激光技术制备微流道研究范文

《激光杂志》2017年第6期

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

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［1］，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［2］。文献中，微流道制备方式包括利用CO2雷射技术;spacermethod制备三维微流道［3］;牺牲层(Sacrificiallayers)与活性离子蚀刻(reactiveionetching，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［4］。微流道技术开发成为一项重要的研究课题。

1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1kHz至3kHz、电流强度9A至11A及扫描速度10mm/s至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［5］，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分钟至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［6］，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。

2实验结果与分析

2.1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。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［7］，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［8］。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。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［9］;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。

2.2制程参数对微流道宽度影响

分别列出在频率(1kHz)及固定扫描速度(10mm/s)制程参数下，相关制程的微流道宽度曲线图。由图2可知微流道宽度将随着频率的增加而变小［10］。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。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［11］;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。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。

2.3制程参数对微流道深度影响

微流道深度值同样是利用SEM直接测量。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［12］。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［13］，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［14］，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4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［15］。利用图4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［16］，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。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。

2.4制程参数对微流道热影响区的影响

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。从文献中可知，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。

3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。

参考文献：

［2］董培林．SiO2微球负载BTA缓蚀剂型自修复耐蚀涂层的制备及性能研究［J］．表面技术，2016，45(3):158－163．

［3］王又良．激光加工的最新应用領域［J］．应用激光，2015，(5):329－332．

［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，2015，(6):21－23．

［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，2007，(02):51－53．

［9］邵净羽．石英晶振器件的激光刻蚀频率微调研究［D］．杭州:浙江大学，2015．

［10］赵淑芳;脉冲激光刻蚀聚合物及其光致发光性能研究［D］．哈尔滨:黑龙江大学，2016．

［12］孙岳．强激光辐照下材料热弹性响应研究［D］．北京:北京交通大学，2013．

［13］李海燕，张丽冰，李杰，等．外援型自修复聚合物材料研究进展［J］．化工进展，2014，33(1):133－139．

［16］王敏，黄鑫，王家禄，贺子凯．达克罗技术及应用［J］．电镀与涂饰，2013，20(2):65－67．

作者：兰子奇1；史智昊2 单位：1．黄冈职业技术学院，2．北京理工大学