發(fā)布時間：2020-08-07 05:06

【摘要】：隨著微加工和微系統(tǒng)技術的發(fā)展,表面微/納米結構廣泛應用于各種功能微系統(tǒng)的制備,因此在半導體、玻璃、陶瓷等各種難加工材料上高效制備高質量的微/納米結構顯得尤為重要。目前,微結構的制備方法主要是精密機械加工、微細電火花加工、光刻和激光加工等。相比較其他的制備手段,激光加工技術作為一種高度柔性和智能化的先進加工技術,有著非接觸、能量精確可控、材料適應性廣、質量優(yōu)、節(jié)能環(huán)保等綜合優(yōu)勢,但是激光加工的熱效應在微結構的制備過程中留下了缺陷,具體表現(xiàn)為邊緣重鑄層嚴重、亞表面層微裂紋,這對器件的功能的實現(xiàn)會有顯著的影響,所以研究一種新型的激光加工方法很有必要。本文以制備高質量的微結構為目標,采用激光誘導等離子體微納加工(LIPMM)方法。分析到磁場具有調控運動帶電粒子的作用,所以在激光誘導等離子體加工的基礎上,深入的開展了磁控激光誘導等離子體微納加工的研究。本文的創(chuàng)新點、研究內(nèi)容和結論如下:(1)通過對比激光在空氣(Air)中加工、液體輔助激光加工(Ethanol-Assist),LIPMM加工結果,闡明了激光誘導等離子體加工的優(yōu)勢,對比結果顯示在重塑層和熱缺陷方面LIPMM加工都得到了很大的改善。(2)考慮到磁場具有約束等離子體擴散的能力,可以保證激光誘導等離子體加工的穩(wěn)定性,本課題提出并研究了相斥磁場調控激光誘導等離子體加工(MC-LIPMM)技術,重點分析了MC-LIPMM的材料去除機理。結果表明,在洛倫茲力的作用下,激光誘導等離子體的體積受到限制,獲得了一種高質量的無熱缺陷光滑微溝槽。(3)基于激光誘導等離子體加工的獨特優(yōu)勢,本文首次提出了基于激光誘導等離子體的二次掃描加工方法,調控微槽截面形狀并提升了微槽表面粗糙度。結果表明通過二次掃描的方法,能夠有效調控微槽截面輪廓,且微槽表面粗糙度能夠從數(shù)百納米級別下降到百納米以下。并建立了預測溝槽形狀的半經(jīng)驗模型,從理論上解釋了二次掃描截面輪廓變化和表面粗糙度改善的原因。(4)由于超短脈沖激光誘導等離子體微納加工(LIPMM)的優(yōu)點突出,本文首次通過超短脈沖激光誘導等離子體加工方式在NiP金屬玻璃上成功制備得到了高質量的大表面微納結構。實驗通過設置不同掃描次數(shù)和掃描方式在樣品表面制備得到了不同形貌的微結構,并對其形貌差異性進行了理論分析。并著重對比分析了空氣中干燒蝕與LIPMM制備得到的微結構的成分及亞表面層質量差異,LIPMM能夠有效降低空氣中出現(xiàn)的碎屑重鑄、氧化、微裂紋、微孔洞缺陷。同時從空氣中制備得到微結構與附近區(qū)域沉積物的成分相似推測出空氣中微結構主要由碎屑重鑄形成,并分析了其結構表面微裂紋和孔洞的來源。總體而言,激光誘導等離子體微加工(LIPMM)具有在各種難加工材料表面制備高質量微/納米結構的潛力,有望為各種微系統(tǒng)的制備提供新的加工手段。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN249;TG139.8
【圖文】：

- 3-圖 1-1 LIGA 工藝流程LIGA 技術的優(yōu)勢：與其它微納結構制備方法相比，LIGA 技術具有如下特點：（1）可制造高深徑比的圖形結構，LIGA 技術成為唯一可以制作深結構微系統(tǒng)技術；（2）取材廣泛，可以是金屬、玻璃、高分子有機聚合物等；（3）可用來不同幾何截面形狀的圖形結構的制備；（4）可重復使用，符合工業(yè)上大批量生產(chǎn)要求，制造成本低廉等。LIGA 技術的局限性：盡管 LIGA 技術可以制作深寬比較大、邊壁陡直的微細結構，但是還是存在許多因素限制其發(fā)展獲得更高的精度。

圖 1-4 Lithography 加工原理示意圖Lithography 加工技術的特點：（1）大批量生產(chǎn)，符合工業(yè)化運用的需求。（2）已經(jīng)集成智能化設備，整個過程耗費的人力物力較少。（3）使用其他曝光技術（電子束、X 射線、極紫外）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學，隨著曝光技術本身的不斷改進與革命，使加工分辨率得到進一步提升，突破了原來的 0.5 μm 加工分別率極限而且進入了百納米范圍內(nèi)的納米加域[38]。Lithography 加工技術的局限性：（1）光刻工藝復雜，將掩膜版上的圖形轉移到基底上通常要經(jīng)過涂膠光、顯影、刻蝕等 10 多步工藝流程，相較之其他加工方法，步驟顯得繁瑣中一步出了差錯，整個工藝過程都將報廢。（2）通常在刻蝕中使用的是 CF4、SF6等氣體，這些氣體都是有毒氣體且化學反應生成的 SiXFy物質也是有毒物質，所以整個加工過程并不復合

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文處的功率密度超過燒蝕閾值，產(chǎn)生多光子吸收和電離，使得加工確的空間定位能力，實現(xiàn)透明材料內(nèi)部的任意位置的三維超精光加工的局限性：1）激光加工不可避免在材料加工區(qū)域造成了熱損傷、表面重鑄微裂紋等缺陷，圖 1-5 為采用納秒激光所制備微孔的掃描電鏡圖a)可以清晰看得到微孔周圍留下一個圓環(huán)狀的熱作用區(qū)，緊靠孔糙且不平整；圖 1-5 b)所示的微口處出現(xiàn)的粗糙區(qū)域是由熔化飛凝結為固體小顆粒堆積而成，這勢必會對材料的力學性能、壽命產(chǎn)生很大影響。對于電子器件來說，材料的加工缺陷會顯著影響用性能和壽命。集成電路板同時搭載著數(shù)以萬計的微型電子器件壽命就決定了整個電路板的性能高低，因此高質量的加工手段顯

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