激光腐蝕-刻蝕技術(shù)研究.pdf

1、激光誘導(dǎo)液相腐蝕是利用激光在單色性、方向性、高亮度上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，以激光對(duì)材料的光子效應(yīng)和熱效應(yīng)為基礎(chǔ)，輔助材料的液相腐蝕進(jìn)程，從而滿足材料的刻蝕需要。激光誘導(dǎo)液相腐蝕與普通化學(xué)腐蝕相比，可以有效地消除晶體取向影響，制作出更加多樣化的腐蝕圖形；與激光誘導(dǎo)氣相腐蝕相比，其工藝條件更加容易實(shí)現(xiàn)，操作更加簡(jiǎn)單；與干法離子刻蝕相比，對(duì)基片無(wú)離子損傷，過(guò)度腐蝕容易控制，成本低。正因如此，激光誘導(dǎo)液相腐蝕技術(shù)逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。因影響半

2、導(dǎo)體激光誘導(dǎo)液相腐蝕效果的因素很多，要得到理想的腐蝕圖樣以及監(jiān)控腐蝕進(jìn)程有著很大的技術(shù)難度，至今沒(méi)有得到有效解決。
　　 本文的工作就是圍繞激光誘導(dǎo)液相腐蝕技術(shù)而開(kāi)展的，主要的研究結(jié)果與創(chuàng)新之處如下：
　　 1)以激光誘導(dǎo)液相腐蝕技術(shù)為主線，以實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用為最終目的，深入開(kāi)展基本原理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、加工工藝和器件應(yīng)用四個(gè)層面的研究，搭建有效的激光誘導(dǎo)液相腐蝕研究體系。
　　 激光誘導(dǎo)液相腐蝕是典型的交叉學(xué)科技術(shù)，它以激

3、光技術(shù)為基礎(chǔ)，涉及到包括化學(xué)、材料等眾多領(lǐng)域，知識(shí)背景復(fù)雜，使得現(xiàn)階段激光誘導(dǎo)液相腐蝕的基本原理、加工工藝水平、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及實(shí)際應(yīng)用等方面均存在急待解決的問(wèn)題。因各個(gè)層面之間互相關(guān)聯(lián)，獨(dú)立研究很難達(dá)到推動(dòng)實(shí)際應(yīng)用的目的，本論文選擇以搭建激光誘導(dǎo)液相腐蝕體系為切入點(diǎn)，開(kāi)展廣泛而深入的研究，成為本論文的主要特色之一。
　　 2)提出了利用紅外熱像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)研究了激光誘導(dǎo)液相腐蝕進(jìn)程中的腐蝕溶液的熱環(huán)境分布、變化等特征，使溫度這一

4、影響激光誘導(dǎo)液相腐蝕的重要因素得以有效表征。
　　 溫度是影響化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的重要因素之一。在激光誘導(dǎo)液相腐蝕的進(jìn)程中，激光、化學(xué)反應(yīng)熱等因素均對(duì)反應(yīng)的實(shí)際溫度有很大的影響，加之熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)、熱輻射等因素的存在，使得深入了解激光誘導(dǎo)液相腐蝕的熱環(huán)境、分布特征成為難題。本論文提出利用紅外熱像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將溫度差異引起的熱輻射能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的紅外可見(jiàn)圖像，記錄、儲(chǔ)存并進(jìn)行處理分析，獲得需要的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并積極探索腐蝕進(jìn)程、腐蝕速率、粗糙度

5、等與紅外熱圖像之間的內(nèi)在聯(lián)系。
　　 3)提出了獲得材料反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)(刻蝕材料與腐蝕溶液從開(kāi)始接觸到腐蝕開(kāi)始的時(shí)間間隔)的測(cè)量方法，并對(duì)不同材料、不同腐蝕液濃度下的化學(xué)反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　 不斷提高刻蝕速率，被普遍認(rèn)為是濕法刻蝕技術(shù)持續(xù)發(fā)展的根本所在，因?yàn)?，與干法刻蝕技術(shù)相比，只有不斷提高刻蝕速率，才能克服橫向腐蝕等缺陷，進(jìn)一步突出其應(yīng)用面廣、成本低、選擇腐蝕性能好等優(yōu)勢(shì)。隨著刻蝕速

6、率的不斷提高，對(duì)時(shí)間的控制精度要求也越來(lái)越高，化學(xué)反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)的存在，對(duì)快速刻蝕的時(shí)間控制而言，有著較大影響，已經(jīng)不容忽視。但至今仍缺乏有效的技術(shù)手段對(duì)反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定，往往對(duì)其進(jìn)行大致估計(jì)或完全忽略，這一缺失，將最終制約快速刻蝕技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。本論文從化學(xué)反應(yīng)過(guò)程伴隨熱生成這一現(xiàn)象，在對(duì)材料表面腐蝕液滴及腐蝕液膜紅外輻射特性深入研究的基礎(chǔ)上，利用紅外熱像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)豎直材料表面滑動(dòng)液滴殘留線形液膜進(jìn)行紅外灰度實(shí)時(shí)采集，從中成

7、功獲得了反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)信息。
　　 4)提出了包括抗蝕膜掩蔽法、次序選擇腐蝕法、電極腐蝕法和兩步腐蝕法在內(nèi)的激光輔助液相腐蝕系列方法，并通過(guò)對(duì)加工方法的選擇，實(shí)現(xiàn)了在不同材料刻蝕上的成功應(yīng)用，取得了較理想的刻蝕效果。
　　 工藝技術(shù)研究是決定激光誘導(dǎo)液相腐蝕實(shí)際應(yīng)用效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本論文以大量的實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，并結(jié)合理論分析，最終建立了以抗蝕膜掩蔽法、次序選擇腐蝕法、電極腐蝕法和兩步腐蝕法為主的激光輔助液相腐蝕系

8、列方法?？刮g膜掩蔽法是在基片表面不需要腐蝕的區(qū)域用抗蝕膜覆蓋，激光照射在無(wú)抗蝕膜區(qū)域，對(duì)基片進(jìn)行腐蝕；電極腐蝕法是通過(guò)外加電壓在溶液中形成腐蝕電流，促使中間離子產(chǎn)物脫離基片表面；次序選擇腐蝕法是針對(duì)混合溶劑的使用先后順序進(jìn)行選擇；兩步腐蝕法是利用材料不同方向上刻蝕速度的差異，延長(zhǎng)或縮短相應(yīng)的刻蝕時(shí)間。在實(shí)際的刻蝕工藝中，可根據(jù)不同的需求，確定一種或多種工藝方法，本論文為闡述需要，對(duì)各種工藝進(jìn)行獨(dú)立分析。經(jīng)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以四種工藝為

9、基礎(chǔ)的系列方法，可以滿足絕大多數(shù)刻蝕需要并取得較理想的刻蝕效果。
　　 5)以半導(dǎo)體激光誘導(dǎo)液相腐蝕技術(shù)為工藝基礎(chǔ)，提出并設(shè)計(jì)了一種滿足全方位自對(duì)準(zhǔn)的圓孔型探測(cè)器；同樣，以高溫超導(dǎo)薄膜的激光誘導(dǎo)液相腐蝕工藝為基礎(chǔ)，提出、設(shè)計(jì)、制作并測(cè)試了一種光控高溫超導(dǎo)衰減器。
　　 激光誘導(dǎo)液相腐蝕在器件制作上的應(yīng)用及其性能研究有著重要意義。本論文結(jié)合器件實(shí)際應(yīng)用背景的需要，發(fā)揮激光誘導(dǎo)液相腐蝕技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提出了一種滿足全方位自對(duì)準(zhǔn)的