（机械制造及其自动化专业论文）纳秒脉冲激光的掩模微细刻蚀加工试验研究.pdf

t叭， 。知 一 ， 一 独创性声明 j j f 舢| f | f 删f j j j f | 舢 8 9 5 18 1 ”。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：浓渗 年月日 3 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：说扣谬 年月 日 指导教师签名：裂司铱 年月日 江凝 纳秒脉冲激光的掩模微细刻蚀加工试验研究 e x p e r i m e n ti n v e s t i g a t i o no n m i c r o e t c h i n gu s i n gn a n o s e c o n d p u l s e dl a s e rw i t hm a s k 指导教师韭丞鏖教攮韭塑田副数攮 姓名医玉 江苏大学 二零一一年六月 1 。_ 激光微细加工技术是利用激光束作用于工件表面的激光辐射效应，改变工件 形状，或材料性能的一种特种加工技术，属于非接触加工，具有表面质量好、无 工具磨损等优点，在微细制造领域有着很大的应用潜力。本文主要研究了纳秒脉 冲激光的掩模微细刻蚀加工，在激光的传输光路中加入掩模板，实现了掩模图形 的激光缩映加工，与飞秒激光微细加工相比可显著提高加工效率，加工精度由掩 模保证。 本文从金属的脉冲激光热一力学加工机理出发，采用纳秒脉冲激光进行了常规 掩模和液晶掩模的微细刻蚀加工试验，分析了激光能量参数对刻蚀加工的作用和 影响。本文主要研究内容和创新点如下： ( 1 ) 研究了不同介质中纳秒脉冲激光掩模加工效果，实现了成形精度较好的激光 掩模微细刻蚀加工： 针对纳秒脉冲激光加工的热影响问题，构建纳秒脉冲激光掩模微细加工系统， 分别在空气中、纯水中和盐溶液中进行了加工试验。与空气中激光的热烧蚀加工 相比，激光加工水下工件时，由于水流的作用，激光辐照的多余热量被带走，加 工热影响区明显减小。同时，水下激光辐照还会在加工区域造成光学击穿产生等 离子体冲击波，在水层的约束限制作用下，加工表现出了明显的冲击波力学效应。 正是通过这种热一力学的复合效应，使金属材料表面产生材料去除和变形的加工效 果。最终在质量分数为1 5 的n a n 0 3 的溶液中，利用热一力效应和化学反应的复合 作用，实现了线宽1 2 0 9 m 左右，热影响区小，成形精度较好的微细刻蚀加工。 ( 2 ) 研究了液晶掩模的纳秒脉冲激光加工效果，测得了液晶掩模损伤激光损伤阈 值，并在合适的激光密度能量范围内加工出完整的图形： 针对常规掩模的图形不能实时变化的缺点，为提高激光掩模加工的灵活性， 采用液晶空间调制器作为柔性掩模进行了刻蚀加工试验。在分析液晶掩模原理的 基础上，构建了液晶掩模激光微细加工系统，并且通过试验研究了液晶掩模加工 图形特点和液晶掩模的损伤现象，测得了激光对液晶掩模照射的损伤阈值。观察 液晶掩模的加工形貌发现，图形线条呈现边缘没有烧蚀而内部发生烧蚀的现象， 其原因是由于黑栅遮光引起的边框效应和黑色像素的光透射率较高而造成的。研 究结果表明：液晶掩模能够通过调节光的透射率实现遮掩效果，激光能量又对液 t 纳秒脉冲激光的掩模微细刻蚀加工试验研究 晶掩模具有破坏作用，液晶掩模的激光损伤阈值约为2 5j 锄2 ；激光能量密度在 0 6j 锄2 0 8j c m 2 之间时能够加工出完整的图形。 关键词：微细加工，纳秒脉冲激光，热一力学效应，液晶掩模，光束调制 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g yi sal ( i n do fn o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n g w h i c h u s e st h ee f f e c t so fl a s e rr a d i a t i o no nt h ew o r k p i e c es u r f a c et oc h a n g et h es h a p eo ft h e w o r k p i e c eo rt h ep r o p e r t i e so f m a t e r i a l i to w n ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha sn o n c o n t a c t m a c h i n i n g 诵t hg o o ds u r f a c eq u a l i t y , n ot o o lw e a r , e t e i nt h em i c r o m a c h i n i n gf i e l d ，i t h a sag r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a l t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sl a s e rm i c r o e t c h i n gu s i n g n a n o s e c o n dp u l s e dl a s e rw i t hm a s k b yj o i n i n gt h em a s ki n t ot h et r a n s m i tp a t ho fl a s e r , n a n o s e c o n dp u l s e dl a s e rw a sa d o p t e dt om i c r o c o p yt h ei m a g eo f m a s ka tt h ew o r k p i e c e s u r f a c eu n d e rw a t e r i t se f f i c i e n c yi so b s e r v e dh i g h e rt h a nt h a to ff e m t o s e c o n dp u l s e d l a s e rm i c r o m a c h i n i n g ，a n di t sp r e c i s i o ni sd e t e r m i n e db yt h em a s k i nt h i sp a p e r , t h el a s e rm i c r o e t c h i n ge x p e r i m e n to nt h em e t a lw i t hn a n o s e c o n d p u l s e dl a s e ru s i n gm a s kh a sb e e nd o n eo nt h eb a s i so fl a s e rt h e r m a l - m e c h a n i c a l m e c h a n i s m ac o n v e n t i o n a lm a s ka n dal i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) m a s kw e r eu s e d i nt h ee x p e r i m e n tr e s p e c t i v e l y , a n dt h er o l ea n di m p a c to ft h el a s e re n e r g yp a r a m e t e r o nt h ee t c h i n gm a c h i n i n gw a sa n a l y z e d t h em a i ni n n o v a t i o n sa n dc o n t e n t so ft h i s p a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) n a n o s e c o n dp u l s e dl a s e rm i c r o - e t c h i n gu s i n gm a s kw a ss t u d i e di nt h r e e m e d i u m s ，a n dl a s e rm i c r o - e t c h i n gw i t ht h eg o o ds h a p e dp r e c i s i o na n dt h el i t t l e h e a ta f f e e t e dz o n ew e r eo b t a i n e d ： f o rt h et h e r m a le f f e c t si nt h ep r o c e s so fn a n o s e c o n dp u l s e dl a s e rm a c h i n i n g , a l l e x p e r i m e n t a ls y s t e mu s i n gn a n o s e c o n dp u l s e dl a s e rw i t hm a s kw a sf o u n d e da n dl a s e r m i c r o - e t c h i n ge x p e r i m e n t sw e r ep r o c e s s e di na i r , w a t e ra n ds a l ts o l u t i o n ，r e s p e c t i v e l y d u et ot h ec o o l i n ge f f e c to fw a t e r , t h es u p e rh e a to fl a s e ra b l a t i o nw a sf l o w e da w a y a n dh e a t - a f f e c t e dz o n ev i s i b l yd e c r e a s e d a tt h es a m et i m e ，l a s e ri r r a d i a t i o nu n d e r w a t e r b r o u g h to nt h eo p t i c a lb r e a k d o w na n di n d u c e dt h ep l a s m as h o c kw a v ei nt h ee t c h i n g a r e a t h em a c h i n i n gp r o c e s se x p r e s s e do b v i o u s l ys h o c km e c h a n i c a le f f e c t so w i n gt o t h ec o n f i n ea n dr e s t r i c t i o no ft h e3 m mt h i c kw a t e r l a y e r t h r o u g h t h e t h e r m a l m e c h a n i c a lc o u p l i n ge f f e c t ，t h em e t a lw o r k p i e c ew a se t c h e da n dt r a n s f o r m e d i i i 纳秒脉冲激光的掩模微细刻蚀加工试验研究 i nt h en a n 0 3s o l u t i o nw i t hc o n c e n t r a t i o no f15 t h el a s e rm i c r o e t c h i n gu s i n gm a s k w a sc a r r i e do u ta tt h et h e r m a l - m e c h a n i c a le f f e c ta n dt h ec h e m i c a lr e a c t i o n t h es h a p e d p r e c i s i o nw i t h12 0 1 上ml i n ew i d t ha n dt h el i t t l eh e a ta f f e c t e dz o n ew e r eo b t a i n e d ( 2 ) n a n o s e c o n dp u l s e dl a s e rm i c r o m a c h i n i n gu s i n gl c dm a s kw a ss t u d i e d ，a n d t h el a s e rd a m a g et h r e s h o l do fl c dm a s kw a sm e a s u r e d ，a n dac o m p l e t eg r a p h i c s w a sp r o c e s s e di nt h ea p p r o p r i a t er a n g eo fl a s e re n e r g yd e n s i t y ： b e c a u s et h ei m a g eo nt h ec o n v e n t i o n a lm a s kc a n tc h a n g ei nr e a l t i m e ，i no r d e rt o i m p r o v et h ef l e x i b l eo fl a s e rm a c h i n i n gw i t hm a s k ，al i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) w a s u s e da sam a s ka n da p p l i e dt os t u d yl a s e rm i c r o m a c h i n i n gu s i n gl c dm a s k b a s e do n t h ep r i n c i p l eo ft h el c d m a s k ，t h es y s t e mo f l a s e rm i c r o m a c h i n i n gu s i n gl c dm a s k w a sf o u n d e d t h ee f f e c to fl c dm a s km o d u l a t i o nw a sd i s c u s s e da n dt h eg r a p h i c m o r p h o l o g yo fl a s e rp r o c e s s i n ga n dt h ep r o b l e mo fl c d m a s kd a m a g ew e r es t u d i e d b ye x p e r i m e n t ，a n dt h el a s e rd a m a g et h r e s h o l do fl c dm a s kw a sm e a s u r e d b y o b s e r v i n gt h eg r a p h i c sm o r p h o l o g y , i tw a sf o u n dt h a tt h eg r a p h i c s o fl c dm a s k p r o c e s s i n gs h o w e dt h a ti t se d g e sw e r en o ta b l a t e db u tt h e i n s i d ew a sa b l a t e d b y a n a l y s i s ，i tc o n s i d e r e dt h a tt h er e a s o no ft h i sp h e n o m e n o nw a sb e c a u s eo ft h ef r a m e e f f e c tc a u s e db yo p a q u el a t t i c es h a d i n gl i g h ta n dt h eh i g l ll i g h tt r a n s m i t t a n c eo fb l a c k p i x e l r e s u l t ss h o w e dt h a tl c dm a s ka c h i e v e dc o v e re f f e c tb ya d j u s t i n gt h el i g h t t r a n s m i t t a n c ea n dl a s e re n e r g yh a dad e s t r u c t i v ee f f e c to nl c d ，t h em a s kl a s e r t h r e s h o l do fl c dw a sa b o u t2 5 j c n l ；ac o m p l e t eg r a p h i c sc a nb ea b l a t e di nt h e 0 6 j e r a 2 0 8 j e r a 2 k e yw o r d s ：m i c r o m a c h i n i n g ；n a n o s e c o n dp u l s e dl a s e r ；t h e r m a l - m e c h a n i c a l e f f e c t ；l c dm a s k ；b e a mm o d u l a t i o n i v 第一章绪论。 1 1微细加工技术概述及应用。l 1 2 微细加工技术的种类3 1 2 1 超精密机械微细加工技术3 1 2 2l i g a 准l i g a 技术3 1 2 3 硅微细加工技术4 1 2 4 微细电火花加工技术5 1 2 5 微细电化学加工技术6 1 2 6 高能束流微细加工技术7 1 3 激光微细加工技术7 1 3 1 激光微细加工特点及分类8 1 3 2 脉冲激光微细刻蚀技术9 1 3 3 脉冲激光加工技术国内外研究进展：1 0 1 4 本文研究背景p 意义及主要内容。1 1 第二章金属的纳秒脉冲激光加工机理1 3 2 1激光与金属的相互作用。1 3 2 1 1金属对激光的反射与吸收。1 3 2 1 2 激光对金属的加热：1 5 2 1 3 激光引起金属靶材的气化、等离子体产生与烧蚀。1 6 2 2 金属的纳秒脉冲激光烧蚀理论模型1 6 2 3 纳秒脉冲激光对水下金属靶材的热力学作用1 9 2 3 1 加工过程的阶段分析1 9 2 3 2 加工过程中的热效应分析2 1 2 3 3 加工过程中的力效应分析。2 2 2 4 本章小结2 6 第三章纳秒脉冲激光对水下靶材的掩模微细刻蚀加工2 7 3 1 引言2 7 3 2 掩模微细加工系统及试验设计2 7 3 2 1加工系统2 7 3 2 2 试验设计3 2 v 纳秒脉冲激光的掩模微细刻蚀加工试验研究 3 3空气中的加工试验3 3 3 3 1 空气中加工的图形形貌分析3 3 3 3 2 空气中工艺参数对加工效果的影响一3 4 3 3 3 空气中工艺参数对线宽的影响3 5 3 4 水中的加工试验3 5 3 4 1 水层厚度的选择3 6 3 4 2 水下加工的图形形貌分析3 6 3 4 3 水下工艺参数对加工效果的影响3 7 3 4 4 水下工艺参数对图形线宽的影响3 8 3 5 盐溶液中的加工试验3 8 3 6 三种介质的对比分析3 9 3 7 与激光直写刻蚀技术对比一4 0 3 8 本章小结4 2 第四章液晶掩模的纳秒脉冲激光加工的试验研究4 3 4 1 引言一4 3 4 2 液晶掩模的基本原理4 3 4 2 1液晶简介4 3 4 2 2 液晶空间光调制器。4 4 4 2 3 液晶掩模对激光光束能量的调制特性4 6 4 3 液晶掩模加工试验4 9 4 3 1加工试验系统设计4 9 4 3 2 液晶掩模的穿透损伤阈值5 0 4 3 3 液晶掩模激光加工图形的形貌分析5 2 4 4 本章小结5 4 第五章总结与展望。 5 5 参考文献。5 7 致谢6 2 攻读硕士学位期间发表的论文与专利。6 3 硕士期间参与的科研项目6 3 技术。自从1 9 8 7 年美国科学家利用半导体i c i 艺首次制造出直径为l o o p m 、转子 直径仅为6 0 岬的硅静电微型电机，这一突破性的研究成果开辟了微机械的崭新领 域。微机械发展至今一直受到世界各国的广泛关注，被列为是面向二十一世纪关 键技术之首。 微机械在美国被称为微机电系统m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，日 本称之为微机械m m ( m i c r o - m a c h i n e ) ，欧洲叫做微系统m s ( m i c r o s y s t e m ) 。在微 小型化技术领域，按照微机械的外形尺寸被划分为l n m 1 岬的纳米机械， l p m l m m 的微型机械和l l o o m m 的小型机械；相应地，按照零件外形尺寸可分 为纳米尺度( 0 1 l o o n m ) 、微米尺度( o 1 - 1 0 0 肛m ) 和介于宏微之间的中间尺度 ( o 1 l o o m m ) t 1 圳。和传统机械相比，微机械在许多方面都具有独有的特色，概括 起来具有以下几个基本特点【1 】： ( 1 ) 体积小，精度高，重量轻。其体积可小至亚微米以下，尺寸精度可达到 纳米级，重量可轻至纳克。 ( 2 ) 性能稳定，可靠性高。由于微机械器件的体积小，有些几乎不受热膨胀、 噪声和挠曲等因素的影响，具有较高的抗干扰性，可以在较差的环境下稳定工作。 ( 3 ) 能耗低，灵敏性和工作效率高。在完成相同的工作，微机械所消耗的能 量仅为传统机械的十几分之一或几十分之一，而运转速度可以高达1 0 倍以上。 ( 4 ) 多功能化和智能化。许多微机械集传感器、执行器和电子控制电路等为 一体，特别是应用智能材料和智能结构后，更利于实现微机械的多功能化和集成 化。 ( 5 ) 适合大批量生产，制造成本低廉。微机械能够采用与半导体制造工艺类 似的生产方法，像超大规模集成电路芯片一样，一次制成大量完全相同的零部件， 制作成本比传统机械加工显著降低。 l 。 纳秒脉冲激光的掩模微细刻蚀加工试验研究 从民用到国防、从医学到空间科学等众多应用领域，以微机械系统为核心的 微小型器件和装置无论在降低成本和节约能源，还是在功能集成和性能稳定方面 都有着广阔的应用前景。航空、航天、兵器、核工业等国防工业领域中存在着各 种微细加工任务。如：惯性导航系统、反射镜、发动机微型过滤网、微型传感器 及各类m e m s 器件等。微型航空器、微型武器、微型军用机器人的研制，航空机 载设备、惯性导航系统性能的提高都取决于微细加工技术的水平。另外，微小生 物医疗器械、微型化工装备、电子产品、i c 封装模具、仪器仪表等也都需要具有 微尺度特征的关键部件。如：具有数十微米和数百微米微流道的微泵、微阀等微 流体器件，压力、加速度、陀螺等微传感器，电泳、d n a 探测等微生物芯片以及 微光学器件等【4 卅。而在很多宏观尺度产品中，整体尺寸虽不微小，但局部具有微 细结构，如航空航天发动机中的微型过滤网，还有轴类零件表面的微米尺度的油 槽、高性能层板结构叶片发汗孔和微凸台阵列、新一代汽车发动机燃油喷嘴、高 品质化纤喷丝板等。因此，发展针对微细尺度的、能够加工金属及其合金材料( 特 别是一些极限作业环境下所要求的高强度、高韧性、耐高温、抗疲劳等性能的合 金材料) 的微细加工方法已成为当前微制造领域的迫切要求。 图1 - 1 小型化产品应用领域忉 江苏大学硕士学位论文 1 2 微细加工技术的种类 微细加工技术( m i c r o f a b r i c a t i o n ) 起源于半导体制造工艺，是微机械制作的 重要基础，在微机械研究领域中，它是微米级、亚微米级乃至纳米级微细加工的 通称。经过多年发展，微细加工技术已经取得了长足的发展，研究范围已扩展到 各种现代加工技术。目前，应用于微机械的微细加工方法主要有：超精密机械微 细加工技术、基于图形转印方式为主的l i g a 准l i g a 技术、硅微加工技术以及 微细特种加工技术等。 1 2 1 超精密机械微细加工技术 超精密机械微细加工技术是利用小型化的精密高速设备和刀具改变材料形状 或去除材料，以切削加工的方式达到加工所要求的形状，包括微细铣削、微细切 削、微细钻削和微细磨削加工等。超精密机加工的优点在于可实现复杂三维形体 的加工，已成功地制作出尺寸在1 1o o 岬的微小三维构件【8 】；缺点是加工效率普 遍较低，深宽比也较小。图1 2 为德国k a r l s r u h e 研究中心f z k 研究所用微铣削 在铜靶材上加工出微光镜【9 】。 1 2 2l ig a 准l lg a 技术 图1 2 超精密机械铣削加工的微槽9 i l i g a 技术是1 9 8 6 年德国卡尔斯鲁尔核研究所w o l f g a n ge h m l d 等人发明的， 即为德文中光刻( l i t h o g r a p h i c ) 、电铸( g a l v a n o f o r m u n g ) 和模铸( a l f o l m u n g ) 的 缩写。l i g a 技术包括以下三个工艺：同步辐射x 射线进行深度光刻、电铸成型 和注塑。如图1 3 所示，l i g a 技术的工艺流程为：利用同步辐射x 射线透过掩模 对固定在金属基底上的光刻胶层进行曝光和显影，制成与掩模图形相同的平面几 3 ， 纳秒脉冲激光的掩模微细刻蚀加工试验研究 何图形；然后进行微电铸和脱模，制造出微复制模具；而后，它来进行微复制工艺 和二次微电铸，再利用微注塑成形技术进行三维微结构的大批量生产。 曝光光源 喾丝绻绁掩膜 、翟1 誊= 誊曩靠= = = j 昌- - 一 吧腮 辐射曙光医盂三；三三吾 光刻胶 显影猁蚀丢毯昙盆互；k 基板 电铸成形匿基蚕曼璺妄三卜沉积金属 去胶脱膜艮堇墨墨墨墨互卜微结构 图i - 3l i g t 技术的工艺流程【1 0 】 l i g a 技术的主要优点是能够制作出形状复杂的高深宽比的微机械器件；尺 寸精度高，可达到亚微米级，且有很高的垂直度、平行度和重复精度；可加工的 材料广泛，包括金属及其合金、陶瓷、塑料、聚合物等。但是，由于l i g a 技术采 用同步辐射x 射线、加工周期长、掩模制作工艺复杂、设备价格昂贵等缺点，大 大限制了其在实际生产的应用【l l 】。为了克服l i g a 的这些缺点，许多准l i g a 替 代技术已被开发出来，如硅准l i g a 技术、紫外线深层光刻技术、紫外线立体成 形光刻技术、激光l i g a 技术【1 2 1 4 1 。这些准l i g a 技术虽然大大降低了制造成本， 但是其加工精度在一定程度上也所降低。图1 4 为美国路易斯安那州立大学j h o r m e s 等人利用l i g a 技术制作的微型结构【”l 。 1 2 3 硅微细加工技术 图1 - 4l i g a 技术制作出的微型结构【1 5 j 硅微细加工技术是m e m s 中起源最早也是最常用的一种技术，主要是指以硅 材料为基础的微机械零部件的制造技术，包括体硅微细加工技术、表面硅微细加 工技术和键合技术。体硅微细加工技术是采用腐蚀、镀膜、掺杂、键合等加工方 4 器件的微 结构，主要包括湿法刻蚀和干法刻蚀。表面硅微细加工技术是微机械器件完全制 作沉积在硅晶片表面上不穿透硅晶片的一种加工技术，即在硅晶片正面上形成薄 膜并使其局部与硅体部分分离，从而形成微结构的技术，其全部加工仅涉及硅晶片 的薄膜。键合技术是指不用液体粘结剂将硅晶片和玻璃或两片硅晶片键合在一起 的技术，主要包括静电键合和直接键合。体硅微加工技术与表面硅微加工技术相 比，优点是可以制作较大深宽比的三维微结构；但其缺点是不能直接制作可活动 构件，需要通过键合技术来获得含活动构件的微结构。体硅微加工技术和表面硅 微加工技术都是由集成微电子加工技术发展而来的，其加工工艺已相当成熟，与 微电子工艺的兼容性较好，适合于大批量制作含有集成电路的微结构器件。国内 外利用这些技术已成功地研制了多种硅微传感器和微执行器，如微加速度计、微 压力传感器、微电机、微泵等6 1 。 1 2 4 微细电火花加工技术 电火花加工( e l e c t r od i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) ，是基于在绝缘工具 和工件( 正、负电极) 之间脉冲性火花放电的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，已 达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求；电火花加工不但能够加工 金属等导电材料，在一定条件下也能够加工半导体材料和非导体材料；而且在加 工中工具与工件不接触，无切削力的产生，适合于微细加工【1 7 1 。 微细电火花加工技术的相关研究起步于2 0 世纪6 0 年代末。近年来，随着微 细电极的制作方法的发展，微细电火花加工技术取得了很大的进展。微细电火花 加工技术的关键主要包括微细电极的制作与装夹、高精度微小伺服进给与驱动装 置、微小能量的放电加工电源、加工状态检测与控制和工艺方法等。微细电火花 加工具有加工间隙小( 数微米至数十微米) 、电蚀产物排出困难、工具电极损耗严 重、加工稳定性不易控制、电源利用率较低、伺服进给灵敏度和精度要求高等特 点，使其在进行微孔、微缝等微结构加工时，对脉冲电源、工具电极制备、伺服 进给及控制系统、加工机床、工作液循环系统等的要求很高，特别对于高深宽比、 复杂形状的三维微结构和器件的加工，还需要作大量的研究和探索工作【1 8 】。图1 5 为哈尔滨工业大学在半导体硅上用微细电火花加工出的微型汽轮机的涡轮盘和微 传感结构【1 9 1 。 5 二一 一 一 一 纳秒脉冲激光的掩模微细刻蚀加工试验研究 图1 - 5 微细电火花加工的微结构1 1 9 1 1 2 5 微细电化学加工技术 微细电化学加工( e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ，简称e c m ) 是一种利用金属的 电化学反应来实现加工的方法。电化学加工按其作用原理可以分为两类【1 7 】：一类 是基于电化学阴极沉积、涂覆进行加工，如电铸、电镀等；另一类是基于电化学 阳极溶解来进行加工，如电解加工、电解抛光等。电化学加工技术其主要的工艺 特点是材料的加工过程都是利用电化学反应以离子的形式进行。由于金属离子的 尺寸非常微小，小于纳米尺度，因此电化学力n - r _ 在微纳米加工领域有着很大的发 展潜能。此外，微细电化学加工还具有力n - r _ 效率高、无工具损耗、加工的表面质 量好等优点。但是，电化学反应的杂散腐蚀会影响加工的精度和微细程度，使其 在微细加工中的应用受到了严重的制约。图1 6 ( a ) 是德国f r i t z h a b e r 研究所的 s c h u s t e rr 等人用直径1 0 岬的铂丝在铜板上加工出的微结构，底部平台上的棱柱 为5 i t m x l 0 1 t m x l 2 1 x m 2 0 1 。图1 - 6 ( b ) 为国内南京航空航天大学张朝阳博士利用纳秒 脉冲电流电解加工出的微结构【2 1 1 。 6 ( b ) 图1 - 6 微细电化学加工出的微结构2 0 ，2 1 1 量的束流 对材料进行去除加工的技术，包括电子束微细加工、离子束微细加工和激光微细 加工。 电子束微细加工( e l e c t r o nb e a mm a c h i n i n g ，简称e b m ) 是在真空条件下，利 用聚焦后能量密度达到1 0 6 , , - 1 0 锄c i f 1 2 的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极 小面积的加工部位，在极短的时间内( 几分之一微秒) ，其大部分能量转化为热量， 使被加工部位的工件材料达到几千摄氏度以上的温度，从而引起材料的局部熔化、 气化，被真空系统抽走实现微细j i i t 2 2 1 。电子束加工具有加工面积小、非接触加 工、加工效率高、加工材料不会被氧化等优剧2 扪。但是，电子束力n - r _ 必须在真空 中进行，需要一整套的专用设备和真空系统，加工费用较高；而且电子束加工是 把电子的动能转化为热能来加工的，在加工区域会形成一定的热影响区，使其应 用受到一定的限制。 离子束微细加工( i o nb e a mm a c h i n i n g ，简称i b m ) 是与电子束加工类似， 也是在真空条件下，将离子源产生的高能量密度的离子束经过加速聚焦，使之撞。 击工件表面，从而实现对工件的加工【2 4 1 。与电子束加工不同，离子束加工时，被 加速的是带正电的离子而不是电子，由于离子的质量比电子大，离子束可以产生 比电子束更大的撞击力；另一方面，电子束是靠电子动能转化成热能实现加工的， 而离子束加工是靠离子的微观机械撞击动能实现材料的n i 。离子束加工的特点 是：加工精度高，离子束微细j n i 是所有的特种加工方法中最精密和最微细的加 工方法；加工质量好，加工应力小、热变形小等极小；被加工工件受污染少。但 是，由于离子束加工设备费用高、成本高、加工效率低等局限性，限制其应用范 围。 1 3 激光微细加工技术 激光是二十世纪自然科学的重大发明之一，自从1 9 6 0 年世界上第一台激光器 问世以来，激光科学技术以其独有的特性和强大生命力在国防、科技、工业、农 业、日常生活等领域得到了迅速发展和广泛应用。激光加工是- f q 涉及光、机、 电、材料、计算机等众多科学的综合应用技术。激光主要特点是强度高、相干性 7 纳秒脉冲激光的掩模微细刻蚀加工试验研究 好、方向性好和单色性好等。随着激光器及其相关应用技术飞速发展，各种新型 激光器不断涌现。激光器的波长实现了从远红外到x 射线的全波段调谐，输出功 率已升至数千瓦，脉冲宽度获得了从纳秒、皮秒到飞秒的压缩【2 5 2 6 1 。激光加工传 统的范围包括切割、热处理、焊接等，除了在这些应用中继续发展外，激光技术 还在微细加工领域得到大力发展，尤其对大量具有小孔或微细沟槽复杂结构的电 子器件、航天航空、医疗和汽车制造品更具有重大意义。 激光微细加工技术也是一种高能束流的特种微加工方法。激光微细加工是指 利用激光束作用于工件表面的激光辐射效应，改变工件形状，或材料性能。根据 激光与材料的作用机理，激光微细加工可以分为激光热加工和激光光化学反应加 工【2 7 1 。激光热加工是指激光束作用于材料所引发的快速热效应的各种加工过程； 激光光化学反应加工是指激光束作用于材料，借助高能量、高密度的光子引发或 控制光化学反应的各种加工过程，通常也称为激光冷加工。 1 3 1 激光微细加工特点及分类 近年来，随着脉冲宽度的缩短，激光能量在脉冲持续时间内更加集中，脉冲 激光加工材料的机制逐渐由热平衡烧蚀加工转变为非热平衡的冷加工，已被成功 地应用到各种微加工工艺中，表现出良好的加工特性。与传统的加工技术相比， 激光微细加工具有以下特点【2 8 】： ( 1 ) 加工精度高。激光束光斑直径可以达到1 岬以下，可进行超微细加工； 同时它又是非接触式加工，无明显的机械作用力，加工变形小，易保证较高的加 工精度。 ( 2 ) 加工材料广。激光微细加工的对象包括各种金属和非金属材料，对陶瓷、 金刚石、硬质合金、石英等难加工材料的加工效果非常好。 ( 3 ) 加工性能好。激光加工对加工场合和工作环境要求不高，不需要真空环 境，也不用对x 射线进行保护；激光加工还可以透过玻璃等透明材料进行，可以 方便地在某些特殊工况下进行加工，如在真空管内进行焊接加工等。 ( 4 ) 加工速度快、效率高。 ( 5 ) 无污染。在激光微加工过程中，不需要腐蚀溶液等污染物质，不会产生 环境污染。 在微机械制造中常用的激光微加工技术有两类【2 9 】：一类是以材料去除为目的 8 。 积为目的的 。其中，激 光微刻蚀技术是通过高能量的激光直接作用于工件，利用激光烧蚀的方式去除材 料。目前，激光微刻蚀加工技术的研究热点主要集中在光子能量较大的准分子激 光微细加工和脉冲持续时间较短的脉冲激光微细加工。 1 3 2 脉冲激光微- 幺i t l n 蚀技术 作为激光微细加工技术一个分支，脉冲激光在微细加工领域的研究和应用越 来越广泛。根据激光脉冲宽度的不同，激光加工可以分为连续激光：j n - r 和脉冲激 光加工。连续激光加工实际是指激光脉宽较长而脉冲间隔时间较短，加工过程可 以被看作是连续激光完成的加工过程；由于其脉宽较长，加工时热作用过程明显， 因而不适合微细加工。脉冲激光加工实际上是指短脉冲激光加工，由于激光脉宽 较短而脉冲间隔时间较长，加工过程可以被看作是一个个脉冲完成的加工过程； 由于脉宽较短，加工时热作用较小，因而非常适合微细加工。短脉冲激光按脉宽 的时间量级分为纳秒、皮秒和飞秒激光，其中皮秒和飞秒激光又成为超短脉冲激 光。 飞秒脉冲激光是指脉宽在1 0 。5 秒量级的脉冲激光，与传统激光加工不同，由于 飞秒激光脉冲宽度极短，可以在较低能量下通过聚焦获得极高的峰值功率密度，尤 其在焦点中心的峰值功率密度更高，可达到1 0 2 0 w c m 2 以上。因而飞秒激光与物质作 用伴随着强烈的非线性效应，材料对光的吸收是一种非线性的多光子吸收过程【3 0 1 。 在飞秒脉冲激光对材料进行加工时，材料通过多光子吸收后的能量在极短的时间内 迅速被加工到气化温度，由于能量还没来及扩散，材料已经被加热到极高的温度， 直接气化蒸发。同时，气化蒸发的材料带走大部分热量，这样在材料内部形成很大 的温度梯度，因而在激光与物质相互作用的过程中几乎不产生热扩散，对加工区域 周边无热影响，其加工方式属于冷加工。因此，飞秒脉冲激光对材料进行加工时， 热损伤的影响几乎消失，从而可得到亚微米级的加工特征精度【3 1 。 皮秒脉冲激光是指脉冲宽度为1 0 - n 1 0 - 1 2 秒量级的脉冲激光，皮秒激光加工机 理和飞秒激光类似，也属于冷加工。但与飞秒激光加工相比，由于脉冲宽度增大， 激光与材料的作用时间变大，加工区域会有一定的热扩散，因此皮秒激光的加工 精度比飞秒稍差一些。 9 纳秒脉冲激光的掩模微细刻蚀加工试验研究 虽然飞秒、皮秒脉冲激光在微加工领域具有巨大的优势，但也存在一些缺陷。 由于飞秒、皮秒激光的光斑很小，对于相对复杂的微细结构需通过工作台的轨迹 运动进行逐点加工，加工效率较低；当需要批量加工时，机构的运动误差必然影 响加工的一致性。而且飞秒、皮秒脉冲激光器价格较为昂贵，修理维护费用高， 而且激光加工系统复杂，加工成本较高。由于这些缺陷，