０前言准分子激光（Ｅｘｃｉｍｅｒ）波长极短，聚焦光斑直径可达微米级，国外利用它在硅材料上 已经加工出最小线宽１．３ｍｐ、深３８０ｍｐ的网格结构。准分子激光器的功率相对较小，但其 功率密度却非常高（可达１炉一１０“Ｗ／ＣｍＺ），能加工材料范围较广，其对材料的刻蚀一般 认为是剥离光解ＡＰＤ（Ａｂｌａｔｉｖｅｐｈｏｔｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）——材料吸 收高能量紫外光使化学健瞬间断裂，生成物所占体积急剧胀大，最终以体爆炸的形式脱离母体并带 走过剩的能量［’，’」，所以人们通常将其视为“冷光源”加工工具［’，’］。激光直写（Ｄ ｉ—ｔｗｒｉｔｉｎｇ）加工技术是一种新型微细加工方法，它将高分辨率的准分了激光束与数控 技术。ＣＡＤ／ＣＡＭ技术有机地结合，不经过曝光等图形转印过程可直接在材料上加工出微型三 维结构卜一’］。这和常用化学蚀刻和ＩＪＧＡＩ艺相比，工序减少到只有原来的ｌ／７，生产成 本降低到１／１０左右，加工环节的减少使加工精度更高，尤其适合于微机械结构的制作，从而５ ；起人们的广泛关注。硅由于硬度高、弹性模量高、抗腐蚀性好，具有光、电、磁、力合一的传感 特性等优点成为最重要的微机械材料，其微细加工技术相应受到重视［’］。对硅材料的准分子激 光微细加工特性迄今尚未见有较系统的研究。对准分子激光直写刻蚀单晶硅的热量与热影响区、刻 蚀深度和单脉冲刻蚀率、加工表面质量等一系列基本问题展开了研究，以期为进一步研究微机械三 维结构的准分子激光直写加工提供实践基础与科学依据。回准分子激光直写刻蚀试验采用德国ｈａ ｎｂｄａＰｈｙｓｉｋ公司ＣＯｍｐｅｘ１５０型ＫｒＦ准分子激光器（人一２４８ｕｒｎ）对单 晶硅的刻蚀规律进行了试验研究。选用材料如表１所示。１．１单脉冲刻蚀当脉宽为２５ｕｓ、单 脉冲能量为３ｎｄ时，若取聚焦斑点的面积约为ＺＸＩ０耐，则对应的光束能量密度为１５Ｊ／Ｃ ｍＺ。此时单脉冲加工过的材料表面可观察到较明显的加工痕迹，故硅材料的刻蚀阈值约为１５Ｊ ／ＣｍＺ左右。图１所示为准分子激光单脉冲刻蚀硅的扫描电镜照片。如图１中白框所示单脉冲加 工后的中间区域的凹陷相对较深，周围的加工痕迹逐渐变浅，证明材料的去除一般先从光斑中部对 应的区域开始。同时被剥离的材料并非全部排除，残余部分呈熔融态向周围展开铺于被加工区。１ ．２材料已加工表面的显微形貌图２所示为试验加工的微孔形貌的扫描电镜照片。微孔深度随脉冲 数和脉冲能量的增大而增加，同时孔尺寸略有增大。微孔外轮廓的形状和尺寸基本与聚焦光斑一致 。图３所示为刻蚀的侧壁的扫描电镜照片。总体上孔壁直立性较好，锥度不太明显。图２的扫描电 镜照片还表明，当激光能量均匀时，小孔底部整体基本平坦。而图４从更微观的角度表明孔底除激 光加工痕迹外，没有其他残余物；微孔底部材料表面呈现平展的熔融后的冷凝状态并伴有少量微裂 纹，这一迹象在一定程度上反映出了热的作用。回．３热量与热影响区图５的扫描电镜照片反映了 微孔边缘的覆盖物情况。在金相显微镜下，同样也能看到微孔周围在加工过后会覆盖极细微的一层 薄膜，呈现等厚干涉光环。经Ｘ射线分析仪分析其构成元素与基体材料差别极其微小，叶以断定存 在于微孔外缘的主要是材料被加工过程中形成的喷溅物。图６是刻蚀１０个脉冲后的孔个情况。图 中表现出的热影响几乎为零——被加工孔壁和周围基体材料对比几乎看不到任何由于热作用而造成 的区别（如裂纹与熔融状态的痕迹等）。可见在能量选取适中等条件下，相对其他激光而言准分子 激光所形成的热影响能非常小。２硅的准分子激光直写刻蚀量变化规律取不同能量（３－１１４Ｉ ｎＪ’）与不同脉冲数门一８０脉冲）进行试验，所得规律基本一致。如图７所示为测得的刻蚀深 度与脉冲数之一。值得注意的是不同晶面所对应的刻蚀深度变化情况不同。如输出能量为４２ｎｄ 、脉冲数为１０时，ｌ。２。３号硅片的刻蚀深度测量值分别为２９．０３Ｕｒｎ、２０．８ｐｍ 、１９．２８１。ｍ，ｌ号硅的刻蚀率相对较高。整个试验情况表明，２号硅刻蚀数据的稳定性比 其他两种高。针对２号硅的深度变化进行曲线回归拟合，得经验公式为ｄ＝１．３８８２ｎ０７６ ２２Ｅ０．３２３ＩＪｍ式中ｄ——刻蚀深度（灿ｍ）ｎ。——加工脉冲数Ｅ；；——单脉冲能量 （ＩｎＪ）可见，脉冲数或能量与刻蚀深度的变化都呈幂函数关系，二者都有随深度增长逐渐变缓 的趋势，其中有脉冲数参与的函数关系更接近线性。理想的线性变化对加工深度的实时控制有利。 脉冲数与单位脉冲能量的增大都会导致刻蚀深度的增加，但脉冲数的影响相对更大。３讨论试验知 硅材料的刻蚀阈值约为１５Ｊ／ＣｍＺ左右。可见虽然功率只有几］０Ｗ，但聚焦准分子激光的能 量密度很容易达到并超过材料的刻蚀阈值，一般的准分子激光器都能满足加工时的能量要求。单脉 冲加工后的凹陷深度不均，反映了准分子激光本身的能量在光束横截面内分布不均卜」（见图８） 。同时中央区域吸收的能量，很少能以热扩散形式耗散，这也会造成材料的去除先从光斑中部对应 的高能量区域开始。被加工处的材料吸收大量紫外光能，在瞬间粉碎为微粒子或气化。体积膨胀后 所受的反作用力导致喷射，因为吸附作用和大气压的阻碍使一些粒子喷附到微孔边缘，所观察到的 等厚干涉膜即主要由喷溅物与极少量的杂质粒子构成。由于喷溅物呈现为冷却的熔融态，故可断定 准分子激光与材料的相互作用过程包含热量作用，并非一即确切地说，准分子激光用作“冷光源” 或“冷加工工具”，并不是因为加工材料时仅发生与热量尤关的光化学反应，事实上也有热作用（ 见图４、图５）；只不过一定条件下，在已加工表面上造成的热影响区不明显（见图６）。单晶硅 可得到热影响区极小的加工表面，归因于以下因素：紫外准分子激光具有高的光子能量；准分子激 光的脉宽极窄（ｕｓ量级）；硅材料对紫外激光具有强的吸收能力。这使被加工材料能在非常短的 时间内被去除，即使加工过程伴有热作用也来不及传播出去对周围材料造成较大影响——其中大部 分热量将用于材料的刻蚀过程及由被刻蚀的材料携带走。所以有热量作用并不一定形成较严重的热 影响区。同时也应明确，影响加工表面质量的直接因素正是热影响区的大小和严重程度，而不应仅 仅是有无热量产生。试验所得的小的热影响区的情况ｎ｛是理想的微细加工所希望的。随着刻蚀深 度的增加，单脉冲刻蚀深度即刻蚀率逐渐会略有减小（回归所得经验公式的指数小于１）。其原因 在于随微孔深度增加，刻蚀形成的残余物不能即时从被加工区域排除并逐渐积累，从而对人射光造 成屏蔽，这对较低能量的加工光束的影响更显著。另外被加工点与焦平面的距离变化也会影响刻蚀 率。试验之初聚焦光斑调整并固定于工件表面上，而后微孔深度逐渐增加而焦平面位置不变，于是 被刻蚀的当前加工面会逐渐偏离焦平面。硅对紫外光的吸收率大，与其他光源相比硅材料吸收紫外 激光能量的能力显著增大【’，”；同时因为增加能量会加剧去除材料的反喷过程，使能量不能完 全在刻蚀量上反映出来，故相对脉冲数而言，能量对于刻蚀深度的影响较弱，这在回归处理所得的 经验公式中也有所反映。不同晶面的刻蚀率不同，这与不同晶面的键结合强度不同有关。Ｎ（１０ ０）晶面门号硅）的硅键的强度最低，故刻蚀率相对较大。结论（ｌ）聚焦准分子激光的能量密度 很容易达到并超过材料的刻蚀阈值，一般的准分子激光器多能满足加工的能量要求。（２）由于准 分子激光聚焦光斑的能量密度极高，所以微孔外轮廓的形状和尺寸基本与聚焦光斑一致，孔壁直立 性较好，锥度不明显。（３）准分子激光在加工材料时也伴有热量作用，并不是绝对的“冷光源” 。但它针对硅材料形成的热影响区极小，这对提高微细加工质量尤其重要。（４）脉冲数或能量的 增加都会导致刻蚀深度增加，过脉冲数控制微细加工量更为直接。（５）加Ｘｉ效率的提高宜通过 小脉宽、中等大小的能量与加大脉冲次数实现。若单从加工精度考虑，能量选取不宜过大。硅的准 分子激光直写刻蚀微细加工特性研究@苑伟政$西北工业大学微机械与微细加工技术研究室!西安 710072@马炳和$西北工业大学微机械与微细加工技术研究室!西安710072@李晓莹 $西北工业大学微机械与微细加工技术研究室!西安710072@李铁军$西北核技术研究所@ 王丽戈$西北核技术研究所@刘晶儒$西北核技术研究所准分子激光;;硅微细加工;;直写刻蚀加工针对微机械三维结构对准分子激光直写微细加工的要求，在试验研究基础上，讨论了硅已加工表面形貌、加工热与热影响区等特性，得出了加工脉冲数、能量与刻蚀深度间的相互关系。1张玉书,张庆有.准分子激光微细加工技术.长春:吉林大学出版社,1990
2 James H B. Excimer-haer ablation and etching. IEEE Chrcuits &Devices, 1990, (9): 18-24
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