论文发表 | 论文范文 | 公文范文
最新公告:目前,本站已经取得了出版物经营许可证 、音像制品许可证,协助杂志社进行初步审稿、征稿工作。咨询:400-888-7501
您现在的位置: 新晨范文网 >> 科技杂志 >> 电力科技杂志 >> 激光杂志 >> 正文

激光技术制备微流道研究

定制服务

定制原创材料,由写作老师24小时内创作完成,仅供客户你一人参考学习,无后顾之忧。

发表论文

根据客户的需要,将论文发表在指定类别的期刊,只收50%定金,确定发表通过后再付余款。

加入会员

申请成为本站会员,可以享受经理回访等更17项优惠服务,更可以固定你喜欢的写作老师。

《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

激光杂志责任编辑:张雨    阅读:人次