硅片纳秒激光附加电流打孔实验研究.pdf
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1、 制造技术/工艺装备现代制造工程()年第 期硅片纳秒激光附加电流打孔实验研究李锦超张伟郑宏宇高军蒋超(山东理工大学机械工程学院淄博)摘要:针对硅片具有反射率高、吸收率低等缺点为了提高纳秒激光(波长为 )在硅片上打孔蚀除材料效率设计附加电流场装置建立单脉冲烧蚀阈值模型经过实验计算得到硅片烧蚀阈值为./采用电流场辅助激光环切式进行硅片打孔分别在激光加工次数和附加电流不同时做实验研究当激光加工次数较少而附加电流较大时激光加工的微孔入口孔和出口孔直径均显著增加锥度减小蚀除材料效率增大当激光加工次数较多时施加电流后由于多脉冲的累积效应微孔直径变化不明显这是由于附加电流场导致硅片内自由电子增多更多的自由电
2、子与激光光子发生碰撞增加硅片对激光能量的吸收 实验表明附加电流增加了硅片对波长为 纳秒激光光子的吸收率提高了硅片蚀除材料效率也为高效率的纳秒激光加工硅片提供一种新方法关键词:硅片激光加工附加电流烧蚀阈值微孔形貌多脉冲累积效应中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.():.()./.:引言不同于传统的机械加工纳秒激光加工技术由于其独特的优势一直备受关注被广泛应用于不同领域例如航空航天、医疗卫生以及微机芯片等 而硅片是重要的半导体材料主要应用于电子产品的集成电路制造中目前加工硅片的方法包括等离子体蚀刻、金刚石切割及光刻微纳技术等 硅片由于其反射率高、表面光泽性强等性质对于短脉冲纳秒激光器的能
3、量吸收率较低因此提高硅片短脉冲激光的吸收率、增大加工效率具有重要意义 等人使用纳秒紫外激光在硅片上加工通孔研究了激光加国家重点研发计划项目()山东省自然科学基金项目()年第 期现代制造工程()工参数对小孔尺寸的影响实验结果表明孔深与激光能量密度存在对数关系多脉冲数的低能量密度比少脉冲数的高能量密度的加工效率高 王银飞等人通过旋转磁场辅助红外皮秒脉冲激光加工 不锈钢打孔对激光加工效率以及表面质量进行研究实验结果表明旋转磁场有效减小了微孔锥度刻蚀深度增大表面喷溅更加显著 等人研究了静电场和激光诱导放电对铜超短激光脉冲钻孔的影响研究表明无激光诱导放电时对铜表面形貌及表面结构没有显著变化当观察到激光诱
4、导放电时铜表面产生更大的热影响区和更多的沉积材料 等人研究了交变电场对激光熔覆 涂层微观结构的影响得出交变电场可以提高激光熔覆 涂层的成核速率细化晶粒的微观结构 等人采用电场与横向吹气相结合的方式通过削弱等离子体的屏蔽效应来提高激光钻孔的效率本文使用波长为 纳秒激光器对硅片进行微孔加工实验研究测定硅片的烧蚀阈值设计附加电流激光打孔实验装置通过不同实验研究了附加电流和激光加工次数对微孔表面形貌的影响规律并分析其原因 烧蚀阈值测定 烧蚀阈值是激光加工中的一个重要因素其决定了激光器给定脉冲能量的最小能量通量在很大程度上影响加工微观结构的质量、形貌、尺寸和烧蚀特性等 激光加工的要求是激光能量密度应高于
5、其加工材料烧蚀阈值 研究材料的烧蚀阈值能够获得激光的光斑半径也作为后续进行附加电流激光钻孔实验提供激光能量的选择依据 确定烧蚀阈值的方法有多种由于烧蚀坑的面积更容易获得且误差较小因此采用面积外推法()确定硅片烧蚀阈值更方便和准确面积外推法烧蚀阈值由式()和式()计算得到即:()()式中:为单脉冲激光有效烧蚀面积的直径为激光光斑半径为激光平均功率 为激光重复频率为在有效激光区域内烧蚀时外轮廓的能量密度为激光烧蚀的最小能量通量(密度)即材料的烧蚀阈值在不同激光平均功率下利用光学显微镜观察纳秒激光在硅片表面的烧蚀形貌如图 所示 当激光能量密度超过材料烧蚀阈值时硅片表面出现微米级凹坑随着激光平均功率的
6、增大烧蚀有效面积增大图 纳秒激光在硅片表面的烧蚀形貌 经过计算得到单脉冲激光烧蚀硅片直径的平方与入射激光平均功率对数呈线性关系图 所示为激光平均功率与烧蚀直径拟合结果 由式()可知直线斜率 即激光光束的束腰半径为 当 时拟合直线与横轴交点处的能量密度值即为硅片的单脉冲烧蚀阈值即单脉冲激光烧蚀阈值为./确定烧蚀阈值后通过调节激光光路中的衰减片使其单脉冲激光能量密度大于硅片的烧蚀李锦超等:硅片纳秒激光附加电流打孔实验研究 年第 期阈值额外的激光能量密度将硅材料从表面去除形成规则的凹坑和微孔图 激光平均功率与烧蚀直径拟合结果 附加电流实验装置纳秒激光器加工工艺参数如下:波长为 激光重复频率为 脉冲宽
7、度约为 采用激光环切式加工扫描速度为 /激光束高斯分布的最大强度即/处的聚焦光斑直径为 激光环切式打孔示意如图 所示 加工材料为 .双面抛光硼掺杂单晶硅片电阻率为.图 激光环切式打孔示意本文设计了附加电流纳秒激光打孔实验装置如图 所示 激光能量聚焦在硅片样品上表面硅片两端施加电流分别为、.和 采用 相机实时监测硅片表面微孔形貌再用高倍显微镜进行观察实验采用阵列打孔方式每组实验样品选择 个小孔分别测得其出口孔和入口孔直径 由于激光束传递的能量不均匀导致激光打孔后的孔形不呈规则圆形利用图像分析软件捕获孔的边缘通过积分边界线计算孔的面积从而得到直径实验在标准大气压、常温环境下进行 实验前对样品进行表
8、面处理样品先用丙酮浸泡 去除有机物及其他杂质然后将样品放置到乙醇溶液中进行超声波清洗激光加工完成后将样品再次放置到乙醇溶液中进行超声波清洗再干燥图 附加电流纳秒激光打孔实验装置 实验结果分析.附加电流对微孔入口孔直径的影响采用 单脉冲激光能量在不同附加电流和激光加工次数时进行实验其微孔入口孔直径如图 所示 由图 所示可知当激光加工次数为、电流为.时微孔入口孔直径为.(见图)与无电流加工(见图)相比增加了.当激光加工次数为、电流为.时(见图)微孔入口孔直径与无电流加工相比又增加了.在激光加工次数为 且无电流时微孔的入口孔直径为.(见图)当激光加工次数为、电流为.时微孔入口孔直径为.(见图)增加了
9、.当激光加工次数为、电流为.时微孔的入口孔直径为.(见图)相比增加了.详细分析微孔入口孔直径变化及其误差关系得到不同电流和激光加工次数时微孔入口孔直径变化如图 所示在施加电流后微孔的入口孔直径比无电流时直径大并且随电流的增大而增大 纳秒激光器的波长为 光子能量为.与硅片的直接带隙能量(.)接近 当硅片两端无电流时激光烧蚀的能量主要通过激光产生的光子和材料上自由电子的非线性吸收 纳秒激光束具有较高的峰值功率密度当激光辐照被加工材料时激光光斑范围内材料吸收热量发生热烧蚀 硅片材料内部的共价 年第 期现代制造工程()键相互结合形成晶格点阵当晶格被激光束辐照时晶格的共有电子与激光产生的光子发生非弹性撞
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