專利名稱：激光誘導(dǎo)等離子體法在石英基片上制作微型通道的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于激光微加工的微型通道的制作技術(shù)，利用在調(diào)Q的Nd:YAG激光在石英基片上作微加工時(shí)伴隨產(chǎn)生的激光誘導(dǎo)等離子體作為鉆孔工具，在石英基片上制作微型通道。所制作的微型通道的直徑從40微米至140微米可控制，截面基本上為圓形，管壁光滑(粗糙度優(yōu)于0.2μm)，長度大于4mm。該微型通道可構(gòu)成微型流體系統(tǒng)用于多種生物醫(yī)學(xué)分析用途。
背景技術(shù)：
國際上有影響地報(bào)道關(guān)于用激光加工方法在透明材料上制作微型通道(或鉆孔)大致分為兩種方法，一是以H.Varel等為代表的用超短脈沖激光在石英基片上鉆空，最大孔深約為1.8mm(見Applied Physics A，MaterialsScience & Processing，65(1997)367-373)；另一種是J.Zhang等用準(zhǔn)分子激光(193nm and 248nm)或Nd:YAG激光的4次諧波(266nm)等紫外光在石英(或玻璃)上作微加工，但只能在厚度不超過0.5mm的薄板上鉆孔(見AppliedPhysics A，Materials Science & Processing，67(1998)545-549)。另一方面，雖有用激光誘導(dǎo)等離子體在石英上作微加工的報(bào)道(J.Zhang等)，只是利用激光束透過石英基片到達(dá)基片下的金屬托板時(shí)產(chǎn)生的金屬等離子體向上對(duì)石英基片作微加工，加工深度約300微米，而利用激光誘導(dǎo)等離子體制作微型通道沒有文獻(xiàn)報(bào)道(見查新結(jié)果)。
本項(xiàng)目首先在使用調(diào)Q的Nd:YAG激光器(1.064μm波長，200ns脈寬)在石英基片上作微加工的技術(shù)上取得突破后，提出研究用調(diào)Q的Nd:YAG激光在石英基片上制作微米通道、空腔及納米通道的技術(shù)。為克服石英材料對(duì)Nd:YAG激光器1.064μm波長的高透過率而不利于激光加工的缺陷，利用電場的崩潰效應(yīng)，即激光通過透明光密介質(zhì)時(shí)其出射面的光場強(qiáng)度大于入射面的光場強(qiáng)度，Nd:YAG激光對(duì)石英基片的微加工可以始于出射面，從而開始在石英基片制作微納米管道和空腔。經(jīng)研究，Nd:YAG激光器用于在石英基片上制作微米通道及空腔的加工方法有兩種激光誘導(dǎo)熱能法及激光誘導(dǎo)等離子體法。第一種激光誘導(dǎo)熱能法即傳統(tǒng)意義的激光鉆孔法，利用被加工材料對(duì)激光能量的吸收，局部急劇加熱而汽化形成孔道。但通常用納秒級(jí)脈沖激光(包括調(diào)Q的Nd:YAG激光)加工脆性材料時(shí)，因其不可避免的熱效應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生許多裂紋，因而限制了其用途。
第二種方法即專利申報(bào)技術(shù)；激光誘導(dǎo)等離子體法。本技術(shù)利用激光誘導(dǎo)石英等離子體在石英基片上制作微型通道，利用石英等離子體的高能高熱局部融化并蒸發(fā)基片材料，管道壁由融化的材料重新固化而成，因而產(chǎn)生光滑的管壁，避免了用激光直接鉆孔時(shí)因熱效應(yīng)而導(dǎo)致產(chǎn)生的裂紋；所制作的微型通道在長度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他激光加工的通道的報(bào)道，該微型通道可構(gòu)成微型流體系統(tǒng)用于多種生物醫(yī)學(xué)分析用途。

發(fā)明內(nèi)容
1.基片材料及激光器基片可選用熔融石英或石英晶體，切割成塊狀或板狀，厚度以激光器工作距離及工作臺(tái)軸向行程為上限，六面拋光。激光器為調(diào)Q的Nd:YAG激光器，波長1.064μm，脈寬100～300ns，基膜平均功率約5W。
基片的清洗用常規(guī)IC工藝中的清洗液清洗，然后氮?dú)獯蹈伞?br> 2.基片光能吸收點(diǎn)的預(yù)處理首先使激光束聚焦于石英基片的出光面，用常規(guī)的激光熱能法通過從基片出射面開始加工的方法，使基片的出射光點(diǎn)因被激光攻擊而受損，形成多個(gè)微小凹腔，可使正面入射的光束在凹腔中多次微反射，增加吸光面積，從而使該被攻擊點(diǎn)成為光能吸收點(diǎn)，如附

圖1所示。附圖1.基片預(yù)處理示意圖。圖中1為激光束，2是基片預(yù)處理時(shí)，在基片預(yù)處理的出射光點(diǎn)因被激光攻擊而受損，形成的光能吸收點(diǎn)，由于石英等離子體初始誘導(dǎo)直接依賴于石英基片對(duì)光能的吸收的多少，因此在基片出射面形成的光能吸收點(diǎn)要形成多個(gè)微小凹腔，增加吸光面積。3為石英塊。
3.激光誘導(dǎo)石英等離子體的產(chǎn)生及石英等離子體鉆孔將石英基片翻轉(zhuǎn)，使預(yù)處理過的光能吸收點(diǎn)成為入射光面，激光束聚焦于該光能吸收點(diǎn)。一旦基片吸收足夠的光能，激光加工開始，同時(shí)伴隨產(chǎn)生石英等離子體，如附圖2。附圖2.激光誘導(dǎo)等離子體示意圖。圖中1為激光束，2是基片預(yù)處理時(shí)形成的光能吸收點(diǎn)，這里預(yù)處理時(shí)的石英基片成為入射光面，光能吸收點(diǎn)變成激光束的聚焦點(diǎn)。3.石英塊，4.激光攻擊光能吸收點(diǎn)時(shí)形成的等離子體。一般等離子體火焰位于加工面上部，初始石英等離子體較弱，火焰高度幾十微米至幾百微米。保持加工位置不變，待石英等離子體強(qiáng)度大到一定程度時(shí)，等離子體的高能高熱可使光點(diǎn)周圍的材料局部融化并汽化，形成坑腔，此時(shí)火焰高度大于1mm。所形成的坑腔對(duì)石英等離子體的產(chǎn)生和保持具有重要作用，此時(shí)再調(diào)整加工位置，使激光束聚焦點(diǎn)向基片深度方向緩慢移動(dòng)，等離子體的高能高熱可不斷向基片深度方向繼續(xù)融化并汽化基片材料，使坑腔不斷向深度方向發(fā)展，形成通道。
石英等離子體的產(chǎn)生及強(qiáng)度除與激光的強(qiáng)度有關(guān)外，還與通道的深度有關(guān)及與被加工物(靶子)的形狀有關(guān)，鉆孔的方法及調(diào)整加工位置的速度也因深度不同而不同。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試顯示，當(dāng)激光束初始聚焦在光能吸收點(diǎn)時(shí)，靶子基本上為平面，此時(shí)石英等離子體不易形成，即使基片吸收足夠的光能后產(chǎn)生了石英等離子體，強(qiáng)度也很小，此時(shí)調(diào)整加工位置時(shí)要緩慢。由于石英等離子體的作用在基片上形成坑腔，又由于所形成的坑腔對(duì)石英等離子體的產(chǎn)生和保持的積極作用，石英等離子體的強(qiáng)度迅速提高，在約2.5mm的深度時(shí)達(dá)到最大值，這期間需迅速調(diào)整加工位置，以保持通道孔徑的均勻；在約3mm以上的通道深度，石英等離子體的強(qiáng)度將逐漸減弱，直至大于約4.5mm的深度后，完全無法誘導(dǎo)石英等離子體。
與傳統(tǒng)激光鉆孔方法中孔的直徑取決于焦點(diǎn)光斑尺寸不同，在本技術(shù)中，為有效控制通道直徑，鉆孔過程中激光束不是聚焦于一點(diǎn)，而是在焦平面內(nèi)按一定軌跡圖案反復(fù)移動(dòng)，通過調(diào)整軌跡圖案的尺寸來控制通道直徑。
4.結(jié)果本技術(shù)制作的微型通道的直徑從40微米至140微米可控制，在光學(xué)顯微鏡下觀察，通道壁光滑，周圍無裂紋；用WYKO光學(xué)形位測量儀對(duì)通道壁的分析結(jié)果表明，通道內(nèi)壁平均粗糙度可優(yōu)于0.2μm；用掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡觀察可見，通道橫截面基本上為圓形，通道長度可達(dá)4mm。
四、實(shí)施例基片選用美國Almaz光學(xué)有限公司(Almaz Optics，Inc.，USA)出品的熔融無泡石英，切割成10×10×10mm3立方體，六面拋光。激光器選用英國Electrox公司(Electrox Scriba II D40，UK)生產(chǎn)的調(diào)Q的Nd:YAG激光器，激光器最大輸出功率40瓦(W)，脈沖頻率2000Hz，脈寬200納秒。激光束經(jīng)XY二維掃描器輸出后用一個(gè)100mm焦長的掃描透鏡聚焦到加工面，焦斑直徑約為22.6μm(1.064μm波長1/e2強(qiáng)度處)。鉆孔程序在空氣中進(jìn)行，無掩膜。
在用激光誘導(dǎo)熱能法對(duì)基片進(jìn)行光能吸收點(diǎn)的預(yù)處理時(shí)，激光的能流密度(基膜)調(diào)為約160～370J/cm2(脈沖能量約0.65～1.5mJ)，在誘導(dǎo)石英等離子體的產(chǎn)生及用等離子體鉆孔時(shí)，激光的能流密度(基膜)約為320～620J/cm2(脈沖能量約1.3～2.5mJ)。激光束焦點(diǎn)光斑軌跡圖案采用圓形掃描軌跡，以此控制通道直徑。
一個(gè)用石英等離子體制作的微型通道如附圖3所示。附圖3.石英等離子體制作的微型通道。從附圖3可知，I通道直徑φ83μm，II通道直徑φ65μm。附圖4是石英等離子體制作的微型通道橫截面的電子掃描鏡(SEM)照片，顯示通道橫截面基本為圓形；經(jīng)WYKO光學(xué)形位測量儀分析，該通道內(nèi)壁平均粗糙度為0.17μm；通道周圍無熱裂紋，內(nèi)徑φ73μm。
權(quán)利要求
1.一種利用激光在石英基片上制作微型通道的方法，其特征是在基片預(yù)處理時(shí)，將激光束聚焦在石英基片的出光面，用常規(guī)的激光熱能法通過從基片出射面開始加工的方法，使基片出射面形成光能吸收點(diǎn)，光能吸收點(diǎn)要形成多個(gè)微小凹腔，增加吸光面積，然后翻轉(zhuǎn)石英塊，使基片出射光面變成入射光面，使出射面形成的光能吸收點(diǎn)變成激光束的聚焦點(diǎn)，用激光誘導(dǎo)產(chǎn)生初始石英等離子體，然后不斷調(diào)整加工位置，改變鉆孔技術(shù)，調(diào)整激光束在焦平面的移動(dòng)軌跡圖案，完成達(dá)到鉆孔的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光在石英基片上制作微型通道不斷調(diào)整加工位置的方法，其特征是激光束在光能吸收點(diǎn)聚焦產(chǎn)生激光初始誘導(dǎo)石英等離子體后，繼續(xù)保持石英等離子體，并利用等離子體產(chǎn)生的高溫高熱使光點(diǎn)周圍的材料局部熔化和汽化，形成坑腔，不斷調(diào)整加工位置，使激光束聚焦點(diǎn)向基片深度方向緩慢移動(dòng)，從而使誘導(dǎo)產(chǎn)生的石英等離子體能夠連續(xù)不斷向深度方向移動(dòng)，由此產(chǎn)生通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用激光在石英基片上制作微型通道的改變鉆孔技術(shù)的方法，其特征是石英等離子的產(chǎn)生與通道深度密切相關(guān)，相應(yīng)的鉆孔技術(shù)也因深度不同而不同，在激光束初始聚焦在光能吸收點(diǎn)時(shí)，調(diào)整加工位置應(yīng)最緩慢，在孔深2.5mm時(shí)，石英等離子體溫度最大，要迅速調(diào)整加工位置，超過2.5mm后，調(diào)整加工位置逐漸緩慢。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光在石英基片上制作微型通道調(diào)整激光束在焦平面的移動(dòng)軌跡圖案的方法，其特征是為有效控制通道直徑，鉆孔過程中激光束不是聚焦在一點(diǎn)，而是在焦平面內(nèi)按一定軌跡圖案反復(fù)移動(dòng)，通過調(diào)整軌跡圖案的尺寸來控制通道直徑。
全文摘要
本發(fā)明是一種微型通道的制作技術(shù)，利用在調(diào)Q的NdYAG激光在石英基片上作微加工時(shí)伴隨產(chǎn)生的激光誘導(dǎo)等離子體作為鉆孔工具，在石英基片上制作微型通道。首先將激光束聚焦于石英基片的出光面，對(duì)光能吸收點(diǎn)作預(yù)處理，然后以此預(yù)處理點(diǎn)作為吸收光點(diǎn)開始激光鉆孔，利用石英等離子體的高能高熱局部融化并蒸發(fā)基片材料，按一定速率不斷調(diào)整激光的聚焦面，可以保持石英等離子體的產(chǎn)生，從而可向深度方向不斷融化并蒸發(fā)基片材料，形成微型通道。微型通道的直徑從40微米至140微米可控制，截面基本上為圓形，管壁光滑(粗糙度優(yōu)于0.2μm)，長度大于4mm。該微型通道可構(gòu)成微型流體系統(tǒng)用于多種生物醫(yī)學(xué)分析用途。
文檔編號(hào)B23K26/00GK1579695SQ03135529
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2003年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月30日
發(fā)明者秦水介, 李文榮 申請(qǐng)人:貴州大學(xué)