激光诱导等离子体微纳加工

发布时间：2020-08-07 05:06

【摘要】：随着微加工和微系统技术的发展,表面微/纳米结构广泛应用于各种功能微系统的制备,因此在半导体、玻璃、陶瓷等各种难加工材料上高效制备高质量的微/纳米结构显得尤为重要。目前,微结构的制备方法主要是精密机械加工、微细电火花加工、光刻和激光加工等。相比较其他的制备手段,激光加工技术作为一种高度柔性和智能化的先进加工技术,有着非接触、能量精确可控、材料适应性广、质量优、节能环保等综合优势,但是激光加工的热效应在微结构的制备过程中留下了缺陷,具体表现为边缘重铸层严重、亚表面层微裂纹,这对器件的功能的实现会有显著的影响,所以研究一种新型的激光加工方法很有必要。本文以制备高质量的微结构为目标,采用激光诱导等离子体微纳加工(LIPMM)方法。分析到磁场具有调控运动带电粒子的作用,所以在激光诱导等离子体加工的基础上,深入的开展了磁控激光诱导等离子体微纳加工的研究。本文的创新点、研究内容和结论如下:(1)通过对比激光在空气(Air)中加工、液体辅助激光加工(Ethanol-Assist),LIPMM加工结果,阐明了激光诱导等离子体加工的优势,对比结果显示在重塑层和热缺陷方面LIPMM加工都得到了很大的改善。(2)考虑到磁场具有约束等离子体扩散的能力,可以保证激光诱导等离子体加工的稳定性,本课题提出并研究了相斥磁场调控激光诱导等离子体加工(MC-LIPMM)技术,重点分析了MC-LIPMM的材料去除机理。结果表明,在洛伦兹力的作用下,激光诱导等离子体的体积受到限制,获得了一种高质量的无热缺陷光滑微沟槽。(3)基于激光诱导等离子体加工的独特优势,本文首次提出了基于激光诱导等离子体的二次扫描加工方法,调控微槽截面形状并提升了微槽表面粗糙度。结果表明通过二次扫描的方法,能够有效调控微槽截面轮廓,且微槽表面粗糙度能够从数百纳米级别下降到百纳米以下。并建立了预测沟槽形状的半经验模型,从理论上解释了二次扫描截面轮廓变化和表面粗糙度改善的原因。(4)由于超短脉冲激光诱导等离子体微纳加工(LIPMM)的优点突出,本文首次通过超短脉冲激光诱导等离子体加工方式在NiP金属玻璃上成功制备得到了高质量的大表面微纳结构。实验通过设置不同扫描次数和扫描方式在样品表面制备得到了不同形貌的微结构,并对其形貌差异性进行了理论分析。并着重对比分析了空气中干烧蚀与LIPMM制备得到的微结构的成分及亚表面层质量差异,LIPMM能够有效降低空气中出现的碎屑重铸、氧化、微裂纹、微孔洞缺陷。同时从空气中制备得到微结构与附近区域沉积物的成分相似推测出空气中微结构主要由碎屑重铸形成,并分析了其结构表面微裂纹和孔洞的来源。总体而言,激光诱导等离子体微加工(LIPMM)具有在各种难加工材料表面制备高质量微/纳米结构的潜力,有望为各种微系统的制备提供新的加工手段。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN249;TG139.8
【图文】：

- 3-图 1-1 LIGA 工艺流程LIGA 技术的优势：与其它微纳结构制备方法相比，LIGA 技术具有如下特点：（1）可制造高深径比的图形结构，LIGA 技术成为唯一可以制作深结构微系统技术；（2）取材广泛，可以是金属、玻璃、高分子有机聚合物等；（3）可用来不同几何截面形状的图形结构的制备；（4）可重复使用，符合工业上大批量生产要求，制造成本低廉等。LIGA 技术的局限性：尽管 LIGA 技术可以制作深宽比较大、边壁陡直的微细结构，但是还是存在许多因素限制其发展获得更高的精度。

图 1-4 Lithography 加工原理示意图Lithography 加工技术的特点：（1）大批量生产，符合工业化运用的需求。（2）已经集成智能化设备，整个过程耗费的人力物力较少。（3）使用其他曝光技术（电子束、X 射线、极紫外）来代替传统光学，随着曝光技术本身的不断改进与革命，使加工分辨率得到进一步提升，突破了原来的 0.5 μm 加工分别率极限而且进入了百纳米范围内的纳米加域[38]。Lithography 加工技术的局限性：（1）光刻工艺复杂，将掩膜版上的图形转移到基底上通常要经过涂胶光、显影、刻蚀等 10 多步工艺流程，相较之其他加工方法，步骤显得繁琐中一步出了差错，整个工艺过程都将报废。（2）通常在刻蚀中使用的是 CF4、SF6等气体，这些气体都是有毒气体且化学反应生成的 SiXFy物质也是有毒物质，所以整个加工过程并不复合

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文处的功率密度超过烧蚀阈值，产生多光子吸收和电离，使得加工确的空间定位能力，实现透明材料内部的任意位置的三维超精光加工的局限性：1）激光加工不可避免在材料加工区域造成了热损伤、表面重铸微裂纹等缺陷，图 1-5 为采用纳秒激光所制备微孔的扫描电镜图a)可以清晰看得到微孔周围留下一个圆环状的热作用区，紧靠孔糙且不平整；图 1-5 b)所示的微口处出现的粗糙区域是由熔化飞凝结为固体小颗粒堆积而成，这势必会对材料的力学性能、寿命产生很大影响。对于电子器件来说，材料的加工缺陷会显著影响用性能和寿命。集成电路板同时搭载着数以万计的微型电子器件寿命就决定了整个电路板的性能高低，因此高质量的加工手段显

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本文编号：2783528