激光技術制備微流道研究范文

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《激光雜志》2017年第6期

摘要:采用YAG雷射制程技術制備微流道，不但處理速度快、低污染、低耗費，硅芯片經YAG雷射表面處理后呈現微流道，實驗得出雷射光斑直徑受頻率及電流強度所控制，隨著頻率減少及電流強度增加而變大，微流道寬度隨著頻率減少及電流強度增加而變寬，掃描速度對微流道寬度無明顯影響。微流道深度隨著頻率及電流強度增加而變深，隨著掃描速度增加而變淺。微流道熱影響區在各制程參數下，其影響的變化差異并不明顯，微流道表面粗糙度隨著頻率及電流強度的增加而變大，隨著掃描速度的增加而降低，最佳制程參數為掃描速度10mm/s、電流10A及頻率1KHz，其微流道表面及軌跡最為平整，且幾何形狀最佳。

關鍵詞:YAG雷射;微流道;制程參數;硅芯片

近年來激光技術迅速發展，其應用正在各個領域不斷深化和擴展，使工業、農業、醫學、軍事、科研甚至日常生活等方面的面貌有了嶄新的變化［1］，表面處理技術日趨重要。微流道現今廣泛應用于微機電與微加工技術，目前大多利用半導體制程技術為基礎，整合電子及機械功能制作而成微型裝置［2］。文獻中，微流道制備方式包括利用CO2雷射技術;spacermethod制備三維微流道［3］;犧牲層(Sacrificiallayers)與活性離子蝕刻(reactiveionetching，RIE)技術;SU－8與犧牲層技術;犧牲層與UV曝光技術;紫外光雷射類深刻模造(LIGA－like)技術;但尚未發現利用YAG雷射技術在大氣中制備微流道的相關研究［4］。微流道技術開發成為一項重要的研究課題。

1實驗流程及方法

微流道制程實驗采用YAG－50雷射機。其波長為1064nm的固體雷射，工作光源采用氪燈泵浦，由Q－switch對雷射進行腔內調制。微流道制程參數采用頻率1kHz至3kHz、電流強度9A至11A及掃描速度10mm/s至30mm/s。硅芯片經YAG雷射加工后，將微流道表面拋光，去除加工時因高溫所造成的熔融噴濺物及表面雜質［5］，再利用SEM測量微流道寬度及深度值。其后采用48%的氫氟酸溶液蝕刻2.5分鐘至3.5分鐘，觀察熱影響區及顯微組織變化。微流道表面粗糙度的測量，是直接利用SEM觀察微流道軌跡［6］，用描圖紙繪出粗糙度曲線，去除最高及最低數據，再計算Ra值。每一個制程測量五次，最后取平均值。

2實驗結果與分析

2.1頻率及電流強度對雷射光斑直徑影響

將石墨預涂于硅芯片表面，待干燥后以雷射掃描，利用雷射高功率密度特性，使石墨直接汽化呈現該制程參數的雷射光斑。當電流固定而改變頻率時，光斑直徑將隨著頻率的增加而減少，其主要因素是因為所使用的YAG雷射屬于Q－switch脈沖式(pulse)雷射，由Q－switch控制單位時間內產生的雷射光子的量。在Q－switch頻率不變的情況下，當掃描頻率為1kHz時，由于開關次數不夠頻繁，因此雷射腔體內可累積較多高能量光子的量［7］，在雷射束射出時，有較多高能光子撞擊試片表面，造成雷射光斑面積較大。頻率提升至2kHz時，由于開關次數較1kHz頻繁，造成雷射腔體內所累積高能量光子的量不足，在雷射束射出時，撞擊試片表面的光子較少，因此雷射光斑面積較小［8］。當頻率提升至3kHz時，雷射光斑面積將會再縮減。因此，在研究范圍中可知雷射光斑隨著頻率變大而有逐漸變小的趨勢。當頻率固定而改變電流時，光斑直徑將隨著電流的增加而變大，主要是因為電流強度會影響雷射功率密度［9］;電流強度越高，雷射所射出能量密度也越強，試片表面吸收能量后溫度急遽升高，造成汽化效應較為劇烈，同時熱傳導將表面熱能向試片內部傳遞。因此，在固定頻率制程參數下，電強度越高形成的雷射光斑面積越大。

2.2制程參數對微流道寬度影響

分別列出在頻率(1kHz)及固定掃描速度(10mm/s)制程參數下，相關制程的微流道寬度曲線圖。由圖2可知微流道寬度將隨著頻率的增加而變小［10］。當頻率越高雷射光斑面積越小，因此所制備的微流道寬度受光斑原有面積影響，也隨著頻率增加有逐漸變小的趨勢。當其他制程參數固定而電流逐漸變強時，則微流道寬度將增加。電流強度越高所形成雷射光斑面積越大;雷射功率密度越高，試片表面吸收熱能后溫度劇增、加熱速度提高，導致高溫段維持時間延長，平均冷卻速度減慢［11］;因上述熱效應影響，導致汽化區域擴大，使得微流道寬度隨電流增加而逐漸增加。在改變掃描速度且其他制程參數固定下，微流道寬度并無明顯變化，僅影響每一光斑落在基材上的重迭范圍。因此，掃描速度對于微流道寬度并無明顯影響。

2.3制程參數對微流道深度影響

微流道深度值同樣是利用SEM直接測量。除電流9A及頻率3kHz制程參數未能測量出微流道深度之外，微流道深度均隨著頻率的增加而逐漸加深［12］。其原因主要是因為當頻率較低時，開啟遮板使雷射束達到基材表面的次數遠低于頻率較高之制程參數。因而當搭配在同一掃描速度制程參數時，在單位時間及單位距離內，若頻率為3kHz，每一個脈沖雷射光斑，其圓心距離相距為1個單位距離，則同樣的條件下，頻率為1kHz時圓心距離將相距為3個單位距離。以下面制程參數為例，S:10mm/s，C:10A，F:1kHz制程雷射光斑圓心距離為10μm，S:10mm/s，C:10A，F:2kHz制程圓心距離則縮小為5μm，而S:10mm/s，C:10A，F:3kHz制程圓心距離更縮小為3.3μm，因此利用脈沖式雷射制備微流道時［13］，頻率較低制程將因其光斑重迭率太低，以致于其反應深度大多決定于單一脈沖雷射所能反應的深度，而頻率較高制程將因其光斑重迭區域高，使得其深度是由上一次的脈沖雷射反應深度［14］，加上部份再一次的脈沖雷射所產生的反應深度，故微流道深度隨著頻率的增加而變深。在圖4中制程參數S:10mm/s，C:9A，F:3kHz，雖然其頻率高達3kHz，但卻未能測量出微流道深度，此結論和前面研究成果有些不同，主要因素是由于在3kHz制程參數下，開關次數太過頻繁，造成雷射腔體內所累積高能量光子的量較為不足，而此參數又剛好設定在電流值最低的制程參數中，以致于激發出的雷射能量密度不足，無法在基材反應產生明顯深度，使得此制程參數無法制備出目標物－微流道［15］。利用圖4探討電流強度對于微流道深度影響，可發現電流強度越強，微流道的深度越深。其原因和2.1節中電流強度對于試片影響分析相同［16］，使得基材較深區域仍受熱能劇烈影響，因此可使得反應深度較深。微流道深度隨著掃描速度增加而減少。雷射在制備微流道時，當掃描速度增加，將會減少雷射高能光子作用于試片表面上的時間，表面受熱能影響的時間較短，造成表面汽化區域縮減，使得微流道深度降低。因此，微流道深度隨著掃描速度的增加而有降低趨向。

2.4制程參數對微流道熱影響區的影響

在所有制程條件下，微流道熱影響區縱深范圍均約50μm，誤差±5μm。從文獻中可知，雷射淬火產生的變形相當小，因為它是高能量熱源的移動淬火，熱影響區比普通淬火方法小得多;另外將雷射作用于工件試驗區時，由于基材的質量遠大于工件試驗區，使工件試驗區急遽冷卻，屬于自冷淬火，也將導致工件變形量極小且熱影響區較小。因此，雖然制程條件不同，但在所設定的制程條件下，所供給的熱能決大部分是用于將硅芯片直接汽化，導致其微流道寬度與深度的差異。而對于其剩余的熱能所引起的熱影響區則無明顯差異。因此，微流道熱影響區在各制程參數下，其影響的變化差異并不明顯。

3結論

用YAG雷射表面處理技術在硅芯片上制備微流道，并分析頻率、電流強度及掃描速度對于微流道寬度、深度、熱影響區及表面粗糙度之影響。實驗結果顯示:光斑大小隨著頻率的增加而減少，但卻隨著電流強度的增加而增加;微流道寬度則直接決定于光斑之大小;微流道深度及表面粗糙度皆受到頻率、電流強度及掃描速度三種制程參數影響;而微流道熱影響區在各制程參數下，其影響的變化差異并不明顯。研究中當掃描速度10mm/s、電流10A及頻率1KHz為最佳制程參數。

參考文獻：

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作者：蘭子奇1；史智昊2 單位：1．黃岡職業技術學院，2．北京理工大學