266nm纳秒固体激光在CH薄膜上打孔的工艺实验研究

齐立涛，刘凤聪

(1.黑龙江科技大学 激光先进制造研究所，哈尔滨 150022；2.黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨 150022)

引 言

CH薄膜是一种利用C、H两种元素合成的新型聚合物材料，制备方法主要包括低压等离子体化学气相沉积法[1]和射频等离子体化学气相沉积法[2]等，常被应用于激光惯性约束聚变实验的烧蚀层材料[3]、包装材料领域的阻隔材料[2]和航空航天等空间技术领域的新型润滑材料[4]等。在激光加工聚合物材料时，材料的去除机理主要包括光热蚀除、光化学蚀除、光热和光化学共同作用等[5]。紫外纳秒激光因其波长较短、单光子能量高和聚焦尺寸小等优点[6]，在加工材料时，在一定条件下能够直接打断材料的化学键[7]，更大程度上通过光化学作用实现材料的去除，从而获得较高的加工质量[8]。利用激光打孔技术在聚合物材料上制孔，能够克服传统机械加工中出现的精度低、效率低和孔内碎屑堆积等缺陷[9],但聚合物材料的熔点和沸点较低，加工过程中易出现热烧伤现象[10]，因此，通过研究紫外激光加工聚合物材料的作用机理，找出减轻或避免热影响区问题的方法，已成为重要研究内容。为此，国内外学者做了大量研究。

SRINIVASAN等人利用193nm准分子激光对聚合物薄膜进行刻蚀研究,研究发现,193nm紫外激光可以利用光子能量破坏材料内部的化学键，同时在材料表面形成少量颗粒状碎片，并将这种现象被称为光化学蚀除[11]。SUTCLIFFE等人对紫外激光烧蚀聚合物材料的去除机理进行了研究，通过将刻蚀过程的动力学与实验参数如光子流量阈值、波长和脉宽等相结合，建立了紫外激光烧蚀聚合物材料的光化学模型，通过与实验结果进行比较发现，建立的模型能够定量预测刻蚀特性[12]。D’COUTO等人利用248nm、308nm激光进行了多种聚合物的烧蚀实验,研究发现,聚合物材料在达到烧蚀阈值之后，才会出现降解现象,依据实验结果并结合1维传热模型建立了光热蚀除模型，模型预测的蚀除率-光通量结果与实验结果一致[13]。YALUKOVA等人利用3种波长(1064nm,532nm,266nm)激光进行了热塑性和热固性聚合物的实验研究,研究发现,在1064nm、532nm波长下加工时，材料的去除机理为光热蚀除，加工区域周围会出现燃烧和烧伤现象；在266nm波长下加工时，热损伤现象显著降低。通过分析可知，使用不同光子能量的紫外激光，能够影响光化学蚀除和光热蚀除所占的比例，相互作用机制会发生变化[14]。WANG等人采用355nm波长纳秒紫外激光对聚苯乙烯材料进行了打孔实验研究,研究发现,在不同的激光脉冲能量、重复频率下，光化学蚀除和光热蚀除所占的比例不同，微孔的形成是光化学蚀除和光热蚀除共同作用的结果[15]。

综上可知，国内外学者对激光加工聚合物材料的去除机理进行了一定研究，并结合实验结果建立了包括光化学模型、光热模型等在内的各种蚀除模型。但已有的研究中，关于CH薄膜激光加工的相关研究较少，利用266nm纳秒激光进行材料加工的相关研究也相对较少。因此，本文中利用266nm纳秒固体激光进行CH薄膜打孔的实验研究，分析打孔过程中材料的去除机理和打孔的工艺规律，拟为CH薄膜的工程应用以及266nm纳秒激光的应用提供指导。

1 实验设备与方法

266nm纳秒激光打孔试验系统如图1所示。实验系统中激光器采用北京中科紫玉光电技术有限公司的Nd∶YAG全固态紫外激光器，主要性能参数如表1所示。实验中选取266nm波长激光作为加工光源，激光束能量服从高斯分布。激光束通过反射镜反射，并利用1mm的光阑对光束进行整形，最后经过50mm焦距的平凸透镜聚焦后照射到工件表面。工件放置在电脑控制的X-Y-Z加工平台上，通过控制系统调节打孔位置，工件高度和相邻孔间距等。实验中，激光脉冲能量通过调节激光器输入电流控制，激光脉冲能量数值利用OPHIR公司生产的能量计测量得到。实验在空气和常温下进行，实验后利用原子力显微镜(NT-MDT)和数字显微镜(Olympus DSX1000)检测微孔直径和微孔深度。

Fig.1 Photo of 266nm nanosecond solid-state laser drilling system

Table1 Main parameters of Nd∶YAG laser

实验样品如图2所示。样品包括两层材料，上层为CH薄膜，厚度约为50μm，下层为表面抛光后的硅片，厚度约为1mm。CH膜具有一定的透光性，表面具有部分气泡状的凸起，在显微镜下观察时，可见类似气泡凸起的存在。

Fig.2 Image of CH film sample

利用266nm纳秒固体激光对CH薄膜进行打孔实验，通过控制变量法研究各打孔参数对微孔加工尺寸的影响。因实验条件限制，实验中只考虑激光脉冲能量和脉冲数量两组参数对微孔的影响，且不考虑交互作用。实验中通过改变激光脉冲能量和脉冲数量等激光打孔参数，分别进行激光打孔的工艺实验，检测加工后的微孔直径、微孔深度和微孔表面形貌，分析激光打孔参数对微孔尺寸影响的工艺规律。通过原子力显微镜和数字显微镜检测得到的微孔表面形貌，结合激光打孔参数对微孔尺寸影响的工艺规律，分析266nm纳秒激光加工CH薄膜的材料去除机理。实验中微孔直径、微孔深度等测量参数取3次测量后所得参数的平均值。

2 结果与讨论

2.1 激光脉冲能量对微孔尺寸的影响

2.1.1 激光脉冲能量对微孔直径的影响 图3为不同激光脉冲能量下，单个脉冲打孔时微孔直径的变化趋势。由图3可见，266nm纳秒固体激光在CH膜上进行单脉冲打孔时，随着激光脉冲能量的增大，微孔直径呈现出先逐渐增大，后基本保持不变的趋势。因为激光束服从高斯分布，当激光脉冲能量较低时，光斑中心位置因激光能量密度达到材料的烧蚀阈值成功将材料去除，而光斑外围因激光能量密度不足而无法将材料去除。随着激光脉冲能量的逐渐增大，光斑中心和外围的能量密度不断增大[16]，光斑外围的材料不断被去除，进而表现出微孔直径不断增大的趋势。当微孔直径接近于聚焦之后的光斑束腰直径时，由于光斑大小的限制，以及加工过程中等离子体屏蔽效应、热扩散和热对流等多方面的影响[17]，微孔直径趋近于极限最大值，并维持基本不变的趋势。实验中当激光脉冲能量为0.014mJ时，微孔直径最小为26.457μm；当激光脉冲能量增大至0.202mJ时，微孔直径增大为42.663μm，随后微孔直径随激光脉冲能量增大的增大趋势变缓，并基本保持不变；当激光脉冲能量为0.326mJ时，微孔直径最大为43.083μm。

Fig.3 Diameters of the microholes under single pulse drilling at different laser pulse energies

2.1.2 激光脉冲能量对微孔深度的影响 图4为不同激光脉冲能量下，单个脉冲打孔时微孔深度的变化趋势。由图4可见，266nm纳秒固体激光在CH膜上进行单脉冲打孔时，随着激光脉冲能量的增大，微孔深度呈现逐渐增大的趋势，且增大趋势逐渐减缓。这是因为当激光脉冲能量增大时，激光能量密度增大，单位时间和单位面积内材料吸收的激光能量增多，能量传递效率增加，更多的材料被烧蚀去除，微孔深度逐渐增大[18]。但是随着微孔深度不断增大，一方面由于材料内部的能量扩散范围有限，另一方面由于等离子体屏蔽效应和激光持续时间较短等因素的影响，微孔深度的增大趋势逐渐变缓。实验中当激光脉冲能量为0.014mJ时，微孔深度最小为0.756μm；当激光脉冲能量为0.326mJ时，微孔深度达到最大为1.410μm。

Fig.4 Depth of microholes under single pulse drilling at different laser pulse energies

2.2 激光脉冲数量对微孔尺寸的影响

2.2.1 激光脉冲数量对微孔直径的影响 图5为激光脉冲能量分别为0.017mJ,0.034mJ和0.098mJ时，不同激光脉冲数量下，微孔直径的变化曲线，图中激光脉冲数量无单位。由图5可见，当脉冲数量在5～50范围内时，随着脉冲数量的增加，微孔直径不断增大，当脉冲数量达到50之后，增大趋势变缓。这是因为随着脉冲数量的增加，激光对材料的作用时间增加，加工区域吸收了更多的激光能量，从而使更多的材料被烧蚀去除，微孔直径逐渐增大。但是由于聚焦之后光斑直径的限制，能量扩散不足以将微孔边缘更多的材料烧蚀去除，故微孔直径增大趋势变缓[19]。实验中当激光脉冲能量为0.017mJ、脉冲数量为5时，微孔直径最小为26.742μm；当激光脉冲能量为0.098mJ、脉冲数量为100时，微孔直径达到最大为45.090μm。

Fig.5 Diameter of microholes under different number of laser pulses

2.2.2 激光脉冲数量对微孔深度的影响 图6为激光脉冲能量分别为0.017mJ，0.034mJ和0.098mJ时，不同激光脉冲数量下，微孔深度的变化曲线。由图6可见，随着脉冲数量的增加，微孔深度不断增大，当激光脉冲能量较高时，微孔深度随脉冲数量的增加呈线性增长，当激光脉冲能量较低时，微孔深度增大幅度有减缓的趋势。这是因为随着脉冲数量的增加，激光与材料的作用次数增加，材料不断吸收激光能量后达到烧蚀阈值，并以熔化或汽化的形式去除，过程中不断形成蒸汽以及等离子体等气体，气体在激光作用下发生膨胀并产生向外的冲击压力，被烧蚀材料不断的被排出孔外。激光继续同微孔底部的材料相互作用，重复上述步骤，从而使微孔深度不断增大[20]。当激光脉冲能量较小时，微孔深度的增大趋势逐渐变缓，分析原因可能为激光能量较小，随着微孔深度的增加，激光束不能够完全穿透加工过程中的等离子体等气体，使得到达微孔底部的激光脉冲能量变少，从而造成微孔深度的增大趋势变缓。试验中当激光脉冲能量较低(0.017mJ,0.034mJ)时，激光穿透50μm的CH膜需要90～100个脉冲，单脉冲烧蚀率约为0.56μm/pulse；当激光脉冲能量较高(0.098mJ)时，激光穿透50μm的CH膜需要45～55个脉冲，单脉冲烧蚀率约为1μm/pulse。

Fig.6 Depth of microhole under different number of laser pulses

2.3 CH膜激光打孔的机理分析

图7为利用数字显微镜得到的不同激光脉冲能量下单脉冲打孔图。图8为利用原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)得到的3维形貌图。由图7、图8可见，利用266nm纳秒固体激光在CH膜上进行单脉冲打孔时，微孔形状较规则，尺寸均匀，微孔内部无熔融物沉积，孔边缘无残渣、碎屑等喷溅物，微孔内部和周围较为清洁。

Fig.7 Digital microscope morphology of single pulse drilling at different laser pulse energy

Fig.8 AFM morphology of single pulse drilling at different laser pulse energya—0.014mJ b—0.202mJ c—0.326mJ

上述结果表明，266nm纳秒固体激光在CH膜上进行单脉冲打孔时，加工特征与光化学蚀除的“冷加工”特性相似度较高[21]，因此推断266nm纳秒固体激光在CH膜上进行单脉冲打孔时，材料去除机理主要为光化学蚀除。在光化学蚀除的过程中，材料在吸收激光光子能量后，内部会通过化学反应实现能量的弛豫，即材料内部的化学键被激光光子能量破坏，加工区域材料被降解为分子或原子碎片，并在压强的作用下被排除孔外，进而实现材料的去除。

图9为不同激光脉冲数量打孔时，由数字显微镜观测得到的CH膜表面形貌图。图9中激光脉冲能量为0.034mJ，脉冲数量由上到下各行依次为2,5,10,20,50,100个脉冲。由图9可见，利用266nm纳秒固体激光在CH膜上进行多脉冲打孔，当脉冲数量较少(2～50)时，微孔形状规则，大小均匀，微孔周围无残渣、碎屑等抛出物，边缘无热影响区；当激光脉冲数量大于50时，微孔周围出现大量的熔融物沉积，并且材料表面出现一定的烧伤现象。

Fig.9 Digital microscope morphology of drilling at different pulse numbers

结合图6可知，当激光脉冲能量为0.034mJ时，激光穿透50μm的CH膜需要90个脉冲左右，在激光穿透CH膜前，激光去除材料的方式主要为光化学蚀除，因此加工效果较好。当激光穿透CH膜之后，激光继续与CH膜下方的硅片发生反应，因硅片的熔点在1400℃左右，加工过程中的高温导致CH膜材料出现烧伤现象。因硅片为硬脆材料，紫外纳秒激光与其作用过程中，主要通过光热蚀除将材料去除，因此加工过程中会出现较为明显的熔融物喷溅以及重凝现象[22]。在熔融物从微孔底部喷出的过程中，高温状态的熔融物会粘连部分CH材料，并混合为一体，最终重凝于微孔周围，造成加工区域周围出现大量棕色飞溅物，如图9最末行所示。

3 结 论

(1)通过266nm纳秒固体激光在CH膜上单脉冲打孔的实验，得出了激光脉冲能量对孔径和孔深的影响规律。随着激光脉冲能量的增大，孔径和孔深都呈现出先逐渐增大，后增大趋势减缓，并最终基本保持不变的趋势。实验中当激光脉冲能量为0.014mJ时，微孔直径和深度最小，分别为26.457μm和0.756μm；当激光脉冲能量为0.326mJ时，微孔直径和深度最大，分别为43.083μm和1.410μm。

(2)通过不同激光脉冲能量下，266nm纳秒固体激光在CH膜上多脉冲打孔的工艺实验，得出了激光脉冲数量对孔径和孔深的影响规律。随着激光脉冲数量的增加，孔径和孔深都呈现出不断增大的趋势，其中微孔直径增大趋势逐渐变缓。实验中当激光脉冲能量较低(0.017mJ,0.034mJ)时，激光烧蚀CH膜的单脉冲烧蚀率约为0.56μm/pulse；当激光脉冲能量较高(0.098mJ)时，激光烧蚀CH膜的单脉冲烧蚀率约为1μm/pulse。

(3)266nm纳秒固体激光在CH膜上打孔时，微孔形状规则，大小均匀，微孔周围无残渣、碎屑等抛出物，边缘无热影响区。通过对打孔形貌进行分析，得出其加工特征与光化学蚀除的冷加工特性较为相符，推断266nm纳秒固体激光在CH膜上进行打孔时，材料去除机理主要为光化学蚀除。加工结果说明了266nm纳秒激光加工CH膜材料时具有较好的加工质量。

上述研究为CH膜材料以及266nm纳秒激光在工程中的应用提供一定的指导意义。