激光刻蚀技术的应用王宏杰1,郭文刚1,董兆辉1,吕福云1,杜永超2,李�超2,刘建生2(1.南开大学物理科学学院,天津�300071;2.中国电子科技集团公司第十八研究所,天津�300168)��摘�要:对激光刻蚀过程中的气化现象进行了热力学分析,根据不同的材质合理地选取工作条件,进行了激光狭缝刻制、太阳电池硅片打孔及激光标识的试验,并对刻蚀结果进行了对比分析,得出与理论分析相符的结果。关键词:激光刻蚀;�激光标识;�光学狭缝;�硅片中图分类号:TN249��文献标识码:B��文章编号:1007�2276(2004)05�0469�04ApplicationoflaseretchingtechnologyWANGHong�jie1,GUOWen�gang1,DONGZhao�hui1,L�Fu�yun1,DUYong�chao2,LIChao2,LIUJian�sheng2(1.InstituteofPhysics,NankaiUniversity,Tianjin300071,China;2.The18thResearchInstitute,ChinaElectronicTechnologyCorporation,Tianjin300168,China)Abstract:Thegasifyingphenomenoninlaseretchingisanalyzedwiththetheoryofheatconduction.Ac�cordingtodifferentmaterials,appropriateworkingconditionisselected,experimentsofengraving,broachingandmarkingbyusinghigh�powerlaserareoperated,andtheetchingresultsarecompared.Theresultsshowthatthemethodisconsistentwiththetheoryanalysisandcanbeappliedinmanyfields.Keywords:Laseretching;�Lasermarking;�Opticalslots;�Siliconwafer0�引�言随着激光技术的不断成熟,高功率激光已广泛地应用于工业热处理、焊接、切割及标识等加工领域[1,2]。在这些应用中,通常利用强激光作为热源对物体加热,使物体快速升温,主要应用于发生气化等物理过程。激光刻蚀技术具有非接触、无污染和可实现微米线度精细加工的特点。而且,随着激光器质量的提高和控制系统的改善,激光刻蚀技术得到了越来越广泛的应用。本文对激光刻蚀过程中温度场的分布进行了热力学分析,并依据理论分析,合理地设计了工作参数。同时,还介绍了激光刻蚀技术在光学元件制作、太阳电池硅片打孔和激光标识中的应用实例,如利用激光刻蚀技术制作光学实验需要的多种狭缝元件,平均缝宽为75�m,达到了目前最小光斑直��收稿日期:2003�11�06;�修订日期:2004�02�06作者简介:王宏杰(1959�),男,天津人,高级工程师,主要从事激光电子学教学和科研工作;激光标识和激光精密加工等应用技术的研究工作。第33卷第5期��������������红外与激光工程��������������2004年10月Vol.33No.5InfraredandLaserEngineeringOct.2004径为d0=50�m情况下的极限线宽。与传统的光刻方法相比,用激光刻蚀方法制作光学狭缝不需要制版,而是通过计算机控制直接在工件上进行任意图形的刻蚀。该方法操作简便、无污染、非接触、工艺成本低等一系列优点也是前者无法比拟的。另外,利用激光刻蚀技术在厚度为300�m的太阳电池硅片上刻蚀出了直径为160�m的光洁圆孔,这是用常规的机械加工方法无法实现的,非激光刻蚀技术莫属。同时,在硅片背面和塑料杯圈上进行了激光标识。根据产品质量控制和防伪的需要,每一件产品需要一个序号,并且不能重复。如果用传统的印刷或手刻的方法来完成,其难度之大是不可想象的,而用激光标识方法来完成却极其方便和简捷。1�理论分析在实际加工过程中,激光光束和工件之间存在着相对运动,这样必定改变了温度场的对称分布;并且,光斑形状和大小也发生相应变化。此时,温度分布不仅取决于材料表面吸收的功率P、物体的热扩散系数k和热容量C,还取决于光斑相对于材料表面的运动速度和光斑大小。当被加工的材料表面尺寸远大于光斑尺寸时,可视为半无穷大的情况。此时,材料中的温度分布与吸收的激光功率密度Q之间的关系由热扩散方程决定:�T�t-k2T=QC(1)��如图1所示,平行于z轴的激光光束在t=0时刻垂直入射到材料表面z=0处,当激光光束以速度u沿x方向运动时,设温度场的坐标为(x,y,z,t),移动光源的坐标为(x�,y�,z�,t�)。经过理论推导可以得到温场分布为[3]:T(ut,0,0,t)=Pa/�3/2K!0exp[-(u2/4k)2/(2+w2)]d/(2+w2)(2)式中�w为光束半径;Pa为注入功率;=2(k|t-t�|)1/2,是一个时间函数。公式(2)给出了光斑运动速度...
