硅片纳秒激光附加电流打孔实验研究.pdf

制造技术/工艺装备现代制造工程()年第 期硅片纳秒激光附加电流打孔实验研究李锦超张伟郑宏宇高军蒋超(山东理工大学机械工程学院淄博)摘要:针对硅片具有反射率高、吸收率低等缺点为了提高纳秒激光(波长为 )在硅片上打孔蚀除材料效率设计附加电流场装置建立单脉冲烧蚀阈值模型经过实验计算得到硅片烧蚀阈值为./采用电流场辅助激光环切式进行硅片打孔分别在激光加工次数和附加电流不同时做实验研究当激光加工次数较少而附加电流较大时激光加工的微孔入口孔和出口孔直径均显著增加锥度减小蚀除材料效率增大当激光加工次数较多时施加电流后由于多脉冲的累积效应微孔直径变化不明显这是由于附加电流场导致硅片内自由电子增多更多的自由电子与激光光子发生碰撞增加硅片对激光能量的吸收 实验表明附加电流增加了硅片对波长为 纳秒激光光子的吸收率提高了硅片蚀除材料效率也为高效率的纳秒激光加工硅片提供一种新方法关键词:硅片激光加工附加电流烧蚀阈值微孔形貌多脉冲累积效应中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.():.()./.:引言不同于传统的机械加工纳秒激光加工技术由于其独特的优势一直备受关注被广泛应用于不同领域例如航空航天、医疗卫生以及微机芯片等 而硅片是重要的半导体材料主要应用于电子产品的集成电路制造中目前加工硅片的方法包括等离子体蚀刻、金刚石切割及光刻微纳技术等 硅片由于其反射率高、表面光泽性强等性质对于短脉冲纳秒激光器的能量吸收率较低因此提高硅片短脉冲激光的吸收率、增大加工效率具有重要意义 等人使用纳秒紫外激光在硅片上加工通孔研究了激光加国家重点研发计划项目()山东省自然科学基金项目()年第 期现代制造工程()工参数对小孔尺寸的影响实验结果表明孔深与激光能量密度存在对数关系多脉冲数的低能量密度比少脉冲数的高能量密度的加工效率高 王银飞等人通过旋转磁场辅助红外皮秒脉冲激光加工 不锈钢打孔对激光加工效率以及表面质量进行研究实验结果表明旋转磁场有效减小了微孔锥度刻蚀深度增大表面喷溅更加显著 等人研究了静电场和激光诱导放电对铜超短激光脉冲钻孔的影响研究表明无激光诱导放电时对铜表面形貌及表面结构没有显著变化当观察到激光诱导放电时铜表面产生更大的热影响区和更多的沉积材料 等人研究了交变电场对激光熔覆 涂层微观结构的影响得出交变电场可以提高激光熔覆 涂层的成核速率细化晶粒的微观结构 等人采用电场与横向吹气相结合的方式通过削弱等离子体的屏蔽效应来提高激光钻孔的效率本文使用波长为 纳秒激光器对硅片进行微孔加工实验研究测定硅片的烧蚀阈值设计附加电流激光打孔实验装置通过不同实验研究了附加电流和激光加工次数对微孔表面形貌的影响规律并分析其原因 烧蚀阈值测定 烧蚀阈值是激光加工中的一个重要因素其决定了激光器给定脉冲能量的最小能量通量在很大程度上影响加工微观结构的质量、形貌、尺寸和烧蚀特性等 激光加工的要求是激光能量密度应高于其加工材料烧蚀阈值 研究材料的烧蚀阈值能够获得激光的光斑半径也作为后续进行附加电流激光钻孔实验提供激光能量的选择依据 确定烧蚀阈值的方法有多种由于烧蚀坑的面积更容易获得且误差较小因此采用面积外推法()确定硅片烧蚀阈值更方便和准确面积外推法烧蚀阈值由式()和式()计算得到即:()()式中:为单脉冲激光有效烧蚀面积的直径为激光光斑半径为激光平均功率 为激光重复频率为在有效激光区域内烧蚀时外轮廓的能量密度为激光烧蚀的最小能量通量(密度)即材料的烧蚀阈值在不同激光平均功率下利用光学显微镜观察纳秒激光在硅片表面的烧蚀形貌如图 所示 当激光能量密度超过材料烧蚀阈值时硅片表面出现微米级凹坑随着激光平均功率的增大烧蚀有效面积增大图 纳秒激光在硅片表面的烧蚀形貌 经过计算得到单脉冲激光烧蚀硅片直径的平方与入射激光平均功率对数呈线性关系图 所示为激光平均功率与烧蚀直径拟合结果 由式()可知直线斜率 即激光光束的束腰半径为 当 时拟合直线与横轴交点处的能量密度值即为硅片的单脉冲烧蚀阈值即单脉冲激光烧蚀阈值为./确定烧蚀阈值后通过调节激光光路中的衰减片使其单脉冲激光能量密度大于硅片的烧蚀李锦超等:硅片纳秒激光附加电流打孔实验研究 年第 期阈值额外的激光能量密度将硅材料从表面去除形成规则的凹坑和微孔图 激光平均功率与烧蚀直径拟合结果 附加电流实验装置纳秒激光器加工工艺参数如下:波长为 激光重复频率为 脉冲宽度约为 采用激光环切式加工扫描速度为 /激光束高斯分布的最大强度即/处的聚焦光斑直径为 激光环切式打孔示意如图 所示 加工材料为 .双面抛光硼掺杂单晶硅片电阻率为.图 激光环切式打孔示意本文设计了附加电流纳秒激光打孔实验装置如图 所示 激光能量聚焦在硅片样品上表面硅片两端施加电流分别为、.和 采用 相机实时监测硅片表面微孔形貌再用高倍显微镜进行观察实验采用阵列打孔方式每组实验样品选择 个小孔分别测得其出口孔和入口孔直径 由于激光束传递的能量不均匀导致激光打孔后的孔形不呈规则圆形利用图像分析软件捕获孔的边缘通过积分边界线计算孔的面积从而得到直径实验在标准大气压、常温环境下进行 实验前对样品进行表面处理样品先用丙酮浸泡 去除有机物及其他杂质然后将样品放置到乙醇溶液中进行超声波清洗激光加工完成后将样品再次放置到乙醇溶液中进行超声波清洗再干燥图 附加电流纳秒激光打孔实验装置 实验结果分析.附加电流对微孔入口孔直径的影响采用 单脉冲激光能量在不同附加电流和激光加工次数时进行实验其微孔入口孔直径如图 所示 由图 所示可知当激光加工次数为、电流为.时微孔入口孔直径为.(见图)与无电流加工(见图)相比增加了.当激光加工次数为、电流为.时(见图)微孔入口孔直径与无电流加工相比又增加了.在激光加工次数为 且无电流时微孔的入口孔直径为.(见图)当激光加工次数为、电流为.时微孔入口孔直径为.(见图)增加了.当激光加工次数为、电流为.时微孔的入口孔直径为.(见图)相比增加了.详细分析微孔入口孔直径变化及其误差关系得到不同电流和激光加工次数时微孔入口孔直径变化如图 所示在施加电流后微孔的入口孔直径比无电流时直径大并且随电流的增大而增大 纳秒激光器的波长为 光子能量为.与硅片的直接带隙能量(.)接近 当硅片两端无电流时激光烧蚀的能量主要通过激光产生的光子和材料上自由电子的非线性吸收 纳秒激光束具有较高的峰值功率密度当激光辐照被加工材料时激光光斑范围内材料吸收热量发生热烧蚀 硅片材料内部的共价 年第 期现代制造工程()键相互结合形成晶格点阵当晶格被激光束辐照时晶格的共有电子与激光产生的光子发生非弹性撞击共有电子吸收光子升级为高能状态提高了晶格的震荡频率硅片材料加工处的温度升高快速将热能向材料四周方向发生热传递瞬间实现了光能向热能的转换产生热烧蚀 当硅片两端施加直流电流时产生更多的自由电子使电子密度增大 电子和晶格间碰撞显著增加引起更剧烈的晶格振动大量共价键被破坏硅片发生多重电离 当施加的电流越大热扩散的速度越快激光向孔周围烧蚀的效果越明显 因而在硅衬底上施加直流电得到更大的入口孔直径图 不同附加电流和激光加工次数时微孔入口孔直径图 不同电流和激光加工次数微孔入口孔直径变化.附加电流对微孔出口孔直径的影响不同电流和激光加工次数时微孔出口孔直径如图 所示 激光加工(扫描)次数为 且无电流时微孔出口孔直径为.电流为.时微孔出口孔直径为.增大了 当施加电流为.时微孔出口孔直径为.增大了.激光加工次数为 且无电流时微孔出口孔直径为.电流为.时微孔出口孔直径为.增大了.电流为 时微孔出口孔直径为.增大了.从图 中提取出口孔直径的数据并根据不同的激光加工次数绘制图 所示的不同电流和激光加工次数微孔出口孔直径变化在激光加工次数较少时附加电流的出口孔直径大于无附加电流的出口孔直径而随着激光加工次数增加附加电流的作用效果减弱这与激光束的高斯特性相关光束中心位置处的激光能量最高烧蚀能量沿中心向边缘逐渐减弱因而出口孔直径比入口孔直径小 另外出口孔直径也与激光束多脉冲累积效应有关由于热累积效应烧蚀阈值降低 当激光加工次数较少时激光烧蚀材料的晶格中出现杂质和缺陷 随着激光加工次数增加缺陷和杂质成为雪崩电离的种子 伴随着多脉冲累积过程的进行出口孔直径增加较大 当电离达到稳定时直径变化不明显 附加电流和多脉冲累积效应都会影响激光束能量吸收 在较高的激光重复频率和激光加工次数下多脉冲累积效应对于出口孔直径的作用更显著在施加电流后出口孔处沉积了大量的熔融喷溅李锦超等:硅片纳秒激光附加电流打孔实验研究 年第 期物质微孔周围的飞溅以及沉积颗粒堆积显著增加见图 当纳秒激光与硅片相互作用激光能量密度大于烧蚀阈值时高峰值功率密度会带走松散束缚的电子导致硅的电离在硅样品微孔内部产生等离子体形成等离子体羽流 等离子羽流是由处于不同激发态的中性粒子、自由电子和离子种类组成 等离子体羽流中的粒子具有不同尺寸较小的粒子()可能是在膨胀的蒸汽羽流中由蒸汽原子冷凝形成的 较大的粒子()是通过从硅靶材直接喷射液体(大液滴飞溅)产生 当激光脉冲的能量密度大于烧蚀阈值时表层下的靶材会发生爆炸性沸腾大颗粒物质会发生质量喷射这些粒子(带电或中性)会由于重力落回底面 施加电流后更多的材料会被蚀除更多飞溅的熔融物质冷凝在材料的出口表面这些带电粒子也会由于电场的吸引力沉积在材料表面图 不同附加电流和激光加工次数时微孔出口孔直径图 不同电流和激光加工次数微孔出口孔直径变化.附加电流对微孔锥度的影响由于激光束具有高斯特性导致微孔的入口孔及出口孔直径不相等因此其锥度角 为:()式中:为微孔的入口孔直径为微孔的出口孔直径 为材料厚度由式()计算得到不同电流和激光加工次数微孔锥度变化如图 所示 当激光加工次数为 电流为.时微孔锥角是.与无电流时的微孔锥角.相比减小了.电流为.时微孔锥角是.与无电流时微孔锥角相比减小了.当激光加工 次时无电流时微孔锥角为.当电流为.时微孔锥角减少到.减小了.当电流为.时微孔锥角为.减小了.施加电流会导致微孔锥角减小电流越大锥角越小 随着激光加工次数的增加电流对于微孔锥角的影响减弱 这是由于当脉冲纳秒激光与硅相互作用时电子吸收光子能量从价态跃迁到导带成为受激电子电子与空穴之间的碰撞引起热化 通过在硅衬底上施加直流电流更多的自由电子可用于与激光光子的相互作用 当受激电子的密度达到一个阈值时电子表现为等离子体导致剩余脉冲能量的吸收更多的激光能量作用在材料表面增加激光束对硅样品的吸收率 激光加工方式为振镜式环切钻孔入口孔直径的变化不明显出口孔直径显著增大孔锥度减小 由 年第 期现代制造工程()于多脉冲累积效应作用当激光光束扫描次数增加时电流对孔锥度的影响减弱图 不同电流和激光加工次数微孔锥度变化 结语)在波长为 纳秒激光加工过程中硅片烧蚀阈值为./附加电流提高微孔加工的入口孔直径和出口孔直径减小孔锥度这是由于附加电流场增加了硅片内自由电子增大了硅片对激光能量的吸收)电流越大激光的烧蚀效率越高蚀除量越大随着激光加工次数的增加附加电流对于出口孔以及孔锥度影响减弱这主要由于多脉冲的累积效应起主导作用)由于重力和电场力等因素的影响附加电流后硅材料的蚀除量增大出口孔处沉积的熔融颗粒会增多更多飞溅的熔融物质冷凝在材料的出口表面参 考 文 献:.():.():.史杨许兵吴东等.飞秒激光直写技术制备功能化微流控芯片研究进展.中国激光():.贾天代冯爱新陈欢等.多晶硅表面皮秒激光阵列孔绒面制备.中国激光():.():.():.:.():.():.王银飞朱浩张朝阳等.旋转磁场辅助激光加工微孔的机理及试验研究.中国激光():.():.():./.:.张圣康.单晶金刚石的飞秒激光微结构化加工技术研究.秦皇岛:燕山大学.():.:.():.():.:.():.()().(.):.(下转第 页)年第 期现代制造工程()为了 估 计 偏 移 误 差 采 用 三 点 法 对 内 径 为.的标准环规进行内径测量 已知环规半径为 则对于三点法则内径的函数()有:()()对环规进行多次重复测量 将测量值代入式()时可以构建目标函数 为:()式中:为测量次数利用 算法对式()进行优化求解其迭代收敛曲线如图 所示可求得偏移量.本文所测石墨型腔轴向截面最小半径.将、代入式()可求得由偏移带来的测量误差 .图 目标函数 迭代收敛曲线 结语本文提出了石墨型腔径向圆跳动与轴向圆弧轮廓度的测量评定方法并设计搭建了基于激光同轴位移传感器的测量系统 试验结果表明本文提出的测量方案具有较好的精度与稳定性对径向圆跳动的测量标准差为.相比人工测量的.精度更高 对参数已知圆弧轮廓度的测量结果表明半径测量值最大偏差为.圆弧轮廓度测量值最大偏差为.测量精度高参 考 文 献:郭燕赵海峰.自定心内径测量装置设计.工具技术():.宋忠超.蜂窝芯类复合材料零件数字化测量方法研究.成都:西南交通大学.():.郭伟灿钱盛杰.厚壁筒形件内表面径向缺陷检测的超声聚焦技术.无损检测():.()():.彭旭钊.钢管涡流检测系统设计及孔类缺陷辨识研究.南昌:南昌航空大学.冷惠文徐春广冯忠伟等.基于圆结构光的复杂深孔内轮廓尺寸测量方法.中国图象图形学报():.徐伟.基于光纤传感器的深孔内表面粗糙度测量方法研究.镇江:江苏大学.朱建杰郑雨昊曹营修等.基于激光三角法的管状物内轮廓测量方法.中国测试():.作者简介:曹朋来硕士研究生主要研究方向为精密测量:.收稿日期:(上接第 页)张萌方英武张广鹏.纳秒脉冲激光辐照铝靶碎片动态响应仿真研究.激光技术():.():.作者简介:李锦超硕士研究生主要研究方向为激光微纳加工与控制技术的研究张伟通信作者硕士研究生导师主要研究方向为微操作技 术与装备等方面的研究郑宏宇博士研究生导师主要研究方向为激光加工技术基础理论和工业应用高军硕士研究生导师主要研究方向为高效加工工艺及表面完整性研究蒋超硕士研究生主要研究方向为激光微纳加工与微加工技术基础理论的研究:.收稿日期: