飞秒激光在硅表面微加工的研究

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
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
33
Ripples特点（2）
利用FIB观察条纹截面，波纹平均深度 ≈1µm
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
34
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。 2. 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.
1
主要内容


研究背景 实验系统 实验结果及分析
Leabharlann Baidu
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
2
研究背景
1飞秒=10-15秒
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
7
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
飞秒激光在金属上加工六角形网格
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
2014-8-14
35
Ripples 形成过程
相同能量，不同脉冲数
N=1
N=5
N=10
N=50
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory


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
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
6
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。
2014-8-14
26
点结构总结：激光能量与烧蚀区域直径的关系
30 25
m] Diameter D [µ
20 15 10 5 0 N=100 N=50 N=10
0
1
2
2
3
4
Laser Fluence Φ 0 [J/cm ]
Relationship between diameter of the irradiated surface and laser fluences on Silicon
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
27
线结构：平台运行速度的影响
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
28
线结构：重复加工次数的影响
平台移动速度和激光能量不变，重复加工次数改变
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
29
线结构：激光能量的影响
平台移动速度，重复次数不变，激光能量变化
大
小
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
30
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
14
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。
18
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
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
19
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
线结构：各种参数优化后的结果
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
31
复杂图形
行列间距变化，其他参数固定：
300µ m x 300µ m
2014-8-14
120µ m x 120µ m
32
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
21
点结构：激光脉冲数的影响
激光辐照在硅（100）表面
N=1
N=10
N=50
N=100
N=200
N=500
N=1000
N=1500
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
4
长脉冲激光与短脉冲激光的比较 长脉冲激光加工
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
5
长脉冲激光与短脉冲激光的比较 短脉冲激光加工
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
(2) 第一行 Φ=0.30J/cm2 第二行 Φ=0.15J/cm2
25
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
点结构：激光能量的影响
烧蚀能量越大烧蚀面积越大 N=100
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments
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
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
16
实验设备
Set-up of the system
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
17
加工系统主要参数
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
15
实验设备
Femtosecond laser micromachining workstation (UMW 2110i series workstation, Clark-MXR, Inc., USA)
飞秒激光加工的光波导
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
12
飞秒激光的典型应用
微纳米区域的物质转移，利用飞秒激光将特定的物质“搬 移”到特定的部件上，形成极其精密的特定物质图案，如 掩模。在微电子学有着应用。
飞秒激光修复光掩模缺陷
23
点结构：脉冲数对烧蚀深度影响
使用FIB得到截面图
N=50, D= ~5µm
2014-8-14
N=100, D= ~7.14µm
24
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
点结构：激光能量的影响
烧蚀能量越大烧蚀面积越大 N=100
(1) Φ=0.08 J/cm2
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
20
实验结果及分析 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


2014-8-14
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
13
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。
飞秒激光在生物降解聚合物上制成的血管支架
2014-8-14
36
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
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
37
影响Ripples 走向的因素
波纹走向与入射光束的偏振态有关 ，实验证实与晶向无关
无波片
½ 波片 450
无波片
¼ 波片 450
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
38
Questions and Answers
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
39
10
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
飞秒激光逐点扫描法在聚合材料内部加工出的纳米牛 体长只有10微米，高7微米
2014-8-14
Micro-Nano Fabricating & Measurement Laboratory
11
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