干法刻蚀辅助飞秒激光加工技术研究

发布时间：2017-12-06 06:26

  本文关键词：干法刻蚀辅助飞秒激光加工技术研究

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【摘要】：近年来,硅、蓝宝石、金刚石等硬质材料的复杂三维微纳结构在微电子、微光学、微机电系统、生物传感等领域获得越来越广泛的关注。目前常用的制备微纳结构的方法包括平面光刻技术、聚焦电子束、纳米压印、聚焦离子束等微纳米加工技术。利用这些微纳加工技术可以实现复杂结构和器件的高精度制备,加工分辨率已经可以达到几个纳米的量级。这些传统加工方法通常只能加工二维或二维半结构,对于三维结构的制备较为困难。并且,硬质材料硬度大、稳定性强等特点也使得对其进行微纳加工较为困难,尤其是进行光学级复杂三维结构的制备更为困难。利用飞秒激光烧蚀技术能够实现对金刚石、蓝宝石和碳化硅等硬质材料进行微纳米结构的制备。然而对于硬质材料的加工,通常需要采用高能量密度激光对材料进行烧蚀,无法实现高速扫描加工。另外,采用高强度激光制备的硬质材料结构表面粗糙度较大,难以满足光学器件对高表面平滑度的要求。针对飞秒激光加工硬质材料面临的加工效率低、表面质量差等问题,本论文提出了利用干法刻蚀辅助飞秒激光加工技术实现硬质材料三维微纳结构的高效率、高精度制备。具体提出了三种方案。一是干法刻蚀辅助飞秒激光多光子聚合图形转移技术实现蓝宝石微凸透镜及螺旋相位板的制备,二是利用干法刻蚀辅助激光改性技术实现硅以及蓝宝石材料微凹透镜阵列的可控制备,三是利用干法刻蚀辅助灰度激光加工技术实现连续面型硅基三维微结构的制备。本论文的具体研究工作如下:(1)利用干法刻蚀辅助飞秒激光多光子聚合图形转移技术实现了蓝宝石微结构的制备。探索了飞秒激光加工参数以及ICP刻蚀参数对制备的蓝宝石结构形貌的影响,实现了微圆锥、台阶状结构以及斜面结构等三维结构的制备,并优化了激光加工以及刻蚀的工艺参数,实现了较好表面质量蓝宝石微凸透镜以及螺旋相位板的制备。验证了干法刻蚀转移飞秒激光多光子聚合制备的光刻胶三维结构的可行性。(2)利用干法刻蚀辅助飞秒激光改性技术实现硅基微凹透镜阵列的可控制备。提出利用飞秒激光对硬质材料进行改性,形成改性区域与未改性区域的刻蚀速率差,随后利用干法刻蚀实现改性区域的快速刻蚀形成设计的结构制备。通过调节激光脉冲能量、脉冲数、刻蚀时间等参数可以实现对微凹透镜直径以及深度的调控。以硅基微凹透镜阵列为模板实现了蜂窝状密排布PDMS微凸透镜阵列的转写制备。探讨了干法刻蚀辅助飞秒激光改性技术与半导体工艺的兼容性方案,并得到了初步的可行性验证。(3)利用干法刻蚀辅助飞秒激光改性技术实现蓝宝石微凹透镜阵列的可控制备。利用飞秒激光振镜、场镜快速扫描加工实现了厘米级大面积蓝宝石微凹透镜阵列的制备,并利用制备的大面积蓝宝石微凹透镜阵列实现了紫外光束的匀化。最后,利用蓝宝石微凹透镜阵列为模板实现了密排布玻璃微凸透镜阵列的浇铸转写制备,为硬质材料微纳结构的浇铸转写制备提供了新思路。(4)利用飞秒激光加工技术实现了硅表面的可控氧化改性。并结合干法刻蚀实现了微齿轮、微型梳妆驱动器、微米级菲涅尔波带片以及微悬臂梁的制备。在此基础上,通过改变激光脉冲功率、扫描点间距可以调控硅表面氧的含量,实现氧含量的灰度调控。利用干法刻蚀辅助激光灰度直写技术实现了三阶台阶结构、台阶上立体文字“LASER”、四棱锥、变焦距微透镜阵列结构以及连续面型菲涅耳波带片的制备。验证了干法刻蚀辅助激光灰度直写技术具有加工任意梯度高度三维结构的能力。综上所述,本论文以解决飞秒激光加工硬质材料加工效率低与表面质量差的问题为出发点,提出了干法刻蚀辅助飞秒激光加工技术。实现了硅与蓝宝石材料表面微光学元件、微机械结构的可控制备。探索了干法刻蚀辅助飞秒激光加工技术与半导体工艺相兼容的可行性方案,为飞秒激光微纳加工技术向工业实际应用的发展提供新的思路。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN249

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2 刘明大;激光辅助干法刻蚀的新进展[J];半导体光电;1986年02期

3 朱洪亮;干法刻蚀Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体材料的最新进展[J];科学通报;1989年22期

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本文编号：1257675