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华中科技大学
硕士学位论文
单晶硅紫外激光微加工工艺研究
姓名:杨雄
申请学位级别:硕士
专业:物理电子学
指导教师:段军
2011-01-17
华中科技大学硕士学位论文
摘要
紫外激光微加工具有无机械应力、加工精度高、使用方便、加工方式灵活、成
本低、污染少等特点,在航空航天、电子、精密机械等众多领域得到了广泛的应用。
目前紫外激光微加工能力从二维扩展到复杂三维,加工极限精度也从微米提高到纳
米量级。但在国内,脉冲激光刻蚀成型技术的三维结构加工还处于起步阶段。
本文结合激光与物质相互作用的基本原理,系统论述了紫外脉冲激光加工的一
般规律。脉冲激光加工的最基本结构为点结构,其它图形的刻蚀都是脉冲光斑耦合
叠加烧蚀而成。
本课题的实验采用波长为 355nm 的数控紫外脉冲激光系统在单晶 Si 表面进行了
定点脉冲钻孔和直线微加工的实验研究。研究分析了激光平均功率密度、重复频率、
加工次数、光斑离焦量、扫描速度等工艺参数对小孔孔径、直线的线深及线宽入口
尺寸的影响规律。提出了激光多次重复刻蚀时改善微加工质量的新方法:每次加工
后增加延时来减小热效应积累和焦平面随加工深度递进使加工时功率密度保持不
变。研究分析了平均功率密度、光斑离焦量、扫描间距、延时、扫描速度等参数对
定点脉冲钻孔与直线刻蚀质量的影响规律。
在 Si 表面进行了平面结构刻蚀,进而使用分层法刻蚀出了四棱台和半球体等三
维结构。结果证明了 355nm 紫外脉冲激光对 Si 具有良好的三维微加工能力。由于随
着加工区域深度的变化,相同加工参数会有不同的加工深度使加工的三维结构层与
层之间仍有较明显分界线存在,衔接处不够平滑,需要寻找更好的微加工参数组合
进行改进。

关键词:激光微加工紫外脉冲激光单晶硅
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Now, micro-machining has e one of the most active research directions in
manufactory area. There are many methods to do micro-machining, and the UV laser
micro-machining is one of the most promising ones, which has been widely used in the
aerospace, electronics, MEMS, and many other fields due to the advantages of its no
mechanical stress,good micro-machining precision and quality, low cost, flexible
method, higher efficiency, less pollution and so on. The capacity of UV laser
micro-machining is developing from 2D extension plex 3D, and its precision is also
improved from micron to mill micron in the international level. However, at home, 3D
structure achieved by the laser micro-machining, is still in its infancy.
This thesis expounds the basic principle of UV pulse laser micro-machining based on
the mechanism of interaction between laser and material.. The basic structure of UV pulse
laser micro-machining is percussion drilling or etching drilling process and the patterns or
structures are achieved by a series of coupling pulse beam spot superposition .
The experiments of percussion drilling and line etching processes were carried out o