高深寬比無裂紋微結構之飛秒雷射製造

2020-07-20 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：來自新加坡國立大學的Minghui Hong研究團隊，採用飛秒雷射在藍寶石上實現了高深寬比、無裂紋的微結構製造。提出一種用於提高雷射加工透明材料的吸收能力的優化策略；精確的控制雷射輻射的臨界通量，避免了裂紋的形成，在藍寶石上實現了無錐度、高深寬比的微結構製備；可以在透明材料上實現不同顯微結構的製造。這一成果以題目「High-aspect-ratio crack-free microstructures fabrication on sapphire by femtosecond laser ablation」發表在近期發表的期刊《Optics & Laser Technology》上，如下為論文簡介。

高深寬比無裂紋微結構之飛秒雷射製造

圖1 在藍寶石上製備高深寬比顯微結構的實驗裝置示意圖：（a）實驗裝置示意圖；（b）工藝過程示意圖，圖中的d表示藍寶石和Si靶材之間的距離，LIPAA：雷射誘導等離子體熔化的簡寫，DLA：直接雷射熔化的簡寫

由於藍寶石具有優異的透光性、較高的硬度、優異的熱穩定性和化學惰性，使得藍寶石成為一種廣泛應用的具有特殊用途的材料，如消費電子的耐磨窗口、複雜苛刻環境中的光學鏡片、GaN光發射半導體和晶片材料的襯底等。這些獨特的性質使得藍寶石極難採用機械力加工或者化學的辦法來進行加工。雷射加工作為一種先進的加工手段，幾乎可以以較低的成本和較簡單的工藝過程來實現幾乎所有材料的加工。然而，由於藍寶石是透明材料，對雷射波長為0.2~5μm之間都是透明的，從而使得該材料對雷射的吸收率比較低，這就造成採用傳統的雷射微加工技術來加工這些材料存在一定的障礙。人們曾經發展了一系列新穎的技術來解決這些技術障礙，如飛秒雷射加工，隨後進行化學腐蝕、雷射背部誘導溼法腐刻、雷射誘導等離子體熔化以及雷射加工輔助金屬薄膜等技術。在以上這些技術當中，雷射誘導等離子體輔助熔化技術綜合了雷射束和目標之間動態作用產生的等離子體來提高基材表面 的材料吸收率。這一技術對採用傳統的納秒脈衝雷射來加工透明材料的雷射蝕刻和表面圖形化非常有用。儘管雷射燒蝕技術已經成功的應用於大多數透明材料的加工上，大多數針對藍寶石基材的加工基本局限於表面結構或直接圖形化。

高深寬比無裂紋微結構之飛秒雷射製造

圖2 在藍寶石上製備高深寬比的微槽：（a，c）採用不同工藝參數製備微槽的俯視圖；（b）圖a中微槽的橫截面（超聲波清洗之前）；（d）c中所示微槽的橫截面（超聲波清洗之後），其深寬比超過10；（e）c中微槽的側牆圖；（f）側牆的表面粗糙度圖，側牆的粗糙度為259nm

透明材料的高深寬比顯微結構的製造在微流體和光學器件中具有廣泛的應用需求。由於藍寶石具有較低的熱傳導率和較高的線性熱膨脹係數，雷射加工產生的熱通常會造成較大的溫度梯度和在雷射熔化區周圍產生較大的應變，從而造成基材表面或基材內部產生損傷或形成裂紋。尤其是難以在藍寶石上製備出高深寬比的顯微結構。雷射輔助的化學蝕刻可以實現3D網絡結構通道的製備且無應變的約束，並且在長度和深度方向上的加工不受限制。但由於採用了腐蝕性或有毒性的化學物質，對環境和操作者來說 不是友好環保的。因此，研究一種簡單且安全的工藝在藍寶石上進行製備高深寬比的顯微結構就顯得尤為重要。

高深寬比無裂紋微結構之飛秒雷射製造

圖4 藍寶石的微槽製造：（a）微槽柵格；（b）排列的微柱；（c）排列的微柱的放大圖

於是，來自新加坡國立大學的研究團隊報導了一種在藍寶石上採用雷射加工手段來實現高深寬比、無裂紋的微結構的製造。採用的手段是混合飛秒雷射誘導的等離子體輔助燒蝕和隨後的直接雷射燒蝕。雷射誘導輔助燒蝕可以起到在光滑的藍寶石表面以較低的雷射能量密度製造出顯微結構的前驅體。然後，採用精確控制的直接雷射能量進行燒蝕，以一個臨界的能量將早先製備出的顯微結構的前驅體進行加深。精確控制能量和工藝參數的優化，可以有效地減少雷射輸入的熱量和避免在基材產生裂紋。在藍寶石基材上實現無裂紋和無錐度的微槽而得到的最大深寬比達到10:1，這一技術的能力可以製備的前驅體功能結構也通過實驗給予了展示。

高深寬比無裂紋微結構之飛秒雷射製造

圖5 藍寶石的微結構製造：（a，c）單個微柱和梯形微槽的光學照片；（b，d）單個微柱和梯形微槽的3D圖像

論文來源：High-aspect-ratio crack-free microstructures fabrication on sapphire by femtosecond laser ablation，Optics & Laser Technology，Volume 132, December 2020, 106472，https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106472

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