266 nm紫外固體激光在碳化硅晶片上的微結(jié)構(gòu)加工

齊立濤，劉文海

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

266 nm紫外固體激光在碳化硅晶片上的微結(jié)構(gòu)加工

齊立濤，劉文海

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

紫外固體激光微細(xì)加工以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為微結(jié)構(gòu)加工的重要方法之一，尤其對(duì)硬脆難加工類寬帶隙材料的微細(xì)加工。利用266 nm紫外固體激光微細(xì)加工系統(tǒng)，在寬帶隙材料SiC上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。應(yīng)用掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡等檢測(cè)技術(shù)對(duì)樣件進(jìn)行檢測(cè)。采用紫外固體激光靜態(tài)照射SiC晶片表面,紫外固體激光燒蝕孔徑和單脈沖能量的關(guān)系,計(jì)算266 nm紫外固體激光燒蝕SiC晶片的燒蝕閾值。通過直線掃描實(shí)驗(yàn),在不同實(shí)驗(yàn)條件下,在SiC晶片表面加工微槽,獲得微槽的寬度和深度與激光主要參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：激光能量密度可以改變槽寬和槽深，而掃描次數(shù)對(duì)槽寬基本無影響，而對(duì)槽深影響較大。利用聚焦的紫外固體激光束沿著軌跡掃描,在SiC晶片上加工出典型的微細(xì)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)的精密加工。

紫外固體激光微細(xì)加工；SiC微細(xì)加工；微細(xì)結(jié)構(gòu)加工；微槽

SiC 材料具有化學(xué)性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、抗磨損、高強(qiáng)度、高硬度等一系列優(yōu)點(diǎn)。SiC 因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能成為替代硅的材料，成為用于惡劣環(huán)境下微機(jī)電系統(tǒng)的首選[1]。因此，SiC在機(jī)械電子、復(fù)合材料、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。SiC微結(jié)構(gòu)高效精密加工是限制其得以廣泛應(yīng)用的主要原因之一。激光加工在SiC加工上的應(yīng)用越來越多，激光作為一種非接觸加工，不產(chǎn)生機(jī)械損傷和刀具磨損。短脈沖紫外固體激光因其波長(zhǎng)短、光子能量強(qiáng)，其產(chǎn)生的激光能量能夠滿足激光對(duì)半導(dǎo)體材料大批量生產(chǎn)的工藝要求。紫外固體激光加工可有效減少熱影響區(qū)及由于熱作用而產(chǎn)生的翹曲、熔化、微裂縫和分層等不良效果，紫外激光還可使得聚焦尺寸變小而加工出更加精確的微結(jié)構(gòu)[2-4]。為此，筆者對(duì) 266 nm 紫外固體激光在SiC晶片上加工微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算266 nm紫外固體激光燒蝕SiC晶片的燒蝕閾值，研究266 nm紫外固體激光加工SiC晶片的工藝規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)所采用激光器為半導(dǎo)體泵浦的YAG激光，通過非線性晶體得到1 064、532、266、213 nm不同波長(zhǎng)的激光，采用266 nm紫外固體激光，單脈沖最大能量為1 mJ，頻率1～100 Hz可調(diào)，脈沖寬度為30 ns左右。紫外固體激光垂直照射到樣品表面，光束為高斯光束，直徑為2～3 mm，通過直徑可調(diào)的光闌來調(diào)整光束的質(zhì)量。紫外固體激光經(jīng)過焦距為100 mm的凸平透鏡聚焦到材料表面。實(shí)驗(yàn)樣品放在二維工作臺(tái)上并且以多種速度進(jìn)行移動(dòng)，聚焦透鏡通過單獨(dú)的工作臺(tái)進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示圖如圖1所示。所有的實(shí)驗(yàn)均在空氣和室溫中進(jìn)行。紫外固體激光照射樣件后，試件放在盛有無水乙醇(或丙酮)的超聲波中清洗30 min，然后放入混有濃硝酸和氫氟酸的溶劑中酸洗1～2 h，用于去除加工過程中的熔融物及部分變質(zhì)層。實(shí)驗(yàn)用SiC樣品為厚度350 μm的SiC晶片，其中表面粗糙度0.2 Rms/nm，帶寬3.0 eV,密度3.2 g/cm，熔點(diǎn)2 830 ℃，熱導(dǎo)率2.2 W/(cm·℃)。

利用不同的266 nm紫外固體激光加工參數(shù)對(duì)SiC晶片進(jìn)行照射實(shí)驗(yàn)。激光的能量(Ep)通過調(diào)整電源電流來改變，利用能量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。脈沖數(shù)量(N)由專門光閘系統(tǒng)進(jìn)行控制，掃描速度通過工作臺(tái)控制。樣品表面形貌通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)，樣品剖面則通過鑲件、砂紙打磨、拋光和腐蝕后用SEM觀測(cè)，并作能譜分析，確定材料的組成元素。首先，266 nm紫外固體激光靜態(tài)照射SiC晶片，通過檢測(cè)照射孔的直徑和脈沖能量的關(guān)系，計(jì)算266 nm紫外固體激光加工SiC的燒蝕閾值，分析燒蝕機(jī)理；其次，266 nm紫外固體激光采用直線掃面的形式在SiC晶片表面上加工微槽，研究微槽寬度和微槽厚度同激光能量和掃描次數(shù)的關(guān)系；最后，利用掃描軌跡的方式用266 nm紫外固體激光在SiC晶片表面加工典型微細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 燒蝕SiC晶片的燒蝕閾值

選擇不同單脈沖能量的激光照射SiC晶片表面，通過掃描電子顯微鏡測(cè)量燒蝕區(qū)域的直徑，通過計(jì)算可得到266 nm紫外固體激光燒蝕SiC晶片的燒蝕閾值[5]。對(duì)于高斯光束，空間能量密度分布與光束束腰半徑間的關(guān)系為[6-8]：

(1)

式中：φ0——激光束的能量密度，J/cm2；

R——光束邊緣到光束中心的距離，m；

φ(r)——空間能量密度分布；

ω0——高斯光束束腰，m。

激光的能量密度與脈沖能量的關(guān)系為

(2)

式中：Ep——激光的脈沖能量，J。

在高斯激光束燒蝕材料的作用過程中，激光燒蝕區(qū)域和激光能量密度以及激光光束束腰之間關(guān)系：

(3)

式中：D——燒蝕區(qū)域直徑，m；

φth——材料的燒蝕閾值，J/cm2。

不同脈沖能量單脈沖266 nm紫外固體激光在SiC晶片上加工孔的SEM圖片，如圖2所示。通過測(cè)量不同單脈沖能量加工的孔徑，得到單脈沖266 nm紫外固體激光在SiC晶片上加工孔徑與激光脈沖能量E1的關(guān)系，如圖3所示。得到的266 nm紫外固體激光脈沖能量和加工孔徑的關(guān)系，計(jì)算得到266 nm紫外固體激光加工SiC晶片的燒蝕閾值為0.92 J/cm2。

a E=1.58 J/cm2

b E=6.50 J/cm2

c E=15.66 J/cm2

圖3 SiC晶體上加工孔徑與脈沖能量的關(guān)系Fig.3 Diameter of ablated craters and laser pulse energy

2.2 SiC晶片上加工微槽

2.2.1 加工特征

不同能量密度下加工SiC晶片的SEM圖片，如圖4所示。圖4是在266 nm、重復(fù)頻率為50 Hz的紫外固體激光加工條件下，采用不同激光能量密度在SiC晶片表面加工微槽的SEM圖片，其中，圖4a、4b為掃描速度250 μm/s，圖4c、4d為掃描速度50 μm/s。

a Emax=2.57 J/cm2

b Emax=6.65 J/cm2

c Emax=12.57 J/cm2

d Emax=15.83 J/cm2

由圖4可見，當(dāng)高激光能量密度進(jìn)行加工時(shí)，在燒蝕區(qū)域的四周存在明顯的凸起。凸起是由于激光燒蝕時(shí)燒蝕區(qū)域周圍材料熔化后凝固以及孔內(nèi)熔融物質(zhì)噴濺在周圍重新凝固所產(chǎn)生，拋出物的存在表明了紫外固體激光加工SiC存在光熱消融；當(dāng)采用低激光能量密度進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)得到較好的加工表面質(zhì)量，此時(shí)的加工表面符合光化學(xué)消融，但也存在很薄的一層拋出物。

當(dāng)材料的蝕除存在光熱消融方式時(shí)，材料由于高溫發(fā)生熔化，熔化的材料與空氣中的氧氣接觸，會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象。加工區(qū)域與未加工區(qū)域的能譜分析，如圖5所示。加工區(qū)域氧的含量高于未加工區(qū)域，表明加工過程存在氧化現(xiàn)象。

a 加工區(qū)域

b 未加工區(qū)域

2.2.2 主要參數(shù)對(duì)加工尺寸的影響

為了得到加工需要的尺寸，研究如脈沖能量和掃描速度等微槽寬度和微槽深度的影響規(guī)律。不同脈沖能量和槽寬和槽深的關(guān)系，如圖6所示。圖6a所示的槽寬的大小隨著激光脈沖能量的增加而增大，槽寬的增加呈對(duì)數(shù)規(guī)律，最終將達(dá)到一個(gè)恒定值。激光掃描工件時(shí)燒蝕區(qū)域橫向尺寸存在極限值，對(duì)應(yīng)一個(gè)極限激光脈沖能量。當(dāng)?shù)陀跇O限脈沖能量進(jìn)行加工時(shí)，燒蝕區(qū)域橫向尺寸隨著脈沖能量的增加而增加；當(dāng)激光脈沖能量大于極限脈沖能量時(shí)，脈沖能量的增大就不會(huì)對(duì)燒蝕區(qū)域橫向尺寸產(chǎn)生明顯的影響。圖6b所示的槽深的大小隨著激光脈沖能量的增加而增大。隨著激光能量密度的增加，更多的燒蝕物質(zhì)被拋出，因而燒蝕深度不斷增大。掃描次數(shù)對(duì)槽寬和槽深的影響規(guī)律，如圖7所示。

a 槽寬

b 槽深

a 槽寬

b 槽深

圖7a所示的槽寬在93～101 μm，隨著掃描次數(shù)的增加槽寬變化不明顯。由于重復(fù)加工時(shí)，材料相同區(qū)域較長(zhǎng)的激光照射時(shí)間間隔會(huì)得到較少的熱效應(yīng)累計(jì)，槽寬的極限值較小。圖7b所示的槽深隨掃描次數(shù)的增加而變深，槽深隨掃描次數(shù)的增加呈現(xiàn)線性規(guī)律變化。

2.3 紫外固體激光在SiC晶片上加工微細(xì)結(jié)構(gòu)

對(duì)266 nm紫外固體激光在SiC晶體上加工微孔的實(shí)驗(yàn)，確定了266 nm紫外固體激光燒蝕SiC晶體的燒蝕閾值。通過在SiC晶片上加工微槽，確定了266 nm紫外固體激光加工的脈沖能量和掃描速度等主要參數(shù)與被加工結(jié)構(gòu)的橫向與縱向尺寸的影響規(guī)律。利用聚焦的266 nm紫外固體激光束掃描固定在工作臺(tái)上SiC晶片上加工的微細(xì)結(jié)構(gòu)，見圖8。

a 微孔

b 微懸梁

c 微細(xì)方形微柱

加工后的微細(xì)結(jié)構(gòu)放在裝有酒精的超聲波清洗儀中進(jìn)行清洗30 min用于去除材料表面的顆粒物，然后放入酸中清洗。從圖8中可以看出，加工的微細(xì)結(jié)構(gòu)周圍很清潔，基本上無熔融物質(zhì)的存在，但是加工微結(jié)構(gòu)的性能還需要進(jìn)一步測(cè)試。同時(shí)也在SiC晶片上進(jìn)行了其他形狀微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工，為紫外固體激光加工更加復(fù)雜的形狀加工奠定了一定的基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

(1)266 nm紫外固體激光加工SiC晶片的燒蝕機(jī)理以光熱加工為主，燒蝕閾值為0.92 J/cm2。

(2)266 nm紫外固體激光可以在SiC晶片上加工微孔和微槽，其中，微槽的寬度和深度隨激光能量密度的增加而增加；激光掃描次數(shù)對(duì)槽寬的影響不大，但是增加掃描次數(shù)可增加槽的深度；通過改變激光能量和掃描次數(shù)可得到所需尺寸的微槽。

(3)利用聚焦的266 nm紫外固體激光沿著軌跡掃描，可在SiC晶片上加工出盲孔、通孔、微槽、懸臂梁以及微柱體等微細(xì)結(jié)構(gòu)。266 nm紫外固體激光可成為加工SiC微細(xì)結(jié)構(gòu)的方法之一。

[1] Rebecca C.用于惡露環(huán)境的碳化硅微機(jī)電系統(tǒng)[M].王曉浩，唐 飛，王文弢,譯.北京： 科學(xué)出版社，2010.

[2] Rebecca C.SiC MEMS for harsh environments[M].Beijing: Science Press,2010.

[3] Duley W W.UV Lasers: effects & applications in materials science[M].Oxford: Cambridge University Press,1996.

[4] He L M.Micromachining for making optical computer using harmonic generations of solid-state lasers [D].Kasugai: Ph D thesis of Chubu University，1999.

[5] Cracuin V,Bassim N,Singh R K,et al.Laser-induced explosive boiling during nanosecond laser ablation of silicon [J].Applied Surface Science,2002,18(6): 288-292.

[6] Liu J.Simple technique for measurements of pulsed Gaussian beam spot sizes [J].Optics Letters,1982,7(2):196-198.

[7] 李長(zhǎng)青，王樹成，周玉鋒，等.飛秒激光燒蝕YAG單晶表面的表征[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，26(5)： 541-545.

[8] 齊立濤，胡金平，于信偉.飛秒激光在藍(lán)寶石晶體表面加工微細(xì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,22(3)：297-302.

(編輯 晁曉筠 校對(duì) 李德根)

Experimental investigation on 266 nm UV solid-state laser micromachining of microstructures on SiC wafer

QiLitao，LiuWenhai

(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

UV laser micromachining technology becomes a key method in the field of micro manufacturing technology due to its unique advantages,especially for hard and brittle materials precision processing.This paper introduces an experimental investigation on the fine structure processing of SiC wafer surface using 266 nm UV solid-state laser pulses with a wavelength of 266 nm.The study involves the calculation of ablation threshold due to ablation of SiC by UV solid state laser through static irradiation of SiC surface and the relation between pulse energy and diameter in holes produced by UV solid-state laser.The paper describes the way the relation between the width and depth of the groove and key parameters of UV solid-state laser is obtained by fabricating microgrooves under different experimental conditions,based on line-scanning experiment.Results reveal that the groove width and depth increases as the laser density increases.The production of the cleaner tiny structures in the SiC surface by scanning along the track using focused UV solid-state laser beam provides guidance for the precision machining of micro-structures.

UV solid-state laser micromachining; SiC micromachining; microstructure fabrication; microgrooves

2017-02-10

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51205113)；教育部回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金(第46批)

齊立濤(1977-)，男，黑龍江省綏化人，副教授，博士，研究方向：激光加工、先進(jìn)制造技術(shù)、模具設(shè)計(jì)與制造、硬巖截割，E-mail：qltlx@hotmail.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.017

TN249

2095-7262(2017)02-0176-05

A