（机械制造及其自动化专业论文）157nm激光微加工工艺及自动化编程.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 1 5 7 n m 深紫外激光是准分子激光中波长较短的激光，其光子能量大，可直接 击断超硬陶瓷及半导体材料的化学结合键，产生的热作用极小。由于其波长极短， 可获得更小的加工分辨率，非常适合制作精细二维图形和三维微结构，有望成为 微器件加工的有力工具。1 5 7 n m 深紫外激光在空气中极易被吸收，相关的设备和 光路集成相当复杂，其基本理论、加工机理及加工工艺研究都非常薄弱，有关1 5 7 r i m 激光三维微加工技术的研究在世界范围内还几乎是空白状态。因此，探索1 5 7 n m 激光复杂图形微加工工艺意义重大。 现有微加工平台m 2 0 0 0 配备的通用c a m 软件对1 5 7 n m 深紫外激光加工的自 动化编程考虑极少，根本无法解决1 5 7 n m 激光复杂图形微加工的数控编程问题。 针对这一迫切需要，本研究编制针对1 5 7 n m 深紫外激光加工机的自动化编程软件， 以支持1 5 7 r i m 激光复杂图形微加工工艺。利用自动化编程软件进行微刻蚀试验， 分析其加工表面形貌，优化工艺参数，提高刻蚀质量。该研究将拓宽1 5 7 r i m 激光 微加工技术的应用空间，其学术价值和应用价值都非常巨大。 本文对1 5 7 r i m 激光掩模版投影微加工和扫描直写微加工方式进行了研究，并 进行自动化编程软件的研制，全文主要内容包括： ( 1 ) 介绍了准分子激光的微加工特性及其在微加工领域的应用，揭示1 5 7 r i m 激光与非金属材料间的相互作用机理，分析了不同工艺参数对1 5 7 r i m 激光刻蚀的 影响作用。 ( 2 ) 针对1 5 7 r i m 激光工艺参数组合对刻蚀性能的影响复杂的特点，建立基于 1 5 7 n m 激光微加工的人工神经网络模型，并采用遗传算法对其进行优化，得出最 佳的激光参数组合。 ( 3 ) 在对m 2 0 0 0 微加工平台对应的数控代码进行分析的基础上，选择v i s u a l b a s i c 开发环境，完成了自动编程系统1 5 7 n m - a u t o p r o ms y s t e m 软件的编制。还对 系统软件的重要模块进行理论分析，并采用与实验相结合的方法，不断完善软件， 以改善自动编程系统的性能。 关键词：1 5 7 n m 激光、微加工、刻蚀质量、神经网络、数控编程 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 15 7 r i md e e pu l t r a v i o l e t ( d u v ) l a s e rh a ss h o r t e rw a v e l e n g t ha m o n ge x c i m e rl a s e r s d u et oi t sh i g h e rp h o t o ne n e r g y , t h i sl a s e rc a r ld i r e c t l yh i to f ft h ec h e m i c a lb o n d so f s u p e r - h a r dc e r a m i c sa n ds e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ，l e a d i n gi nl i t t l et h e r m o - e f f e c t i tc a n g e tv e r yh i g hp r o c e s s i n gr e s o l u t i o nb e c a u s eo fi t ss h o r tw a v e l e n g t h , e s p e c i a l l ys u i t a b l e f o rf a b r i c a t i n gf r e e2 dg r a p h i c sa n d3 dm i c r o s t r u c t u r e s f o rt h i sr e a s o n , t h e15 7 n m l a s e rc o u l db eap r o m i s i n ga n dp o w e r f u lt o o lf o rm i c r o - d e v i c ef a b r i c a t i o n h o w e v e r , 15 7 n md u vl a s e ri s e a s i l ya b s o r b e d i na i r , i n c r e a s i n gt h ec o m p l e x i t yo fr e l a t e d e q m p m e n t sa n do p t i c a ls y s t e m u n t i ln o w , t h es t u d i e so nt h ee t c h i n gm e c h a n i s ma n d p r o c e s s i n gt e c h n i q u eo f15 7 n r nl a s e ra l ev e r yi n s u f f i c i e n t , e s p e c i a l l yi na r e ao f15 7 n m l a s e r3 dm i c r o s t r u c t u r i n g t h e r e f o r e ，i ti s v e r yi m p o r t a n ta n dv a l u a b l et oe x p l o r e 15 7 n ml 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 yo fc o m p l e xg r a p h i c s t h ec u r r e n tc a ms y s t e mg a l ln o td e a lw i t hn cp r o g r a m m i n go f15 7 r i ml a s e r m a c h i n i n g ，e s p e c i a l l yw h e nt h ee t c h e dp a t t e r n sa l ec o m p l e x f o rt h i sr e a ln e e d , a s o r w a r es y s t e mo fa u t o p r o g r a m m i n gf o r15 7 n ml a s e rm a c h i n i n gi s d e v e l o p e d , s u p p o r t i n gt h ef a b r i c a t i o no fc o m p l e x2 dg r a p h i c sa n d3 dm i c r o - s t r u c t u r e s u s i n gt h e s o f t w a r e ，m a n ym i c r o e t c h i n ge x p e r i m e n t sa r ec a r d e do u t , t h et o p o g r a p h i e so fe t c h e d s u r f a c ea l eo b s e r v e d ，a n do p t i m i z i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa r ed e c i d e d ，t oi m p r o v et h e e t c h i n gq u a l i t y t h es o f t w a r es y s t e mw o u l de n l a r g et h ea p p l i c a t i o ns p a c eo f15 7 r i m d u v l a s e r , a n dh a sh i g h e ra c a d e m i cv a l u ea n da p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i sp a p e r , t h em i c r o m a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c so f15 7 n ml a s e ra r ei n v e s t i g a t e d u n d e rm a s kp r o j e c t i o nm a c h i n i n gm o d ea n dl a s e rd i r e c tw r i t i n gm o d e as o f t w a r e s y s t e ma b o u tn ca u t o p r o g r a m m i n gi sd e v e l o p e d t h ep r i m a r yr e s e a r c hc o n t e n t sa r ca s f o l l o w i n g ： ( 1 ) t h em i c r o - m a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so f15 7 n md u v l a s e ra r e d e s c r i b e d 1 1 l em e c h a n i s mo fi n t e r a c t i o nb e t w e e n15 7 n ml a s e ra n dn o n - m e t a l l i c m a t e r i a l si sd i s c u s s e d a n d ，t h ei n f l u e n c e so f t h ep r o c e s sp a r a m e t e r so nm i c r o m a c h i n i n g e f f e c ta r ea n a l y z e d ( 2 )c o n s i d e r i n go nt h ec o m p l e x i t yo fr e l a t i o n sb e t w e e n15 7 n ml a s e rp r o c e s s p a r a m e t e r sa n de t c h i n gp e r f o r m a n c e ，s o m ei d e a lc o m b i n a t i o n so fl a s e rp r o c e s s 武汉理工大学硕士学位论文 p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e dt h r o u g he s t a b l i s h i n gm o d e l sb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a n di t so p t i m i z a t i o nm o d e l sb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m s ( 3 ) r e f e r r i n go nt h es p e c i a lc o d e so fm 2 0 0 0s y s t e m ，a na u t o p r o g r a m m i n g s o f t w a r es y s t e mn a m e da s 15 7 n m - a u t o p r o ms y s t e m i sd e v e l o p e du n d e rv i s u a lb a s i c d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t a n dm i c r o e t c h i n ge x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e db yt h e d e v e l o p e ds o f t w a r e b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i so fk e ym o d u l e s ，a n dc o m b i n i n g 、) l r i m r e p e a te x p e r i m e n t a la p p r o a c h , t h es o r w a r ep e r f o r m a n c eh a sb e e ni m p r o v e d k e yw o r d s ：15 7 n ml a s e r , m i c r o - m a c h i n i n g ，e t c h i n gq u a l i t y , n e u r a ln e t w o r k , n c a u t o - p r o g r a m m i n g i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：辱雏址日期：竺丝2 7 l 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签鼽客龆导师c 签孙翻专日期加n 7 r 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 纳米技术( n a n o t e c h n o l o g y ) 是用单个原子、分子来构造具有特定功能产品的科 学技术，是研究结构尺寸在0 1 n m i o o n m 范围内材料的性质和应用。纳米科学技 术是一门交叉性很强的综合学科，主要包括纳米材料、纳米动力学、纳米生物学 和纳米药物学、纳米电子学四个主要方面，研究的内容涉及现代科技的广阔领域i l 】， 是现代科学( 量子力学、混沌物理、分子生物学、介观物理) 和现代技术( 微电子技 术、核分析技术、计算机技术、扫描隧道显微镜) 结合的产物【2 j 。 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 ) 是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初随着纳 米技术的发展而派生出来的新兴的交叉学科，是指可批量制作的，集微型机构、 微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于 一体的微型器件或系统，把通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和 系统作为发展目标。m e m s 具有微型化、集成化、低成本、低能耗、批量生产、 与i c 工艺优良的集成能力，多学科交叉等特点【3 】，涉及物理学、光学、化学、医 学、材料工程、机械工程、电子工程、信息工程及生物工程等领域，该技术成为 纳米科技研究的重要手段，受到各国政府的重视，在生物医疗、航空航天、精密 机械等领域有极其广阔的应用潜力。 构成微机械系统各个部件的功能是不同的，可以是电的、光学的、机械的， 需要采用不同性能的材料，也需要采用相应的微细加工手段。而微细加工技术是 指加工尺度在微米级范围的加工。该技术起源于硅集成制造技术，已成为工业发 展的趋势，目前出现了高能离子束刻蚀、l i g a 工艺、激光刻蚀等各种微细加工方 法。高能离子束加工的刻蚀手段是离子束，相应的分辨率受离子进入基底及离子 耗尽过程的路径范围限制，其最小直径约为1 0 r i m ，刻蚀的结构不会小于1 0 r i m ， 目前可获得1 2 r i m 最小线宽的加工结果。考虑到刻蚀效率的情况下，由于离子在固 体中的散射效应小，所以与电子和固体的相互作用相比，该手段可获得小于5 0 h m 的较快直写刻蚀，成为微细加工的一种方法。在计算机控制下没有掩膜注入，没 有显影刻蚀，直接制造各种各样的纳米器件结构，成为离子束刻蚀技术的优点， 但是离子束技术的缺点在于：在加工中的晶格损伤，且控制精度不高，加工精度 武汉理工大学硕士学位论文 不容易控制，因此在高精度的微器件制造受到限制。目前微纳制造领域的l i g a 技 术受到重视，l i g a 是德文l i t h o g r a p h i e ( 光刻) ，g a l a n o f o r m u n g ( 电铸) 及 a b f o r m u n g ( 注塑) 的所写，是基于x 射线光刻技术的m e m s 加工技术，一般包括 三个步骤：x 线深度同步辐射光刻、电铸制模、注模复制。l i g a 技术具有大深宽 比、加工精度高、加工任意界面图形结构、可重复复制的优点【4 j ，但是，l i g a 工 艺需要极其昂贵的x 射线光源以制造复杂的掩膜板，所以加工成本极高，限制了 它在工业上的推广应用。因此综合考虑了加工精度和加工成本之后，激光刻蚀工 艺更受到人们的青睐。 激光刻蚀是指激光束投射到工件，利用高功率或高能光子激发光物理或光化 学作用的加工技术。其中，1 5 7 r i m 深紫外激光是准分子激光中波长较短的激光， 其光子能量大，可直接击断超硬陶瓷及半导体材料的化学结合键，产生的热作用 极小。由于其波长极短，可获得更小的加工分辨率，非常适合制作精细二维图形 和三维微结构，有望成为微器件加工的有力工具。 激光加工已成为精加工多种材料的技术手段，对工件的材质、尺寸、加工环 境、形状等有很大的自由度，并且兼具时间控制性( 开关脉冲间隔) 和空间控制性( 激 光束的方向改变、转动、扫描等) 的优点，很适合自动化加工。激光技术与数控技 术的结合将实现高质量的自动化加工，成为高效、高精度、低成本、实时生产的 关键技术。 而对于数控技术，在1 9 5 2 年实现了计算机技术与机床的结合，标志着数控机 床的诞生。它是一种集控制技术、自动检测技术、微电子技术为一体的先进技术， 从传统机床到数控机床，产生质的变化。数控加工工件时，无需对机床做任何调 整，只需要变换加工程序代码，就可以实现复杂多变的加工要求【5 l 。数控技术 ( n u m e r i c a lc o n t r o l ，n c ) 是计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 和柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， f m s ) 的基础，开创了制造业的新时代，成为工业发展的必然趋势。并且现在日 益成熟的p c 技术、微电子及通信技术有力推动着n c 技术的发展，信息技术已成 为现代n c 技术的技术保障。所以利用p c 机丰富的软硬件资源的优点，进行控制 系统的开发，可以保证控制系统的质量，还可以缩短开发周期，实现数控技术的 飞跃发展。 激光加工要实现自动化，离不开相应软件的支持。而对于激光加工软件，主 要提供加工轨迹的编辑环境，编制数控程序，执行数控指令以控制加工轨迹按特 定的路径运动并实现激光脉冲的开关，同时监测加工参数的变化，实现系统的反 2 武汉理工大学硕士学位论文 馈。相应的功能构架图如图1 1 所示： 键擞输入 鼠标输入 文件输入 扫描仪输入 图形编辑 图像编辑 图像图形处理 加工路径选择 加工参数控制 图形图像输入 加工轨迹编辑 数据处理 输出控捌 图1 - 1 激光加工软件构架图 其功能模块如下： ( 1 ) 加工轨迹编辑模块 通过良好的交互式的人机界面，完成相关加工数据的输入及编辑功能。目前 主要采用图形图像文件的方式输入，文件格式主要为：j p e g 图像格式、b m p 图像 格式、a u t o c a d 下的d x f 文件格式、p l t 矢量文件格式和w m d o w s 系统支持的 t r u e t y p e 字体，为了满足激光加工的要求，此模块还提供图形图像以及加工轨迹 的编辑功能【6 j 。 ( 2 ) 数据处理模块 此模块通过对输入数据的处理和变换以实现良好的加工效果，同时对加工的 路径、速度、能量密度、加工方式等影响参数进行选择和处理，实现高效输出， 以满足激光加工系统的特性及要求。 ( 3 ) 输出控制模块 此模块主要实现加工数据的保存、显示输出、运动机构的轨迹控制、激光头 的控制及加工参数的实时反馈功能。 c h i c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 数控激光微加工机是集光、机、电为一体 的技术密集型设备，被看作为敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ，a m ) 模式下的快 速响应生产的制造设备，是一个国家工业发展水平的象征。在数控机床设计和制 造水平逐步走向成熟稳定，激光加工功能日趋成熟的情况下【7 一，配套的专用的 c a d c a m 一体化自动化编程系统的性能严重制约先进数控激光加工设备的加工 效率、成本及质量。目前进口的激光加工设备主要来自欧美，但由于关键技术的 封锁，激光加工设备没有与之配套的c a d c a m 软件系统，并且目前国内客户存 在重视硬件轻视软件的误区，即采用昂贵的高档机床，而不采用任何软件或者采 用低档淘汰软件，所以机床不能发挥很好的性能，使加工效率，加工质量下降， 3 武汉理工大学硕士学位论文 加工成本下降微乎其微。为了改变这一现状，国内的激光加工设备制造厂商在引 进的国外软件基础上作二次开发或者自行编制配套的自动化编程软件，但由于 c a d c a m 软件本身的技术含量高，加之公司的开发能力及水平的限制，编制的软 件层次低，严重制约着激光加工设备的使用效率及性能。 目前武汉理工大学引进了国内首台1 5 7 r i m 深紫外双激光微加工机，开展有关 光电子材料及器件的微加工技术研究。但由于1 5 7 r i m 深紫外激光在空气中极易被 吸收，相关的设备和光路集成相当复杂，其基本理论、加工机理及加工工艺研究 都非常薄弱，有关1 5 7 n m 激光三维微加工技术的研究在世界范围内还几乎是空白 状态。因此，探索1 5 7 n m 激光复杂图形微加工工艺意义重大。而且微加工平台 m 2 0 0 0 配备的通用c a m 软件主要针对3 5 5 n m y a g 激光的加工路径设计，对1 5 7 n m 深紫外激光加工的自动化编程考虑极少， 工的数控编程问题。针对这一迫切需要， 根本无法解决1 5 7 n m 激光复杂图形微加 编制针对1 5 7 r i m 深紫外激光加工机的自 动化编程软件，有效的支持1 5 7 r i m 激光微加工，以此更好分析加工表面形貌的演 变，分析1 5 7 r i m 激光与材料的相互作用机理，将拓宽1 5 7 n l n 激光微加工技术的应 用空间，其学术价值和应用价值都非常巨大。 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 激光加工相关研究现状 激光加工是对传统加工的革命，随着经济的发展和相关技术的不断提高，十 分关注大功率半导体激光在工业上的应用，同时激光加工也急需百瓦级封离型射 频c 0 2 激光器、高光束质量的千瓦级c 0 2 激光器、大功率连续和脉冲的y a g 激光 器及相关导光系统。随着激光技术的不断发展，激光加工将大大提高生产率、提 高产品质量、降低材料成本，同时实现无污染的自动化加工，与传统加工相比， 激光加工成为当今社会“绿色”加工的有效工具，并保持着数控化、综合化、小 型化、组合化、可靠性、高频度、超快、紫外激光的发展势头，成为2 1 世纪最具 竞争力的先进加工技术，发展前景诱人1 9 1 。 激光具有方向性好、高亮度、相干性和单色性好的性能，具有非接触、无惯 性的特点，在加工中无“切削力一、无“刀具 磨损，并且在加工过程中无噪声、 加工速度快，而且激光光束的移动速度和光束的能量可以调节，因此可以实现复 杂图形的高精度，高效率加i t l 0 1 。并且激光的能量密度高，加工时间很短，与传 4 武汉理工大学硕士学位论文 统机械加工相比，无机械变形、加工的工件变形小，可以实现高质量、高精度的 加工，具有普通加工技术不可比拟的优势。 激光加工不仅可以加工金属，还可以加工非金属，尤其适合高熔点、高硬度、 高脆性的材料。虽然激光加工的能量密度很大，加工部位的热量大，温度高，但 在移动速度较快的情况下，平均每点非照射区几乎没影响，热影响区域小，加工 质量好，已成功应用于局部热处理及显像管焊接。 目前，以c 0 2 和y a g 为代表的激光加工，特别是通过3 次或4 次倍频产生 紫外激光和脉宽在皮秒以下的半导体泵浦的固体激光的加工技术及加工工艺已经 比较成熟，但是飞秒和准分子激光在微细加工的研究及应用还不够成熟，某些方 面还处于研究探索阶段。 在国内，主要以硅基材料、聚合物等为加工对象，以y a g 激光、飞秒激光和 准分子激光为工具展开相关的研究。在y a g 激光微加工方面，华中科技大学等不 少机构做了许多有益的工作。在飞秒激光微加工方面【1 1 , 1 2 ，如中国科技大学利用 飞秒激光在丙烯酸酯光固化材料上制作出直径为6 t t m 的万字形微型转子，并利用 光镊装置实现了微转子的光致旋转，还探讨了飞秒激光与l i g a 工艺集成的可能性。 其他如北京大学、上海光机所、中山大学、江苏大学、哈尔滨工业大学、天津大 学等单位也在飞秒激光加工领域做了不少工作。在准分子激光方面，沈蓓军、王 润文、王立鼎等人兼容集成电路工艺与l i g a 微加工工艺，采用k r f 准分子激光消 融紫外光刻胶，主要研究远紫外激光与光刻胶的相互作用机理；北京工业大学左 铁钏等人探讨了激光直写技术的l i g a 工艺的可行性；上海光机所做了在f e 、舢、 t i 等金属材料的x e c l 激光的直写刻蚀研究；西北工业大学的范伟政等人研究硅材 料的准分子激光微细加工特性的研究；吉林大学的张玉书等人做了对聚酰亚胺、 i n p 、a u 、舢等材料的刻蚀直写研究；上海交通大学开发了u v l i g a i 艺技术；华 中科技大学在水和空气两种介质中进行了单晶硅的刻蚀实验；北京工业大学研制 了微流控芯片；武汉理工大学则应用准分子2 4 8 n m k r f 激光刻蚀制作光纤光栅。 在国外，在准分子激光应用方面【1 3 ”】，美i n g r e g o r yp b e h r m a r m 在p i 材料上利 用2 4 8 n m k r f 准分子激光刻蚀出了闪耀光栅；美匡l c y n o s u r e 公司x i a o m e iw a n g 等人 成功利用1 9 3 n m a r f 准分子激光通过投影方法，在p i 材料上制作了8 阶菲涅耳透镜及 阵列；瑞士p a u ls c h e r r e r 学院利用3 0 8 n m x e c l 准分子激光刻蚀制作了齿轮直径为 4 0 0 1 x m 的p c g 聚物微齿轮；c h o i 等人在一片掩膜上制作不同直径的孔，以此来控 制通过孔后的激光能量，控制材料的去除量，实现了连续平滑的微机械结构； h a y d e n 和z i m m e r 等人采用灰度掩膜技术控制掩膜后的激光能量，在p e t 上刻蚀制 5 武汉理工大学硕士学位论文 作了连续平滑的微流体通道；m e i j e r 和r u m s e y 等人利用转换位置掩膜投影技术获 得了复杂的三维微机械结构。 而1 5 7 n m 激光是波长极短的深紫外激光，其操控难度大，最近十年其设备技 术才有了较大突破。目前，利用1 5 7 n m 激光进行微加工的研究文献并不多见【l 昏1 8 】。 在国外，日本学者i k u t a y 等研究了1 5 7 n m 激光刻蚀石英玻璃的理化学机制【l 明； 日本理化学研究所学者t a k a n e 等人利用简易1 5 7 n m 激光源对氮化镓进行表面照 射，证实具有较强刻蚀作用【2 0 1 ，但由于他们缺乏精密数控工作台等辅助手段，数 年未见关于1 5 7 n m 激光加工氮化镓等材料的深入研究报道；加拿大学者h e r m a n p 等利用1 5 7 n m 激光制作光栅、马赫增德尔干涉仪等光电子器件【2 1 1 ；英国学者 j a k o g - r e u t e r s 等利用1 5 7 n m 激光尝试在光子材料中制作各种微细结构【2 2 】。 在国内，电子科技大学的饶云江教授等人采用1 5 7 n m 激光制作光子晶体光 纤法布里一珀罗传感器【2 3 1 。武汉理工大学2 0 0 6 年引进国内首台1 5 7 n m 激光微加 工系统，并针对光纤材料开展了一些基础研究，如在单模光纤上刻制4 微米微孔， 另外还对蓝宝石、碳化硅等难加工材料进行了一些前期试验工作，证实了1 5 7 n m 深紫外激光较高的微细加工能力。 1 2 2c 加c 删软件开发相关现状 由于激光束易于导向、发散和聚焦，特别适合材料的自动化加工，并且对工 件的材质、尺寸、形状和加工环境的自由度很大，和数控技术连接起来，构成加 工系统，将成为一种极其灵活的柔性加工系统，应用前景十分广阔。 c n c 激光加工技术是集光、机、电为一体的技术密集型高新技术，数控自动 编程软件也相应出现，如软件中比较优秀的f a s t c a m ，该软件主要包括：f a s t c a m 绘图软件模块、f a s t n e s t 自动套料系统模块、f a s t c u t 矩形零件套料系统模块、 f a s t s 也廿e s 厚板放样系统模块、f a s t t r a c k 板材及余料管理系统模块、f a s t b e a m 型材加工系统模块、f 砌砒心但相交管件的设计系统模块、f a s t c o p y 工程图录 入系统模块、f a s t e s t 板材估算系统模块、f 砌l 0 1 - n c 码编辑软件模块、f a s t p a t h 路径与n c 代码自动生成软件模块；美国出品，集冲压与切割于一体，能自动排料， 实现路径优化的t e k s o f t 软件；专门应用于离子切割和冲压复合机床，能实现自动 套料与n c 编程的s i g m a t e k 软件；美国r a d a n 公司专用的钣金软件 r a n d a n c a d c a m ；法国研制的集冲压和切割、三维造型于一体的w i c a 软件：还 有j e t c a me x p e r t c a d c a m 、以色列m e i x 公司的c n c k a d 、中国台湾统达公司 6 武汉理工大学硕士学位论文 x t c a m 激光编程软件等等，但是国外激光加工机上采用的软件基本是通用的数控 自动加工系统，专门针对特定激光加工的自动编程软件还比较少。 国内的自动编程系统，一般是针对激光加工的特点，机床公司自行组织软件 系统的开发，主要分为现在二维c a d 软件的二次开发与版权自主开发。由于国内 公司自身开发能力与水平较低，编制的c 觥a m 软件层次低，在软件的界面交 互性、友好性以及图形输入完善性方面，有较大缺陷，仅能满足最基本加工需要， 大大制约了先进数控加工设备的使用效率。据相关资料，哈尔滨工业大学、华中 科技大学和北京工业大学对激光加工数控方面做过较大贡献。 从国内外现状来看，激光数控加工基本上还在沿用传统机械加工c a m 软件， 或者针对c 0 2 激光或y a g 激光加工特点进行局部模块改造，而关于激光微细加工 的c a m 软件系统鲜有研究与开发。因此，针对1 5 7 r i m 激光微细加工的工艺特点， 开发高性能的自动编程软件就显得十分必要，这将大大推动激光微加工的研究与 应用。 1 3 课题主要研究内容与特色 1 3 1 课题来源 国家自然科学基金重点项目( n o ：6 0 5 3 7 0 5 0 ) “光纤传感敏感材料与光纤微加工 技术研究 国家自然科学基金面上项目( n o ：5 0 7 7 5 1 6 9 ) “新型半导体的1 5 7 r i m 激光三维 微加工技术研究 1 3 2 主要研究内容与特色 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 通过1 5 7 r i m 激光微加工实验，揭示1 5 7 r i m 激光与非金属材料间的相互作 用机理，并分析不同工艺参数对1 5 7 n m 激光刻蚀的影响作用。 ( 2 ) 根据加工试验数据，建立基于1 5 7 n m 激光微加工的神经网络模型，并进行 优化分析，得出针对不同刻蚀要求的最佳参数组合，实现边缘整齐、刻蚀面光滑 且精度较高的微加工工艺。 ( 3 ) 对e x i t e c hm 2 0 0 0 的数控微动平台相应的数控代码进行分析及相关的模块 子程序分析，为自动编程奠定基础。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 利用v i s u a lb a s i c 6 0 软件编制针对15 7 n m 激光微加工专用的自动编程软 件，将软件的关键模块进行理论分析及相应的程序实现，并与实验相结合，逐步 完成集成、测试，实现编程的自动化。 本文特色与创新主要表现在以下两个方面： 1 有关1 5 7 r i m 准分子激光器的应用在国内外的研究还处于起步阶段，关于 1 5 7 r i m 深紫外激光数控自动编程的研究尚无人涉及；本文正是针对这一需要进行 复杂图形微加工的自动编程软件开发，无疑具有国际领先性。 2 引入神经网络模型，结合微加工试验结果分析，对不同刻蚀要求的工艺参 数组合进行优化处理，以确立最佳参数范围。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章15 7 n m 激光微加工技术研究 2 1 准分子激光加工原理 准分子激光以基态、低能态、激发态三能级结构为主，其含义是指，在激发 态能够暂时结合成不稳定分子，而在正常的基态又离解成原子的缔结物。其中， 由两个异核原子构成的缔结物称为e x c i p l e x ，由两个同核原子构成的称为d i m e r ， 由三个核原子构成的称为t r i l l l e r ，所以统称e x e t e r 。 准分子激光器属于高压脉冲式气体激光器，根据工作气体的不同，可分为单 卤素准分子激光器和惰性元素卤化物准分子激光器，激光跃迁在束缚的激发态和 排斥或弱束缚的基态之间，是束缚一自由跃迁，各类准分子激光器如表2 1 所示。 表2 1 不同种类的准分子激光器 同核二聚物准分子异核 羹分子 名称 波长( n r n ) 名称 波长( n m ) 名称 波长( n m ) 赴 1 2 6 1 入连1 9 3 3x e f3 5 1 1 1 4 5 7k 圮12 2 3x e o5 5 0 f 2 1 5 7k r f2 4 8 4a r o5 5 7 6 x e1 6 9 1 7 6 x e b r2 8 1 8m5 5 7 8 h g 3 3 5x e c l3 0 8 h g c i 5 5 8 4 准分子激光的波长大都在紫外波段内，其射频波长完全取决于混合气体种类，混 合气体中主要成分为n e 、h e 或心，形成准分子的气体却占很小的比例，只为混 合气体的1 - - 1 2 ，目前实用化激光器多采用双原子稀有气体和稀有气体卤化物 ( 如斛、l 泔、x e c l 等) ，相应的工作压力为几兆帕和几百千帕。 激光辐照加工材料表面，由于激光源的波长不同和加工材料各异，所发生的 作用机理就不同，应用准分子激光加工时，“烧蚀”用于描述材料受激光辐照后的 气化效应，不特指此过程是物理的还是化学的机理在起租用。烧蚀机理一般包括 光热过程和光化学过程，光热过程的物理机制是加热、熔化、气化、蒸发，物质 凝聚状态要求的分子结构没有发生根本变化，而光化学过程的物理机制是升华， 物质凝聚状态要求的分子结构则发生根本性变化，因此光化学烧蚀的热效应被限 制在形成结构的边缘，工件表面接近无碎片残骸的状况，被称为“冷加工 。 9 武汉理】= 大学硕士学位论文 准分子激光波长短，单光子能量高，如k r f 激光的光子能量为50 e v 、a r f 激 光的光子能量为64 4 e v ，f 2 激光的光子能量为79 e v ，( 普朗克常数h = 66 3 1 0 剖， l e v = 1 6 x 1 0 0 狮，可以直接击断材料的化学结台键，实现对材料的刻蚀，这种直接 刻蚀被看作纯粹的光化学过程即光解剥离( a b l a t i v e p h o t o d e c o m p o s i t i o n a p d l 。 该过程中，由于准分子激光的光子能量高，高于材料的化学结台键能，在激光辐 照的范围内，材料的光于流量超过其阚值后，实现光解并产生化学键的断裂，当 断键数量不断增加，碎片达到一定浓度时，被刻蚀材料体内的压力和温度急剧升 高，导致发生体爆炸，最终碎片脱离母体并带走过剩的能量，形成刻蚀。相应的 刻蚀过程如图2 - 1 所示。 ! 抖一、a 斡p 、卜_ 一 、j 一一 图2 - l 准分子激光加工的光解剥离过程 由于准分子激光多数采用基于“冷加工”的刻蚀机理，对试件材料几乎无熟 影响，因此，加工的边界整齐、垂直度高、无侧向钻蚀作用、无飞溅残留物，底 部平滑，刻蚀质量较高1 2 啦”，如躅2 - 2 ，2 - 3 所示。 门 一j j 幽 图2 - l1 5 7 n m 激光刻蚀g a n 微孔a f m 图闰2 - 2 1 5 7 n m 激光刻蚀g a n 微孔图 因此，采用准分子激光刻蚀，可获得较小的加工分辨率，激光加工的分辨率 武汉理工大学硕士学位论文 由如下公式决定： 横向分辨率 矿= 一k 1 2 (21)na 矿= i ，2 - l l 、， 式中，九为激光波长；n a 为聚焦投射镜的数值孔径。 在对准分子激光刻蚀做定量分析时，采用的数学模型为光化学过程理论模型， 即b r a n n o n 等从光化学过程定量分析的角度，以光吸收和材料刻蚀为基础，运用 比尔法则得到刻蚀率公式如下【2 9 1 ： x ，= ( 1 a ) i n ( e 晶)( 2 2 ) 式中，x f 为刻蚀率；a 为材料的吸收系数；e 为入射的激光能量；e o 为材料的阈值 能量。 但是，还存在光热过程理论模型，即加工材料吸收紫外光子能量产生电子和 振动激励，导致材料体内温度的急剧升高并使其发生蒸发爆炸，完成刻蚀过程。 d c o u t o 等认为对于璐级或者更长脉宽的激光加工，其主导作用为光热过程。因 此刻蚀率公式如下： d = k o e - e 肘( 2 3 ) 式中，d 为刻蚀率；k o 为a r r h e n i u s 指数因子；r 为气体常数；e 为激活能；t 为激 光辐照区的平均温度。再结合激光入射方向的一维热传导方程 z ( 功：竽e x p ( 一吻x ) ( 2 4 ) 。， 式中，c p 为热容量；哳为有效吸收系数；f 入射激光能量；x 为刻蚀面的空间位 置。因此得到刻蚀率与激光能量之间的关系如下： l n d ：l i l 一旦警粤( 2 - 5 ) ”( f 一瓦) 式中，e 芘影。r ；f 为入射激光能量；f m 为阈值能量密度。在此基础上获得理论 曲线与2 4 8 n m k r f 、3 0 8 n m x e c l 激光对几种混合高聚物的实验在较大能量范围内 ( o 1 1 j c n l 2 ) 得到很好的吻合。 目前，对于硬脆材料和半导体材料，通过实验证实，光化学过程在刻蚀中起 主导作用，光热作用影响较小。而对于聚合物材料，准分子激光与材料的相互作 用机理仍处于争论状态3 0 1 ，主要存在如下几个方面：光解刻蚀过程是光化学过程 还是光热过程或是两者并存的过程，对于刻蚀阈值的分析，激光波长、能量、脉 武汉理工大学硕士学位论文 宽等参数与刻蚀率之间的关系。 2 21 5 7 n m 激光微加工系统 准分子激光加工系统一般由准分子激光器、控制系统、光路系统、精密微动 工作台及其控制器等几部分组成。典型的准分子激光微加工系统组成如图2 4 所 示。其中准分子激光器由工作物质、谐振腔、激励源三部分组成，激光器的作用 是控制输出激光束的输出特性；控制系统主要保证加工精度；光路系统是准分子 微细加工系统中最主要的组成部分，用来处理与调整光束，影响着光斑的质量和 加工分辨率；精密微动工作台及控制器用来控制加工试件的运动，以此控制加工 表面形貌。 三至歪亩 图2 4 典型准分子激光微加工系统图 一般地，激光微加工可划分为掩膜投影方式和直写加工方式两大类。聚焦直 写加工方式主要包括移动工作台的方式、振镜扫描的方式和声光调制器扫描的方 式，该类加工方式可使焦点尽可能地小，然后按一定的运动控制方式，使激光的 刻蚀光斑与被加工试件产生相对运动，即可加工出需要的图形和微结构。 本研究采用的设备是英国e x i t e c h 公司生产的m 2 0 0 0 双激光微加工机。该系 统配有3 5 5 n m 波长的y a g 固体激光器和1 5 7 r i m 波长的深紫外准分子激光器，前 者主要用来制备金属掩膜板，后者主要用作非金属硬脆材料、半导体材料和高分 子材料的微细加工。e ) 【i t e c hm 2 0 0 0 微加工机外观图如图2 5 所示。 1 2 武汉理_ = 大学硕士学位论文 图2 - 5 e x l t e e h m 2 0 0 0 驭撤光微加1 机图2 - 6 1 5 7 r t m r 激光光路囤 该系统采用了4 轴3 联动精密数控系统平台，控制x - y - z 三轴组合运动，并 控制u 轴的旋转，来完成复杂三维加工。数控平台的运动精度在x 、y 轴的精度 为05 l l m ，z 轴为0 】a m ，旋转轴u