齐立涛
【摘 要】Lasers with wavelengths of 532 nm, 355 nm and 266 nm are obtained using harmonic generation of a Nd∶YAG solid-state laser by nonlinear optical crystal .The relationship between the absorption of single crys-tal silicon and the laser wavelength and ablation characteristics of single crystal silicon by 3 different wave-length lasers under vacuum condition are studied .The results show that single crystal silicon has a good ab-sorption of ultraviolet laser in the wavelength range of 100-370 nm, and under the same conditions , the min-imum single pulse energy for 532 nm laser ablation of silicon is 30μJ and the minimum single pulse energy for 355 nm or 266 nm laser ablation of silicon is 15μJ.The ablation threshold values of 532 nm, 355 nm and 266 nm laser ablation of silicon are different , which become smaller with the decrease of wavelength .%通过倍频Nd∶YAG固体激光的基波得到波长分别为532、355和266 nm的激光，研究了单晶硅（ Si）对不同波长固体激光的吸收规律和3种不同波长激光在真空条件下烧蚀单晶Si的烧蚀特征。结果表明，
单晶Si 对波长为100～370 nm的紫外激光具有很好的吸收效果；在其他条件相同时，532 nm波长激光烧蚀单晶Si所需最低单脉冲能量（ Ep ＝30μJ）是355和266 nm波长激光烧蚀单晶Si所需最低单脉冲能量（Ep ＝15μJ）的2倍；532、355和266 nm的激光烧蚀单晶Si的烧蚀阈值随着波长的变短而变小。
【期刊名称】《中国光学》
【年(卷),期】2014(000)003
中国导医网
【总页数】7页(P442-448)
【关键词】Nd∶YAG固体激光;激光波长;单晶硅;烧蚀阈值
【作 者】齐立涛
【作者单位】黑龙江科技大学机械工程学院，黑龙江哈尔滨150022
【正文语种】中 文
【中图分类】唐朝女子用的铜镜能照清楚人吗TN249
1 引言
随着微制造技术的发展，单晶硅(Si)在半导体工业中的应用日趋广泛。在微机电系统(MEMS)领域中不仅需要平面硅片，也需要Si梁、Si桥和探针臂等结构件、执行机构件、弹性功能件等不定性硅片。实现高速、高质量加工单晶Si是目前研究的热点。激光加工作为一种有效的加工方法受到越来越多的关注。激光加工中，影响加工质量的因素有很多，如激光波长、脉冲能量、脉冲宽度等［1］。近年来，随着半导体泵浦激光技术和非线性光学的不断发展，不同波长的固体激光在材料加工领域的应用越来越广泛。激光波长对激光加工影响规律的研究也越来越多。日本Namba等人通过对不同波长Nd∶YAG固体激光在不同材料表面的反射与吸收以及激光在倍频时转换效率的研究，对比分析了不同波长激光烧蚀材料的加工效率，对激光加工中波长选择进行了优化［2-3］。但是，激光和材料作用的过程十分复杂，波长的优化不仅受被吸收光以及晶体转换效率的影响，还受到激光照射过程中激光和材料作用的影响。英国Tunna等人对1 064 nm、532 nm、355 nm波长调Q固体激光烧蚀金属铜进行了研究，得到不同波长固体激光烧蚀金属铜的最大蚀除深度，分别为 2.21 μm/pulse(1 064 nm)，13.3 μm/pulse(532 nm)和 6.68 μm/pulse(355 nm)，而产生上述结果的原因主要是由于不同波长激光在金属铜表面的不同反射率和形成的等离子体不 同机制［4］。另外，不同波长激光加工材料的加工特征也不同，日本Okamoto等人利用倍频的YAG激光微细加工SiC和AlN陶瓷材料，对其加工特征进行了研究，结果表明，在真空中比在空气中加工效率高，烧蚀区域周围存在氧化层，而在266 nm波长激光加工时材料被氧化的程度较高［5］。近年来，由于激光在多个领域内的应用越来越广泛，国内学者对于不同波长激光加工材料的研究也越来越多。高卫东等人对单晶Si的1 064 nm波长Nd∶YAG脉冲激光损伤特性进行了研究，研究结果表明，在1 064 nm单脉冲激光作用下，单晶Si主要表现为热作用下熔融烧蚀破坏;而在自由脉冲激光作用下，单晶Si在较低能量密度照射下表现为热-力耦合作用下的解离剥蚀破坏，而能量密度较高时，为熔融破坏技术［6］。国内包凌东等人研究了355 nm紫外重复脉冲激光烧蚀单晶Si的热力学过程，对整个烧蚀过程进行了观测，结果表明，紫外激光加工Si是基于热、力效应共同作用的结果，热效应提供了材料被去除的条件，力效应加大了烧蚀深度和孔径比，而等离子体的产生对烧蚀过程有一定的限制作用［7］。俞君等人对比分析了紫外和红外两种激光对材料加工的影响规律，得出了紫外激光在加工中具有明显的优势［8］。张菲等人对355和1 064 nm全固态激光器刻蚀印刷线路板进行了研究，得出不同波长激光可用来加工印刷电路板的不同部分，主要受激光波长的影响［9］。此外，不同波长固体激光在蓝宝石晶圆划切、陶瓷材
料加工和半导体芯片切割等领域有着广泛的研究和应用［10-12］。由此可见，激光波长对激光加工的质量有着很重要的作用，不同波长激光在材料表面的吸收特征和烧蚀特征直接影响激光加工的质量。针对上述问题，本文利用非线性光学晶体对YAG产生的基频(1 064 nm)激光进行倍频，进行 532、355、266 nm波长激光烧蚀单晶Si的实验，研究了单晶Si对不同波长固体激光的吸收规律和3种不同波长固体激光烧蚀单晶Si的烧蚀特征。
男生女生金版文章2 实验设备和方法
实验中用非线性光学晶体倍频YAG激光产生的532、355、266 nm波长激光进行烧蚀单晶Si的研究，系统结构如图1所示。激光器为泵浦灯泵浦的Nd∶YAG固体激光器，经过调Q后，脉冲宽度为几ns，重复频率为3 Hz，基波时单脉冲最大能量为1 mJ。激光烧蚀时，脉冲数量通过计算机控制激光器电源来实现，激光脉冲能量利用激光器电源和中性滤波片进行调整。实验过程中，工件放在密闭的真空腔中，利用分子涡轮泵抽取真空，真空腔的真空度可达1.33×10－4Pa。激光束通过焦距为50 mm的透镜聚焦后垂直入射在工件的表面。被照射后的工件放在装有酒精的超声波清洗仪中进行清洗，通过扫描电子显微镜(SEM)进行表面形貌的观测。实验中使用的Si为p型(100)。
YAG固体激光器可产生1 064 nm波长范围的连续和脉冲激光。利用非线性光学晶体，可将YAG固体激光进行多次倍频，得到不同波长的激光。本实验进行了基频的二次、三次和四次倍频。利用KTP和KD*P非线性光学晶体实现激光频率转换。首先，从Nd∶YAG谐振腔中发出的基波(ω:1 064 nm)经过非线性光学晶体KTP进行二次倍频(2ω:532 nm)，得到波长为1 064 nm和波长为532 nm的激光，经过分光镜滤除波长为1 064 nm的激光，得到波长为532 nm的激光。其次，把波长为532 nm的激光经过非线性光学晶体KD*P进行二次倍频(4ω:266 nm)，可以得到波长为532和266 nm的激光，经过分光镜滤除波长为532 nm的激光，得到波长为266 nm的激光。而后，为了得到355 nm波长的激光，从非线性光学晶体KTP出来的同时具有1 064和532 nm的激光束直接在经过非线性光学晶体KD*P，可以得到光束的和倍频(3ω:355 nm)，因此，可得到波长为1 064，532和355nm的激光，经过分光镜滤除波长为1 064和532 nm的激光，得到波长为355 nm的激光。
图1 532、355和266 nm波长激光烧蚀单晶Si的系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup for 532，355 and 266 nm laser ablation of single crystal Si
3 实验结果与讨论金福音
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3.1 单晶Si对不同波长固体激光的吸收什么叫差动保护
单晶Si对不同波长的激光的反射率(R)和吸收系数(α)可通过式(1)和式(2)算得［13-14］，所得结果如图2和图3所示。从图2和图3中可以看出，在紫外区域光的反射率要明显高于其他区域。在波长100～370 nm的区域，单晶Si对激光的吸收系数最高。
式中，R是反射率，n是折射率的实数部分，k是折射率或者吸收率的虚数部分，α是吸收系数，λ为激光波长。
图2 单晶Si的反射率Fig.2 Reflectivity of single crystal Si
图3 单晶Si的吸收系数Fig.3 Absorption coefficient of single crystal Si
激光微细加工被认为是在工件表面上很薄的一层上进行的工艺过程。通过计算可以得到在离工件表面10、5和1 nm的吸收率，计算结果如图4所示。从图4中可以看出，单晶Si对激光的吸收率在紫外区域较高，特别是波长范围100～370 nm的激光。
图4 单晶Si在不同深度对激光的吸收率Fig.4 Absorptivity of single crystal Si to laser in different depth
3.2 532、355和266 nm波长固体激光烧蚀单晶Si的烧蚀特征
实验中，利用非线性光学晶体获得532、355和266 nm波长激光后，用不同的脉冲能量(Ep)和脉冲数量(N)的激光对放置在真空腔中的单晶Si试件进行照射。照射后，将试件放在装有酒精的超声波清洗仪中进行清洗，利用扫描电子显微镜对试件进行观测。532、355和266 nm波长激光烧蚀单晶Si的观测结果分别如图5、图6和图7所示。在图5～7中，图片左侧为单脉冲能量(Ep)，图片上方的数量(N)为照射的脉冲数量，图中的每个小图片对应于不同脉冲能量和脉冲数量照射的结果。
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