RU2709888C1 - Method of forming microchannels on substrates and device for its implementation - Google Patents

Method of forming microchannels on substrates and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2709888C1
RU2709888C1 RU2019108823A RU2019108823A RU2709888C1 RU 2709888 C1 RU2709888 C1 RU 2709888C1 RU 2019108823 A RU2019108823 A RU 2019108823A RU 2019108823 A RU2019108823 A RU 2019108823A RU 2709888 C1 RU2709888 C1 RU 2709888C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
microprocessing
laser beam
substrate
laser
scanning
Prior art date
Application number
RU2019108823A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Павлович Бессмельцев
Николай Владимирович Голошевский
Денис Николаевич Катасонов
Ярослав Андреевич Киприянов
Сергей Геннадьевич Баев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority to RU2019108823A priority Critical patent/RU2709888C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2709888C1 publication Critical patent/RU2709888C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

FIELD: optics; instrument engineering.
SUBSTANCE: invention relates to optical instrument-making, specifically to laser micro processing, and can be used to form micro channels on the surface of different substrates made from dielectric or metallic materials, for example from optical material and semiconductor materials, in making optical scales, reticles, grids. Invention is implemented due to supply of contactless measurement of local distance connected to controller by sensor, made with possibility of measuring distance to substrate, located in laser beam focusing system and performing sequential point-by-point determination of distances from the laser beam focusing system to the substrate surface inside the complete microprocessing field. Control unit is configured to generate three-dimensional topography.
EFFECT: technical result of claimed invention is high quality of upper edge of microchannel, fewer defects of substrate during production of microchannels, high quality of formed.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к л области оптического приборостроения, а именно, к лазерной микрообработке и может быть использовано для формирования микроканалов на поверхности различных подложек из диэлектрических или металлических материалов, например, из оптического материала (оптического стекла, оптических кристаллов) и полупроводниковых материалов при изготовлении оптических шкал, сеток, решеток.The invention relates to the L field optical instrumentation, namely, to laser micromachining and can be used to form the microchannels on the surface of various substrates of dielectric or metallic materials, for example, an optical material (optical glass, optical crystals) and semiconducting materials with optical scales manufacture , grids, gratings.

В заявляемом техническом решении использовались следующие термины:In the claimed technical solution, the following terms were used:

Буртик - (1) полукруглые полости в шаблоне или полукруглые выпуклости или полости на отливке, (2) единичное количество направленного металла (или другого материала («Металлы и сплавы Справочник.» Под редакций Ю.П. Солнцева; НПО «Профессионал», НПО «Мир и семья», Санкт-Петербург, 2003 г.)Flange - (1) semicircular cavities in a template or semicircular bulges or cavities on a casting, (2) a single amount of directed metal (or other material (“Metals and alloys Reference.”) Edited by Yu.P. Solntsev; NPO Professional, NGO “Peace and Family”, St. Petersburg, 2003)

Важной проблемой при формировании микроканалов является поддержание требуемого качества их формы, шероховатости, а также отсутствия микродефектов таких, как микросколы, микротрещины, как на поверхности, так и внутри подложки. В особенности эта проблема актуальна при изготовлении микроканалов из хрупких диэлектрических материалов, например оптического стекла, оптических кристаллов, полупроводниковых материалов. Для ряда задач не менее важно обеспечить идентичность краев микроканала по всему его периметру и их высокое качество - крутизну наклона стенок, отсутствие выбросов расплава материала на примыкающую поверхность - образовании буртиков.An important problem in the formation of microchannels is the maintenance of the required quality of their shape, roughness, as well as the absence of microdefects such as micro chips, microcracks, both on the surface and inside the substrate. In particular, this problem is relevant in the manufacture of microchannels from brittle dielectric materials, for example optical glass, optical crystals, semiconductor materials. For a number of tasks, it is equally important to ensure the identity of the edges of the microchannel along its entire perimeter and their high quality - the slope of the walls, the absence of emissions of the melt of material on the adjacent surface - the formation of beads.

Применение лазерной микрообработки фемтосекундными и пикосекундными импульсами в определенных режимах позволяет избежать нежелательных микросколов и микротрещин, однако во многих случаях не позволяет получить одинаковое и равномерное качество краев микроканалов по всему периметру.The use of laser microprocessing by femtosecond and picosecond pulses in certain modes allows you to avoid unwanted micro-chips and microcracks, but in many cases it does not allow to obtain the same and uniform quality of the edges of the microchannels around the perimeter.

Известно техническое решение, представленное в лазерной микрообработке материала импульсами фемтосекундного лазера (Патент US 20060207976 «Laser material micromachining with green femtosecond pulses», МПК B23К 26/38, B23К 26/06, опубликовано 21.09.2006 г.), которое может применяться для выполнения отверстий и микроканалов на различных материалах, в том числе на подложках из стекла, кристаллов, полупроводников.A technical solution is known, presented in laser microprocessing of a material by femtosecond laser pulses (Patent US 20060207976 "Laser material micromachining with green femtosecond pulses", IPC B23K 26/38, B23K 26/06, published September 21, 2006), which can be used to perform holes and microchannels on various materials, including substrates made of glass, crystals, semiconductors.

Задача повышения качества формирования микроканалов в указанном техническом решении решается путем подбора параметров лазерного излучения: длины волны излучения, длительности импульсов, частоты следования импульсов и мощности излучения. Показаны преимущества использования ультракоротких импульсов в зеленой области спектра по сравнению с ближней инфракрасной областью спектра.The task of improving the quality of the formation of microchannels in the indicated technical solution is solved by selecting parameters of laser radiation: radiation wavelength, pulse duration, pulse repetition rate and radiation power. The advantages of using ultrashort pulses in the green region of the spectrum compared with the near infrared region of the spectrum are shown.

В данном способе пачку лазерных импульсов направляют на материал в область микрообработки и перемещают лазерный луч по зоне выполняемого микроканала или перемещают подложку относительно лазерного луча. Лазерные импульсы удаляют материал в зоне микрообработки, формируя различные структуры, в том числе микроканалы.In this method, a packet of laser pulses is directed to the material in the microprocessing area and the laser beam is moved along the area of the performed microchannel or the substrate is moved relative to the laser beam. Laser pulses remove material in the microprocessing zone, forming various structures, including microchannels.

Устройство в различных вариантах исполнения содержит лазер формирующий ультракороткие импульсы длительностью от 100фс (фемтосекундные импульсы) до 20пс (пикосекундные импульсы).The device in various versions contains a laser generating ultrashort pulses with a duration of 100 fs (femtosecond pulses) to 20 ps (picosecond pulses).

Устройство включает в себя также поворотное и сканирующее зеркала, узел регулировки мощности, выполненный с возможностью ослабления средней мощности и энергии импульса в луче, систему обратной связи с контроллером для контроля и управления мощностью или энергией импульса в лазерном луче, оптическую систему, включающую микрообъектив, который фокусирует лазерный луч в плоскость микрообработки.The device also includes rotary and scanning mirrors, a power adjustment unit configured to attenuate the average power and energy of the pulse in the beam, a feedback system with a controller for monitoring and controlling the power or energy of the pulse in the laser beam, an optical system including a micro lens, which focuses the laser beam into the microprocessing plane.

Предложенное использование ультракоротких лазерных импульсов позволяет удалить материал без нежелательного нагрева оставшегося материала. При достаточно высокой плотности мощности импульсов облученный материал удаляется до того, как вокруг формируемого микроканала может произойти значительное нагревание.The proposed use of ultrashort laser pulses allows the material to be removed without undesired heating of the remaining material. At a sufficiently high pulse power density, the irradiated material is removed before significant heating can occur around the formed microchannel.

Недостатками известного технического решения является высокая шероховатость поверхности сформированного микроканала и присутствие микросколов и микротрещин на поверхности и внутри диэлектрических подложек из хрупких материалов (оптических стекол).The disadvantages of the known technical solutions are the high surface roughness of the formed microchannel and the presence of microcracks and microcracks on the surface and inside the dielectric substrates of brittle materials (optical glasses).

Известно техническое решение, представленное в устройстве и способе фемтосекундной лазерной микрообработки, и предназначенные для формирования микроканалов на стеклянных подложках, описание которых приведено в статье «Ultrafast laser ablation of soda-lime glass for fabricating microfluidic pillar array channels", опубликованной в журнале «Microelectronic Engineering», март 2016 г. В данном техническом решении формируется микроканал путем облучения поверхности подложки пачкой лазерных импульсов, при этом осуществляется векторное перемещение лазерного луча вдоль длинной стороны формируемого микроканала. Перемещение лазерного луча обеспечивается в плоскости по двум координатам, при этом для обеспечения заданной глубины микроканала выполняется перемещение по третьей координате, с одновременным увеличением средней мощности излучения. Данный процесс при необходимости многократно повторяется.A technical solution is known, presented in the device and method of femtosecond laser microprocessing, and intended for the formation of microchannels on glass substrates, which are described in the article "Ultrafast laser ablation of soda-lime glass for fabricating microfluidic pillar array channels", published in the journal "Microelectronic Engineering ", March 2016. In this technical solution, a microchannel is formed by irradiating the surface of the substrate with a packet of laser pulses, while the vector movement of the laser beam along the long side of the formed about the microchannel: The laser beam is moved in the plane in two coordinates, while moving to the third coordinate is performed to ensure the specified microchannel depth, while the average radiation power is increased, and this process is repeated many times if necessary.

Устройство содержит лазер с ультракороткой длительностью импульсов с частотой следования 200 КГц, длительностью импульса 15 пс и длиной волны ультрафиолетового диапазона - 355 нм.The device contains a laser with an ultrashort pulse duration with a repetition rate of 200 KHz, a pulse duration of 15 ps and a wavelength of the ultraviolet range of 355 nm.

Кроме этого, в состав устройства входит система формирования лазерного луча, система двухкоординатного сканирования луча, система фокусировки лазерного луча в виде телецентрического объектива, двухкоординатная система позиционирования и фиксации стеклянной подложки в зоне микрообработки, а также контроллер, связывающий лазер и упомянутые системы с управляющей ЭВМ.In addition, the device includes a laser beam forming system, a two-coordinate beam scanning system, a laser beam focusing system in the form of a telecentric lens, a two-coordinate system for positioning and fixing the glass substrate in the microprocessing zone, as well as a controller connecting the laser and the above-mentioned systems to the host computer.

Известное техническое решение обладает следующими недостатками.Known technical solution has the following disadvantages.

1. Полученные изделия могут характеризоваться низким качеством микрообработки - наличием шероховатой поверхности микроканала и иметь микродефекты в виде сколов и микротрещин в зоне микрообработки. Низкое качество микрообработки обусловлено тем, что диаметр сфокусированного лазерного луча равен 10 мкм, в результате чего величина шероховатости лежит в пределах от единиц до десятков микрон. Вследствие этого применение данного способа неприемлемо для формирования прицельных сеток и микроканалов биочипов поскольку величина шероховатости сравнима с размерами микроканалов.1. The resulting products can be characterized by low quality microprocessing - the presence of a rough surface of the microchannel and have microdefects in the form of chips and microcracks in the microprocessing zone. The low quality of microprocessing is due to the fact that the diameter of the focused laser beam is 10 μm, as a result of which the roughness ranges from units to tens of microns. As a result, the use of this method is unacceptable for the formation of sighting nets and microchannels of biochips since the roughness value is comparable to the size of microchannels.

2. Отсутствие возможности формирования профиля микроканала произвольной формы. Векторное перемещение лазерного луча вдоль контуров микроканалов, приводит к тому, что профиль микроканалов будет повторять профиль распределения энергии в зоне фокусировки лазерного луча. В результате чего профиль микроканала будет иметь трапециевидную форму или описываться функцией Гаусса.2. The lack of the possibility of forming a microchannel profile of arbitrary shape. Vector movement of the laser beam along the contours of the microchannels, leads to the fact that the profile of the microchannels will repeat the profile of the energy distribution in the focus area of the laser beam. As a result, the microchannel profile will have a trapezoidal shape or be described by the Gauss function.

Известно техническое решение, представленное в способе и устройстве формирования микроканалов на подложках из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов фемтосекундными импульсами лазерного излучения (Патент РФ №2661165 «Способ и устройство формирования микроканалов на подложках из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов фемтосекундными импульсами лазерного излучения», МПК В23К 26/36, В23К 26/062, В23К 26/082, опубликовано 12.07.2018 г. ) и выбранное в качестве прототипа.A known technical solution presented in the method and device for the formation of microchannels on substrates of optical glass, optical crystals and semiconductor materials by femtosecond pulses of laser radiation (RF Patent No. 2661165 "Method and device for the formation of microchannels on substrates of optical glass, optical crystals and semiconductor materials by femtosecond pulses laser radiation ”, IPC V23K 26/36, V23K 26/062, V23K 26/082, published July 12, 2018) and selected as a prototype.

Устройство содержит лазер с ультракороткой длительностью импульсов и частотой следования импульсов более 50КГц, систему формирования лазерного луча, систему двухкоординатного сканирования луча, систему фокусирования луча в плоскость микрообработки с обеспечением плотности мощности излучения выше порогового значения для удаления материала подложки, двухкоординатную систему позиционирования и фиксации подложки и контроллер, связывающий лазер и упомянутые системы с управляющей ЭВМ.The device contains a laser with an ultrashort pulse duration and a pulse repetition rate of more than 50 KHz, a laser beam forming system, a two-axis beam scanning system, a beam focusing system in the microprocessing plane with a radiation power density above a threshold value for removing substrate material, a two-coordinate substrate positioning and fixing system, and a controller linking the laser and said systems to a host computer.

Данный способ заключается в использовании лазера с фемтосекундной длительностью импульсов, длиной волны ультрафиолетового, видимого или ближнего ИК-диапазона путем облучения поверхности подложки пачкой лазерных импульсов с плотностью мощности излучения выше порогового значения для удаления материала подложки при перемещении лазерного луча по зоне выполняемого микроканала с частичным перекрытием пятен от лазерных импульсов. При этом, сканирование выполняется построчно линейным растровым способом путем перемещения луча в каждой строке с включением и выключением пачки лазерных импульсов в каждой строке так, чтобы первый импульс пачки был излучен на одной границе участка микрообработки, а последний - на другой его границе, причем сканирование осуществляют по одной или более растровым зонам микрообработки, укладывающимся в ширину микроканала, при этом участок микрообработки в каждой строке обрамлен зонами холостого хода, длина каждой из которых составляет 5-25% от длины участка микрообработки, расстояние между строками не более их ширины, угол растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки составляет от 35 до 90 градусов, а длину строки при включенной пачке лазерных импульсов устанавливают меньше предельной длины участка микрообработки, при которой в подложке не возникают дефекты.This method consists in using a laser with a femtosecond pulse duration, ultraviolet, visible or near infrared wavelengths by irradiating the surface of the substrate with a packet of laser pulses with a radiation power density above a threshold value to remove the substrate material when moving the laser beam over the area of the performed microchannel with partial overlap spots from laser pulses. In this case, scanning is performed line by line by a linear raster method by moving the beam in each line with turning on and off the packet of laser pulses in each line so that the first pulse of the packet is emitted at one boundary of the microprocessing section, and the last at its other boundary, and the scanning is carried out one or more raster microprocessing zones that fit into the width of the microchannel, while the microprocessing section in each row is framed by idle zones, each of which is 5-25% long from the length of the microprocessing section, the distance between the lines is not more than their width, the angle of the raster relative to the generatrix at one point of one of the contours of the microprocessing raster zones is from 35 to 90 degrees, and the line length when the laser pulse train is on is set less than the limit length of the microprocessing section, at which no defects appear in the substrate.

Недостатками известного технического решения является то, что построчное сканирование растровым способом, при котором первый импульс пачки излучается на одной границе участка микрообработки, а последний - на другой его границе, может привести к появлению дефектов, таких как выброс за границу участка микрообработки расплавленных частиц материала на поверхность обрабатываемого изделия - образование дефектов в виде буртиков из застывшего расплава на одном из краев микроканала, что связано с образованием волны из расплава удаляемого материала при движении лазерного луча по зоне выполняемого микроканала с частичным перекрытием пятен от лазерных импульсов, поскольку, при таком режиме, даже при фемтосекундной обработке, образуется зона не удаленного расплавленного материала вокруг точки фокусировки лазерного луча движущаяся в направлении его перемещения. При окончании пачки импульсов, волна расплава выплескивается на необработанную границу микроканала и застывает. Также возможно появление различной шероховатости краев и крутизны стенок микроканала в начале и конце растровой линии, причиной которых являются особенности физических процессов, протекающих в начале и в конце формирования растровой линии. Форма поверхности обрабатываемых подложек может быть неплоской из-за конструктивных либо производственных причин. Превышение величины отклонения от плоскостности обрабатываемой подложки в зоне микрообработки от величины глубины фокусировки лазерного луча приводит к ухудшению качества границ микроканала, нарушению геометрических размеров формируемого микроканала, микродефектам.The disadvantages of the known technical solution is that line-by-line scanning using a raster method, in which the first pulse of the packet is emitted at one boundary of the microprocessing site, and the last at its other boundary, can lead to the appearance of defects, such as the ejection of molten material particles beyond the boundary of the microprocessing section the surface of the workpiece - the formation of defects in the form of beads from the solidified melt at one of the edges of the microchannel, which is associated with the formation of waves from the melt of the removed material If the laser beam moves along the area of the performed microchannel with partial overlapping of spots from the laser pulses, because, in this mode, even during femtosecond processing, a zone of not removed molten material is formed around the focus point of the laser beam moving in the direction of its movement. At the end of the pulse train, the melt wave splashes onto the unprocessed microchannel boundary and freezes. It is also possible the appearance of different roughness of the edges and steepness of the walls of the microchannel at the beginning and end of the raster line, which are caused by the features of physical processes that occur at the beginning and at the end of the formation of the raster line. The surface shape of the processed substrates can be non-planar due to design or manufacturing reasons. Exceeding the deviation from the flatness of the processed substrate in the microprocessing zone from the value of the focusing depth of the laser beam leads to a deterioration in the quality of the boundaries of the microchannel, a violation of the geometric dimensions of the formed microchannel, and microdefects.

Перед авторами ставилась задача разработать способ формирования микроканалов на подложке и устройство для его реализации, позволяющее формировать геометрический профиль микроканалов произвольной формы и обеспечивающее отсутствие буртиков на границе микроканалов, в том числе на неплоской поверхности подложки.The authors were tasked with developing a method for forming microchannels on a substrate and a device for its implementation, which allows one to form a geometric profile of microchannels of arbitrary shape and ensuring the absence of beads at the boundary of microchannels, including on a non-planar surface of the substrate.

Поставленная задача решается тем, что в способе формирования микроканалов на подложке включающий использование устройства формирования микроканалов на подложке содержащее фемтосекундный лазер, оснащенный управляемым затвором, двухкоординатную систему позиционирования и фиксации обрабатываемой подложки систему формирования лазерного луча, систему двухкоординатного сканирования лазерного луча, систему фокусирования лазерного луча в плоскость микрообработки с обеспечением плотности мощности лазерного излучения выше порогового значения для удаления материала подложки, и связанные через контроллер с блоком управления, облучение поверхности подложки в области формируемого микроканала выполняется построчным линейным сканированием лазерного луча, обеспечивающим перемещение лазерного луча в каждой строке развертки на ширину участка микрообработки подложки, с включением и выключением пачки лазерных импульсов в каждой строке развертки, осуществление сканирования по зонам микрообработки, укладывающимся в ширину микроканала, а участок микрообработки в каждой строке развертки обрамлен зонами холостого хода, расстояние между строками линейного растра не более их ширины, угол линейной развертки относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки составляет в диапазоне 35°-90°, а длину строки при включенной пачке лазерных импульсов устанавливают меньше предельной длины участка микрообработки, при которой в подложке не возникают дефекты, при этом, для достижения требуемой глубины микроканала сканирование может быть выполнено многократно, с перефокусировкой в плоскость микрообработки при повторном и последующих сканированиях, устройство формирования микроканалов на подложке дополнительно снабжают, связанным с контроллером, датчиком бесконтактного измерения локального расстояния, который выполняют измеряющим расстояние до подложки, и располагают в системе фокусирования лазерного луча, выполняют последовательное поточечное измерение расстояний от системы фокусирования лазерного луча до поверхности подложки внутри полного поля микрообработки, образованного замкнутой фигурой описанной вокруг формируемых на подложке микроканалов, а блок управления выполняют формирующим трехмерную топографию поверхности подложки, определяющим по данным трехмерной топографии поверхности подложки в области начального фрагмента микрообработки размер фрагмента поля сканирования системы двухкоординатного сканирования и значение фокуса лазерного луча в области начального фрагмента микрообработки для фокусирования лазерного луча в плоскость микрообработки, при этом дополнительно производят разделение формируемого микроканала хотя бы на две зоны микрообработки, формируют трехмерную топографию поверхности подложки, выбирают координаты начала первого фрагмента зоны микрообработки и по топографическим данным с учетом глубины фокуса системы фокусирования лазерного луча определяют размер фрагмента поля сканирования, затем по данным трехмерной топографии устанавливают значение фокуса лазерного луча в области начального фрагмента микрообработки, далее осуществляют сканирование начальной зоны микрообработки, с последующим ее исключением из полного поля микрообработки, при этом сканирование в каждой строке линейной развертки производят от необрабатываемого участка зоны микрообработки к участку зоны микрообработки, при этом последние импульсы пачек лазерных импульсов излучаются внутри зоны микрообработки, далее производят повторение последовательности действий пока не будет выполнено сканирование полного поля микрообработки, далее угол растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки выполняют изменяющимся произвольно при повторном и последующих построчных линейных сканированиях лазерным лучом.The problem is solved in that in the method of forming microchannels on a substrate, comprising using a device for forming microchannels on a substrate, comprising a femtosecond laser equipped with a controlled shutter, a two-coordinate system for positioning and fixing the processed substrate, a laser beam forming system, a two-coordinate laser beam scanning system, a laser beam focusing system in microprocessing plane with a power density of laser radiation above the threshold beginnings for removing the substrate material, and irradiating the substrate surface in the area of the formed microchannel through the controller with the control unit, is performed by line-by-line linear scanning of the laser beam, which ensures the laser beam in each scan line is shifted to the width of the substrate microprocessing section, with the inclusion of the laser pulse train on and off each scan line, scanning along microprocessing zones that fit into the width of the microchannel, and the microprocessing section in each page The scanning ocean is framed by idle zones, the distance between the lines of the linear raster is not more than their width, the linear scan angle relative to the generatrix at each point of one of the contours of the raster zones of microprocessing is in the range of 35 ° -90 °, and the line length when the laser pulse train is turned on is set less the maximum length of the microprocessing section, at which defects do not occur in the substrate; moreover, in order to achieve the required depth of the microchannel, scanning can be performed repeatedly, with refocusing in the plane the microprocessing bone during repeated and subsequent scans, the device for forming microchannels on the substrate is additionally equipped with a sensor for contactless measurement of the local distance connected to the controller, which measures the distance to the substrate, and is placed in the focusing system of the laser beam, sequential point-by-point measurement of distances from the laser focusing system is performed beam to the surface of the substrate inside the complete microprocessing field formed by a closed figure described by wok the microchannels formed on the substrate, and the control unit performs forming a three-dimensional topography of the substrate surface, which determines, according to the three-dimensional topography of the substrate surface in the region of the initial microprocessing fragment, the size of the fragment of the scanning field of the two-coordinate scanning system and the focus of the laser beam in the region of the initial microprocessing fragment to focus the laser beam into the microprocessing plane, at the same time additionally separating the formed microchannel at least and two microprocessing zones, form a three-dimensional topography of the substrate surface, select the coordinates of the beginning of the first fragment of the microprocessing zone, and using topographic data taking into account the focus depth of the laser beam focusing system, determine the size of the scan field fragment, then use the three-dimensional topography to determine the laser beam focus value in the region of the initial fragment microprocessing, then scan the initial microprocessing zone, with its subsequent exclusion from the full microprocessing field and, in this case, scanning in each line of the linear sweep is carried out from the untreated portion of the microprocessing zone to the portion of the microprocessing zone, while the last pulses of laser pulses are emitted inside the microprocessing zone, then the sequence of actions is repeated until the full microprocessing field is scanned, then the raster angle relative to the generatrix at each point of one of the contours of the raster zones, microprocessing is performed changing randomly during repeated and subsequent steps sharp linear scans with a laser beam.

Способ реализуется с помощью устройства для формирования микроканалов на подложке содержащее фемтосекундный лазер, оснащенный управляемым затвором, двухкоординатную систему позиционирования и фиксации обрабатываемой подложки, систему формирования лазерного луча, систему двухкоординатного сканирования лазерного луча, систему фокусирования лазерного луча в плоскость микрообработки с обеспечением плотности мощности лазерного излучения выше порогового значения для удаления материала подложки, и связанные через контроллер с блоком управления, при этом оно дополнительно содержит связанный с контроллером датчик бесконтактного измерения локального расстояния, выполненный измеряющим расстояние до подложки и который расположен в системе фокусирования лазерного луча и осуществляющим последовательное поточечное определение расстояний от системы фокусирования лазерного луча до поверхности подложки внутри полного поля микрообработки, образованного замкнутой фигурой описанной вокруг формируемых на поверхности подложки микроканалов, а блок управления выполнен формирующим трехмерную топографию поверхности подложки и определяющим по данным трехмерной топографии поверхности подложки в области начального фрагмента микрообработки размер фрагмента поля сканирования системы двухкоординатного сканирования и значение фокуса лазерного луча в области начального фрагмента микрообработки для фокусирования лазерного луча в плоскость микрообработки, далее угол линейной развертки относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки выполнен изменяющимся произвольно при последующих построчных линейных сканированиях лазерным лучом,The method is implemented using a device for forming microchannels on a substrate containing a femtosecond laser equipped with a controlled shutter, a two-coordinate system for positioning and fixing the processed substrate, a laser beam forming system, a two-coordinate scanning system for the laser beam, a system for focusing the laser beam into the microprocessing plane to ensure laser radiation power density above the threshold value for removing the substrate material, and connected through the controller to the unit control, while it additionally contains a non-contact measuring sensor of local distance connected to the controller, which measures the distance to the substrate and which is located in the focusing system of the laser beam and performs sequential point-by-point determination of distances from the focusing system of the laser beam to the surface of the substrate inside the complete microprocessing field formed by a closed the shape described around microchannels formed on the surface of the substrate, and the control unit is formed which determines the three-dimensional topography of the substrate surface and determines, according to the three-dimensional topography of the substrate surface, in the region of the initial microprocessing fragment the size of the fragment of the scanning field of the two-coordinate scanning system and the focus of the laser beam in the region of the initial fragment of microprocessing for focusing the laser beam into the microprocessing plane, then the linear sweep angle relative to the generatrix in each point of one of the contours of the raster zones of microprocessing is made changing randomly in subsequent line-by-line linear scans with a laser beam,

Технический результат заявляемого технического решения заключается в повышении качества верхнего края микроканала, уменьшении количества дефектов подложки в процессе изготовления микроканалов, в повышении качества формируемых микроканалов в виде уменьшения шероховатости внутренней поверхности микроканала и отсутствии микросколов и микротрещин на поверхности и внутри, в том числе, хрупких подложек, а так же в расширении области применения и расширении средств данного назначения.The technical result of the claimed technical solution consists in improving the quality of the upper edge of the microchannel, reducing the number of defects in the substrate during the manufacturing of microchannels, in improving the quality of the formed microchannels in the form of reducing the roughness of the inner surface of the microchannel and the absence of microchips and microcracks on the surface and inside, including brittle substrates , as well as in expanding the scope and expansion of funds for this purpose.

На фиг. 1 представлена блок схема заявляемого устройства формирования микроканалов на подложке, где 1 - фемтосекундный лазер, оснащенный управляемым затвором, 2 - система формирования лазерного луча, 3 - система двухкоординатного сканирования лазерного луча, 4 - система фокусирования лазерного луча, 5 - подложка, 6 - двухкоординатная система позиционирования и фиксации обрабатываемой подложки, 7 - контроллер, 8 - блок управления, 9 - датчик бесконтактного измерения локального расстояния.In FIG. 1 shows a block diagram of the inventive device for forming microchannels on a substrate, where 1 is a femtosecond laser equipped with a controlled shutter, 2 is a laser beam forming system, 3 is a two-coordinate laser beam scanning system, 4 is a laser beam focusing system, 5 is a substrate, 6 is a two-coordinate positioning and fixing system of the processed substrate, 7 - controller, 8 - control unit, 9 - non-contact measurement of local distance.

На фиг. 2 показан микроканал на подложке, сформированный двумя растровыми зонами микрообработки, где 10 - участок микрообработки, 11 -строки линейного растра, 12 - зона холостого хода, 13 - зона микрообработки, 14 - микроканал, 15 - точка излучения первых импульсов пачек, 16 - точка излучения последних импульсов пачек.In FIG. 2 shows the microchannel on the substrate, formed by two raster microprocessing zones, where 10 is the microprocessing section, 11 are the lines of the linear raster, 12 is the idle zone, 13 is the microprocessing zone, 14 is the microchannel, 15 is the emission point of the first burst pulses, 16 is the point radiation of the last impulses of the packs.

На фиг. 3 в виде профилограммы представлена форма профиля микроканалов изготовленных в соответствии с предлагаемым способом. Ширина линий 10 мкм, круглые элементы 20 мкм.In FIG. 3 in the form of a profilogram presents the profile shape of the microchannels made in accordance with the proposed method. The line width is 10 μm, the round elements are 20 μm.

Заявляемый способ формирования микроканалов на подложке и устройство для его реализации работает следующим образом. Устройство формирования микроканалов на подложке содержит фемтосекундный лазер 1 оснащенный управляемым затвором, например, на кристалле Yt:KGW с фемтосекундной длительностью импульсов имеющий длины волн с частотой следования импульсов более 50 КГц, систему 2 формирования лазерного луча, систему 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча, систему 4 фокусирования лазерного луча, двухкоординатную систему 6 позиционирования и фиксации обрабатываемой подложки, связанные через контроллер 7 с блоком управления 8, при этом устройство дополнительно оснащено датчиком бесконтактного измерения локального расстояния 9, который располагают в системе фокусирования лазерного луча 4.The inventive method of forming microchannels on a substrate and a device for its implementation works as follows. The microchannel forming device on the substrate contains a femtosecond laser 1 equipped with a controlled shutter, for example, on a Yt: KGW chip with a femtosecond pulse duration having wavelengths with a pulse repetition rate of more than 50 KHz, a laser beam formation system 2, a two-coordinate laser beam scanning system 3, system 4 focusing the laser beam, a two-coordinate system 6 for positioning and fixing the processed substrate, connected through the controller 7 to the control unit 8, while the device is additional It is fully equipped with a non-contact measuring sensor of local distance 9, which is located in the focusing system of the laser beam 4.

Фемтосекундный лазер 1, оснащенный управляемым затвором, который предназначен для включения и выключения под управлением контроллера 7 пачки лазерных импульсов в каждой сканируемой строке линейного растра 11.A femtosecond laser 1, equipped with a controlled shutter, which is designed to turn on and off under the control of controller 7 a packet of laser pulses in each scanned line of a linear raster 11.

Система 2 формирования лазерного луча выполнена в виде оптической системы для формирования параллельного пучка лучей.The laser beam forming system 2 is designed as an optical system for forming a parallel beam of rays.

Система 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча выполнена с возможностью управляемого контроллером 7 однократного или многократного сканирования луча растровым способом путем перемещения луча на длину участка микрообработки 10 в пределах сканируемой строки 11 линейного растра, которая обрамлена с двух концов зонами холостого хода 12, длина каждой из которых составляет 5-25% от длины участка микрообработки 10. Система 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча осуществляет сканирование по одной или более зонам микрообработки 13 под углом растра α относительно образующей в каждой точке одного из контуров зоны микрообработки 13. При этом расстояние d между строками 11 линейного растра не превышает их ширину. Угол растра α лежит в пределах от 35° до 90°.The system of two-coordinate scanning of the laser beam is made with the possibility of single or multiple scanning of the beam controlled by the controller 7 in a raster way by moving the beam to the length of the microprocessing section 10 within the scan line 11 of the linear raster, which is framed at both ends by idle zones 12, the length of each of which is 5-25% of the length of the microprocessing section 10. The two-coordinate laser beam scanning system 3 scans one or more microprocessing zones 1 3 at an angle α of the raster relative to the microprocessing zone 13 forming at each point of one of the contours 13. Moreover, the distance d between the lines 11 of the linear raster does not exceed their width. The angle of the raster α lies in the range from 35 ° to 90 °.

Частота следования импульсов фемтосекундного лазера 1, оснащенного управляемым затвором и параметры системы 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча согласованы для обеспечения на подложке 5 частичного перекрытия пятен от лазерных импульсов.The pulse repetition rate of a femtosecond laser 1 equipped with a controlled shutter and the parameters of the two-coordinate scanning system of the laser beam 3 are matched to provide on the substrate 5 a partial overlap of the spots from the laser pulses.

Система 4 фокусирования лазерного луча выполнена в виде F-tetha объектива, фокусирующего параллельный пучок лазерных лучей, на подложку 5 с плотностью мощности излучения выше порогового значения, при котором происходит удаление материала подложки. В необходимых случаях система 4 фокусирования лазерного луча выполняет вертикальное позиционирование лазерного луча для формирования микроканала 14 требуемой глубины.The laser beam focusing system 4 is made in the form of an F-tetha lens focusing a parallel laser beam onto a substrate 5 with a radiation power density above a threshold value at which removal of the substrate material occurs. If necessary, the laser beam focusing system 4 performs vertical positioning of the laser beam to form a microchannel 14 of the required depth.

Формирование микроканалов на подложках осуществляют следующим образом.The formation of microchannels on substrates is as follows.

Подложку 5 закрепляют на двухкоординатной системе 6 позиционирования и фиксации подложки. Далее оператор вводит в блок управления 8 модель формируемого микроканала 14, подготовленную в при помощи графического редактора, после чего блоком управления 8 по данным модели определяются координаты полного поля микрообработки образованного замкнутой фигуры описанной вокруг формируемых микроканалов. После чего блоком управления 8 на основе данных введенных оператором или в автоматическом режиме осуществляется формирования координат точек внутри полного поля микрообработки, в которых будет произведено измерение расстояний от системы фокусирования лазерного луча 4 до поверхности подложки 5. Полученные значения координат точек измерения блоком управления 8 передаются в контроллер 7, где координаты преобразуются в управляющие команды для системы 4 фокусирования лазерного луча, и двухкоординатной система позиционирования и фиксации обрабатываемой подложки 5, осуществляющих, необходимое, для выполнения измерений позиционирования подложки 5 датчика 9 бесконтактного измерения локального расстояния. По полученным в результате измерений значениям расстояния до подложки 5 блоком управления 8 осуществляется формирование трехмерной топографии поверхности подложки 5 в области полного поля микрообработки. Далее выбираются координаты начала зоны микрообработки принадлежащие замкнутой фигуре, и определяется размер фрагмента поля сканирования системы 3 двухкоординатного сканирования для чего по данным топографии поверхности подложки 5 в области начального фрагмента микрообработки определяют максимальную величину разницы высот и при глубине фокуса системы фокусирования лазерного луча 4 в плоскость микрообработки менее максимальной величины разницы высот, размер фрагмента поля сканирования последовательно уменьшают до достижения величины разницы высот менее глубины фокуса, далее устанавливают значение фокуса лазерного луча равного величине F=Fmin+(Fmax-Fmin)/2, где Fmin, Fmax - наименьшее и наибольшее значение высоты подложки 5 определенные по данным топографии в области начального фрагмента микрообработки, соответственно. При этом, в случае, если поверхность подложки 5 является плоской и характеризуется наклоном, то по данным трехмерной топографии блоком управления 8 формируется модель поверхности подложки 5 в виде уравнения плоскости. Определение размера поля сканирования осуществляется блоком управления 8 на основе выражения Fmax=Fr/(|Nx|+|Ny|), где Fr - глубина фокусировки системы фокусирования лазерного луча в плоскость микрообработки, Nx,Ny - соответствующие координаты вектора нормали уравнения плоскости. Далее блоком управления 8 определяется значение фокуса лазерного луча равного величине Fcr=Fth+(Nxx+Nyy), где Nx,Ny - соответствующие координаты вектора нормали уравнения плоскости, х,у - координаты центра зоны микрообработки, a Fth - координата положения системы 4 фокусирования лазерного луча в плоскость микрообработки, определенная исходя из средней высоты подложки 5 измеренной относительно двухкоординатной системы позиционирования и фиксации обрабатываемой подложки 5.The substrate 5 is fixed on a two-coordinate system 6 for positioning and fixing the substrate. Next, the operator enters into the control unit 8 a model of the formed microchannel 14 prepared in using a graphic editor, after which the control unit 8 determines the coordinates of the complete microprocessing field of the formed closed figure described around the formed microchannels using the model data. After that, the control unit 8, based on the data entered by the operator or in automatic mode, generates the coordinates of the points inside the complete microprocessing field, in which the distances from the focusing system of the laser beam 4 to the surface of the substrate 5 will be measured. The obtained coordinate values of the measurement points by the control unit 8 are transmitted to controller 7, where the coordinates are converted into control commands for the laser beam focusing system 4, and a two-coordinate positioning and fixing system about the processed substrate 5, performing, necessary, for performing positioning measurements of the substrate 5 of the sensor 9 of the non-contact measurement of the local distance. Using the values of the distance to the substrate 5 obtained as a result of measurements, the control unit 8 forms a three-dimensional topography of the surface of the substrate 5 in the region of the total microprocessing field. Next, the coordinates of the beginning of the microprocessing zone belonging to the closed figure are selected, and the size of the fragment of the scan field of the two-coordinate scanning system 3 is determined. less than the maximum height difference, the size of the fragment of the scan field is successively reduced until ins height difference less than the depth of focus, then adjusted to focus the laser beam equal to the value F = Fmin + (Fmax-Fmin) / 2, where Fmin, Fmax - the smallest and the largest value of substrate height 5 defined according to the topography of primary fragment micromachining, respectively. Moreover, if the surface of the substrate 5 is flat and characterized by a slope, then according to three-dimensional topography, the control unit 8 forms a model of the surface of the substrate 5 in the form of a plane equation. The size of the scanning field is determined by the control unit 8 based on the expression Fmax = Fr / (| Nx | + | Ny |), where Fr is the depth of focusing of the laser beam focusing system into the microprocessing plane, Nx, Ny are the corresponding coordinates of the normal vector of the plane equation. Next, the control unit 8 determines the value of the focus of the laser beam equal to the value Fcr = Fth + (Nxx + Nyy), where Nx, Ny are the corresponding coordinates of the normal vector of the plane equation, x, y are the coordinates of the center of the microprocessing zone, and Fth is the coordinate of the position of the laser focusing system 4 beam into the microprocessing plane, determined based on the average height of the substrate 5 measured relative to the two-coordinate positioning system and fixation of the processed substrate 5.

При этом, в случае, если протяженность микроканала 14 по одной или двум координатам превышает максимальный размер поля сканирования допустимый системой 4 фокусирования лазерного луча, а также, в случае формирования нескольких микроканалов 14, взаимное расположение которых не позволяет вести сканирование в одном поле, то модель микроканала 14 разделяется на растровые зоны микрообработки, размеры которых согласуются с размерами области сканирования, в противном случае микроканал 14 рассматривается как одна растровая зона микрообработки. Далее каждая растровая зона микрообработки разделяется хотя бы на две растровые зоны микрообработки 13, для каждой из которых определяются параметры микрообработки (длительность пачки импульсов, длина строки 11 линейного растра, расстояние d между строками 11 линейного растра, угол растра α, длину зон холостого хода 12). Длину строки 10 при включенной пачке лазерных импульсов устанавливают меньше предельной длины участка микрообработки, при которой в подложке 5 не возникают дефекты. Длина участка микрообработки 10 в каждой строке линейного растра 11 устанавливается меньше предельной длины, поэтому при сканировании микросколы и микротрещины на поверхности подложки 5 и внутри нее не возникают. Затем формируются траектории сканирования для каждой из растровых зон микрообработки 13, с учетом определенных параметров. При этом траектории сканирования каждой растровой зоны микрообработки 13 формируются таким образом, чтобы сканирования осуществлялось от внешних к внутренним границам зоны микрообработки 13. При таком сканировании точки излучения первых импульсов пачек расположены в точках 15 излучения первых импульсов пачек, на внешней границе формируемого микроканала 14, а последние импульсы пачек расположены в точках 16 излучения последних импульсов пачек, находящихся внутри зоны микрообработки. Расположение точки 15 излучения первых импульсов пачек, точки 16 излучения последних импульсов пачек позволяет повысить качество стенок микроканала 14 за счет направления волны расплавленной (не удаленной) части материала при движении лазерного луча внутрь микроканала 14, в дальнейшем расплавленная часть материала застывает на нижней поверхности микроканала, уменьшая ее шероховатость. Таким образом, повышается качество верхнего края микроканала 14 за счет обеспечения совпадения плоскости внешних краев микроканала 14 с плоскостью материала подложки 5. Далее полученные параметры микрообработки, значение фокуса лазерного луча и координаты траекторий перемещения лазерного луча блоком управления 8 передаются контроллеру 7.Moreover, if the length of the microchannel 14 in one or two coordinates exceeds the maximum size of the scanning field allowed by the laser beam focusing system 4, as well as in the case of the formation of several microchannels 14, the mutual arrangement of which does not allow scanning in one field, then the model microchannel 14 is divided into raster microprocessing zones, the sizes of which are consistent with the size of the scan area, otherwise microchannel 14 is considered as one raster microprocessing zone. Further, each raster microprocessing zone is divided into at least two microprocessing raster zones 13, for each of which microprocessing parameters are determined (pulse train duration, length of line 11 of the linear raster, distance d between lines 11 of the linear raster, angle of the raster α, length of idle zones 12 ) The length of line 10, when the laser pulse train is on, is set to be less than the limit length of the microprocessing section, at which no defects appear in the substrate 5. The length of the microprocessing section 10 in each line of the linear raster 11 is set less than the limiting length, therefore, when scanning microcracks and microcracks on the surface of the substrate 5 and inside it do not occur. Then, scanning paths are formed for each of the raster microprocessing zones 13, taking into account certain parameters. In this case, the scanning paths of each raster zone of microprocessing 13 are formed in such a way that scans are carried out from the external to the internal boundaries of the microprocessing zone 13. With this scanning, the emission points of the first burst pulses are located at the radiation points 15 of the first burst pulses, on the outer boundary of the formed microchannel 14, and the last burst pulses are located at points 16 of the radiation of the last burst pulses inside the microprocessing zone. The location of the radiation point 15 of the first burst pulses, the radiation point 16 of the last burst pulses makes it possible to improve the quality of the walls of the microchannel 14 due to the direction of the wave of the molten (not removed) part of the material when the laser beam moves inside the microchannel 14, subsequently the molten part of the material freezes on the bottom surface of the microchannel, reducing its roughness. Thus, the quality of the upper edge of the microchannel 14 is improved by ensuring that the plane of the outer edges of the microchannel 14 coincides with the plane of the substrate material 5. Next, the obtained microprocessing parameters, the focus value of the laser beam, and the coordinates of the trajectories of the laser beam by the control unit 8 are transmitted to the controller 7.

Контроллер 7 преобразовывает полученные данные в управляющие импульсы для управления фемтосекундным лазером 1, оснащенным затвором, системой 2 формирования лазерного луча, системой 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча, системой 4 фокусирования лазерного луча и двухкоординатной системой 6 позиционирования и фиксации обрабатываемой подложки 5.The controller 7 converts the received data into control pulses for controlling a femtosecond laser 1 equipped with a shutter, a laser beam forming system 2, a two-coordinate laser beam scanning system 3, a laser beam focusing system 4, and a two-coordinate system 6 for positioning and fixing the processed substrate 5.

Излученный фемтосекундным лазером 1, оснащенным управляемым затвором, пучок лучей формируется системой 2 формирования лазерного луча в параллельный пучок лучей, который затем системой 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча в соответствии с рассчитанными параметрами сканируется по заданной растровой зоне и фокусируется системой 4 фокусирования лазерного луча, на подложку 5.The beam of radiation emitted by a femtosecond laser 1 equipped with a controlled shutter is formed by a laser beam-forming system 2 into a parallel beam-beam, which is then scanned by a two-coordinate laser beam scanning system 3 according to the calculated parameters and focused by the laser beam focusing system 4 onto the substrate 5.

Сканирование осуществляется по одной, двум (фиг. 2) или нескольким зонам микрообработки 13, повторяющим один из контуров микроканала 14, принятый за базовый, относительно которого отсчитывается угол растра α. Последующие растровые зоны микрообработки 13 идут параллельно контуру первой зоны микрообработки 13, не граничащей с базовым контуром. При этом угол растра а отсчитывается относительно контура растровой зоны микрообработки 13, граничащего с предыдущей зоной микрообработки 13, и имеет то же абсолютное значение, но может иметь противоположный знак.Scanning is carried out on one, two (Fig. 2) or several microprocessing zones 13, repeating one of the contours of microchannel 14, adopted as the base, relative to which the raster angle α is counted. Subsequent raster microprocessing zones 13 run parallel to the contour of the first microprocessing zone 13, not bordering the base contour. In this case, the angle of the raster a is measured relative to the contour of the raster zone of microprocessing 13, bordering the previous microprocessing zone 13, and has the same absolute value, but may have the opposite sign.

Система 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча осуществляет сканирование по строкам 11 линейного растра с расстоянием d между строками линейного растра 11. При этом в каждой строке 11 линейного растра формируется участок микрообработки 10, обрамленный зонами холостого хода 12, длина каждой из которых составляет 5-25% от длины участка микрообработки 10. Лазерный луч сканируется только в пределах участка микрообработки 10. На подложке 5 лазерные пятна частично перекрываются.The two-coordinate laser beam scanning system 3 scans along lines 11 of the linear raster with a distance d between the lines of the linear raster 11. Moreover, in each line 11 of the linear raster, a microprocessing section 10 is formed, framed by idle zones 12, the length of each of which is 5-25% from the length of the microprocessing section 10. The laser beam is scanned only within the microprocessing section 10. On the substrate 5, the laser spots partially overlap.

Система 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча обладает инерционностью. В зонах холостого хода 12 строк 11 линейного растра угловая скорость поворота зеркала системы 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча а, значит, и лазерного луча в зоне микрообработки системы 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча непостоянна. В этих зонах шаг лазерных пятен при постоянной частоте следования лазерных импульсов был бы неравномерным и наложение пятен неравномерное, что привело бы к образованию шероховатости или микротрещин на дне микроканала 14 и к изменению профиля микроканала 14, например, расширению его стенок, углублений на дне. Зоны холостого хода 12 служат для приведения системы 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча в рабочее состояние с постоянной скоростью движения лазерного луча по участку микрообработки 10, в этих зонах осуществляется разгон и торможение зеркал системы 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча, а лазерное излучение отсутствует.The two-coordinate scanning system of the laser beam 3 has an inertia. In the idle zones of 12 lines of 11 linear rasters, the angular velocity of rotation of the mirror of the system 3 of two-coordinate scanning of the laser beam and, therefore, the laser beam in the microprocessing zone of system 3 of the two-coordinate scanning of the laser beam is unstable. In these areas, the step of the laser spots at a constant repetition rate of laser pulses would be uneven and the application of spots uneven, which would lead to the formation of roughness or microcracks at the bottom of the microchannel 14 and to a change in the profile of the microchannel 14, for example, the expansion of its walls, recesses at the bottom. Idling zones 12 are used to bring the system of two-coordinate scanning of the laser beam into working condition with a constant speed of the laser beam in the microprocessing section 10, in these zones, the mirrors of the system 3 of the two-coordinate scanning of the laser beam are accelerated and braked, and there is no laser radiation.

В пределах участка микрообработки 10 скорость поворота зеркала системы 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча постоянная, лазерные пятна на подложку 5 поступают равномерно, что исключает образование шероховатости или микротрещин на дне микроканала 14 и позволяет сформировать заданный профиль микроканала 14, в том числе с прямолинейными границами.Within the microprocessing section 10, the mirror rotation speed of the two-coordinate laser beam scanning system 3 is constant, the laser spots arrive on the substrate 5 uniformly, which eliminates the formation of roughness or microcracks at the bottom of the microchannel 14 and allows the formation of a predetermined microchannel 14 profile, including with straight edges.

Кроме того, во время сканирования в зонах холостого хода 12 тепло из зоны микрообработки 10 рассеивается в материал подложки 5, уменьшаются термические напряжения, что исключает появление термических микротрещин внутри подложки 5 под дном микроканала 14. Этому способствует также перемещение следующей строки 11 линейного растра на расстояние d, что приводит к разрыву зоны перегрева, имеющей форму линии, параллельной участку микрообработки 10.In addition, during scanning in the idle zones 12, heat from the microprocessing zone 10 is dissipated into the substrate material 5, thermal stresses are reduced, which eliminates the occurrence of thermal microcracks inside the substrate 5 under the bottom of the microchannel 14. This is also facilitated by the distance of the next line 11 of the linear raster d, which leads to a rupture of the overheating zone, which has the form of a line parallel to the microprocessing section 10.

Минимальная зона холостого хода 12 (5% от длины участка микрообработки 10) определяется временем, необходимым для развертки системы 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча в состояние линейной скорости при наибольшей длине участка микрообработки 10. Зона холостого хода 12 длиной более 25% от длины участка микрообработки 10 нецелесообразна, т.к. при этом снижается производительность процесса.The minimum idle zone 12 (5% of the length of the microprocessing section 10) is determined by the time required to scan the two-coordinate laser beam scanning system 3 to a linear speed with the longest microprocessing section 10. The idle zone 12 is more than 25% of the microprocessing length 10 impractical because this reduces the performance of the process.

Расстояние d между строками 11 линейного растра выбирается оптимальным исходя из требований шероховатости микроканала 14 и производительности процесса формирования микроканала 14.The distance d between the lines 11 of the linear raster is selected optimal based on the requirements of the roughness of the microchannel 14 and the productivity of the process of forming the microchannel 14.

Растровое сканирование по сравнению с векторным позволяет выполнить микроканал 14 с любым профилем, в том числе с прямоугольным профилем или близким к прямоугольному профилю. Подбор углов растра α в указанных пределах и расстояния d между строками 11 линейного растра (шага сканирования) позволяет получить более плотное наложение лазерных пятен в проекции, перпендикулярной границе микроканала 14, а, следовательно, позволяет получить заданный профиль микроканала 14.Raster scanning in comparison with the vector allows you to perform microchannel 14 with any profile, including a rectangular profile or close to a rectangular profile. The selection of the angles of the raster α within the specified limits and the distance d between the lines 11 of the linear raster (scanning step) allows to obtain a more dense overlap of laser spots in the projection perpendicular to the boundary of the microchannel 14, and, therefore, allows you to obtain a given profile of the microchannel 14.

Для получения требуемой глубины микроканала 14 лазерный луч сканируют по каждой строке 11 линейного растра неоднократно с перефокусировкой лазерного луча в плоскость микрообработки при втором и последующих сканированиях до получения заданной глубины микроканала 14. При этом при выполнении второго и последующего сканирования угол растра α может изменяться произвольно. При изменении угла растра α случайным образом при повторном сканировании по строкам 11 линейного растра, в том числе с перефокусировкой лазерного луча в плоскость микрообработки, дополнительно уменьшают шероховатость поверхности микроканала 14. При изменении пиковой мощности одного или нескольких первых и последних импульсов в пачке формируют более точный профиль микроканала 14.To obtain the required depth of the microchannel 14, the laser beam is scanned along each line 11 of the linear raster repeatedly with the laser beam refocusing into the microprocessing plane during the second and subsequent scans until the specified depth of the microchannel 14 is obtained. Moreover, when the second and subsequent scans are performed, the angle of the raster α can be changed arbitrarily. When changing the angle of the raster α at random during repeated scanning along lines 11 of the linear raster, including with refocusing the laser beam into the microprocessing plane, the surface roughness of microchannel 14 is further reduced. When the peak power of one or several of the first and last pulses changes in the packet, a more accurate microchannel profile 14.

По предложенному техническому решению изготовлена установка на твердотельном лазере, оснащенном управляемым затвором на кристалле Yt:KGW с фемтосекундной длительностью импульсов с длиной волны ближнего инфракрасного диапазона 1,04 мкм, на которой выполнены микроканалы шириной 10, 15, 20, 30 и 100 мкм глубиной от 3 до 25 мкм на стекле К8, БК10 и кварцевом стекле, а также на монокристаллическом кремнии. Микроканалы имеют прямоугольный профиль, измеренная шероховатость микроканалов Rz составила от 0,125 до 0,08 мкм. При контроле качества микроканалов микросколы и микротрещины на поверхности подложек и микроканалов и внутри подложек не обнаружены, в том числе и на подложках из хрупких материалов.According to the proposed technical solution, an installation was made on a solid-state laser equipped with a controlled shutter on a Yt: KGW crystal with a femtosecond pulse duration with a near infrared wavelength of 1.04 μm, on which microchannels with a width of 10, 15, 20, 30 and 100 μm made from 3 to 25 microns on K8, BK10 glass and quartz glass, as well as on single-crystal silicon. Microchannels have a rectangular profile, the measured roughness of the microchannels R z ranged from 0.125 to 0.08 μm. When controlling the quality of microchannels, microchips and microcracks on the surface of the substrates and microchannels and inside the substrates were not detected, including on substrates made of brittle materials.

На фиг. 3 представлена профилограмма полученная на конфокальном профилометре Sensofar NEOS, видно отсутствие буртиков и качественный край.In FIG. Figure 3 shows the profilogram obtained on the Sensofar NEOS confocal profilometer; the absence of beads and a high-quality edge are visible.

Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет сформировать на подложках из оптического материала и полупроводниковых материалов микроканалы с различными профилями высокого качества: с заданной шероховатостью, без микросколов и микротрещин на поверхности и внутри диэлектрических подложек, в том числе неплоских.Thus, the proposed invention, in comparison with the prototype, allows microchannels with various high-quality profiles to be formed on substrates of optical material and semiconductor materials: with a given roughness, without micro chips and microcracks on the surface and inside dielectric substrates, including non-planar ones.

Преимуществом заявляемого изобретения так же является повышение качества краев микроканалов на подложке по всему периметру, позволяющее осуществлять формирование прицельных сеток и микроканалов биочипов.An advantage of the claimed invention is also an increase in the quality of the edges of the microchannels on the substrate along the entire perimeter, which allows the formation of sighting nets and microchannels of biochips.

Claims (4)

1. Способ формирования микроканалов на подложке, включающий выполнение облучения поверхности подложки в области формируемого микроканала построчным линейным сканированием лазерного луча, обеспечивающим перемещение лазерного луча в каждой строке развертки на ширину участка микрообработки подложки, с включением и выключением пачки лазерных импульсов в каждой строке развертки, осуществление сканирования по зонам микрообработки, укладывающимся в ширину микроканала, при этом участок микрообработки в каждой строке развертки обрамлен зонами холостого хода, расстояние между строками линейного растра не более их ширины, а угол линейной развертки относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки составляет в диапазоне 35-90°, причем длину строки линейного растра при включенной пачке лазерных импульсов устанавливают меньше предельной длины участка микрообработки, при которой в подложке не возникают дефекты, а для достижения требуемой глубины микроканала сканирование выполняют многократно с перефокусировкой в плоскость микрообработки при повторном и последующих сканированиях, при этом формируют трехмерную топографию поверхности подложки посредством устройства для формирования микроканалов на подложке, содержащего связанные через контроллер с блоком управления фемтосекундный лазер, оснащенный управляемым затвором, двухкоординатную систему позиционирования и фиксации обрабатываемой подложки, систему формирования лазерного луча, систему двухкоординатного сканирования лазерного луча, систему фокусирования лазерного луча в плоскость микрообработки с обеспечением плотности мощности лазерного излучения выше порогового значения для удаления материала подложки, и связанный с контроллером датчик бесконтактного измерения локального расстояния, посредством которого выполняют измерение расстояния до подложки и который располагают в системе фокусирования лазерного луча, затем выполняют последовательное поточечное измерение расстояний от системы фокусирования лазерного луча до поверхности подложки внутри полного поля микрообработки, образованного замкнутой фигурой описанной вокруг формируемых на подложке микроканалов, при этом с помощью блока управления выполняют формирование трехмерной топографии поверхности подложки и определение по данным трехмерной топографии поверхности подложки в области начального фрагмента микрообработки размера фрагмента поля сканирования системы двухкоординатного сканирования и значения фокуса лазерного луча в области начального фрагмента микрообработки для фокусирования лазерного луча в плоскость микрообработки, при этом дополнительно производят разделение формируемого микроканала по меньшей мере на две зоны микрообработки, выбирают координаты начала первого фрагмента зоны микрообработки и по топографическим данным с учетом глубины фокуса системы фокусирования лазерного луча определяют размер фрагмента поля сканирования, затем по данным трехмерной топографии устанавливают значение фокуса лазерного луча в области начального фрагмента микрообработки, осуществляют сканирование начальной зоны микрообработки с последующим ее исключением из полного поля микрообработки, при этом сканирование в каждой строке линейной развертки производят от необрабатываемого участка зоны микрообработки к участку зоны микрообработки, при этом последние импульсы пачек лазерных импульсов излучают внутри зоны микрообработки и производят повторение последовательности действий до выполнения сканирования полного поля микрообработки.1. The method of forming microchannels on a substrate, including performing irradiation of the surface of the substrate in the area of the formed microchannel by line-by-line linear scanning of the laser beam, providing the laser beam in each scan line to the width of the microprocessing section of the substrate, with the inclusion of the packet of laser pulses on and off in each scan line, implementation scanning along microprocessing zones that fit into the width of the microchannel, while the microprocessing section in each scan line is framed they are idling, the distance between the lines of the linear raster is not more than their width, and the angle of the linear scan relative to the generatrix at each point of one of the contours of the raster zones of microprocessing is in the range of 35-90 °, and the length of the line of the linear raster with the included laser pulse set is less than the limit the length of the microprocessing section, at which defects do not occur in the substrate, and to achieve the required depth of the microchannel, scanning is performed repeatedly with refocusing to the plane of the microprocessor during repeated and subsequent scans, in this case, a three-dimensional topography of the substrate surface is formed by means of a microchannel formation device on the substrate, comprising a femtosecond laser equipped with a controlled shutter, a two-coordinate positioning and fixing system for the processed substrate, a laser beam forming system, and a system for generating a beam two-coordinate scanning of the laser beam, a system for focusing the laser beam into the microprocessing plane with by cutting the laser radiation power density above a threshold value for removing the substrate material, and a non-contact local distance sensor connected to the controller, by which the distance to the substrate is measured and located in the laser beam focusing system, then a sequential point-by-point measurement of distances from the laser beam focusing system is performed to the surface of the substrate inside the complete microprocessing field formed by a closed figure described around microchannels on the substrate, while using the control unit, three-dimensional topography of the substrate surface is formed and three-dimensional topography of the substrate surface is determined in the area of the initial fragment of microprocessing of the size of the fragment of the scan field of the two-coordinate scanning system and the focus of the laser beam in the region of the initial fragment of microprocessing for focusing the laser beam to the microprocessing plane, in addition, the formed microcock is separated at least two microprocessing zones, select the coordinates of the beginning of the first fragment of the microprocessing zone, and using topographic data taking into account the depth of focus of the laser beam focusing system, determine the size of the fragment of the scanning field, then use the three-dimensional topography to determine the focus of the laser beam in the region of the initial microprocessing fragment, they scan the initial microprocessing zone with its subsequent exclusion from the full microprocessing field, with scanning in each row linear sweeps are performed from the untreated portion of the microprocessing zone to the portion of the microprocessing zone, while the last pulses of laser pulses are emitted inside the microprocessing zone and the sequence of actions is repeated until the full microprocessing field is scanned. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что угол растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки изменяют произвольно при повторном и последующих построчных линейных сканированиях лазерным лучом.2. The method according to p. 1, characterized in that the angle of the raster relative to the generatrix at each point of one of the contours of the raster zones of microprocessing is changed arbitrarily during repeated and subsequent line-by-line linear scans with a laser beam. 3. Устройство для формирования микроканалов на подложке, содержащее фемтосекундный лазер, оснащенный управляемым затвором, двухкоординатную систему позиционирования и фиксации обрабатываемой подложки, систему формирования лазерного луча, систему двухкоординатного сканирования лазерного луча, систему фокусирования лазерного луча в плоскость микрообработки с обеспечением плотности мощности лазерного излучения выше порогового значения для удаления материала подложки, связанные через контроллер с блоком управления, связанный с контроллером датчик бесконтактного измерения локального расстояния, выполненный с возможностью измерения расстояния до подложки, расположенный в системе фокусирования лазерного луча и осуществляющий последовательное поточечное определение расстояний от системы фокусирования лазерного луча до поверхности подложки внутри полного поля микрообработки, образованного замкнутой фигурой описанной вокруг формируемых на поверхности подложки микроканалов, а блок управления выполнен с возможностью формирования трехмерной топографии поверхности подложки и определения по данным трехмерной топографии поверхности подложки в области начального фрагмента микрообработки размера фрагмента поля сканирования системы двухкоординатного сканирования и значения фокуса лазерного луча в области начального фрагмента микрообработки для фокусирования лазерного луча в плоскость микрообработки.3. A device for forming microchannels on a substrate, containing a femtosecond laser equipped with a controlled shutter, a two-coordinate system for positioning and fixing the processed substrate, a system for forming a laser beam, a two-coordinate system for scanning a laser beam, a system for focusing a laser beam into a microprocessing plane with a laser radiation power density higher threshold value for removing substrate material, connected through a controller to a control unit associated with an oller, a non-contact local distance measuring sensor, capable of measuring the distance to the substrate, located in the laser beam focusing system and performing sequential point-by-point determination of distances from the laser beam focusing system to the substrate surface within the complete microprocessing field formed by the closed shape described around the microchannels formed on the surface of the substrate and the control unit is configured to form a three-dimensional topography of the surface ti substrate and determining according to the three-dimensional topography of the substrate surface in the initial fragment micromachining fragment size field scanning systems scan and xy values of focus of the laser beam in the initial micromachining fragment for focusing the laser beam in the micro plane. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что система двухкоординатного сканирования лазерного луча выполнена с возможностью произвольного изменения угла линейной развертки относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки при последующих построчных линейных сканированиях лазерным лучом.4. The device according to claim 3, characterized in that the two-coordinate scanning system of the laser beam is configured to arbitrarily change the linear sweep angle relative to the generatrix at each point of one of the contours of the raster microprocessing zones during subsequent line-by-line linear scans with a laser beam.
RU2019108823A 2019-03-26 2019-03-26 Method of forming microchannels on substrates and device for its implementation RU2709888C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019108823A RU2709888C1 (en) 2019-03-26 2019-03-26 Method of forming microchannels on substrates and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019108823A RU2709888C1 (en) 2019-03-26 2019-03-26 Method of forming microchannels on substrates and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2709888C1 true RU2709888C1 (en) 2019-12-23

Family

ID=69022874

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019108823A RU2709888C1 (en) 2019-03-26 2019-03-26 Method of forming microchannels on substrates and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2709888C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2815615C1 (en) * 2023-10-30 2024-03-19 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Method of creating high-aspect extended structures with diameters of submicron dimensions in dielectric crystal by femtosecond x-ray pulses

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2021881C1 (en) * 1986-10-17 1994-10-30 Борд оф Риджентс, Дзе Юниверсити оф Тексас Систем Method to produce a part and the device to fulfill it
WO2002016070A2 (en) * 2000-08-21 2002-02-28 National Research Council Of Canada Methods for creating optical structures in dielectrics using controlled energy deposition from a femtosecond laser
US20060207976A1 (en) * 2005-01-21 2006-09-21 Bovatsek James M Laser material micromachining with green femtosecond pulses
RU2653742C2 (en) * 2014-02-06 2018-05-14 Ниппон Стил Энд Сумитомо Метал Корпорейшн Lap welding method, lap joint, production method of lap joint and an automobile part
RU2661165C1 (en) * 2017-10-25 2018-07-12 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" Method and device for forming microchannels on substrates from optical glass, optical crystals and semiconductor materials by femtosecond impulses of laser radiation
RU2674916C2 (en) * 2014-10-13 2018-12-14 Эвана Текнолоджис, Уаб Laser treatment method for dividing or scribing substrate by forming wedge-like damaged structures

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2021881C1 (en) * 1986-10-17 1994-10-30 Борд оф Риджентс, Дзе Юниверсити оф Тексас Систем Method to produce a part and the device to fulfill it
WO2002016070A2 (en) * 2000-08-21 2002-02-28 National Research Council Of Canada Methods for creating optical structures in dielectrics using controlled energy deposition from a femtosecond laser
US20060207976A1 (en) * 2005-01-21 2006-09-21 Bovatsek James M Laser material micromachining with green femtosecond pulses
RU2653742C2 (en) * 2014-02-06 2018-05-14 Ниппон Стил Энд Сумитомо Метал Корпорейшн Lap welding method, lap joint, production method of lap joint and an automobile part
RU2674916C2 (en) * 2014-10-13 2018-12-14 Эвана Текнолоджис, Уаб Laser treatment method for dividing or scribing substrate by forming wedge-like damaged structures
RU2661165C1 (en) * 2017-10-25 2018-07-12 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" Method and device for forming microchannels on substrates from optical glass, optical crystals and semiconductor materials by femtosecond impulses of laser radiation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TIEN LICHANG ET AL. Ultrafast laser ablation of soda-lime glass for fabricating microfluidic pillar array channels. Microelectronic engineering. 2016, v.158, p.95-101. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2815615C1 (en) * 2023-10-30 2024-03-19 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Method of creating high-aspect extended structures with diameters of submicron dimensions in dielectric crystal by femtosecond x-ray pulses

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4522656A (en) Method of making reference surface markings on semiconductor wafers by laser beam
JP7562242B2 (en) Method for forming fine structures in the volume of a substrate made of brittle material - Patents.com
JP6526396B2 (en) Method and apparatus for performing laser filamentation inside a transparent material
KR101124347B1 (en) Method and apparatus for machining based on titled laser scanning
WO2021035161A1 (en) Method and system for ultrafast laser-based material removal, figuring and polishing
US20150158116A1 (en) Method and apparatus for internally marking a substrate having a rough surface
WO2013039012A1 (en) Laser machining method and laser machining device
CN108136544A (en) Method and apparatus and the workpiece that is generated by silk for the workpiece of silk non-face parallel shape
CN114349356A (en) Method for processing glass by alkaline etching
JP2010138046A (en) Method and device for working material to be cut
EP3769900A1 (en) Method for structuring a transparent substrate with a laser in a burst mode
RU2709888C1 (en) Method of forming microchannels on substrates and device for its implementation
CN107247300A (en) The method that laser prepares fused quartz continuous phase plate
CN116685562A (en) Method for reducing raised structures on a glass element and glass element manufactured according to the method
RU2661165C1 (en) Method and device for forming microchannels on substrates from optical glass, optical crystals and semiconductor materials by femtosecond impulses of laser radiation
JP6759619B2 (en) Metal mask processing method for vapor deposition and metal mask processing equipment for vapor deposition
EP4159357A1 (en) Method of and apparatus for cutting a substrate or preparing a substrate for cleaving
JP4211470B2 (en) Laser scanning method
KR100664573B1 (en) Laser Processing Apparatus and Method thereof
JP5920662B2 (en) Laser processing apparatus and laser processing method
CN114669861A (en) Method for structuring a glass element and structured glass element produced thereby
JP3186706B2 (en) Method and apparatus for laser marking of semiconductor wafer
JP5618373B2 (en) Laser processing equipment for glass substrates
TW202032646A (en) Laser machining apparatus
TWI271252B (en) Crack-free laser microfabrication