基于光束掃描寬化技術(shù)的激光掩模微加工系統(tǒng)

謝冀江，高 飛，2，潘其坤，2，楊貴龍，邵春雷，張來明，郭 勁

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100039)

1 引言

近年來，隨著激光器技術(shù)的不斷進(jìn)步和精密數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，激光微切割［1］、微打標(biāo)［2］、微焊接［3］及微成形［4］等激光微細(xì)加工技術(shù)取得了重要進(jìn)展，受到人們的廣泛關(guān)注。激光微細(xì)加工也隨之逐漸成為激光工業(yè)應(yīng)用中的一個(gè)重要的發(fā)展方向。其中，激光微打標(biāo)技術(shù)已廣泛用于微電子、微機(jī)械、高檔飾品、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的產(chǎn)品微標(biāo)識(shí)的制作。激光打標(biāo)主要有3種方式：掃描法、點(diǎn)陣法和掩模投影法［5-6］。掃描法從最初的機(jī)械掃描發(fā)展到后來的轉(zhuǎn)鏡掃描和目前的振鏡掃描，它一直是最有效和應(yīng)用最廣的激光打標(biāo)技術(shù);點(diǎn)陣法具有控制靈活的特點(diǎn)，特別適合于生產(chǎn)線上的產(chǎn)品在線打標(biāo);而掩模投影法可利用激光一次性打出整個(gè)標(biāo)記圖案，打標(biāo)速度快，適合于批量產(chǎn)品的打標(biāo)，但此種方法的缺點(diǎn)是打標(biāo)靈活性差，能量利用率低，對(duì)激光器輸出能量和掩模能承受的激光能量要求較高，掩模的制作比較困難。

本文介紹了一種基于掃描式激光寬化技術(shù)和掩模聚焦成像原理的掩模投影法微細(xì)加工技術(shù)。該技術(shù)可完成工件微標(biāo)識(shí)的激光標(biāo)記，同時(shí)還可通過脈沖數(shù)的控制，進(jìn)行微型零件的雕刻制作。在實(shí)現(xiàn)了Nd∶KGW激光束的寬化和能量均勻化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，并獲得了具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是激光器性能好、體積小、造價(jià)低，易于產(chǎn)品化;掩模制作方便靈活、速度快;激光能量均勻，加工精度高。

2 掃描寬化激光掩模微加工系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成和工作原理

該激光掩模微加工系統(tǒng)由激光器、x-y雙向掃描器、擴(kuò)束器、掩模、微縮投影系統(tǒng)和工作臺(tái)組成，其工作原理如圖1所示。激光器發(fā)出的脈沖光束由x-y掃描器展寬成正方形，經(jīng)擴(kuò)束器放大后輻照到掩模上，再經(jīng)透鏡成像，將微縮的掩模圖形投影到被加工的工件表面進(jìn)行氣化去除式標(biāo)刻。

圖1 光束掃描寬化掩模投影激光微加工原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser mask micromachining system based on beam-scanning widening technique

2.2 Nd∶KGW 激光器

用于掩模投影加工的Nd∶KGW激光器是一種光電轉(zhuǎn)換效率高，造價(jià)低廉的新型固體激光器，輸出波長(zhǎng)為1.067 μm，可獲得窄脈寬和較高的峰值功率的激光輸出，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1Nd∶KGW激光器參數(shù)Tab．1 Parameters of Nd∶KGW laser

2.3 光束掃描系統(tǒng)

與激光器相配合的x-y雙向光束掃描器由兩組特殊設(shè)計(jì)的步進(jìn)式掃描器組成(如圖2所示)，每組掃描器分別由兩個(gè)平行并相對(duì)放置的平面反射鏡構(gòu)成，兩個(gè)反射鏡可同時(shí)沿水平方向或垂直方向旋轉(zhuǎn)。光束掃描系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是以光束平行移動(dòng)的方式完成x和y方向掃描，從而獲得光束寬化和能量均勻化的平行激光光源，可滿足高質(zhì)量掩模加工要求。步進(jìn)式掃描器采用與激光脈沖同步聯(lián)動(dòng)的控制方式，每個(gè)激光脈沖都對(duì)應(yīng)掃描器的一個(gè)轉(zhuǎn)角，以保證脈沖光束與步進(jìn)掃描準(zhǔn)確配合。第一組步進(jìn)掃描器每完成一行x方向掃描，第二組則沿y方向移動(dòng)一步，然后第一組步進(jìn)掃描器開始下一行x方向的掃描，由此往復(fù)實(shí)現(xiàn)正方形掃描。需要注意的是，為了保證光束的均勻性，掃描光斑需要有較高的重疊率，通常要求在60%以上。根據(jù)掩模和光斑尺寸設(shè)計(jì)的掃描器參數(shù)見表2。

圖2 x-y雙向光束掃描器Fig.2 x-y beam scanner

表2 光束x-y掃描器技術(shù)參數(shù)Tab．2 Parameters of x-y beam scanner

2.4 擴(kuò)束與微縮成像系統(tǒng)

采用伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束，兩片透鏡的焦距分別為-5 cm和10 cm，擴(kuò)束系統(tǒng)的放大倍率為2倍，光束通過擴(kuò)束后，直徑擴(kuò)至9 mm，掃描面積擴(kuò)至30 mm×30 mm，等脈沖區(qū)面積擴(kuò)至16 mm×16 mm，如圖3所示。成像透鏡的焦距分別為100 mm和50 mm，所對(duì)應(yīng)的圖像分辨率分別為20 μm和10 μm，通過變換不同焦距的透鏡，調(diào)整掩模與透鏡的距離，可分別獲得縮小倍率為8～10倍(f=100 mm)和15～20倍(f=50 mm)的掩模圖像。

圖3 等脈沖面積Fig.3 Diagram of isopulse area

掩模投影微縮系統(tǒng)如圖4所示，根據(jù)光學(xué)成像的原理：

式中：L1為掩模到聚焦透鏡的距離;L2為聚焦透鏡到工件表面的距離;F為聚焦透鏡的焦距，則縮小比例S=L1/L2。采用上述擴(kuò)束與微縮系統(tǒng)，當(dāng)激光的脈沖能量為60 mJ時(shí)，掩模承受的光束能量密度約為95 mJ/cm2，標(biāo)刻工件承受的光束能量密度約為6～9.5 J/cm2(f=100 mm)和24～37 J/cm2(f=50 mm)。輻照掩模的光束能量密度很低，可使掩模材料有相當(dāng)大的選擇范圍，用于加工的光束能量密度很高，足以實(shí)現(xiàn)被加工材料的氣化去除式加工。采用該技術(shù)達(dá)到的最小刻線寬度為10 μm，加工圖形精度為10 μm，可滿足激光微細(xì)加工的精度要求。

圖4 掩模投影微縮系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of mask micro-imaging system

3 掩模制備及加工精度分析

Nd∶KGW激光的波長(zhǎng)為1 067 nm，對(duì)這一波長(zhǎng)透明的薄片，包括玻璃、聚酯片等均可用于制作掩模。掩模圖形可采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)并直接打印在透明片上，尺寸可根據(jù)投影縮小倍率進(jìn)行放大。通過實(shí)驗(yàn)得知，打印在掩模上的黑體圖案部分對(duì)1 067 nm波長(zhǎng)激光的透過率約為10%，因此，透過的能量對(duì)絕大多數(shù)材料不會(huì)造成損傷。

由于所采用的Nd∶KGW激光為線偏振光，因此，還可采用液晶作為掩模，它可實(shí)現(xiàn)快速變換，在微標(biāo)識(shí)方面更具實(shí)用價(jià)值。

掩模加工的尺寸誤差主要包括掩模圖形縮小倍率誤差和掩模圖形制造誤差。由于掩模圖形的尺寸誤差在投影成像過程中將按縮小倍率減小，因此，掩模投影的縮小倍率誤差是影響工件精度的主要因素。通過實(shí)測(cè)投影縮小倍率，將掩模圖形相對(duì)尺寸誤差控制在100～200 μm，則縮小倍率為20倍時(shí)，工件精度可控制在10 μm內(nèi)。計(jì)算機(jī)打印的圖形尺寸相對(duì)誤差在30 mm×30 mm范圍內(nèi)，可滿足工件的精度要求。

采用打印方法快速制備掩模是基于光束掃描寬化技術(shù)的激光掩模微加工系統(tǒng)具有的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其可方便地實(shí)現(xiàn)加工圖樣的快速制備，更加適合于微加工技術(shù)的應(yīng)用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)的基于光束掃描寬化技術(shù)的激光掩模微加工系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，利用該裝置對(duì)多種材料進(jìn)行了掩模投影微加工實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此種掩模投影微加工技術(shù)可對(duì)陶瓷、金剛石、碳化硅、碳鋼、鎢等材料進(jìn)行有效的氣化去除式標(biāo)刻，加工精度可控制在10 μm之內(nèi)。當(dāng)加工深度≤70 μm時(shí)，采用F=50 mm透鏡，可獲得10 μm的刻線寬度，單次加工最大加工深度可達(dá)200 μm。

圖5 光束掃描激光掩模微加工實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Laser mask micromachining system

實(shí)驗(yàn)還表明：在激光脈寬約為10 ns，脈沖能量約為35～50 mJ時(shí)，采用F=100 mm透鏡(10倍縮小倍率)即可實(shí)現(xiàn)各種材料的去除式標(biāo)刻。不同材料的單脈沖標(biāo)刻深度在0.07～0.1 μm。

在本實(shí)驗(yàn)條件下，脈沖能量對(duì)標(biāo)刻深度的影響并不明顯，這可能是由于極短的脈寬使激光脈沖能量來不及向基體傳遞。脈沖能量的差異主要導(dǎo)致氣化物質(zhì)過熱程度不同，對(duì)刻深的貢獻(xiàn)不大。在激光掩模投影加工過程中，在被加工材料的表面會(huì)產(chǎn)生等離子體和氣化物質(zhì)煙霧，它們對(duì)光束能量的吸收較為嚴(yán)重，因此，采用極短脈沖光束抑制這一現(xiàn)象是合理的。

由于單次光束脈沖的刻深僅為0.07～0.1 μm，單次面掃描中等脈沖區(qū)的刻深也僅為0.3 μm左右。因此，通過控制面掃描次數(shù)，可精確地控制標(biāo)刻深度，對(duì)多層膜微加工具有重要意義。

利用此系統(tǒng)完成的激光標(biāo)刻工件如圖6所示。

5 結(jié)論

短脈沖、高峰值功率Nd∶KGW激光束，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的x-y雙向平移掃描寬化，可成為能量均化的高質(zhì)量掩模投影加工光源。此光源可采用打印掩模或液晶掩模微縮投影進(jìn)行各種金屬和非金屬材料的微細(xì)打標(biāo)和微型零件的加工制作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：最小刻線寬度可達(dá)10 μm，加工圖形精度可達(dá)10 μm，單次加工深度為0.07 ～0.1 μm，最大加工深度為200 μm，可滿足通常工業(yè)精度的加工要求。該方法掩模制造方便快捷，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，激光能量利用率高，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ MENG H Y，LIAO J H，ZHOU Y H，et al..Laser micro-processing of cardiovascular stent with fiber laser cutting system［J］.Opt．Laser Technol.，2009，41(3)：300-302.

［2］ KOKUSHI Y，SAITOU Y，MORI A.Micro Id marking for semiconductor chips：recent progress and future prospects［J］.SPIE，2009，7202：72020N.

［3］ RüTTIMANN C，DüRR U，MOALEM A，et al..Reliable laser micro-welding of copper［J］.SPIE，2011，7920：792007.

［4］ HOLTKAMP J，GILLNER A.Laser-assisted micro sheet forming［J］.SPIE，2008，6985：69850I.

［5］ JIANG M，JIANG Y.Study of laser flying marking system［J］.Optical Eng.，2007，46(9)：1-4.

［6］ 魯金忠，羅開玉，盛葉健，等.激光穿透液晶掩膜的透光機(jī)理及損傷閾值［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010，40(5)：1288-1291.LU J ZH，LUO K Y，SHENG Y J，et al..Diaphanous mechanism and damage threshold of liquid crystal mask by ns-laser penetration［J］.J．Jilin University(Engineering and Technology Edition)，2010，40(5)：1288-1291.(in Chinese)