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激光刻蚀的研究现状

摘要：激光是一种非常先进的刻蚀技术，它的“冷加工”、极限超过衍射、非线性多光子效应等性质能实

现对一切材料由微纳到宏观尺度复杂多维工件的精密加工，在微纳电子、光学和精密机械、表面工程、生

物的医学等领域有了很大的市场前景。文章重点针对近几年来激光刻蚀研究现状进行综述，并探讨了激光

在和材料的相互作用机制、加工精度、方式、对象等方面面临的机遇和挑战。

关键词：激光；刻蚀；功能表面；

The current research status of laser etching Abstract：mechanism of laser and materials, the processing precision, methods, object and so on are faced with the opportunities and https://www.360docs.net/doc/b98116942.html,ser is a very advanced etching technology, it is "cold", more than the diffraction limit, the nonlinear effect of multiphoton properties can be achieved for all materials by the micro to macro scale and machining precision of complex multidimensional, micro-nano electronic, optical and precision machinery, surface engineering, biological, medical and other fields have a great market prospect.Article focuses on laser etching current research situation in recent years were reviewed, and discusses the interaction mechanism of laser and materials, the processing precision, methods, object and so on are faced with the opportunities and challenges.

Key words：LaserEtchingFunctional surface

0 前言

激光与材料相互作用时，一方面由于脉冲持续时间远小于材料内部受激电子的弛豫时间，从根本上控制扩散热，实现相对来说的“冷加工”[1-2]，加工精度大大提高了[3]；另一方面，极短的脉宽产生超高光强，可诱导电介质材料多光子非线性吸收，增强空间分辨的同时突破衍射极限[4]，实现微纳加工。基于以上特点，激光从20世纪80年代诞生起便受到学术界的关注，在短暂的二十多年中发展成为广泛及多样化商业应用的有力工具[5]。本文就激光加工这四个方面近三年来新研究进展进行综述和讨论。

1.刻蚀、制孔和切割

多光子吸收过程的有效截面直径为0 /nωω=小于实际光斑直径0ω（n为多光子效应的光子数），并且基于“库仑爆炸”，传统激光重复速率低，平均输出功率小。蚀刻机理等因素，激光蚀刻，制孔和切割加工中的效率低，因此，探索新的加工方法提高加工效率一直受到关注。表1显示了近三年来提高飞秒激光加工对探测和开发加工方法的效率[17-27]，包括飞秒激光脉冲法和脉冲复合法一般被学术界认可，提高加工效率有效的方法。此外，随着激光功率和脉冲重复率的增加，飞秒激光诱导等离子体已经成为影响光束的吸收和处理质量的重要因素，并且已经被广泛研究

在脉冲串方法中，QI等取5个脉冲作为一组和强度余弦分布。XU等[18]分别使用2,3和4脉冲作为一组，能量分布分别为2：1,3：1：1,4：3：2：1，铝和石英目标的作用。与单脉冲蚀刻相比，脉冲串方法显着改善。由于材料作用的性质不同，QI等人认为金属材料的蚀刻效率是由于在目标温度场内的脉冲分布对内部延伸的影响，而XU等人认为，电介质材料的蚀刻，产生高电子的第一脉冲。密度辅助的子脉冲引起雪崩电离，经历非热相变，库仑爆炸，静电力侵蚀过程，并提高蚀刻效率。在脉冲序列优化方法中，QI 等[19]提出在未来关注三脉冲成形蚀刻：使用第一脉冲开始蚀刻，子脉冲具有非常短的延迟以与等离子体相互作用，在液相中形成强吸收。除了脉冲串方法提高处理效率，YU等[20]提出了一种紫外和红外飞秒脉冲法的组合。该方法基于紫外激光诱导多光子电离的原理，为红外飞秒脉冲雪崩电离提供种子电子，可以减少材料损伤阈值，提高脉冲能量的利用率。飞秒脉冲串方法，时间依赖密度函数理论（TDDFT）的理论研究是一种可行的方法，通过量子力学研究脉冲串和宽带隙电介质材料之间的相互作用[21]。

除了脉冲和脉冲重组，GOYA等[22]使用二次谐波短波长激光器减少蚀刻过程中产生的碎屑通过光学倍频，以及碎片散射到梁，其中刻蚀孔时间从10秒增加到5分钟到1.2与在激光光纤孔制造中报道的800nm和1064nm波长相比[23]。JIAO等[24]将处理晶片温度，从而提高材料吸收率，增加蚀刻孔径，减少溅射区域外的孔。溅射的减少与理论推导相反。作者提出，这是由于在多脉冲下的等离子体的焦耳加热导致材料显示出大液滴的事实，并且相对于更短的颗粒飞溅路径显示了上述结果。ZHANG等[25]采用飞秒激光烧蚀法对2 mm 厚的TiC陶瓷片孔进行了研究，发现：随着重复率的增加，蚀刻深度达到一定深度，侵蚀材料将很难从孔中逃逸，侧壁Re - 冷凝层;继续增加每单位面积沉积的能量的频率增加，带电粒子获得较大的出射角，再凝聚层消失。

在工艺气体气氛中，QI等[19]研究了环境空气压力对蚀刻的硅材料的辐射强度和蚀刻形

态的影响。指出，压力的增加将抑制等离子体膨胀并增加温度和电子密度。增强辐射，但压力进一步增加将导致离子和气体分子的碰撞加强，消散能量，削弱等离子体和样品之间的能量耦合，辐射削弱。类似于上述实验，NAKIMANA等[26]首次报道了在2013年单脉冲下空气压力和等离子体压力对等离子体密度和温度的影响。结论是在Ar，空气和He三种气体中，等离子体辐射具有压力的强度是由于高压环境对等离子体对目标表面的压缩，辐射体积的减小和环境气体的冷却效应。QI和NAKIMANA测试压力范围为2Pa?100kPa，1kPa?80kPa，这是前者的高两者压区重叠，的结论基本相同，但激光诱导血浆体积，空间位置变化的确定度依赖于更准确和科学的测试方法。由于激光诱导的等离子体寿命极短，因此其图像采集需要大量的工作。

LEHR等[27]在点重叠率脉冲99.7％φ=的条件下，使用10 kHz高重复率飞秒激光在空气中扫描蚀刻的纯钛。认为，不规则的微观结构外观是高重复频率飞秒激光在热熔融爆炸后产生相，下一行扫描脉冲和凝固材料的作用结果。可以看出，在高重复频率飞秒激光蚀刻中，由于等离子体的能量耦合而出现热蚀刻机制。一方面，在等离子体上存在束的散射和吸收，另一方面，由于激光器和目标之间的第三介质将废物产生二次加热和反冲力。因此，脉冲技术和大功率激光器的未来发展，激光诱导等离子体及其对形态加工的影响将是未来技术和理论研究的重点，并在实际应用中，是优化和改进飞秒激光加工技术的前提和关键。有必要充分了解等离子体的产生，演化和影响。

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