248 nm准分子激光旋转加工锥形孔试验

康博栋，单等玉，陈 涛，赵 宇，杨武雄

（北京工业大学激光工程研究院，北京100124）

准分子激光是微加工领域常用的技术之一，对于聚合物的加工非常有优势[1-2]。首先，准分子激光波长短、能量密度高，可进行微电子的微米级高精度加工，并减少热效应的不良影响[3-4]；其次，它属于紫外波段，相较于传统YAG和CO2激光更适合材料尤其是聚合物的吸收，从而更易实现对材料的加工[5]；最后，由于激光的非接触式作用方式，非常适合在医疗设备微器件制造与医学治疗上，可满足医疗设备对于无尘无菌的苛刻要求[6-7]。准分子激光加工的材料包括金属材料、非金属材料、聚合物材料等[8]，很多医用复合材料都可采用准分子激光进行加工[9]，保证材料性能的同时还能提高效率。

目前，锥形微孔加工主要利用圆形掩模选择性透过一部分光斑，再通过后续的光学系统投影到需要加工的聚甲基丙烯酸甲酯 （polymethyl methacrylate，PMMA）薄板上，加工过程中工件静止不动，这种锥形微孔加工方式称为冲孔法[10]。冲孔法有其独特的优点，但有时无法满足更好的锥度同时达到更大的底边直径。而旋转打孔的优势在于，由于掩模不是圆形而是三角形和正方形，在旋转打孔时两种形状的内切圆会获得更多的能量，同时旋转形成的外接圆获得的能量较少，如此会比同样大小的圆形掩模具有更好的锥度。本文基于此理论，探究工艺参数对准分子激光旋转打孔质量的影响。

1 准分子激光旋转打孔试验

1.1 试验系统

试验材料为PMMA，俗称亚克力，其特点为高透明、易加工、耐腐蚀、性能稳定，试样尺寸为10 mm×10 mm×2 mm。试验前，将PMMA薄板放入无水乙醇中超声清洗10 min，然后取出风干备用。

试验采用LPXpro 305型准分子气体激光器，工作气体为KrF，激光波长为248 nm，脉宽为30 ns，单光子能量为5 eV，最大可输出单脉冲能量为1200 mJ，激光光斑为矩形，尺寸约36 mm×18 mm，光束能量分布为帽形，激光脉冲触发模式为外触发模式，激光器由一个与其相联的计算机进行控制。控制系统配置自主研发的准分子激光加工控制界面，可实现多种运动方式与准分子激光器发射激光脉冲的同步编程控制。

本试验采用准分子激光掩膜投影直写加工系统，与冲孔加工系统的区别在于：试验中的位移台是一个四维电控位移台，且在旋转台上额外安装了一个二维位移台以满足制造锥形孔阵列的需要。图1是加工系统试验装置，主要由指示光、准分子激光器、掩膜、反射镜、聚焦投影物镜、样品、四维电控位移台及位移台电机驱动器、控制计算机组成。试验所用的电控位移台可在 x、y、z、c 轴方向上以 1 μm的精度步进，各轴10 mm/s，该阶段由一个步进马达驱动，该马达通过计算机程序同步控制激光发出。

图1 准分子激光加工装置示意图

1.2 试验方法

图2是采用旋转打孔的调焦与旋转台固定位置示意。采用正离焦方式，先将指示光方向和准分子激光方向调一致；使激光在感光纸上留下光斑，将指示光光斑的位置调整到准分子激光光斑的中心位置；之后将激光通过小于激光光斑的掩模孔，所用掩模为边长2 mm的三角形孔掩模，保证指示光的中心区域与三角形孔重合，通过掩膜孔后的激光束横截面即为掩膜孔的形状；然后将样品水平放置，在整个光路中添加248 nm波段的高反射率的反射镜，使光偏转90°方向水平向下，并经过10倍的聚焦投影物镜照射到工件的上表面；最后通过调整z轴找到合适的位置，从而可使PMMA内部的激光能量密度分布小于上表面处的激光能量密度，使得孔的锥度更好一些。

图2 激光加工位置示意图

通过调整旋转台的位置使旋转中心与光斑重合。用自行开发的软件使旋转台旋转的同时让准分子激光器发出脉冲，将三角形孔掩模旋转120°，观察在试样中刻蚀出的轨迹；通过不断调整x、y轴的位置，直到在试样中刻蚀出圆形的痕迹，即达到所需要的效果。如此就达到了旋转中心与光斑的重合，之后就可进行旋转打孔试验。

为了能使光学显微镜观测到锥形微孔的横截面形状，将激光器的辐照范围集中在试样边缘，以此旋转打孔。这样，在试样边缘打出的孔便可通过光学显微镜清楚地看到其横截面的锥形形状，从而作为试验结果的依据。

在整个旋转打孔试验中，找到掩模最佳位置和旋转中心与光斑对准这两个步骤是提高加工效果的关键，也是旋转打孔的基础，它们都可使得加工面能量分布均匀，得到良好的上表面。最佳的像面位置可通过调节三维电控位移台的高度、聚焦投影物镜的角度、光路系统中掩模的位置来实现，而旋转中心与光斑对准这一步只能通过不停地调整旋转台来实现。

1.3 试验过程

调整好位置与参数之后便可进行加工试验，试验参数如下：恒能外触发模式，激光频率1～10 Hz，脉冲能量 100～900 mJ，总脉冲个数 150～1000 个，旋转速度范围每秒1°～10°。将加工好的样品放入无水乙醇中超声清洗10 min，室温风干后测量结果。

首先在显微镜下观察试样上表面，并测量直径大小，之后将样品竖直放置，靠近锥形孔的面朝上，观察锥形微孔的侧面形状，并进行孔深度与底面直径的测量。当激光器发出脉冲加工同一位置时，不同区域的热积累不同，可造成单脉冲刻蚀边缘的微小倾斜角，并且由于旋转台的旋转会导致三角形掩模不同位置的热积累也不同，在三角形中心的内切圆比外围获得更多的能量。在连续的脉冲作用下，刻蚀侧壁沿斜角向下延伸，最终形成一个锥形孔。

由于准分子激光刻蚀聚合物材料是光化学与光热的共同作用机制，其占比取决于激光参数与样品性质。当激光能量在几十纳秒内作用于物体，大多能量都消耗在破坏物质的化学键上，多数情况下光化学机制占主导地位。同时，用JSM840型扫描电子显微镜对样品的内表面进行更精细的观察。用控制变量法进行试验，并探究不同参数对锥形微孔深度与锥度的影响，能为旋转法制造锥形孔的工艺参数与优化提供参考。

2 结果与分析

2.1 旋转台转速对微孔深度与锥度的影响

在试验中对于微孔的锥度测量，使用的计算公式为：

式中：C为微孔锥度；D1为孔上表面直径均值；D2为孔底端直径均值；H为孔的深度。

将激光器调整为外触发模式，焦距和旋转中心都调整为最佳位置，激光器调为恒能模式，激光单脉冲能量为300 mJ，频率为3 Hz，掩模为边长2 mm的三角形掩模，在试样上分10组依次进行旋转速度为每秒 1°～10°的加工试验，每组间隔为 1°/s。

为研究不同旋转速度对微孔的影响，采用移动同样距离的方式来保证激光脉冲数目的一致，用光学显微镜观察孔的上表面与侧面，并用配套的测量软件测量上表面直径、侧面深度、底部直径后进行计算。为提高准确性，对每个参数做四次试验并取平均值，结果见图3。可看出，在只改变旋转台转速的情况下，并不会对微孔的锥度与深度产生较大影响。这是由于准分子激光的脉冲个数和单脉冲能量不发生变化时，材料不会产生多光子吸收、不存在非线性吸收使材料的刻蚀率发生改变。去除率的改变很大程度上由热积累产生，而热积累和热蒸发的过程比旋转台转速快得多，提高旋转速度并不加速刻蚀效率，就不会改变锥形微孔的深度与锥度。

图3 旋转速度对微孔深度和锥度的影响曲线

2.2 单脉冲能量对微孔深度与锥度的影响

采用边长2 mm的三角形掩模，调整激光频率为 3 Hz，旋转台转速为 6°/s，共旋转 360°。 在试样上分9组依次进行单脉冲能量为100～900 mJ的加工试验，每组间隔100 mJ，研究单脉冲能量对微孔深度和锥度的影响。为提高准确性，对每个参数做四次试验并取平均值，结果见图4。可看出，随着激光脉冲能量的增加，锥形微孔的深度逐渐增加，而微孔的锥度则逐渐降低。脉冲能量在100～200 mJ时，锥度和深度变化都很明显；脉冲能量高于500 mJ后，锥度和深度变化缓慢。这是由于在相同孔径和旋转速度的情况下，能量越高，能量密度越大，去除的材料越多，使孔的深度越大而锥度越小。当单脉冲能量到达一定程度时，材料的去除率难有明显的提升，深度和锥度逐渐趋于不变。

图4 激光单脉冲能量对微孔深度和锥度的影响曲线

2.3 脉冲频率对微孔深度与锥度的影响

采用边长2 mm的三角形掩模，调整激光单脉冲能量为 300 mJ，旋转台转速为 6°/s，共旋转 360°。由于旋转打孔的特殊性，改变激光频率可通过改变激光脉冲数目来实现，保证旋转速度不变，在试样上分10组依次进行激光脉冲频率为1～10 Hz的加工试验，每组间隔1 Hz，结果见图5。可看出，随着激光脉冲频率的增加，微孔的深度逐渐增加、锥度逐渐减小；当激光脉冲频率高于6 Hz时，微孔的深度与锥度的变化趋势大幅减缓。这是由于锥形微孔的深度和锥度都是热积累的产物，但当激光脉冲数目到达一定限度时，激光到底边的能量损失非常严重，这会严重影响底边材料的热积累效应，使去除率逐渐降低，导致了孔深度的缓慢增加和锥度的缓慢减小。

2.4 掩模大小对微孔深度与锥度的影响

调整激光参数，固定激光单脉冲能量300 mJ，激光频率 3 Hz，旋转台转速为 6°/s，共旋转 360°。 采用边长分别为1、1.5、2、3 mm的三角形掩模进行加工试验，研究掩模大小对锥形微孔深度与锥度的影响。为提高准确性，对每个参数做四次试验并取平均值，结果见表1。可看出，不同的掩模加工出的锥孔效果都不错，但在使用较大孔径的掩模时，微孔底部的直径非常大，可达460 μm。这是由于当掩模增大后可使更多的光子进入，同时刻蚀面积增大，侧壁的倾斜程度并不降低，由于在深度方向的刻蚀率是一定的，所以会使得底面的边长增大。

2.5 掩模形状对微孔深度与锥度的影响

调整激光参数，固定激光单脉冲能量300 mJ，激光频率 3 Hz，旋转台转速为 6°/s，共旋转 360°。 分别采用外接圆相等的三角形掩模、正方形掩模和圆形掩模，研究不同掩模形状对旋转打孔的影响，结果见图6。对比可知，圆形掩模加工出的微孔锥度较差，三角形掩模加工出的微孔锥度较好。这是由于虽然三种形状的掩模在旋转时的外接圆相同，但它们的内切圆中三角形最小，能量更加集中在圆心周围，这就使得三角形掩模加工出的微孔锥度更好。

图6 不同掩模激光加工微孔形貌

3 结论

基于准分子激光打孔的基础上，进行了旋转法激光加工锥形微孔试验，研究不同参数对微孔深度与锥度的影响，得到以下结论：

（1）脉冲频率和单脉冲能量对微孔的深度与锥度有较大影响，同时掩模的大小和形状也影响着锥形微孔的质量，而旋转台转速对加工孔的影响较小。脉冲频率和单脉冲能量增加，会使微孔的深度大幅增长、锥度大幅减小；掩模越大，会使微孔的深度增加、锥度减小，但太大的掩模会造成锥形微孔底部直径太大而影响孔的加工质量；采用三角形掩模可得到最佳的加工效果。

（2）加工中不断有熔渣产生，会导致孔内表面质量不佳，试验中还应增加对熔渣的处理，可在其周围添加一个吹气装置，通过试验进一步探究对微孔质量的影响。