發(fā)布時間：2017-12-06 06:26

  本文關鍵詞：干法刻蝕輔助飛秒激光加工技術研究

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【摘要】：近年來,硅、藍寶石、金剛石等硬質材料的復雜三維微納結構在微電子、微光學、微機電系統(tǒng)、生物傳感等領域獲得越來越廣泛的關注。目前常用的制備微納結構的方法包括平面光刻技術、聚焦電子束、納米壓印、聚焦離子束等微納米加工技術。利用這些微納加工技術可以實現(xiàn)復雜結構和器件的高精度制備,加工分辨率已經(jīng)可以達到幾個納米的量級。這些傳統(tǒng)加工方法通常只能加工二維或二維半結構,對于三維結構的制備較為困難。并且,硬質材料硬度大、穩(wěn)定性強等特點也使得對其進行微納加工較為困難,尤其是進行光學級復雜三維結構的制備更為困難。利用飛秒激光燒蝕技術能夠實現(xiàn)對金剛石、藍寶石和碳化硅等硬質材料進行微納米結構的制備。然而對于硬質材料的加工,通常需要采用高能量密度激光對材料進行燒蝕,無法實現(xiàn)高速掃描加工。另外,采用高強度激光制備的硬質材料結構表面粗糙度較大,難以滿足光學器件對高表面平滑度的要求。針對飛秒激光加工硬質材料面臨的加工效率低、表面質量差等問題,本論文提出了利用干法刻蝕輔助飛秒激光加工技術實現(xiàn)硬質材料三維微納結構的高效率、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移技術實現(xiàn)藍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實現(xiàn)硅以及藍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實現(xiàn)連續(xù)面型硅基三維微結構的制備。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移技術實現(xiàn)了藍寶石微結構的制備。探索了飛秒激光加工參數(shù)以及ICP刻蝕參數(shù)對制備的藍寶石結構形貌的影響,實現(xiàn)了微圓錐、臺階狀結構以及斜面結構等三維結構的制備,并優(yōu)化了激光加工以及刻蝕的工藝參數(shù),實現(xiàn)了較好表面質量藍寶石微凸透鏡以及螺旋相位板的制備。驗證了干法刻蝕轉移飛秒激光多光子聚合制備的光刻膠三維結構的可行性。(2)利用干法刻蝕輔助飛秒激光改性技術實現(xiàn)硅基微凹透鏡陣列的可控制備。提出利用飛秒激光對硬質材料進行改性,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現(xiàn)改性區(qū)域的快速刻蝕形成設計的結構制備。通過調節(jié)激光脈沖能量、脈沖數(shù)、刻蝕時間等參數(shù)可以實現(xiàn)對微凹透鏡直徑以及深度的調控。以硅基微凹透鏡陣列為模板實現(xiàn)了蜂窩狀密排布PDMS微凸透鏡陣列的轉寫制備。探討了干法刻蝕輔助飛秒激光改性技術與半導體工藝的兼容性方案,并得到了初步的可行性驗證。(3)利用干法刻蝕輔助飛秒激光改性技術實現(xiàn)藍寶石微凹透鏡陣列的可控制備。利用飛秒激光振鏡、場鏡快速掃描加工實現(xiàn)了厘米級大面積藍寶石微凹透鏡陣列的制備,并利用制備的大面積藍寶石微凹透鏡陣列實現(xiàn)了紫外光束的勻化。最后,利用藍寶石微凹透鏡陣列為模板實現(xiàn)了密排布玻璃微凸透鏡陣列的澆鑄轉寫制備,為硬質材料微納結構的澆鑄轉寫制備提供了新思路。(4)利用飛秒激光加工技術實現(xiàn)了硅表面的可控氧化改性。并結合干法刻蝕實現(xiàn)了微齒輪、微型梳妝驅動器、微米級菲涅爾波帶片以及微懸臂梁的制備。在此基礎上,通過改變激光脈沖功率、掃描點間距可以調控硅表面氧的含量,實現(xiàn)氧含量的灰度調控。利用干法刻蝕輔助激光灰度直寫技術實現(xiàn)了三階臺階結構、臺階上立體文字“LASER”、四棱錐、變焦距微透鏡陣列結構以及連續(xù)面型菲涅耳波帶片的制備。驗證了干法刻蝕輔助激光灰度直寫技術具有加工任意梯度高度三維結構的能力。綜上所述,本論文以解決飛秒激光加工硬質材料加工效率低與表面質量差的問題為出發(fā)點,提出了干法刻蝕輔助飛秒激光加工技術。實現(xiàn)了硅與藍寶石材料表面微光學元件、微機械結構的可控制備。探索了干法刻蝕輔助飛秒激光加工技術與半導體工藝相兼容的可行性方案,為飛秒激光微納加工技術向工業(yè)實際應用的發(fā)展提供新的思路。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：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)光學報;1998年03期

2 劉明大;激光輔助干法刻蝕的新進展[J];半導體光電;1986年02期

3 朱洪亮;干法刻蝕Ⅲ—Ⅴ族化合物半導體材料的最新進展[J];科學通報;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：1257675