專利名稱:一種減小準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕橫向影響區(qū)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種減小準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕橫向影響區(qū)的方法，屬于準(zhǔn)分子激光微加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
準(zhǔn)分子激光具有較高的光子能量，脈寬窄，脈沖能量密度高，可聚焦到極小光斑等優(yōu)越的加工性能，成為微細(xì)加工領(lǐng)域重要的加工手段。
利用準(zhǔn)分子激光這些優(yōu)點對各種材料進(jìn)行了大量的刻蝕研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)分子激光刻蝕機理存在熱效應(yīng)和光化學(xué)兩種情況，并非完全基于非熱機理。在不同試樣表面及內(nèi)部都產(chǎn)生一定程度的橫向影響區(qū)。例如，準(zhǔn)分子激光刻蝕硅、鋼及不銹鋼時，微結(jié)構(gòu)周圍可以看到被落回的熔融噴射物灼燒的痕跡，而且在這些痕跡周圍，由于熱量的傳播使試樣表面溫度升高而發(fā)生氧化，導(dǎo)致表面顏色變深，同時光效應(yīng)引起的沖擊在試樣表面產(chǎn)生橫向裂紋等；準(zhǔn)分子激光進(jìn)行聚合物刻蝕時，加工后的微孔周圍覆蓋一層材料殘留物形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)等。這些橫向影響區(qū)的存在一定程度上改變了試樣表面形貌，對微細(xì)加工工藝很不利，極大地影響了材料微成型的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提高準(zhǔn)分子激光刻蝕微結(jié)構(gòu)表面形貌的質(zhì)量，減少試樣橫向影響區(qū)的范圍。
本發(fā)明采用準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕微加工系統(tǒng)對試樣7進(jìn)行刻蝕，與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于試樣7位于液體里，在液體下進(jìn)行刻蝕。本發(fā)明采用的準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕微加工系統(tǒng)主要包括有激光器1、掩模4、投影物鏡6、試樣7，其中，激光器1發(fā)出的主光束經(jīng)過第一反射鏡2、第二反射鏡3到達(dá)掩模4，將掩模4的圖案經(jīng)過第三反射鏡5反射到投影物鏡6，投影物鏡6縮小后的圖案能夠成像到試樣7的上表面。
本發(fā)明中的刻蝕方法，具體是按以下步驟進(jìn)行的第一步，將試樣7固定到水槽8的底部，然后向水槽8中注入液體，液面高于試樣7的上表面。這樣使試樣7的加工環(huán)境從空氣變?yōu)橐后w環(huán)境。
第二步，將第一步準(zhǔn)備完成的水槽8固定到準(zhǔn)分子微加工系統(tǒng)的三維工作臺9上，這樣使試樣7可進(jìn)行定點及直線的加工。
第三步，將準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕微加工系統(tǒng)中的掩模4轉(zhuǎn)換至“十”型，然后調(diào)整激光的像點位置，使之位于試樣7的上表面。像點處于試樣表面時，激光光能利用率達(dá)到最高。
第四步，將微加工系統(tǒng)中掩模4轉(zhuǎn)換至加工所需形狀后，打開激光器1進(jìn)行準(zhǔn)分子液體下微成型加工。
所述的液體為蒸餾水或甲醇。
本發(fā)明采用液體的加工環(huán)境，一方面由于試樣上方存在液體的壓力作用，使刻蝕掉的材料碎片無法噴射出來而被保留到材料底部，從而避免了灼燒現(xiàn)象的出現(xiàn)；另一方面，液體可以擴散刻蝕過程中產(chǎn)生的大量的熱，使材料表面迅速被冷卻，隔離氧氣，防止氧化。因此，采用該裝置進(jìn)行在液體下加工成功地達(dá)到保護(hù)試樣表面形貌目的，獲得高質(zhì)量的微細(xì)加工結(jié)構(gòu)，實施方法簡單，使準(zhǔn)分子激光微加工工藝進(jìn)一步完善。
圖1是本發(fā)明微加工系統(tǒng)裝置示意圖圖2是本發(fā)明水槽裝置示意圖圖3(A)是水中加工聚合物PMMA孔的效果三維圖圖3(B)是空氣中加工聚合物PMMA孔的效果三維圖圖4在水中和空氣中加工聚合物PMMA橫向影響區(qū)對比曲線圖圖中1、Kr F準(zhǔn)分子激光器，2、第一反射鏡，3、第二反射鏡，4、掩模，5、第三反射鏡，6、投影物鏡，7、試樣，8、水槽，9、三維工作臺，10、準(zhǔn)分子激光，11、蒸餾水。
具體實施方式下面結(jié)合附圖1～4對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
如圖1所示，準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕微加工系統(tǒng)包括有Kr F準(zhǔn)分子激光器1、掩模4、投影物鏡6、試樣7，Kr F準(zhǔn)分子激光器1發(fā)出的主光束經(jīng)過第一反射鏡2和第二反射鏡3到達(dá)掩模4，將掩模4的圖案經(jīng)過反射鏡5的反射到達(dá)投影物鏡6，投影物鏡6將縮小10倍的圖案經(jīng)過水槽8里面的蒸餾水成像到水下試樣7表面上進(jìn)行水下刻蝕。
本實施例主要按以下步驟進(jìn)行刻蝕第一步試樣7選為聚合物材料PMMA，厚度為1.5mm，將其粘貼在水槽8的底部，然后向水槽8中注入蒸餾水12，蒸餾水的高度高于試樣2mm。
第二步，將裝有試樣7的水槽8固定到三維工作臺上9。
第三步，將掩模4調(diào)到“十”型，打開KrF準(zhǔn)分子激光器1，調(diào)整像點位置使之在試樣7的上表面，關(guān)閉激光器1。
第四步，將掩模4調(diào)到圓形，打開KrF準(zhǔn)分子激光器1，進(jìn)行在水下微孔刻蝕。
采用上述刻蝕方法，在19Kv，20Hz條件下，選擇采用直徑為2.5mm的圓形掩模在1.5mm厚的PMMA材料表面進(jìn)行不同脈沖個數(shù)(80，100，150，200，250，300，500)刻蝕實驗，加工環(huán)境分別選擇為在水下和在空氣中。實驗過程中激光器1恒壓，重復(fù)頻率20HZ，工作臺9靜止。采用非接觸式光學(xué)輪廓儀(WykoNT1100，Veeco)分別對在空氣中和水中加工后的試樣7進(jìn)行觀測，當(dāng)脈沖個數(shù)為300個時，材料表面形貌對比三維圖，如圖3(A)、圖3(B)所示。從圖中可明顯的看到，在水下加工的微孔形貌完整，光滑，幾乎沒有被灼傷的痕跡；而在空氣中加工后的材料表面，被灼傷的面積很大，表面形貌嚴(yán)重走形。水下加工獲得的表面形貌要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于空氣中。
不同脈沖個數(shù)下，在水中和空氣中加工的橫向影響區(qū)范圍比較圖，如圖4所示。從圖中可明顯的看到，在空氣中，隨脈沖個數(shù)的增加，PMMA的橫向影響區(qū)變化趨勢呈增函數(shù)變化，最小值為75.1μm，最大值為154.2μm；在水中，PMMA的橫向影響區(qū)變化趨勢較平穩(wěn)，變化范圍在20.5μm到31.1μm之間，有效地降低了準(zhǔn)分子激光加工PMMA產(chǎn)生的橫向影響區(qū)的范圍。
總而言之，該裝置使試樣7進(jìn)行水下加工，有效地控制了準(zhǔn)分子激光微加工過程的橫向影響區(qū)范圍，提高了微結(jié)構(gòu)精度，促進(jìn)微加工工藝的完善。
實施例2實施例2與實施例1的不同之處是水槽8中的液體選為甲醇，將試樣7在甲醇下進(jìn)行刻蝕。甲醇可以取代蒸餾水，起到冷卻和隔離氧氣的作用，獲得相同的加工效果。
權(quán)利要求
1.一種減小準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕橫向影響區(qū)的方法，其特征在于，該方法是按以下步驟進(jìn)行的1)將試樣(7)固定到水槽(8)的底部，然后向水槽(8)中注入液體，液面高于試樣(7)的上表面；2)將水槽(8)固定到準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕微加工系統(tǒng)中的三維工作臺(9)上；3)將準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕微加工系統(tǒng)中掩模(4)轉(zhuǎn)換至“十”型，然后調(diào)整激光的像點位置，使之位于試樣(7)的表面；4)將準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕微加工系統(tǒng)中掩模(4)轉(zhuǎn)換至加工所需形狀后，打開激光器(1)，進(jìn)行刻蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種減小準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕橫向影響區(qū)的方法，其特征在于水槽(8)內(nèi)的液面高度高于試樣(7)的刻蝕表面1.5～5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或權(quán)利要求
2所述的一種減小準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕橫向影響區(qū)的方法，其特征在于所述的注入水槽(8)內(nèi)的液體為蒸餾水或甲醇。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種減小準(zhǔn)分子激光刻蝕橫向影響區(qū)的裝置，屬于準(zhǔn)分子激光微加工領(lǐng)域。主要包括有激光器(1)、掩模(4)、投影物鏡(6)、試樣(7)，其中，激光器1發(fā)出的主光束經(jīng)過第一反射鏡(2)、第二反射鏡(3)到達(dá)掩模(4)，將掩模(4)的圖案經(jīng)過第三反射鏡(5)反射到投影物鏡(6)，投影物鏡(6)縮小后的圖案成像到試樣(7)的表面，進(jìn)行刻蝕，其特征在于試樣(7)設(shè)置在水槽(8)的底部，水槽(8)內(nèi)注有液體，試樣(7)的刻蝕表面低于液面。采用本發(fā)明進(jìn)行在液體下加工，提高了準(zhǔn)分子激光刻蝕微結(jié)構(gòu)表面形貌的質(zhì)量，獲得高質(zhì)量的微細(xì)加工結(jié)構(gòu)，實施方法簡單，使準(zhǔn)分子激光微加工工藝進(jìn)一步完善。
文檔編號B23K26/00GK1994653SQ200610169837
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月29日
發(fā)明者姚李英, 劉瑩, 陳濤, 左鐵釧, 劉世炳 申請人:北京工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan