飞秒激光在硅表面微加工的研究.ppt

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1、2023/2/1,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,1,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：,State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments,2023/2/1,2,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,研究背景实验系统实验结果及分析,主要内容,2023/2/1,3,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory

2、,长脉冲激光与短脉冲激光的比较,2023/2/1,4,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,研究背景,1飞秒=10-15秒,2023/2/1,5,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,长脉冲激光与短脉冲激光的比较长脉冲激光加工,2023/2/1,6,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,长脉冲激光与短脉冲激光的比较短脉冲激光加工,2023/2/1,7,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laborat

3、ory,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。,2023/2/1,8,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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,2023/2/1,9,Micro-Nano Fabricating&Measur

4、ement Laboratory,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。,2023/2/1,10,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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,2023/2/1,11,Mi

5、cro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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,2023/2/1,12,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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,飞秒激光加工的光波导,2023/2/1,13,Micro-Nano Fabricating&Measurem

6、ent Laboratory,飞秒激光的典型应用,飞秒激光修复光掩模缺陷,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。,2023/2/1,14,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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,2023/2/1,15,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory

7、,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。,2023/2/1,16,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,实验设备,Femtosecond laser micromachining workstation(UMW 2110i series workstation,Clark-MXR,Inc.,USA),2023/2

8、/1,17,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,实验设备,Set-up of the system,Set-up of the system,2023/2/1,18,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：11m三维移动平台精度:1.0m,加工系统主要参数,2023/2/1,19,Micro-Nano Fabricating&Measur

9、ement Laboratory,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,2023/2/1,20,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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,2023/2/1,21,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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Rip

10、ples 形成原因、形成过程及影响因素,实验结果及分析,2023/2/1,22,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,激光脉冲数对点加工的影响,激光辐照在硅（111）表面同样出现了条纹，随着脉冲数的增加条纹逐渐被破坏,N=50,N=100,2023/2/1,23,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,点结构：激光脉冲数的影响,激光辐照在硅（100）表面,N=200N=500N=1000N=1500,N=1N=10N=50N=100,2023/2/1,24,Micro-Nano Fabri

11、cating&Measurement Laboratory,点结构：脉冲数对烧蚀深度影响,N=50,D=5m,N=100,D=7.14m,使用FIB得到截面图,2023/2/1,25,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,点结构：激光能量的影响,(1)=0.08 J/cm2,(2)第一行=0.30J/cm2 第二行=0.15J/cm2,烧蚀能量越大烧蚀面积越大N=100,2023/2/1,26,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=1

12、00,2023/2/1,27,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,点结构总结：激光能量与烧蚀区域直径的关系,Relationship between diameter of the irradiated surface and laser fluences on Silicon,2023/2/1,28,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,线结构：平台运行速度的影响,2023/2/1,29,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,线结

13、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,2023/2/1,30,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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,2023/2/1,31,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,线结构：各种参数优化后的结果,2023/2/1,32,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,复杂图形,行列间距变化，其他参数固定：,300m x 300m120m x 12

14、0m,2023/2/1,33,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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：0.71m 中部区域波纹：1.5m,飞秒激光在Si(100)表面烧蚀 激光能流密度 0.33J/cm2 脉冲数 N=100,2023/2/1,34,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,Ripples特点（2）,利用FIB观察条纹截面，波纹平均深度 1m,2023/2/1,35,Micro-Nano Fabricati

15、ng&Measurement Laboratory,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.,2023/2/1,36,Micro-Nano Fabrica

16、ting&Measurement Laboratory,Ripples 形成过程相同能量，不同脉冲数,N=1,N=5,N=10,N=50,2023/2/1,37,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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,2023/2/1,38,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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 波片 450,无波片 波片 450,2023/2/1,39,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,Questions and Answers,2023/2/1,40,Micro-Nano Fabricating&Measurement Laboratory,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,