国家自然科学基金项目:“基于层次特征提取与几何模型辅助的轨边图像识别方法研究 ”,项目编号51205115
YAG雷射技术制备微流道的研究
1赵迪,2商林
(1湖北工业大学机械工程学院,430068)
(2. 武汉交通职业学院 电子与信息工程学院,湖北 武汉430065)
摘要:采用YAG雷射制程技术制备微流道,不但处理速度快、低污染、低耗费,硅芯片经YAG雷射表面处理后所呈现微流道,实验得出雷射光斑直径受频率及电流强度所控制,随着频率减少及电流强度增加而变大,微流道宽度随着频率减少及电流强度增加而变宽,扫描速度对微流道宽度无明显影响。微流道深度随着频率及电流强度增加而变深,随着扫描速度增加而变浅。微流道热影响区在各制程参数下,其影响的变化差异并不明显,微流道表面粗糙度随着频率及电流强度的增加而变大,随着扫描速度的增加而降低,最佳制程参数为扫描速度10mm/s、电流10A 及频率1KHz,其微流道表面及轨迹最为平整,且几何形狀最佳。
关键词:YAG 雷射、微流道、制程参数、硅芯片
Study on fabrication of microchannel by laser technology
1.Zhao Di, 2 Shang Lin
School of Electronics and Information Engineering, Wuhan Communication Vocational College, Wuhan 430065,
(1.Huanggang Polytechnic College Huanggang 438002 Hubei)
(2.School of Mechanical Engineering Hubei University of Technology, 430068)
Abstract: using YAG laser process technology for preparation of micro channel, not only fast processing speed, low pollution, low cost, silicon chip by YAG laser surface treatment of micro channel, the laser spot diameter by frequency and current intensity control, with the frequency and reduce the current intensity increases with this, the micro channel wide frequency and reduce the current intensity increase increaecs scanning speed level has no obvious effect on the micro channel wide 2. Micro channel with very important frequency and current intensity increased with increasing scanning speed was deep and shallow. Micro channel heat affected zone in various process parameters, the effect of the difference is not obvious, micro channel surface roughness with increasing frequency and intensity of current intensity and change, with the increase of scanning speed and high and low, the optimum process parameters for high scanning speed and frequency of 10mm/s, current 10A 1KHz, the formation of the micro channel surface and the track, and the best geometric shapes.
Keywords: YAG laser, microchannel, process parameters, silicon chip
1. 前言
近年来激光技术迅速发展, 其应用正在各个领域不断深化和扩展, 使工业、农业、医学、军 事、科研甚至日常生活等方面的面貌有了崭新的 变化,表面处理技术日趋重要。微流道现今广泛应用于微机电与微加工技术,目前大多利用半导体制程技术为基础,整合电子及机械功能制作而成微型装置。文献中,微流道制备方式包括利用CO2 雷射技术;spacer method 制备三维微流道;牺牲层(Sacrificial layers)与活性离子蚀刻(reactive ion etching,RIE)技术;SU-8 与牺牲层技术;牺牲层与UV曝光技术;紫外光雷射類深刻模造(LIGA-like)技术;但尚未发现利用YAG 雷射技术在大气中制备微流道的相关研究。微流道技术开发成为一项重要的研究课题。
2. 实验流程及方法
微流道制程实验采用YAG-50 雷射机。其波长为1064nm 的固体雷射,工作光源采用氪灯泵浦,由Q-switch 对雷射进行腔内调制。微流道制程参数采用频率1~3KHz、电流强度9~11A 及扫描速度10~30mm/s。硅芯片经YAG雷射加工后,将微流道表面抛光,去除加工时因高温所造成的熔融喷溅物及表面杂质,再利用SEM 测量微流道宽度及深度值。其后采用48% 的氢氟酸溶液蚀刻2.5~3.5 分钟,观察热影响区及显微组织变化。微流道表面粗糙度的测量,是直接利用SEM 观察微流道轨迹,用描图纸绘出粗糙度曲线,去除最高及最低数据,再计算Ra值。每一个制程测量五次,最后取平均值。
3. 实验结果与分析
3.1 频率及电流强度对雷射光斑直径影响
将石墨预涂于硅芯片表面,待其干燥后以雷射扫描,利用雷射高功率密度特性,使石墨直接汽化呈现该制程参数的雷射光斑。图2
图 2 典型的光斑显微照片
为利用SEM 所拍摄典型的光斑显微照片。图3
图 3 光斑直径曲线图
为不同制程参数所产生之光斑直径曲线图。图中代号說明:S 表示扫描速度(mm/s),C 表示电流强度(A),F 表示频率(KHz)。图 3 中,当电流固定而改变频率时,光斑直径将随着频率的增加而减少,其主要因素是因为 所使用的YAG 雷射属于Q-switch 脉冲式(pulse)雷射,由Q-switch 控制单位时间内产生的雷射光子的量。在Q-switch 频率不变的情况下,当扫描频率为1KHz 时,由于开关次数不够频繁,因此雷射腔体内可累积较多高能量光子的量,在雷射束射出时,有较多高能光子撞击试片表面,造成雷射光斑面积较大。频率提升至2KHz 时,由于开关次数较1KHz频繁,造成雷射腔体内所累积高能量光子的量不足,在雷射束射出时,撞击试片表面的光子较少,因此雷射光斑面积较小。当频率提升至3KHz 时,雷射光斑面积将会再缩减。因此,在研究范围中可知雷射光斑随着频率变大而有逐渐变小的趋势。
图3 中,当频率固定而改变电流时,光斑直径将随着电流的增加而变大,主要是因为电流强度会影响雷射功率密度;电流强度越高,雷射所射出能量密度也越强,试片表面吸收能量后温度急遽升高,造成汽化效应较为剧烈,同时热传导将表面热能向试片内部传递。因此,在固定频率制程参数下,电强度越高形成的雷射光斑面积越大。
3.2 制程参数对微流道宽度影响
图 4
图 4 典型的微流道宽度金相图
为利用SEM 所拍摄典型的微流道宽度金相图,微流道宽度值则是利用SEM 仪器附加的距离测量装置直接测量。图
5
图 5 固定扫描速度下之微流道宽度曲线图
及图6
图 6 固定频率下之微流道宽度曲线图
分别列出在固定扫描速度(10mm/s)及频率(1KHz)制程参数下,相关制程的微流道宽度曲线图。由图5可知微流道宽度将随着频率的增加而变小。当频率越高雷射光斑面积越小,因此所制备的微流道宽度受光斑原有面积影响,也随着频率增加有逐渐变小的趋势。图5中,当其他制程参数固定而电流逐渐变强时,则微流道宽度将增加。电流强度越高所形成雷射光斑面积越大;雷射功率密度越高,试片表面吸收热能后温度剧增、加热速度提高,导致高温段维持时间延长,平均冷却速度减慢;因上述热效应影响,导致汽化区域扩大,使得微流道宽度随电流增加而逐渐增加。图6中,在改变扫描速度且其他制程参数固定下,微流道宽度并无明显变化,仅影响每一光斑落在基材上的重迭范围。因此,扫描速度对于微流道宽度并无明显影响。
3.3 制程参数对微流道深度影响
图7
图 7 典型的微流道深度金相图
为利用SEM 所拍摄典型的微流道深度金相图,微流道深度值同样是利用SEM 直接测量。图8及图9
图 8 固定扫描速度下之微流道深度曲线图
图 9 固定频率下之微流道深度曲线图
分别列出在固定扫描速度(10mm/s)及频率(1KHz)制程参数下,相关制程之微流道深度曲线图。图8 中,除电流9A 及频率3KHz 制程参数未能测量出微流道深度之外,微流道深度均随着频率的增加而逐渐加深。其原因主要是因为当频率较低时,开启遮板使雷射束达到基材表面的次数远低于频率较高之制程参数。因而当搭配在同一扫描速度制程参数时,在单位时间及单位距离内,若频率为3KHz,每一个脉冲雷射光斑,其圆心距离相距为1个单位距离,则同样的条件下,频率为1KHz 时圆心距离将相距为3 个单位距离。以下面制程参数为例,S:10mm/s, C:10A,F:1KHz 制程雷射光斑圆心距离为10μm,S:10mm/s,C:10A, F:2KHz 制程圆心距离则缩小为5μm,而S:10mm/s, C:10A, F:3KHz 制程圆心距离, 更缩小为3.3μm,因此利用脉冲式雷射制备微流道时,频率较低制程将因其光斑重迭率太低,以致于其反应深度大多决定于单一脉冲雷射所能反应的深度,而频率较高制程将因其光斑重迭区域高,使得其深度是由上一次的脉冲雷射反应深度,加上部份再一次的脉冲雷射所产生的反应深度,故微流道深度随着频率的增加而变深。
在图 8中制程参数S:10mm/s, C:9A, F:3KHz,虽然其频率高达3KHz,但却未能测量出微流道深度,此结论和前面研究成果有些不同,主要因素是由于在3KHz 制程参数下,开关次数太过频繁,造成雷射腔体内所累积高能量光子的量较为不足,而此参数又刚好设定在电流值最低的制程参数中,以致于激发出的雷射能量密度不足,无法在基材反应产生明显深度,使得此制程参数无法制备出 目标物-微流道。
利用图8探讨电流强度对于微流道深度影响,可发现电流强度越强,微流道的深度越深。其原因和2.1 节中电流强度对于试片影响分析相同,使得基材较深区域仍受热能剧烈影响,因此可使得反应深度较深。由图9可知,微流道深度随着扫描速度增加而减少。雷射在制备微流道时,当扫描速度增加,将会减少雷射高能光子作用于试片表面上的时间,表面受热能影响的时间较短,造成表面汽化区域缩减,使得微流道深度降低。因此,微流道深度随着扫描速度的增加而有降低趋向。
3.4 制程参数对微流道热影响区之影响
图 10 图 10 典型的微流道热影响区金相图
为利用SEM 所拍摄典型的微流道热影响区金相图,图中颜色较暗处为其热影响区。在所有制程条件下,微流道热影响区纵深范围均约50μm,误差±5μm。雷射淬火产生的变形相当小,因为它是高能量热源的移动淬火,热影响区比普通淬火方法小得多;另外将雷射作用于工件试验区时,由于基材的质量远大于工件试验区,使工件试验区急遽冷却,属于自冷淬火,也将导致工件变形量极小且热影响区较小。因此,虽然制程条件不同,但在所设定的制程条件下,所供给的热能决大部分是用于将硅芯片直接汽化,导致其微流道宽度与深度的差异。而对于其剩余的热能所引起的热影响区则无明显差异。因此,微流道热影响区在各制程参数下,其影响的变化差异并不明显。
结论:
用YAG 雷射表面处理技术在硅芯片上制备微流道,并分析频率、电流强度及扫描速度对于微流道宽度、深度、热影响区及表面粗糙度之影响。实验结果显示:光斑大小随着频率的增加而减少,但却随着电流强度的增加而增加;微流道宽度则直接决定于光斑之大小;微流道深度及表面粗糙度皆受到频率、电流强度及扫描速度三种制程参数影响;而微流道热影响区在各制程参数下,其影响的变化差异并不明显。研究中当扫描速度10mm/s、电流10A 及频率1KHz 为最佳制程参数。
6. 参考文献
[1]Guangyi Shi, Qiang Huang, Wen J. Li, Wenqian Huang, Gengchen Shi, Kejie Li Mechanical and Electronic Engineering Centre for Micro and Nano Systems Beijing Institute of Technology [2]The Chinese University of Hong Kong No 5, South ZhongGuanCun Street Shatin, New Territories Beijing, China, 100081 Hong Kong SAR, China;Fabrication of Micro Channels in PMMA using CO_2 Laser and Sacrificial Mask Process[A];2003年中国智能自动化会议论文集(下册)[C];2003年
[3] 王又良, 激光加工的最新应用領域, 应用激光, 第二十五卷, 第五期, 第329-332 页, 2005
[4] Wanf S. C., Lee C. Y., Chen H. P., Thermoplasticmicrochannel fabrication using carbon dioxide laserablation, Journal of Chromatography A, Vol. 1111,pp.252-257, 2006.
[5]付申成,陆子凤,刘益春,董林,胡卫林,谢明贵;泵浦光偏振态的改变对SO/PMMA薄膜光致双折射的影响[J];物理实验;2005年06期
[6] Hakamada M., Asao Y., Kuromura T., Chen Y.,Kusuda H., Mabuchi M., Fabrication of coppermicrochannels by the spacer method, ScriptaMaterialia, Vol. 56, pp.781-783, 2007.
[7] Hakamada M., Asao Y., Kuromura T., Chen Y.,Kusuda H., Mabuchi M., Processing ofthree-dimensional metallic microchannels by spacermethod, Materials Letters, Vol. 62,pp.1118-1121,2008.
[8]丁丽;张建奇;郭浩;韩俊鹤;莫育俊;;激光刻蚀银纳米粒子岛膜的SERS特性[J];光散射学报;2016年02期
[9]邵净羽;石英晶振器件的激光刻蚀频率微调研究[D];浙江大学;2016年
[10]赵淑芳;脉冲激光刻蚀聚合物及其光致发光性能研究[D];黑龙江大学;2015年
[11] Noh H. S., Huang Y., Hesketh P. J., Parylenemicromolding a rapid and low-cost fabricationmethod for parylene microchannel, Sensors andActuators B, Vol. 102, pp.78-85, 2013.
[12]孙岳;强激光辐照下材料热弹性响应研究[D];北京交通大学;2014年
[13]王志娟,汤建华,于前洋;激光横向切割长度对片式电阻阻值影响的实验研究[J];激光杂志;2016年01期
[14]贺永宁;张景文;杨晓东;徐庆安;朱长纯;侯洵;;ZnO薄膜的L-MBE动力学机制[J];中国科学(E辑:技术科学);2007年07期
[15]曾涛;董显林;毛朝梁;梁瑞虹;杨洪;;孔隙率及晶粒尺寸对多孔PZT陶瓷介电和压电性能的影响及机理研究[J];物理学报;2006年06期
[16]张燕珂;白莹;张玲;莫育俊;;浸镀法制备SERS活性金衬底研究[J];光子学报;2006年08期