料上制作微型通道(或钻孔)大致分为两种方法，一是以H.Varel等为代表的用超短脉冲激光在石英基片上钻空，最大孔深约为1.8mm(见Applied Physics A，MaterialsScience & Processing，65(1997)367-373)；另一种是J.Zhang等用准分子激光(193nm and 248nm)或Nd:YAG激光的4次谐波(266nm)等紫外光在石英(或玻璃)上作微加工，但只能在厚度不超过0.5mm的薄板上钻孔(见AppliedPhysics A，Materials Science & Processing，67(1998)545-549)。另一方面，虽有用激光诱导等离子体在石英上作微加工的报道(J.Zhang等)，只是利用激光束透过石英基片到达基片下的金属托板时产生的金属等离子体向上对石英基片作微加工，加工深度约300微米，而利用激光诱导等离子体制作微型通道没有文献报道(见查新结果)。
本项目首先在使用调Q的Nd:YAG激光器(1.064μm波长，200ns脉宽)在石英基片上作微加工的技术上取得突破后，提出研究用调Q的Nd:YAG激光在石英基片上制作微米通道、空腔及纳米通道的技术。为克服石英材料对Nd:YAG激光器1.064μm波长的高透过率而不利于激光加工的缺陷，利用电场的崩溃效应，即激光通过透明光密介质时其出射面的光场强度大于入射面的光场强度，Nd:YAG激光对石英基片的微加工可以始于出射面，从而开始在石英基片制作微纳米管道和空腔。经研究，Nd:YAG激光器用于在石英基片上制作微米通道及空腔的加工方法有两种：激光诱导热能法及激光诱导等离子体法。第一种激光诱导热能法即传统意义的激光钻孔法，利用被加工材料对激光能量的吸收，局部急剧加热而汽化形成孔道。但通常用纳秒级脉冲激光(包括调Q的Nd:YAG激光)加工脆性材料时，因其不可避免的热效应导致产生许多裂纹，因而限制了其用途。
第二种方法即专利申报技术；激光诱导等离子体法。本技术利用激光诱导石英等离子体在石英基片上制作微型通道，利用石英等离子体的高能高热局部融化并蒸发基片材料，管道壁由融化的材料重新固化而成，因而产生光滑的管壁，避免了用激光直接钻孔时因热效应而导致产生的裂纹；所制作的微型通道在长度上远远超过其他激光加工的通道的报道，该微型通道可构成微型流体系统用于多种生物医学分析用途。
三、发明内容
1.基片材料及激光器
基片可选用熔融石英或石英晶体，切割成块状或板状，厚度以激光器工作距离及工作台轴向行程为上限，六面抛光。激光器为调Q的Nd:YAG激光器，波长1.064μm，脉宽100～300ns，基膜平均功率约5W。
基片的清洗用常规IC工艺中的清洗液清洗，然后氮气吹干。
2.基片光能吸收点的预处理
首先使激光束聚焦于石英基片的出光面，用常规的激光热能法通过从基片出射面开始加工的方法，使基片的出射光点因被激光攻击而受损，形成多个微小凹腔，可使正面入射的光束在凹腔中多次微反射，增加吸光面积，从而使该被攻击点成为光能吸收点，如附图1所示。附图1.基片预处理示意图。图中1为激光束，2是基片预处理时，在基片预处理的出射光点因被激光攻击而受损，形成的光能吸收点，由于石英等离子体初始诱导直接依赖于石英基片对光能的吸收的多少，因此在基片出射面形成的光能吸收点要形成多个微小凹腔，增加吸光面积。3为石英块。
3.激光诱导石英等离子体的产生及石英等离子体钻孔
将石英基片翻转，使预处理过的光能吸收点成为入射光面，激光束聚焦于该光能吸收点。一旦基片吸收足够的光能，激光加工开始，同时伴随产生石英等离子体，如附图2。附图2.激光诱导等离子体示意图。图中1为激光束，2是基片预处理时形成的光能吸收点，这里预处理时的石英基片成为入射光面，光能吸收点变成激光束的聚焦点。3.石英块，4.激光攻击光能吸收点时形成的等离子体。一般等离子体火焰位于加工面上部，初始石英等离子体较弱，火焰高度几十微米至几百微米。保持加工位置不变，待石英等离子体强度大到一定程度时，等离子体的高能高热可使光点周围的材料局部融化并汽化，形成坑腔，此时火焰高度大于1mm。所形成的坑腔对石英等离子体的产生和保持具有重要作用，此时再调整加工位置，使激光束聚焦点向基片深度方向缓慢移动，等离子体的高能高热可不断向基片深度方向继续融化并汽化基片材料，使坑腔不断向深度方向发展，形成通道。
石英等离子体的产生及强度除与激光的强度有关外，还与通道的深度有关及与被加工物(靶子)的形状有关，钻孔的方法及调整加工位置的速度也因深度不同而不同。经过实验测试显示，当激光束初始聚焦在光能吸收点时，靶子基本上为平面，此时石英等离子体不易形成，即使基片吸收足够的光能后产生了石英等离子体，强度也很小，此时调整加工位置时要缓慢。由于石英等离子体的作用在基片上形成坑腔，又由于所形成的坑腔对石英等离子体的产生和保持的积极作用，石英等离子体的强度迅速提高，在约2.5mm的深度时达到最大值，这期间需迅速调整加工位置，以保持通道孔径的均匀；在约3mm以上的通道深度，石英等离子体的强度将逐渐减弱，直至大于约4.5mm的深度后，完全无法诱导石英等离子体。
与传统激光钻孔方法中孔的直径取决于焦点光斑尺寸不同，在本技术中，为有效控制通道直径，钻孔过程中激光束不是聚焦于一点，而是在焦平面内按一定轨迹图案反复移动，通过调整轨迹图案的尺寸来控制通道直径。
4.结果
本技术制作的微型通道的直径从40微米至140微米可控制，在光学显微镜下观察，通道壁光滑，周围无裂纹；用WYKO光学形位测量仪对通道壁的分析结果表明，通道内壁平均粗糙度可优于0.2μm；用扫描电子显微镜和光学显微镜观察可见，通道横截面基本上为圆形，通道长度可达4mm。
四、实施例
基片选用美国Almaz光学有限公司(Almaz Optics，Inc.，USA)出品的熔融无泡石英，切割成10×10×10mm3立方体，六面抛光。激光器选用英国Electrox公司(Electrox Scriba II D40，UK)生产的调Q的Nd:YAG激光器，激光器最大输出功率40瓦(W)，脉冲频率2000Hz，脉宽200纳秒。激光束经XY二维扫描器输出后用一个100mm焦长的扫描透镜聚焦到加工面，焦斑直径约为22.6μm(1.064μm波长1/e2强度处)。钻孔程序在空气中进行，无掩膜。
在用激光诱导热能法对基片进行光能吸收点的预处理时，激光的能流密度(基膜)调为约160～370J/cm2(脉冲能量约0.65～1.5mJ)，在诱导石英等离子体的产生及用等离子体钻孔时，激光的能流密度(基膜)约为320～620J/cm2(脉冲能量约1.3～2.5mJ)。激光束焦点光斑轨迹图案采用圆形扫描轨迹，以此控制通道直径。
一个用石英等离子体制作的微型通道如附图3所示。附图3.石英等离子体制作的微型通道。从附图3可知，I通道直径φ83μm，II通道直径φ65μm。附图4是石英等离子体制作的微型通道横截面的电子扫描镜(SEM)照片，显示通道横截面基本为圆形；经WYKO光学形位测量仪分析，该通道内壁平均粗糙度为0.17μm；通道周围无热裂纹，内径φ73μm。
Claims (4)
1.一种利用激光在石英基片上制作微型通道的方法，其特征是在基片预处理时，将激光束聚焦在石英基片的出光面，用常规的激光热能法通过从基片出射面开始加工的方法，使基片出射面形成光能吸收点，光能吸收点要形成多个微小凹腔，增加吸光面积，然后翻转石英块，使基片出射光面变成入射光面，使出射面形成的光能吸收点变成激光束的聚焦点，用激光诱导产生初始石英等离子体，然后不断调整加工位置，改变钻孔技术，调整激光束在焦平面的移动轨迹图案，完成达到钻孔的目的。
2.根据权利要求1所述的利用激光在石英基片上制作微型通道不断调整加工位置的方法，其特征是激光束在光能吸收点聚焦产生激光初始诱导石英等离子体后，继续保持石英等离子体，并利用等离子体产生的高温高热使光点周围的材料局部熔化和汽化，形成坑腔，不断调整加工位置，使激光束聚焦点向基片深度方向缓慢移动，从而使诱导产生的石英等离子体能够连续不断向深度方向移动，由此产生通道。
3.根据权利要求1或2所述的利用激光在石英基片上制作微型通道的改变钻孔技术的方法，其特征是石英等离子的产生与通道深度密切相关，相应的钻孔技术也因深度不同而不同，在激光束初始聚焦在光能吸收点时，调整加工位置应最缓慢，在孔深2.5mm时，石英等离子体温度最大，要迅速调整加工位置，超过2.5mm后，调整加工位置逐渐缓慢。
4.根据权利要求1所述的利用激光在石英基片上制作微型通道调整激光束在焦平面的移动轨迹图案的方法，其特征是为有效控制通道直径，钻孔过程中激光束不是聚焦在一点，而是在焦平面内按一定轨迹图案反复移动，通过调整轨迹图案的尺寸来控制通道直径。
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