飛秒激光在微納加工領域的應用 準分子激光微孔加工技術研究

1、飛秒激光在微納加工領域的應用飛秒激光開始應用到微納加工領域始于20世紀90年代初。正是由于飛秒激光具有持續(xù)時間短及高脈沖功率密度的特性，使得其與物質相互作用時具有許多獨特的 優(yōu)點：確定的燒蝕閾值，規(guī)則的加工邊緣，層層微加工以及可加工任何材料等。最近研究結果表明：飛秒激光微細加工在微光學、微電子、微機械、微生物、微醫(yī)學 等多個領域具有潛在的應用價值。不同學科、不同實驗具有不同的具體要求，這就需要采取相應的加工手段來實現(xiàn)特定加工目的，囚此飛秒激光深孔加工技術等加工 工藝開始引起越來越多研究者的重視。激光整形技術是指在激光腔內或腔外采用光學元件改變光束形態(tài)實現(xiàn)光束整形。飛秒激光脈沖整形有別于傳統(tǒng)整形

2、概念，主要是在保留原有高峰值功率特性基礎上， 在光路中引人擴束器、濾波器以及衍射模板等光學器件，達到縮小聚焦尺寸、去除高斯光束周圍熒光成分、減少脈沖形變及多種形狀加工等目的。常用的是空間濾波 和掩?？刂萍夹g?？臻g濾波是實現(xiàn)對光束邊緣熒光的屏蔽效用，實現(xiàn)聚集點光學質量的改善，掩?？刂剖峭ㄟ^掩模形狀來實現(xiàn)對脈沖的調制，以達到確定的加工目 的。本文采用聚焦物鏡與接收材料同步運動的方法，可以很容易地將焦點前后脈沖的空間形態(tài)在材料表面以二維平面圖形式表示出來。在聚焦物鏡前加小孔掩模板，通過 小孔直徑及小孔前后脈沖能量的變化，可直觀觀察到光束空間形態(tài)的改變。最后，實驗選取合適參數(shù)，成功刻劃出邊緣光滑的透射

3、型金屬光柵。1 實驗裝置及方法實驗設備采用的是Clark公司飛秒激光加工工作臺(UMW-2110i，Clark-MXR Inc.。激光具體參數(shù)為：中心波長775nm，脈寬148 Fs，重復頻率1kHz，最大單脈沖能量1mJ，在光路上加衰減片可以調整脈沖能量，聚焦前光斑直徑5mm；掩模小孔直徑可調范圍為0.510mm；接 收材料為噴濺法鍍在溶石英基片上的金膜(厚度約為300nm。飛秒激光經掩模小孔后由5×顯微物鏡(有效焦距為40 mm聚焦金膜表面。采用物鏡與接收平臺同步運動的方法，將焦點前后脈沖的空間形態(tài)以二維平面圖形式在金膜表面顯示出來；加工結果采用透射式光學顯微鏡和 SEM進行分析

4、測試。實驗裝置如圖1所示。圖1 實驗裝置示意圖物鏡由平臺承載做軸向(Z軸移動，材料由X-Y軸承載，同步運行Z軸和X軸就能夠將焦點附近軸向范圍內達到材料閾值的長度在金膜上記錄下來，焦點位置是從材料表面之上移到材料內部，與此相對應，圖像中是由右到左。結果可以和瑞利長度相比較進行分析。2 實驗結果分析通常的，如果知道激光中心波長，透鏡的焦距f和入射光在透鏡前表面處的束腰半徑，就可以得到瑞利長度ZR，瑞利長度的表達式為：式中：0=0f/，為焦點處束腰半徑。由于實驗采用的是物鏡，從有效工作距離較難推出真正的束腰半徑，實驗中0采用刀口法測量了焦點處束腰半徑值為11.5m，所以5×顯微物鏡瑞利長度

5、約為0.54mm。而焦點附近軸向范圍內光束半徑(z的變化是與瑞利長度和焦點處束腰半徑有關的函數(shù)，如圖2所示，其表達式為：圖2 光束束腰半徑(z在焦點附近隨傳輸方向變化示意圖實驗通過改變圖1中針孔直徑大小，觀察焦點附近光軸方向所能實現(xiàn)燒蝕區(qū)域的變化情況，分別采用保持針孔前和針孔后脈沖能量不變的兩種情形，在金膜表面記錄 下焦點附近光束傳輸形態(tài)。圖3為上述兩種情形下顯微圖像。其中，Z軸和X軸運行速度均為0.3mm/s，單脈沖能量在小孔前后分別為91.7J，Z軸和 X軸行程均為600m，圖中由上至下針孔直徑依次為、4mm、3mm、2 mm。從圖3(a可以看出，不加針孔(開孔時，燒蝕區(qū)域在焦點附近基本為

6、對稱分布，且偏離焦點位置時，燒蝕線寬迅速增加，成紡錐型分布。隨著小孔加入，通光 尺寸變小，燒蝕區(qū)域線性尺度逐漸降低，聚焦點位置與兩翼燒蝕線寬差異明顯減少，甚至有遠離透鏡跡象(見針孔直徑為2mm的情況。改變脈沖能量而保證小孔 后的能量一致，燒蝕現(xiàn)象沒有明硅差異(見圖3(b，只是燒蝕線寬有所加大。上述現(xiàn)象通過式(1和(2可以很好的解釋：加入小孔后，由于孔徑的限 制，使得照射到透鏡表面束腰半徑減小，造成焦點處的束腰半徑0有所增加，瑞利長度ZR變大，因而在式(2中，焦點附近束腰半徑(z隨z的變化比不加小孔時減弱，宏觀上就得到了圖3中比較平緩的加工結果。圖3 光束刻痕與針孔直徑變化關系圖圖4和圖5分別給

7、出了開孔以及小孔直徑分別為4mm、3mm、2mm時不同脈沖能量下(小孔前測得焦點附近燒蝕形態(tài)的變化，Z、X軸行程仍為 600m。隨著小孔直徑的減小，透過小孔后的脈沖能量將會低于材料燒蝕閾值。因此，在圖5(a和圖5(b中只有4條燒蝕痕跡，甚至圖5(c中只存 在3條燒蝕線。從圖4和圖5中可以看出，單脈沖能鼉較低時，不管是開孔還是一定針孔作用下焦點附近脈沖形狀不存在明顯紡錐型分布，但加針孔后焦點附近光束半徑變化還是舒 緩了很多，較利于進一步做深加工與切割方面的研究；隨著針孔直徑的降低，能夠實現(xiàn)燒蝕的區(qū)域在明顯減小(小于瑞利長度，這主要是針孔限制了大部分能量到 達材料表面；小孔直徑為4mm時，脈沖傳輸

8、形狀受激光能量的影響相對較?。慌c圖3類似，實驗另一個現(xiàn)象就是隨著針孔孔徑的減小，聚焦區(qū)域的最小束腰半徑處 向靠近透鏡方向移動，這一點可以用聚焦束腰半徑與聚焦前束腰與透鏡前表面距離的變化關系來很好解釋。圖4 開孔時光束刻痕隨脈沖能量變化關系圖圖5 光束刻痕隨脈沖能量變化關系圖利用上述實驗結果，實驗采用開孔與針孔直徑為4mm(單脈沖能量為90J兩種情況分別對金膜和不銹鋼板進行打孔加工，得到的圖像如圖610所示。圖6 金膜表面加針孔(D=4mm時在表面刻劃的環(huán)形圖案王婭純光信080120081182013準分子激光微孔加工技術研究準分子激光是以準分子氣體作為激活介質而產生的激光。準分子激光屬于紫外波

9、段，波長短，適于高精度的微細加工。同時此波段光波的光子能量 高，加工有機材料時以斷裂化合鍵為主，熱效應影響不大，因此適宜對高聚物進行加工。但是由于準分子激光器在激勵時的放電特殊性，光束質量受到很大影響，輸 出的光斑較大，光斑能量分布也均勻，影響了微加工的效果。 本文從分析準分子激光器的光束特點出發(fā)，對波長為248nm的準分子激光光束的能量分布做了精確分析，設計加工了適于KrF準分子激光勻束的光波導。增加 了光斑的能量均勻度，提高了光束的能量密度，微孔加工質量得到提高。 分析了目前主要的幾種投影物鏡系統(tǒng)特點，從光學設計理論出發(fā)，由專業(yè)光學設計軟件ZEMAX精心系統(tǒng)優(yōu)化，設計加工了用于高精度準分子

10、激光微孔加工的倍率 為1001的投影成像物鏡。很好地消除了各種像差，能夠達到10um級的微孔加工精度，提高了加工精度。 本文通過分析影響微孔加工質量的原因，提出減小微孔錐度和增加微孔深寬比的掩模旋轉鉆孔微孔加工方法。設計了扇形掩模，依據(jù)三軸聯(lián)動加工臺，組成掩模鉆孔 加工系統(tǒng)，在此基礎上研究了掩模旋轉鉆孔的加工參數(shù)。準分子激光(引（英文：Excimer laser）是指受到電子束激發(fā)的惰性氣體和鹵素氣體結合的混合氣體形成的分子向其基態(tài)躍遷時發(fā)射所產生的激光。 準分子激光屬于冷激光，無熱效應，是方向性強、波長純度高、輸出功率大的脈沖激光，光子能量波長范圍為157353納米，壽命為幾十毫微秒，屬于紫

11、外 光。最常見的波長有157 nm、193 nm、248 nm、308 nm、351-353 nm。所謂準分子激光，是指受激二聚體所產生的激光。之所以產生稱為準分子，是因為它不是穩(wěn)定的分子，是在激光混合氣體受到外來能量的激發(fā)所引起的一系列物理及化學反應中曾經形成但轉瞬即逝的分子，其壽命僅為幾十毫微秒。準分子激光與生物組織作用時發(fā)生的不是熱效應，而是光化反應，所謂光化反應，是指組織受到遠紫外光激光作用時，會斷裂分子之間的結合鍵，將組織直接分離成揮發(fā)性的碎片而消散無蹤，對周圍組織則沒有影響，達到對角膜的重塑目的，能精確消融人眼角膜預計去除的部分空間精確度達細胞水平，不損傷周圍組織。它的波長短，不會

12、穿透人的眼角膜，因此對于眼球內部的組織沒有任何不良的作用。 準分子激光在醫(yī)學上主要用于屈光不正的治療，如用PRK、LASIK、LASEK等方法進行屈光不正的治療，是目前臨床上應用比較普遍、安全、快捷、有效、穩(wěn)定的屈光不正治療方法。準分子激光由Nikolai Basov, V. A. Danilychev 和 Yu. M. Popov等人于1970在莫斯科物理研究所發(fā)明。使用電子束激發(fā)氙氣二聚體，產生的準分子激光波長為172nm。 1975年包括美國政府的海軍研究實驗室、諾思羅普研究和技術中心，Avco Everett研究實驗室，和美國桑迪亞國家實驗室5在內的多家政府研究機構研究利用電子束激發(fā)惰

13、性氣體鹵化物。 1979年西德Lambda Physik公司生產出第一臺商業(yè)用準分子激光器。 迄今為止已經發(fā)現(xiàn)的能夠產生準分子激光的氣體有10多種。準分子激光首先被應用在工業(yè)上: 美國IBM公司開始使用并且改進準分子激光技術，主要應用在計算機芯片的制造以及塑料物質上蝕刻精確的圖形。 1980年IBM公司應用193nm準分子激光刨光鉆石。 1982年IBM將準分子激光技術應用在半導體光刻工藝中. 1986年AT&T貝爾實驗室研制出第一臺準分子激光分步投影光刻機. 目前準分子激光已廣泛應用在臨床醫(yī)學以及科學研究與工業(yè)應用方面，如：鉆孔、標記表面處理、激光化學氣相沉積，物理氣相沉積，磁頭與光

14、學鏡片和硅晶圓的清潔等方面,微機電系統(tǒng)相關的微制造技術 準分子激光于90年代始在醫(yī)學上得到運用，主要有： 眼科：使用193nm準分子激光進行LASIK手術，矯治屈光不正（近視、遠視、散光）。 1983年，哥倫比亞大學的MD.Stephen Trokel以及IBM的Srinicasan首先提出用激光治療近視的構思，并在動物角膜上開始實驗。 1987年，Trokel等人將IBM公司發(fā)明用以切割芯片的準分子激光用于人眼角膜上，應用準確計量的準分子激光直接汽化角膜的部分組織，以達到改變眼角膜曲度的目的。 九十年代初，美國FDA開始準分子激光角膜表面切削術(Photorefractive keratec

15、tomy,PRK的臨床實驗，開始了激光治療近視。 1990年，Dr Pallikaris、Buratto，Galvis和 Dr Ruiz結合ALK的技術與先進激光儀結合而發(fā)明了準分子激光角膜原位磨鑲術(Laser-Assisted in Situ Keratomileusis,LASIK。經過幾年的臨床實驗效果跟蹤，1995年10月FDA最終正式批準PRK手術可以治療600度以內的近視，400度以內的散光。 1995至1999年，F(xiàn)DA又相繼批準了1200度以內的近視、600度以內散光和600度以內遠視的LASIK治療。 1993年中國衛(wèi)生部首次批準引進的兩臺準分子激光治療儀在北京同仁醫(yī)院以及

16、協(xié)和醫(yī)院應用PRK技術,1995年開始應用LASIK技術。 1996年臺灣通過人體實驗而正式核準使用PRK技術. 1997年意大利Rovigo醫(yī)院眼科中心Massino lamellion MD發(fā)明準分子激光角膜上皮磨鑲術(laser epithelial keratomileusis,LASEK 1999年,波前引導激光手術技術（Customized LASIK）被開發(fā)； 2001年,美國開始在臨床應用此項技術。 2002年10月，F(xiàn)DA核準了此項技術，第二年5月開始正式普及。 皮膚：使用308nm準分子激光治療白癜風、銀屑病和過敏性皮炎。 心血管:準分子激光在心血管疾病中主要用于治療冠心病、周圍血管疾病、心臟瓣膜病、先天性心臟病和肥厚性心肌病等。 直接心肌血運重建術(direct myocardial revascularization，DMR，也稱為經心肌血運重建術(transmyocardial revasculariza