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《激光雜志》2017年第6期

摘要:采用YAG雷射制程技術(shù)制備微流道，不但處理速度快、低污染、低耗費(fèi)，硅芯片經(jīng)YAG雷射表面處理后呈現(xiàn)微流道，實(shí)驗(yàn)得出雷射光斑直徑受頻率及電流強(qiáng)度所控制，隨著頻率減少及電流強(qiáng)度增加而變大，微流道寬度隨著頻率減少及電流強(qiáng)度增加而變寬，掃描速度對(duì)微流道寬度無明顯影響。微流道深度隨著頻率及電流強(qiáng)度增加而變深，隨著掃描速度增加而變淺。微流道熱影響區(qū)在各制程參數(shù)下，其影響的變化差異并不明顯，微流道表面粗糙度隨著頻率及電流強(qiáng)度的增加而變大，隨著掃描速度的增加而降低，最佳制程參數(shù)為掃描速度10mm/s、電流10A及頻率1KHz，其微流道表面及軌跡最為平整，且?guī)缀涡螤钭罴选?/p>

關(guān)鍵詞:YAG雷射;微流道;制程參數(shù);硅芯片

近年來激光技術(shù)迅速發(fā)展，其應(yīng)用正在各個(gè)領(lǐng)域不斷深化和擴(kuò)展，使工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事、科研甚至日常生活等方面的面貌有了嶄新的變化［1］，表面處理技術(shù)日趨重要。微流道現(xiàn)今廣泛應(yīng)用于微機(jī)電與微加工技術(shù)，目前大多利用半導(dǎo)體制程技術(shù)為基礎(chǔ)，整合電子及機(jī)械功能制作而成微型裝置［2］。文獻(xiàn)中，微流道制備方式包括利用CO2雷射技術(shù);spacermethod制備三維微流道［3］;犧牲層(Sacrificiallayers)與活性離子蝕刻(reactiveionetching，RIE)技術(shù);SU－8與犧牲層技術(shù);犧牲層與UV曝光技術(shù);紫外光雷射類深刻模造(LIGA－like)技術(shù);但尚未發(fā)現(xiàn)利用YAG雷射技術(shù)在大氣中制備微流道的相關(guān)研究［4］。微流道技術(shù)開發(fā)成為一項(xiàng)重要的研究課題。

1實(shí)驗(yàn)流程及方法

微流道制程實(shí)驗(yàn)采用YAG－50雷射機(jī)。其波長(zhǎng)為1064nm的固體雷射，工作光源采用氪燈泵浦，由Q－switch對(duì)雷射進(jìn)行腔內(nèi)調(diào)制。微流道制程參數(shù)采用頻率1kHz至3kHz、電流強(qiáng)度9A至11A及掃描速度10mm/s至30mm/s。硅芯片經(jīng)YAG雷射加工后，將微流道表面拋光，去除加工時(shí)因高溫所造成的熔融噴濺物及表面雜質(zhì)［5］，再利用SEM測(cè)量微流道寬度及深度值。其后采用48%的氫氟酸溶液蝕刻2.5分鐘至3.5分鐘，觀察熱影響區(qū)及顯微組織變化。微流道表面粗糙度的測(cè)量，是直接利用SEM觀察微流道軌跡［6］，用描圖紙繪出粗糙度曲線，去除最高及最低數(shù)據(jù)，再計(jì)算Ra值。每一個(gè)制程測(cè)量五次，最后取平均值。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1頻率及電流強(qiáng)度對(duì)雷射光斑直徑影響

將石墨預(yù)涂于硅芯片表面，待干燥后以雷射掃描，利用雷射高功率密度特性，使石墨直接汽化呈現(xiàn)該制程參數(shù)的雷射光斑。當(dāng)電流固定而改變頻率時(shí)，光斑直徑將隨著頻率的增加而減少，其主要因素是因?yàn)樗褂玫腨AG雷射屬于Q－switch脈沖式(pulse)雷射，由Q－switch控制單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的雷射光子的量。在Q－switch頻率不變的情況下，當(dāng)掃描頻率為1kHz時(shí)，由于開關(guān)次數(shù)不夠頻繁，因此雷射腔體內(nèi)可累積較多高能量光子的量［7］，在雷射束射出時(shí)，有較多高能光子撞擊試片表面，造成雷射光斑面積較大。頻率提升至2kHz時(shí)，由于開關(guān)次數(shù)較1kHz頻繁，造成雷射腔體內(nèi)所累積高能量光子的量不足，在雷射束射出時(shí)，撞擊試片表面的光子較少，因此雷射光斑面積較?。?］。當(dāng)頻率提升至3kHz時(shí)，雷射光斑面積將會(huì)再縮減。因此，在研究范圍中可知雷射光斑隨著頻率變大而有逐漸變小的趨勢(shì)。當(dāng)頻率固定而改變電流時(shí)，光斑直徑將隨著電流的增加而變大，主要是因?yàn)殡娏鲝?qiáng)度會(huì)影響雷射功率密度［9］;電流強(qiáng)度越高，雷射所射出能量密度也越強(qiáng)，試片表面吸收能量后溫度急遽升高，造成汽化效應(yīng)較為劇烈，同時(shí)熱傳導(dǎo)將表面熱能向試片內(nèi)部傳遞。因此，在固定頻率制程參數(shù)下，電強(qiáng)度越高形成的雷射光斑面積越大。

2.2制程參數(shù)對(duì)微流道寬度影響

分別列出在頻率(1kHz)及固定掃描速度(10mm/s)制程參數(shù)下，相關(guān)制程的微流道寬度曲線圖。由圖2可知微流道寬度將隨著頻率的增加而變?。?0］。當(dāng)頻率越高雷射光斑面積越小，因此所制備的微流道寬度受光斑原有面積影響，也隨著頻率增加有逐漸變小的趨勢(shì)。當(dāng)其他制程參數(shù)固定而電流逐漸變強(qiáng)時(shí)，則微流道寬度將增加。電流強(qiáng)度越高所形成雷射光斑面積越大;雷射功率密度越高，試片表面吸收熱能后溫度劇增、加熱速度提高，導(dǎo)致高溫段維持時(shí)間延長(zhǎng)，平均冷卻速度減慢［11］;因上述熱效應(yīng)影響，導(dǎo)致汽化區(qū)域擴(kuò)大，使得微流道寬度隨電流增加而逐漸增加。在改變掃描速度且其他制程參數(shù)固定下，微流道寬度并無明顯變化，僅影響每一光斑落在基材上的重迭范圍。因此，掃描速度對(duì)于微流道寬度并無明顯影響。

2.3制程參數(shù)對(duì)微流道深度影響

微流道深度值同樣是利用SEM直接測(cè)量。除電流9A及頻率3kHz制程參數(shù)未能測(cè)量出微流道深度之外，微流道深度均隨著頻率的增加而逐漸加深［12］。其原因主要是因?yàn)楫?dāng)頻率較低時(shí)，開啟遮板使雷射束達(dá)到基材表面的次數(shù)遠(yuǎn)低于頻率較高之制程參數(shù)。因而當(dāng)搭配在同一掃描速度制程參數(shù)時(shí)，在單位時(shí)間及單位距離內(nèi)，若頻率為3kHz，每一個(gè)脈沖雷射光斑，其圓心距離相距為1個(gè)單位距離，則同樣的條件下，頻率為1kHz時(shí)圓心距離將相距為3個(gè)單位距離。以下面制程參數(shù)為例，S:10mm/s，C:10A，F(xiàn):1kHz制程雷射光斑圓心距離為10μm，S:10mm/s，C:10A，F(xiàn):2kHz制程圓心距離則縮小為5μm，而S:10mm/s，C:10A，F(xiàn):3kHz制程圓心距離更縮小為3.3μm，因此利用脈沖式雷射制備微流道時(shí)［13］，頻率較低制程將因其光斑重迭率太低，以致于其反應(yīng)深度大多決定于單一脈沖雷射所能反應(yīng)的深度，而頻率較高制程將因其光斑重迭區(qū)域高，使得其深度是由上一次的脈沖雷射反應(yīng)深度［14］，加上部份再一次的脈沖雷射所產(chǎn)生的反應(yīng)深度，故微流道深度隨著頻率的增加而變深。在圖4中制程參數(shù)S:10mm/s，C:9A，F(xiàn):3kHz，雖然其頻率高達(dá)3kHz，但卻未能測(cè)量出微流道深度，此結(jié)論和前面研究成果有些不同，主要因素是由于在3kHz制程參數(shù)下，開關(guān)次數(shù)太過頻繁，造成雷射腔體內(nèi)所累積高能量光子的量較為不足，而此參數(shù)又剛好設(shè)定在電流值最低的制程參數(shù)中，以致于激發(fā)出的雷射能量密度不足，無法在基材反應(yīng)產(chǎn)生明顯深度，使得此制程參數(shù)無法制備出目標(biāo)物－微流道［15］。利用圖4探討電流強(qiáng)度對(duì)于微流道深度影響，可發(fā)現(xiàn)電流強(qiáng)度越強(qiáng)，微流道的深度越深。其原因和2.1節(jié)中電流強(qiáng)度對(duì)于試片影響分析相同［16］，使得基材較深區(qū)域仍受熱能劇烈影響，因此可使得反應(yīng)深度較深。微流道深度隨著掃描速度增加而減少。雷射在制備微流道時(shí)，當(dāng)掃描速度增加，將會(huì)減少雷射高能光子作用于試片表面上的時(shí)間，表面受熱能影響的時(shí)間較短，造成表面汽化區(qū)域縮減，使得微流道深度降低。因此，微流道深度隨著掃描速度的增加而有降低趨向。

2.4制程參數(shù)對(duì)微流道熱影響區(qū)的影響

在所有制程條件下，微流道熱影響區(qū)縱深范圍均約50μm，誤差±5μm。從文獻(xiàn)中可知，雷射淬火產(chǎn)生的變形相當(dāng)小，因?yàn)樗歉吣芰繜嵩吹囊苿?dòng)淬火，熱影響區(qū)比普通淬火方法小得多;另外將雷射作用于工件試驗(yàn)區(qū)時(shí)，由于基材的質(zhì)量遠(yuǎn)大于工件試驗(yàn)區(qū)，使工件試驗(yàn)區(qū)急遽冷卻，屬于自冷淬火，也將導(dǎo)致工件變形量極小且熱影響區(qū)較小。因此，雖然制程條件不同，但在所設(shè)定的制程條件下，所供給的熱能決大部分是用于將硅芯片直接汽化，導(dǎo)致其微流道寬度與深度的差異。而對(duì)于其剩余的熱能所引起的熱影響區(qū)則無明顯差異。因此，微流道熱影響區(qū)在各制程參數(shù)下，其影響的變化差異并不明顯。

3結(jié)論

用YAG雷射表面處理技術(shù)在硅芯片上制備微流道，并分析頻率、電流強(qiáng)度及掃描速度對(duì)于微流道寬度、深度、熱影響區(qū)及表面粗糙度之影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:光斑大小隨著頻率的增加而減少，但卻隨著電流強(qiáng)度的增加而增加;微流道寬度則直接決定于光斑之大小;微流道深度及表面粗糙度皆受到頻率、電流強(qiáng)度及掃描速度三種制程參數(shù)影響;而微流道熱影響區(qū)在各制程參數(shù)下，其影響的變化差異并不明顯。研究中當(dāng)掃描速度10mm/s、電流10A及頻率1KHz為最佳制程參數(shù)。

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作者：蘭子奇1；史智昊2 單位：1．黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2．北京理工大學(xué)