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1、华中科技大学硕士学位论文1 1 课题概述1 1 1 课题来源1 绪论课题来源于华中科技大学机电信息工程系与中国工程物理研究院高温高密度等离子物理国防科技重点实验室合作的国防科技重点实验室基金项目：球面调制靶工艺研究( 课题编号：5 1 4 8 0 0 6 0 1 叭J w 0 5 0 5 ) ，本论文是该项目的重要组成部分之一。1 1 2 课题目的和意义目前，惯性约束聚变I C F ( I n e r t i a lC o n f i n e m e n tF u s i o n ) 是国际上已取得重大进展的实现受控热核聚变的重要途径之一。从八十年代以来，实验室激光聚变虽然取得了举世瞩目的进展
2、，但在靶物理和相互作用物理两方面还有许多复杂的和关联的物理技术问题未解决【M l 。在惯性约束聚变试验中，由靶丸表面不均匀性引起的瑞利一泰勒流体力学不稳定性( R a y l e i g h T a y l o rI n s t a b i l i t y ) 是导致试验失败的原因之一，进一步在理论上和实验中明确R T 不稳定性的作用是I C F 实验中迫切需要解决的一个关键问题1 6 q o l 。因此，在较小型的高功率激光装置上进行单项分解研究受到人们的普遍重视【卜2 1 。1 。靶丸表面的不完整是这种不稳定性的来源之一，通常，采用在平面上人为引入面密度扰动的方法制备平面起伏调制靶来模拟并
3、进而研究【M “4 1 卜”1 。出于近年来受控热核聚变技术的发展，又有人提出了球面调制靶的概念，因此，研制球面调制靶就成为了必要。目前，球面调制靶的基体是空心玻璃微球。同时，就微光刻技术而言，钳1 对玻璃等硬脆性材料的加工，大多采用湿法刻蚀、化学腐蚀等方法，而这些方法通常都比较耗时，且成本非常高，特别是在小批量加工的时候，并不是一个非常好的加工手段【, 4 1 6 1 。本课题的目的在于探索设计一种球面调制靶的加工工艺，找出一种实际而又简易可行的加工空心玻璃微球制备球面调制靶的方法；另外，通过研究准分子激光直接刻蚀加工玻璃材料，可以为微细加工业中针列华中科技大学硕士学位论文硬脆性材料这丰巾难
4、加工介质，以及利用准分子激光加工三维微细结构等问题找出一个经济、简洁易行且具有广阔发展前景的加工方法。1 2国内外相关技术领域的发展概况、动态和趋势1 2 1 准分子激光微细加工技术的现状与发展趋势微细加工技术从它诞生的那一天超，就一直飞速发展【1 7 1 。它主要是指褶对于传统的加工技术丽言，加工尺度约在微米级范围甚至更小的加工方式。它起源于半导体制造 = ：艺，是微米、亚微米级乃至纳米级微细加工技术的通称。微细加工技术曾经广泛应用于大规模和超大规模集成电路的加工制作，正是借助于这些微细加工技术使众多的微电子器件及相关制作技术和产业蓬勃兴起，并迎来了人类社会的信息革命。同时，微细加工技术也逐
5、渐被赋予更广泛的内容和更高的要求。今天，微细加工已经是当今制造业最为活跃的研究方向之一，在很多领域都有着重要和广阔的应用前景l 埔_ 9 1 。当前的微细加工技术主要包括微细刻蚀、L I G A 、微细特种加工、纳米切削和基于扫描探针技术等微米、纳米级加工技术，并且它们可以大致分为两种：“自上而下”( T o p d o w n ) 式和“自下而上”( B o t t o m u p ，或称“由小到大”) 式。“自上而下”式的方法主要是通过材料的去除和堆积逐步形成所需要的微细结构或构件。束流加工、切削加工、激光刻蚀加工等方法都属于这一类：而“自下而上”式的方法，则是通过原予、分子的挪移、搬迁、
6、重组等来构成纳米尺度的微细结构，基于扫描隧道显微镜( S T M )的原子搬移方法就属于此类【1 9 】。准分子激光微细加工技术是一种“自上而下”式通过去除材料以完成加工的微细加工技术。1 9 2 7 年，I - R a g l e i g h 第一次在观测高气压汞蒸气的时候发现了中心波长为3 3 0n m的完全不同于H 2 原子线状谱的连续谱带，而其激发态分子的寿命比与其对应的基态分子的寿命长得多，与通常所指的分子的概念完全不同，于是，它被定义为“准分子”( E x c i m e r ) 。其后，陆续发现了许多种类的准分子激光。自1 9 8 2 年出现准分子激光刻蚀聚合物的报道后，紫外脉冲
7、激光加工的优势得以显现，激光微细加工领域更加成熟和完善。表1 - 1 列举了当前已经成功运转的准分子激光器采用的准分子激光及其工华中科技大学硕士学位论文作波长1 2 0 1 。当前，工业上应用比较普遍、技术比较成熟的准分子激光器为稀有气体卤化物准分子激光器A r F 、K r F 和X e C I 等，脉冲宽度通常都在卜几到J L 十纳秒。准分子激光可用于消融、刻蚀无机材料( 如硅、金属、玻璃等) 和强吸收聚合物材料，出于其特殊的刻蚀机制，一般都能取得微米或微米级加工精度。当前应用比较普遍的2 4 8n mK r F准分子激光光刻技术主要用于0 2 5 0 1 8 l m 光刻，如果采取提高分
8、辨率的方法，甚至可以用于0 ，1 5b t m 以下尺寸的I c 器件制造；而与i 线( 汞弧灯) 光刻混用，可用于多数0 3p m 光刻，但由于运作成本较高，使其难以成为0 3 0 3 5M l 微小器件生产的主流设备。而1 9 3n m 抗蚀剂和光刻机技术的日益成熟，也使得目前的1 9 3n m 准分子激光成为0 1 8a m 和0 1 5 t m 的主流生产设备【2 1 】。1 9 9 2 年美国表卜1 准分子激光及其波长同核二聚物准分子异核准分子名称波长n m名称波长n m名称波长n mA r 2 +1 2 6 1A r F 1 9 3 3X e F +3 5 1 1K r 2 +1
9、4 5 7K r C l +2 2 3X e o 5 5 0R +1 5 7K r F 2 4 8 4A r o 5 5 7 6X e 2 +1 6 9 - - 1 7 6X e B r 2 8 1 8K r o 5 5 7 8H F3 3 5X e C l 3 0 8t t g C l +5 5 8 4 I B M 公司将准分子光刻机应用于生产线上，商品化的x 卜1 型1 9 3D m 光刻机能获得0 2 5 , a m 线宽光刻胶图形，而相移掩模技术也将1 9 3n m 准分子光刻分辨率提高到0 1 3 “，z 以下。1 9 3n m 准分子激光器近来向0 1p m 推进也在实验室中取得了
10、很大的进展【2 2 “2 6 1 。1 2 2 玻璃材料的微细加工现状及发展趋势利用准分子激光加工无机材料，一般有消融技术和蚀刻技术两种。采用消融方法，准分子激光对无机材料的去除机制为热汽化机制，它主要是利用无机材料的强吸收性能和激光自身的短脉冲特性，汽化消融无机材料以完成加工目的。但是由于消融过程中有激波产生，以及消融带来的汽化产物的急剧膨胀，容易在材料消融表面产生裂纹，消融面周围也容易破裂。因此，准分子激光消融无机材料很难实现微米级加工【2 0 1 。华中科技大学硕士学位论文 必豳搦( a )( b )( C )图卜1准分子激光蚀刻光解A P D 过程( a ) 被吸收能量超过材料闽值(
11、b ) 化学键断裂使极细微的粒予呈类气体态( c ) 体积急剧膨胀导致材料微粒喷出与消融加工不同，准分子激光蚀刻无机材料主要是光化学过程，称为光解剥离A P D ( A b l a t i v eP h o t oD e c o m p o s i t i o n ) 过程，蚀刻同时伴随有一定的热作用，主要是利用高能量紫外激光使材料化学键断裂，生成物所占据的体积迅速膨胀，最终以气体爆炸的形式脱离母体并带走过剩的能量，从而完成整个刻蚀过程。整个过程参见图卜1 。在气体中进行的蚀刻称为干法刻蚀，而在液体中进行的蚀刻则称为湿法刻蚀。采用准分子激光蚀刻，蚀刻精度一般可以达到微米甚至亚微米级。准分子激光
12、微细消融要求被刻蚀材料对激光强吸收，而准分子激光蚀刻则可以对透明材料进行加工( 目前主要指湿法刻蚀) 1 2 7 J 。目前，对玻璃等硬脆材料的加工一般都采用微光刻技术的湿法腐蚀来刻蚀。选择合适的加工工艺，腐蚀精度可以达到亚微米级。白光、咏涛等利用激光腐蚀在会刚石膜表面形成壤小周期为3 p m 不同类型的高质量周期结构【2 8 】。H N i i n o 、X D i n g 、R K u r o s a k i 等人提出一种叫做激光感应背面湿法刻蚀( L I B W E ，L a s e r - I n d u c e dB a c k s i d eW e tE t c h i n g )
13、 的方法，利用准分子激光在某种溶剂和玻璃材料表面的特殊物理性质来实现对玻璃的加工，其加工原理示意如图1 - 2 所示【2 9 J 。采用这种方法，刻蚀率可以通过选择激光的波长、频率以及溶剂的浓度而控制在0 1 3 0n m p u l s e 的范围内，并且也成功刻蚀出了1 0 + u m 线宽、深度1 弘m 的垂直度比较好的沟槽【2 9 瑚】。上面提到的这些方法，主要都是应用于平面的硬脆性材料，并且都取得了比较好的效果。4华中科技大学硕士学位论文准分抄lf 卜乎激ll1 光l1j 、II z r _ = = = 图1 2L I B W E 法刻蚀硅玻璃原理示意图但是，在三维立体玻璃结构上应用
14、这些方法具有非常大的困难，在液体中的构件的定位是一个无法解决的难题。现在的研究者们一般都采用激光直写技术在三维立体结构表面形成微突出结构，或者采用直接聚焦刻蚀的技术蚀刻三维结构体。例如希腊电子结构和激光研究所的科学家利用飞秒级紫外激光通过切除精确地将材料转移到玻璃工件上。他们将激光聚焦到透明石英晶片的铬膜上，被加工玻璃表面置于铬膜附近，以2 4 8n m ，5 0 0f s 的脉冲从铬膜上消融铬，并沉积在玻璃上，用1 0 脉冲秒的速率，可成功的在玻璃上形成4 r n 直径的点。H i r o f u m i H i d a i 、H i t o s h i T o k u r a 等利用4 8
15、 8n l T I A r 离子激光，选用直径7 0 z m 的铝粉末在苏打玻璃、硅玻璃等表面形成了宽度8 0 8 0 0 z m 、高度1 0 1 2 0 m 的线条1 3 2 1 。国内学者在这方面也有一些相当成功的尝试。杨蕾、范品忠等利用2 4 8n mK r F 准分子激光在光学玻璃上制作相位透射光栅，在光学玻璃上获得了宽度和深度分别约1 0a m 和9 0 0n m ，底宽1 0 01 1 1 1 1 ，两侧边斜度为5 5 。的刻槽【3 = l 】。谷怀民等利用3 0 8n mX e C l 准分子激光刻蚀金刚石和玻璃，对X e C I 准分子激光刻蚀的能流阙值和单脉冲能流密度、激光
16、脉冲重复频率等激光参数对单脉冲刻蚀深度的影响作了很有成效的研究，为准分子激光加工硬脆材料的实际应用提供了实验数据和理论依据【3 4 1 。就目前针对玻璃材料器件的加工而言，由于玻璃材料的特殊性质，主要都集中采用湿法刻蚀，浚方法加工的精度可以达到微米或亚微米级，并且可以取得很好的成果。国内外的学者们在陶瓷、余刚石等硬脆材料的加工方面也作了很多尝试，在玻璃 的加 ，也有很多的报道，但取得的成果还远不能保证能够成功地采用准分子激光加工这华中科技大学硕士学位论文种材料，因此，在这方面，特别是准分子激光直接蚀刻加：亡硬脆材料方面，要成功的进行蚀刻加工并达到微米或亚微米级尺度，还有很多：】：作需要去做。1 2 J 调制靶技术的现状与发展趋势国外关于调制靶的研究始于研究瑞利一泰勒效应。理论证明，长波、中波和短波扰动分别对靶丸压缩、壳裂和混合过程产生影响【1 2 】。采用不同波长和振幅的表面调制靶可以从实验上研究不同幅度的表面起伏对
