飞秒激光在硅表面微加工的研究.ppt

飞秒激光在硅表面微加工的研究 报告人： 耿娜 指导老师： 傅星 教授 Email：gengna1004@126.com 研究背景 实验系统 实验结果及分析 长脉冲激光与短脉冲激光的比较 研究背景 1飞秒=10-15秒 长脉冲激光与短脉冲激光的比较长脉冲激光加工 长脉冲激光与短脉冲激光的比较短脉冲激光加工 研究背景 飞秒激光在物理、化学和生物等基础学科和大的科学工程方面获得广泛应用。由于它脉冲极短、峰值功率高、可以聚焦到非常小的尺寸、去除物质的深度极浅、持续时间短、引起的变形小等，最近几年飞秒激光在微纳米加工方面越来越引起人们注意，在微机械、微电子和微光学等多个领域中获得成功应用。 研究背景： 飞秒激光特点 加工孔径的熔融区小 可以实现多种材料，如金属，半导体，透明材料内部甚至生物组织等的微加工雕刻 飞秒激光加工机理 飞秒激光进行微加工时，其起始物理过程是物质内部自由电子吸收激光能量。由于脉冲短，峰值功率高，与物质相互作用时发生强烈的多光子吸收过程。在极短时间内产生数量确定的大量自由电子，克服了物质本身在小空间范围内固有自由电子分布的随机性，从而保证后续物理过程的确定性，大大提高了飞秒激光加工的精细程度。 飞秒激光的典型应用 去除物质，对加工对象进行精细雕刻，在微机械领域有重要应用 飞秒激光的典型应用 利用飞秒激光使聚合物变形，加工成各种微型器件 飞秒激光的典型应用 利用飞秒激光对加工对象进行局部改性，它在光通信领域的光波导、光分束器、光耦合器、微型光栅和光开关等微光学领域中具有广泛应用前景 飞秒激光的典型应用 飞秒激光的典型应用 医疗和生物工程领域 在精细医疗器件制作、激光无痛和无损伤医疗以及细胞生物工程技术等方面具有广泛应用前景。 飞秒激光在硅上微加工研究 多种激光微加工技术在MEMS、集成电路中都有很好的应用前景：激光LIGA技术，激光辅助沉积和刻蚀，激光立体平板印刷术等。 飞秒激光这一新型加工方式应用于此领域, 更受世界关注。 因此，我们将应用于MEMS、集成电路最广泛的材料硅，作为我们的研究对象。 Ti 蓝宝石激光器 中心波长 : 775nm 重复频率 : 1kHz 激光脉宽 : 150fs=150X10-15s 激光束高斯分布的线偏振光 5X 聚焦物镜 激光聚焦半径 ：11μm 三维移动平台精度 : 1.0μm 实验内容及方法 点：脉冲数，激光能量 线：平台移动速度，重复次数，激光能量 复杂图形：脉冲数，平台移动速度，激光能量，行列间距 测试手段 利用SEM测试加工表面特征 利用AFM测试得到三维形貌特征 利用FIB得到截面特征 光学显微镜 质谱仪 不同的激光参数对加工结构的影响 加工内容：打点、刻线及复杂图案 在打点过程中发现的Ripples现象 Ripples 形成原因、形成过程及影响因素 线结构：平台运行速度的影响 线结构：重复加工次数的影响 线结构：激光能量的影响 复杂图形 行列间距变化，其他参数固定： 当脉冲激光对硅材料的辐照强度远远高于熔化阈值时,就会发生均匀的熔化,而熔化温度的横向变化所产生的力,将波纹固定在硅材料表面上。液体的表面张力随着温度的升高而减小,而且液体有从较热的区域向较冷的区域扩张的趋势。因此,脉冲激光辐照硅材料表面产生凸凹状形变波纹 线结构：各种参数优化后的结果 300μm x 300μm 120μm x 120μm Ripples特点（1） 两种波纹： 1、方向接近垂直 2、环形区域波纹宽度比内部波纹宽度要窄 环形区域波纹： ≈0.71μm 中部区域波纹： ≈1.5μm 飞秒激光在Si(100) 表面烧蚀 激光能流密度 0.33J/cm2 脉冲数 N=100 Ripples特点（2） 利用FIB观察条纹截面，波纹平均深度 ≈1μm Ripples 形成原因 形成原因： 1. 激光辐照在材料缺陷或尘埃粒子上的散射光与入射激光是相干的,彼此干涉后,受到调制的光辐照在材料表面上形成干涉图案。在材料的光滑表面上,可以观察到等间距的平行条纹。 材料特性，材料熔融冷却后再固化 当脉冲激光对硅材料的辐照强度远远高于熔化阈值时,就会发生均匀的熔化,而熔化温度的横向变化所产生的力,将波纹固定在硅材料表面上。液体的表面张力随着温度的升高而减小,而且液体有从较热的区域向较冷的区域扩张的趋势。因此,脉冲激光辐照硅材料表面产生凸凹状形变波纹. Ripples 形成过程 相同能量，不同脉冲数 N=1 N=5 N=10 N=50 Ripples 形成条件 形成条件： 1. 多脉冲照射 2. 激光能量：在硅烧蚀阈值附近 影响Ripples 走向的因素 波纹走向与入射光