真空條件下不同波長固體激光燒蝕單晶硅的實驗研究

齊立濤

(黑龍江科技大學機械工程學院，黑龍江哈爾濱150022)

1 引言

隨著微制造技術的發展，單晶硅(Si)在半導體工業中的應用日趨廣泛。在微機電系統(MEMS)領域中不僅需要平面硅片，也需要Si梁、Si橋和探針臂等結構件、執行機構件、彈性功能件等不定性硅片。實現高速、高質量加工單晶Si是目前研究的熱點。激光加工作為一種有效的加工方法受到越來越多的關注。激光加工中，影響加工質量的因素有很多，如激光波長、脈沖能量、脈沖寬度等［1］。近年來，隨著半導體泵浦激光技術和非線性光學的不斷發展，不同波長的固體激光在材料加工領域的應用越來越廣泛。激光波長對激光加工影響規律的研究也越來越多。日本Namba等人通過對不同波長Nd∶YAG固體激光在不同材料表面的反射與吸收以及激光在倍頻時轉換效率的研究，對比分析了不同波長激光燒蝕材料的加工效率，對激光加工中波長選擇進行了優化［2-3］。但是，激光和材料作用的過程十分復雜，波長的優化不僅受被吸收光以及晶體轉換效率的影響，還受到激光照射過程中激光和材料作用的影響。英國Tunna等人對1 064 nm、532 nm、355 nm波長調Q固體激光燒蝕金屬銅進行了研究，得到不同波長固體激光燒蝕金屬銅的最大蝕除深度，分別為 2.21 μm/pulse(1 064 nm)，13.3 μm/pulse(532 nm)和 6.68 μm/pulse(355 nm)，而產生上述結果的原因主要是由于不同波長激光在金屬銅表面的不同反射率和形成的等離子體不同機制［4］。另外，不同波長激光加工材料的加工特征也不同，日本Okamoto等人利用倍頻的YAG激光微細加工SiC和AlN陶瓷材料，對其加工特征進行了研究，結果表明，在真空中比在空氣中加工效率高，燒蝕區域周圍存在氧化層，而在266 nm波長激光加工時材料被氧化的程度較高［5］。近年來，由于激光在多個領域內的應用越來越廣泛，國內學者對于不同波長激光加工材料的研究也越來越多。高衛東等人對單晶Si的1 064 nm波長Nd∶YAG脈沖激光損傷特性進行了研究，研究結果表明，在1 064 nm單脈沖激光作用下，單晶Si主要表現為熱作用下熔融燒蝕破壞;而在自由脈沖激光作用下，單晶Si在較低能量密度照射下表現為熱-力耦合作用下的解離剝蝕破壞，而能量密度較高時，為熔融破壞技術［6］。國內包凌東等人研究了355 nm紫外重復脈沖激光燒蝕單晶Si的熱力學過程，對整個燒蝕過程進行了觀測，結果表明，紫外激光加工Si是基于熱、力效應共同作用的結果，熱效應提供了材料被去除的條件，力效應加大了燒蝕深度和孔徑比，而等離子體的產生對燒蝕過程有一定的限制作用［7］。俞君等人對比分析了紫外和紅外兩種激光對材料加工的影響規律，得出了紫外激光在加工中具有明顯的優勢［8］。張菲等人對355和1 064 nm全固態激光器刻蝕印刷線路板進行了研究，得出不同波長激光可用來加工印刷電路板的不同部分，主要受激光波長的影響［9］。此外，不同波長固體激光在藍寶石晶圓劃切、陶瓷材料加工和半導體芯片切割等領域有著廣泛的研究和應用［10-12］。由此可見，激光波長對激光加工的質量有著很重要的作用，不同波長激光在材料表面的吸收特征和燒蝕特征直接影響激光加工的質量。針對上述問題，本文利用非線性光學晶體對YAG產生的基頻(1 064 nm)激光進行倍頻，進行 532、355、266 nm波長激光燒蝕單晶Si的實驗，研究了單晶Si對不同波長固體激光的吸收規律和3種不同波長固體激光燒蝕單晶Si的燒蝕特征。

2 實驗設備和方法

實驗中用非線性光學晶體倍頻YAG激光產生的532、355、266 nm波長激光進行燒蝕單晶Si的研究，系統結構如圖1所示。激光器為泵浦燈泵浦的Nd∶YAG固體激光器，經過調Q后，脈沖寬度為幾ns，重復頻率為3 Hz，基波時單脈沖最大能量為1 mJ。激光燒蝕時，脈沖數量通過計算機控制激光器電源來實現，激光脈沖能量利用激光器電源和中性濾波片進行調整。實驗過程中，工件放在密閉的真空腔中，利用分子渦輪泵抽取真空，真空腔的真空度可達1.33×10－4Pa。激光束通過焦距為50 mm的透鏡聚焦后垂直入射在工件的表面。被照射后的工件放在裝有酒精的超聲波清洗儀中進行清洗，通過掃描電子顯微鏡(SEM)進行表面形貌的觀測。實驗中使用的Si為p型(100)。

YAG固體激光器可產生1 064 nm波長范圍的連續和脈沖激光。利用非線性光學晶體，可將YAG固體激光進行多次倍頻，得到不同波長的激光。本實驗進行了基頻的二次、三次和四次倍頻。利用KTP和KD*P非線性光學晶體實現激光頻率轉換。首先，從Nd∶YAG諧振腔中發出的基波(ω:1 064 nm)經過非線性光學晶體KTP進行二次倍頻(2ω:532 nm)，得到波長為1 064 nm和波長為532 nm的激光，經過分光鏡濾除波長為1 064 nm的激光，得到波長為532 nm的激光。其次，把波長為532 nm的激光經過非線性光學晶體KD*P進行二次倍頻(4ω:266 nm)，可以得到波長為532和266 nm的激光，經過分光鏡濾除波長為532 nm的激光，得到波長為266 nm的激光。而后，為了得到355 nm波長的激光，從非線性光學晶體KTP出來的同時具有1 064和532 nm的激光束直接在經過非線性光學晶體KD*P，可以得到光束的和倍頻(3ω:355 nm)，因此，可得到波長為1 064，532和355nm的激光，經過分光鏡濾除波長為1 064和532 nm的激光，得到波長為355 nm的激光。

圖1 532、355和266 nm波長激光燒蝕單晶Si的系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup for 532，355 and 266 nm laser ablation of single crystal Si

3 實驗結果與討論

3.1 單晶Si對不同波長固體激光的吸收

單晶Si對不同波長的激光的反射率(R)和吸收系數(α)可通過式(1)和式(2)算得［13-14］，所得結果如圖2和圖3所示。從圖2和圖3中可以看出，在紫外區域光的反射率要明顯高于其他區域。在波長100～370 nm的區域，單晶Si對激光的吸收系數最高。

式中，R是反射率，n是折射率的實數部分，k是折射率或者吸收率的虛數部分，α是吸收系數，λ為激光波長。

圖2 單晶Si的反射率Fig.2 Reflectivity of single crystal Si

圖3 單晶Si的吸收系數Fig.3 Absorption coefficient of single crystal Si

激光微細加工被認為是在工件表面上很薄的一層上進行的工藝過程。通過計算可以得到在離工件表面10、5和1 nm的吸收率，計算結果如圖4所示。從圖4中可以看出，單晶Si對激光的吸收率在紫外區域較高，特別是波長范圍100～370 nm的激光。

圖4 單晶Si在不同深度對激光的吸收率Fig.4 Absorptivity of single crystal Si to laser in different depth

3.2 532、355和266 nm波長固體激光燒蝕單晶Si的燒蝕特征

實驗中，利用非線性光學晶體獲得532、355和266 nm波長激光后，用不同的脈沖能量(Ep)和脈沖數量(N)的激光對放置在真空腔中的單晶Si試件進行照射。照射后，將試件放在裝有酒精的超聲波清洗儀中進行清洗，利用掃描電子顯微鏡對試件進行觀測。532、355和266 nm波長激光燒蝕單晶Si的觀測結果分別如圖5、圖6和圖7所示。在圖5～7中，圖片左側為單脈沖能量(Ep)，圖片上方的數量(N)為照射的脈沖數量，圖中的每個小圖片對應于不同脈沖能量和脈沖數量照射的結果。

圖5 532 nm波長激光燒蝕單晶Si的SEM圖(標尺:30 μm)Fig.5 SEM images of 532 nm laser ablation of single crystal Si

圖6 355 nm波長激光燒蝕單晶Si的SEM圖(標尺:20 μm)Fig.6 SEM images of 355 nm laser ablation of single crystal Si

圖7 266 nm波長激光燒蝕單晶Si的SEM圖(標尺:20 μm)Fig.7 SEM images of 266 nm laser ablation of single crystal Si

圖5～7中，3種不同波長激光燒蝕單晶Si表現出一些相同的現象和規律。燒蝕區域的直徑隨著脈沖能量的增加而變大，而脈沖數量對于燒蝕區域的直徑的改變不大。當激光脈沖能量較小時，少量的脈沖數量照射可得到較好的加工效果，燒蝕區域內的熔融物質容易排出，但是滯留在燒蝕區域的周圍。隨著脈沖數量的增加，燒蝕區域的深度增加，使得熔融物的排出變得困難，部分滯留在燒蝕區域中，使得燒蝕區域的質量變壞。

3 種不同波長激光燒蝕單晶Si的最低單脈沖能量不同。在圖5中，532 nm波長激光燒蝕單晶Si所需要的最低單脈沖能量為Ep=30 μJ，在圖6和圖7中，355和266 nm波長激光燒蝕單晶Si所需要的最低單脈沖能量為Ep=15 μJ，二者之間呈現2倍的關系。這主要是由于單晶Si對3種不同波長激光的吸收率，破壞機理以及燒蝕閾值不同而導致的。在3.1節中，通過計算和分析可知，單晶Si對波長100～370 nm的激光有著很高的吸收率。3種不同波長激光的單光子能量不同，而355和266 nm波長激光的單光子能量要大于532 nm波長激光的單光子能量，且大于單晶Si的結合鍵能，使得燒蝕過程中光熱蝕除和光化學蝕除占有比例不同，使得3種不同波長激光燒蝕單晶Si的最低單脈沖能量不同。但是3種不同波長激光燒蝕單晶Si中光熱蝕除和光化學蝕除還有待于深入的研究。另外，3種不同波長激光燒蝕單晶Si的燒蝕閾值對燒蝕單晶Si的最低單脈沖能量也起著一定的作用，3種不同波長激光燒蝕單晶Si的燒蝕閾值在3.3節中進行了詳細的說明。

當激光脈沖能量較高時，少量的脈沖數量照射時(如N=1)，燒蝕區域的質量較好，熔融物質被從燒蝕區域中被排出，但堆積在燒蝕區域的周圍。當脈沖數量增加到一定范圍內時(N=25～250)，燒蝕區域及其周圍的加工質量變差。這是由于燒蝕孔的形成，影響了熔融物的排出，堆積在燒蝕孔內和孔的周圍，使得燒蝕孔的質量變差。隨著脈沖數量的不斷增加(N＞500)，燒蝕孔內及其周圍的質量逐漸變好。

由此可見，脈沖數量對于加工質量有著比較明顯的影響。在加工過程中應該選擇合理的脈沖數量以達到加工的目的。在脈沖數量較多時，可明顯改善燒蝕孔內及其周圍的質量，主要是激光的高斯光束進行二次加工的效果，二次加工使得燒蝕孔內的熔融物重新被燒蝕去除，燒蝕孔及其周圍的表面質量得到改善。但照射過程中熔融物質從燒蝕孔內的排出及孔周圍的去除還需要進行深入的研究。

3.3 532、355和266 nm波長激光燒蝕單晶 Si的燒蝕閾值

532 nm波長激光燒蝕單晶Si所需要的最低單脈沖能量為Ep=30 μJ，355 nm和266 nm波長激光燒蝕單晶Si所需要的最低單脈沖能量為Ep=15 μJ。主要是由于單晶Si對3種不同波長激光的吸收率、破壞機理以及燒蝕閾值不同而導致的。532、355和266 nm波長激光燒蝕單晶Si的燒蝕閾值可通過計算得到。

選擇不同單脈沖能量的激光照射單晶Si表面，經SEM檢測得到燒蝕區域的直徑數據，通過數值擬合計算可以得到激光燒蝕材料的燒蝕閾值。

對于高斯光束，其空間能量密度分布φ(r)可表示為:

式中，r為光束邊緣到光束中心的距離(μm)，φ0為激光束的能量密度(J/cm2)，ω0為高斯光束束腰(μm)。激光的能量密度與脈沖能量的關系為:

式中，φth為材料的燒蝕閾值(J/cm2)，D為燒蝕區域的直徑(μm)。由于激光脈沖能能量和能量密度之間的線性關系，可通過測量被燒蝕區域的直徑以及激光脈沖能量，求出燒蝕閾值，圖8為單脈沖266 nm波長激光燒蝕單晶Si的燒蝕區域的直徑與激光能量的關系。通過上述方法計算得到532、355和266 nm波長激光燒蝕單晶Si的燒蝕閾值，如表1所示。532、355和266 nm波長激光燒蝕單晶Si的燒蝕閾值不同，532 nm波長激光需要的燒蝕閾值最大，355和266 nm波長激光的燒蝕閾值小一些。因為355和266 nm波長激光的單光子能量要大于單晶 Si中Si—Si鍵的鍵能(2.35 eV)，因此在照射的過程中，除了光熱蝕除外，還有光化學蝕除，而532 nm波長激光在照射的過程中，只存在光熱蝕除［16］。

式中，Ep為激光的脈沖能量。在激光燒蝕材料的過程中，激光燒蝕區域和光束束腰以及激光能量密度存在如下的規律［15］:

本文對532、355和266 nm波長激光真空條件下燒蝕單晶Si進行了研究。得到了單晶Si對不同波長激光的吸收和燒蝕特性，主要結論如下:

(1)單晶Si對激光的吸收率在紫外區域較高，特別是波長范圍為100～370 nm的激光。

(2)燒蝕孔的直徑隨著脈沖能量的增加而變大，而脈沖數量對于孔徑的改變不大，但是燒蝕區域隨著脈沖數量的增加而不同。在其他條件相同條件下，532 nm波長激光燒蝕單晶Si所需要的最低單脈沖能量(Ep=30 μJ)是355和266 nm波長激光燒蝕單晶Si所需要的最低單脈沖能量(Ep=15 μJ)的2倍，主要是由于單晶Si對3種不同波長激光的吸收率、破壞機理以及燒蝕閾值不同導致的。

(3)532、355和266 nm波長激光燒蝕單晶Si的燒蝕閾值不同，分別為φth(532)=1.83 J/cm2，φth(355)=1.76 J/cm2，φth(266)=1.23 J/cm2，隨著激光波長變短，燒蝕閾值變小。

表1 532、355和266 nm波長激光燒蝕單晶Si的燒蝕閾值Tab.1 Ablation threshold values of 532 nm，355 nm and 266 nm laser ablation of single crystal Si

圖8 266 nm波長激光單脈沖照射單晶Si中燒蝕孔徑與激光能量的關系圖Fig.8 Relationship between the diameter of the ablated area and the pulse energy at 266 nm wavelength laser

4 結論

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