266 nm紫外固体激光在碳化硅晶片上的微结构加工

齐立涛，刘文海

(黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨 150022)

266 nm紫外固体激光在碳化硅晶片上的微结构加工

齐立涛，刘文海

(黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨 150022)

紫外固体激光微细加工以其独特优势，成为微结构加工的重要方法之一，尤其对硬脆难加工类宽带隙材料的微细加工。利用266 nm紫外固体激光微细加工系统，在宽带隙材料SiC上进行实验研究。应用扫描电子显微镜和光学显微镜等检测技术对样件进行检测。采用紫外固体激光静态照射SiC晶片表面,紫外固体激光烧蚀孔径和单脉冲能量的关系,计算266 nm紫外固体激光烧蚀SiC晶片的烧蚀阈值。通过直线扫描实验,在不同实验条件下,在SiC晶片表面加工微槽,获得微槽的宽度和深度与激光主要参数之间的关系。结果表明：激光能量密度可以改变槽宽和槽深，而扫描次数对槽宽基本无影响，而对槽深影响较大。利用聚焦的紫外固体激光束沿着轨迹扫描,在SiC晶片上加工出典型的微细结构,实现微细结构的精密加工。

紫外固体激光微细加工；SiC微细加工；微细结构加工；微槽

SiC 材料具有化学性能稳定、热膨胀系数小、耐腐蚀、抗磨损、高强度、高硬度等一系列优点。SiC 因其优异的物理和化学性能成为替代硅的材料，成为用于恶劣环境下微机电系统的首选[1]。因此，SiC在机械电子、复合材料、航空航天等领域具有广阔的应用前景。SiC微结构高效精密加工是限制其得以广泛应用的主要原因之一。激光加工在SiC加工上的应用越来越多，激光作为一种非接触加工，不产生机械损伤和刀具磨损。短脉冲紫外固体激光因其波长短、光子能量强，其产生的激光能量能够满足激光对半导体材料大批量生产的工艺要求。紫外固体激光加工可有效减少热影响区及由于热作用而产生的翘曲、熔化、微裂缝和分层等不良效果，紫外激光还可使得聚焦尺寸变小而加工出更加精确的微结构[2-4]。为此，笔者对 266 nm 紫外固体激光在SiC晶片上加工微细结构进行实验，计算266 nm紫外固体激光烧蚀SiC晶片的烧蚀阈值，研究266 nm紫外固体激光加工SiC晶片的工艺规律。

1 实验装置与方法

实验所采用激光器为半导体泵浦的YAG激光，通过非线性晶体得到1 064、532、266、213 nm不同波长的激光，采用266 nm紫外固体激光，单脉冲最大能量为1 mJ，频率1～100 Hz可调，脉冲宽度为30 ns左右。紫外固体激光垂直照射到样品表面，光束为高斯光束，直径为2～3 mm，通过直径可调的光阑来调整光束的质量。紫外固体激光经过焦距为100 mm的凸平透镜聚焦到材料表面。实验样品放在二维工作台上并且以多种速度进行移动，聚焦透镜通过单独的工作台进行控制。实验装置系统示图如图1所示。所有的实验均在空气和室温中进行。紫外固体激光照射样件后，试件放在盛有无水乙醇(或丙酮)的超声波中清洗30 min，然后放入混有浓硝酸和氢氟酸的溶剂中酸洗1～2 h，用于去除加工过程中的熔融物及部分变质层。实验用SiC样品为厚度350 μm的SiC晶片，其中表面粗糙度0.2 Rms/nm，带宽3.0 eV,密度3.2 g/cm，熔点2 830 ℃，热导率2.2 W/(cm·℃)。

利用不同的266 nm紫外固体激光加工参数对SiC晶片进行照射实验。激光的能量(Ep)通过调整电源电流来改变，利用能量计进行检测。脉冲数量(N)由专门光闸系统进行控制，扫描速度通过工作台控制。样品表面形貌通过扫描电子显微镜(SEM)观测，样品剖面则通过镶件、砂纸打磨、抛光和腐蚀后用SEM观测，并作能谱分析，确定材料的组成元素。首先，266 nm紫外固体激光静态照射SiC晶片，通过检测照射孔的直径和脉冲能量的关系，计算266 nm紫外固体激光加工SiC的烧蚀阈值，分析烧蚀机理；其次，266 nm紫外固体激光采用直线扫面的形式在SiC晶片表面上加工微槽，研究微槽宽度和微槽厚度同激光能量和扫描次数的关系；最后，利用扫描轨迹的方式用266 nm紫外固体激光在SiC晶片表面加工典型微细结构。

图1 实验装置Fig.1 Experimental setup

2 实验结果与讨论

2.1 烧蚀SiC晶片的烧蚀阈值

选择不同单脉冲能量的激光照射SiC晶片表面，通过扫描电子显微镜测量烧蚀区域的直径，通过计算可得到266 nm紫外固体激光烧蚀SiC晶片的烧蚀阈值[5]。对于高斯光束，空间能量密度分布与光束束腰半径间的关系为[6-8]：

(1)

式中：φ0——激光束的能量密度，J/cm2；

R——光束边缘到光束中心的距离，m；

φ(r)——空间能量密度分布；

ω0——高斯光束束腰，m。

激光的能量密度与脉冲能量的关系为

(2)

式中：Ep——激光的脉冲能量，J。

在高斯激光束烧蚀材料的作用过程中，激光烧蚀区域和激光能量密度以及激光光束束腰之间关系：

(3)

式中：D——烧蚀区域直径，m；

φth——材料的烧蚀阈值，J/cm2。

不同脉冲能量单脉冲266 nm紫外固体激光在SiC晶片上加工孔的SEM图片，如图2所示。通过测量不同单脉冲能量加工的孔径，得到单脉冲266 nm紫外固体激光在SiC晶片上加工孔径与激光脉冲能量E1的关系，如图3所示。得到的266 nm紫外固体激光脉冲能量和加工孔径的关系，计算得到266 nm紫外固体激光加工SiC晶片的烧蚀阈值为0.92 J/cm2。

a E=1.58 J/cm2

b E=6.50 J/cm2

c E=15.66 J/cm2

图3 SiC晶体上加工孔径与脉冲能量的关系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图片，如图4所示。图4是在266 nm、重复频率为50 Hz的紫外固体激光加工条件下，采用不同激光能量密度在SiC晶片表面加工微槽的SEM图片，其中，图4a、4b为扫描速度250 μm/s，图4c、4d为扫描速度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

由图4可见，当高激光能量密度进行加工时，在烧蚀区域的四周存在明显的凸起。凸起是由于激光烧蚀时烧蚀区域周围材料熔化后凝固以及孔内熔融物质喷溅在周围重新凝固所产生，抛出物的存在表明了紫外固体激光加工SiC存在光热消融；当采用低激光能量密度进行加工时，会得到较好的加工表面质量，此时的加工表面符合光化学消融，但也存在很薄的一层抛出物。

当材料的蚀除存在光热消融方式时，材料由于高温发生熔化，熔化的材料与空气中的氧气接触，会发生氧化现象。加工区域与未加工区域的能谱分析，如图5所示。加工区域氧的含量高于未加工区域，表明加工过程存在氧化现象。

a 加工区域

b 未加工区域

2.2.2 主要参数对加工尺寸的影响

为了得到加工需要的尺寸，研究如脉冲能量和扫描速度等微槽宽度和微槽深度的影响规律。不同脉冲能量和槽宽和槽深的关系，如图6所示。图6a所示的槽宽的大小随着激光脉冲能量的增加而增大，槽宽的增加呈对数规律，最终将达到一个恒定值。激光扫描工件时烧蚀区域横向尺寸存在极限值，对应一个极限激光脉冲能量。当低于极限脉冲能量进行加工时，烧蚀区域横向尺寸随着脉冲能量的增加而增加；当激光脉冲能量大于极限脉冲能量时，脉冲能量的增大就不会对烧蚀区域横向尺寸产生明显的影响。图6b所示的槽深的大小随着激光脉冲能量的增加而增大。随着激光能量密度的增加，更多的烧蚀物质被抛出，因而烧蚀深度不断增大。扫描次数对槽宽和槽深的影响规律，如图7所示。

a 槽宽

b 槽深

a 槽宽

b 槽深

图7a所示的槽宽在93～101 μm，随着扫描次数的增加槽宽变化不明显。由于重复加工时，材料相同区域较长的激光照射时间间隔会得到较少的热效应累计，槽宽的极限值较小。图7b所示的槽深随扫描次数的增加而变深，槽深随扫描次数的增加呈现线性规律变化。

2.3 紫外固体激光在SiC晶片上加工微细结构

对266 nm紫外固体激光在SiC晶体上加工微孔的实验，确定了266 nm紫外固体激光烧蚀SiC晶体的烧蚀阈值。通过在SiC晶片上加工微槽，确定了266 nm紫外固体激光加工的脉冲能量和扫描速度等主要参数与被加工结构的横向与纵向尺寸的影响规律。利用聚焦的266 nm紫外固体激光束扫描固定在工作台上SiC晶片上加工的微细结构，见图8。

a 微孔

b 微悬梁

c 微细方形微柱

加工后的微细结构放在装有酒精的超声波清洗仪中进行清洗30 min用于去除材料表面的颗粒物，然后放入酸中清洗。从图8中可以看出，加工的微细结构周围很清洁，基本上无熔融物质的存在，但是加工微结构的性能还需要进一步测试。同时也在SiC晶片上进行了其他形状微细结构的加工，为紫外固体激光加工更加复杂的形状加工奠定了一定的基础。

3 结 论

(1)266 nm紫外固体激光加工SiC晶片的烧蚀机理以光热加工为主，烧蚀阈值为0.92 J/cm2。

(2)266 nm紫外固体激光可以在SiC晶片上加工微孔和微槽，其中，微槽的宽度和深度随激光能量密度的增加而增加；激光扫描次数对槽宽的影响不大，但是增加扫描次数可增加槽的深度；通过改变激光能量和扫描次数可得到所需尺寸的微槽。

(3)利用聚焦的266 nm紫外固体激光沿着轨迹扫描，可在SiC晶片上加工出盲孔、通孔、微槽、悬臂梁以及微柱体等微细结构。266 nm紫外固体激光可成为加工SiC微细结构的方法之一。

[1] Rebecca C.用于恶露环境的碳化硅微机电系统[M].王晓浩，唐 飞，王文弢,译.北京： 科学出版社，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] 李长青，王树成，周玉锋，等.飞秒激光烧蚀YAG单晶表面的表征[J].黑龙江科技大学学报，2016，26(5)： 541-545.

[8] 齐立涛，胡金平，于信伟.飞秒激光在蓝宝石晶体表面加工微细结构的实验研究[J].黑龙江科技学院学报，2012,22(3)：297-302.

(编辑 晁晓筠 校对 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

国家自然科学基金青年项目(51205113)；教育部回国人员科研启动基金(第46批)

齐立涛(1977-)，男，黑龙江省绥化人，副教授，博士，研究方向：激光加工、先进制造技术、模具设计与制造、硬岩截割，E-mail：qltlx@hotmail.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.017

TN249

2095-7262(2017)02-0176-05

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