本文關(guān)鍵詞：干法刻蝕輔助飛秒激光加工技術(shù)研究

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【摘要】：近年來,硅、藍(lán)寶石、金剛石等硬質(zhì)材料的復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)在微電子、微光學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、生物傳感等領(lǐng)域獲得越來越廣泛的關(guān)注。目前常用的制備微納結(jié)構(gòu)的方法包括平面光刻技術(shù)、聚焦電子束、納米壓印、聚焦離子束等微納米加工技術(shù)。利用這些微納加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和器件的高精度制備,加工分辨率已經(jīng)可以達(dá)到幾個(gè)納米的量級(jí)。這些傳統(tǒng)加工方法通常只能加工二維或二維半結(jié)構(gòu),對(duì)于三維結(jié)構(gòu)的制備較為困難。并且,硬質(zhì)材料硬度大、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)也使得對(duì)其進(jìn)行微納加工較為困難,尤其是進(jìn)行光學(xué)級(jí)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的制備更為困難。利用飛秒激光燒蝕技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金剛石、藍(lán)寶石和碳化硅等硬質(zhì)材料進(jìn)行微納米結(jié)構(gòu)的制備。然而對(duì)于硬質(zhì)材料的加工,通常需要采用高能量密度激光對(duì)材料進(jìn)行燒蝕,無法實(shí)現(xiàn)高速掃描加工。另外,采用高強(qiáng)度激光制備的硬質(zhì)材料結(jié)構(gòu)表面粗糙度較大,難以滿足光學(xué)器件對(duì)高表面平滑度的要求。針對(duì)飛秒激光加工硬質(zhì)材料面臨的加工效率低、表面質(zhì)量差等問題,本論文提出了利用干法刻蝕輔助飛秒激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)材料三維微納結(jié)構(gòu)的高效率、高精度制備。具體提出了三種方案。一是干法刻蝕輔助飛秒激光多光子聚合圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石微凸透鏡及螺旋相位板的制備,二是利用干法刻蝕輔助激光改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)硅以及藍(lán)寶石材料微凹透鏡陣列的可控制備,三是利用干法刻蝕輔助灰度激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)面型硅基三維微結(jié)構(gòu)的制備。本論文的具體研究工作如下:(1)利用干法刻蝕輔助飛秒激光多光子聚合圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石微結(jié)構(gòu)的制備。探索了飛秒激光加工參數(shù)以及ICP刻蝕參數(shù)對(duì)制備的藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)形貌的影響,實(shí)現(xiàn)了微圓錐、臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)以及斜面結(jié)構(gòu)等三維結(jié)構(gòu)的制備,并優(yōu)化了激光加工以及刻蝕的工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)了較好表面質(zhì)量藍(lán)寶石微凸透鏡以及螺旋相位板的制備。驗(yàn)證了干法刻蝕轉(zhuǎn)移飛秒激光多光子聚合制備的光刻膠三維結(jié)構(gòu)的可行性。(2)利用干法刻蝕輔助飛秒激光改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)硅基微凹透鏡陣列的可控制備。提出利用飛秒激光對(duì)硬質(zhì)材料進(jìn)行改性,形成改性區(qū)域與未改性區(qū)域的刻蝕速率差,隨后利用干法刻蝕實(shí)現(xiàn)改性區(qū)域的快速刻蝕形成設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)制備。通過調(diào)節(jié)激光脈沖能量、脈沖數(shù)、刻蝕時(shí)間等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微凹透鏡直徑以及深度的調(diào)控。以硅基微凹透鏡陣列為模板實(shí)現(xiàn)了蜂窩狀密排布PDMS微凸透鏡陣列的轉(zhuǎn)寫制備。探討了干法刻蝕輔助飛秒激光改性技術(shù)與半導(dǎo)體工藝的兼容性方案,并得到了初步的可行性驗(yàn)證。(3)利用干法刻蝕輔助飛秒激光改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石微凹透鏡陣列的可控制備。利用飛秒激光振鏡、場(chǎng)鏡快速掃描加工實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)大面積藍(lán)寶石微凹透鏡陣列的制備,并利用制備的大面積藍(lán)寶石微凹透鏡陣列實(shí)現(xiàn)了紫外光束的勻化。最后,利用藍(lán)寶石微凹透鏡陣列為模板實(shí)現(xiàn)了密排布玻璃微凸透鏡陣列的澆鑄轉(zhuǎn)寫制備,為硬質(zhì)材料微納結(jié)構(gòu)的澆鑄轉(zhuǎn)寫制備提供了新思路。(4)利用飛秒激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了硅表面的可控氧化改性。并結(jié)合干法刻蝕實(shí)現(xiàn)了微齒輪、微型梳妝驅(qū)動(dòng)器、微米級(jí)菲涅爾波帶片以及微懸臂梁的制備。在此基礎(chǔ)上,通過改變激光脈沖功率、掃描點(diǎn)間距可以調(diào)控硅表面氧的含量,實(shí)現(xiàn)氧含量的灰度調(diào)控。利用干法刻蝕輔助激光灰度直寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三階臺(tái)階結(jié)構(gòu)、臺(tái)階上立體文字“LASER”、四棱錐、變焦距微透鏡陣列結(jié)構(gòu)以及連續(xù)面型菲涅耳波帶片的制備。驗(yàn)證了干法刻蝕輔助激光灰度直寫技術(shù)具有加工任意梯度高度三維結(jié)構(gòu)的能力。綜上所述,本論文以解決飛秒激光加工硬質(zhì)材料加工效率低與表面質(zhì)量差的問題為出發(fā)點(diǎn),提出了干法刻蝕輔助飛秒激光加工技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了硅與藍(lán)寶石材料表面微光學(xué)元件、微機(jī)械結(jié)構(gòu)的可控制備。探索了干法刻蝕輔助飛秒激光加工技術(shù)與半導(dǎo)體工藝相兼容的可行性方案,為飛秒激光微納加工技術(shù)向工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展提供新的思路。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN249

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1 王維彪,金長春,趙海峰,王永珍,殷秀華,范希武,梁靜秋,姚勁松;干法刻蝕和濕法刻蝕制備硅微尖的比較[J];發(fā)光學(xué)報(bào);1998年03期

2 劉明大;激光輔助干法刻蝕的新進(jìn)展[J];半導(dǎo)體光電;1986年02期

3 朱洪亮;干法刻蝕Ⅲ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料的最新進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);1989年22期

4 王亮;王文青;李鑫;吳成龍;鄭云友;宋泳珍;李偉;李正R，

本文編號(hào)：1257675