Лазерная размерная обработка материалов подложек МЭМС
Введение
Развитие МЭМС-технологий обусловило появление нового направления в акустоэлектронике — пьезоэлектрической элементной базы СВЧ-диапазона на объемных и поверхностных акустических волнах, которое обладает рядом потенциальных преимуществ. К их числу относятся уникальные массогабаритные характеристики устройств, их совместимость с кремниевой и арсенид-галлиевой технологией, высокая электрическая прочность СВЧ-резонаторов и фильтров, что позволяет использовать их в выходных каскадах и согласующих антенных элементах передающих телекоммуникационных устройств. При использовании акустоэлектронных СВЧ-элементов на объемных акустических волнах (ОАВ) в датчиках физических величин величина отклика на внешнее воздействие оказывается большей, чем у соответствующих устройств на поверхностных акустических волнах. Высокие частоты и малые размеры открывают возможности использования СВЧ-резонаторов на объемных акустических волнах в малогабаритных пассивных устройствах регистрации сигнала, что важно для задач экологии и промышленности.
Разработка и освоение новых типов СВЧ-приборов требуют применения соответствующих материалов для базовых элементов — плат (подложек) СВЧ-модулей. К таким материалам относятся: пьезокварц, ниобат лития, танталат лития, лангасит, лангатат, алюмооксидная керамика и другие. Эти материалы, как правило, принадлежат к классу твердых и сверхтвердых материалов, очень хрупки, что вызывает трудности при их обработке.
Одной из основных технологических операций создания MЭМС является лазерная размерная обработка подложек, в частности формирование сквозных отверстий в кристаллических подложках без изменения физических свойств кристаллов.
Выбор типа лазера
Выбор источника лазерного излучения для микрообработки твердых и сверхтвердых материалов — сложная задача, для решения которой зачастую приходится принимать компромиссные решения. На одной чаше весов находятся критерии, определяющие качество обработки, а на другой — производительность и стоимость.
Для обеспечения минимальной зоны термического влияния (HAZ) необходимы короткие импульсы излучения tи, а для минимальной зоны облучения d, соответственно, нужны короткая длина волны и низкая расходимость излучения. Для высокой производительности процесса обработки требуются высокоэнергетичные импульсы излучения Eи и высокая частота повторения импульсов F. Точная геометрия и низкая шероховатость поверхности Rz достигаются путем оптимального сочетания Eи, tи, F и скорости процесса V.
Процессы, протекающие при взаимодействии лазерного излучения с материалами, зависят от поглощения материала на длине волны лазерного источника, пиковой мощности лазера и длительности воздействия излучения. При воздействии лазерного излучения на поверхность материала сначала происходит испарение и ионизация поверхностных примесей и загрязнений. Далее излучение поглощается основным материалом, и, если интенсивность достаточно высока, материал плавится, испаряется, а пары ионизируются. При этом давление паров способствует выплескиванию расплава и образованию отверстия.
Материалы подложек МЭМС представляют собой диэлектрики с очень малым коэффициентом поглощения лазерного излучения в спектре длин волн 0,4–2 мкм. Поэтому наряду с возможностями микрообработки короткими импульсами слабо поглощаемого излучения видимого, близкого к нему инфракрасного (1,06 мкм) и ультрафиолетового (0,355 мкм) диапазона просматривается перспектива применения хорошо поглощаемого излучения СО2‑лазеров данными материалами при относительно высокой производительности процесса.
Микрообработка материалов предъявляет требования к таким параметрам источника излучения, как длина волны λ, угловая расходимость θ и длительность импульса tи. Эффективность взаимодействия излучения с материалом зависит от длины волны. В общем случае для металлов чем короче длина волны, тем сильнее воздействие. Кроме того, зона воздействия, определяемая минимальными размерами лазерного пучка d в фокусе объектива, связана с длиной волны излучения соотношением:
d = 1,22λ(f /D)M2, (1)
где f — фокусное расстояние объектива; D — диаметр несфокусированного лазерного пучка; M2 — коэффициент, характеризующий отличие реального лазерного пучка от идеального гауссова пучка, имеющего минимальную дифракционную расходимость:
M2 ~ D×θ, (2)
где θ — реальная угловая расходимость лазерного пучка (для гауссова пучка M2 = 1).
Таким образом, чем короче длина волны и меньше реальная угловая расходимость, тем больше возможностей сфокусировать излучение и обеспечить минимально возможный размер зоны воздействия. Практически достижимы зоны воздействия в единицы микрометров для излучения видимого диапазона и доли микрометров для ультрафиолетового излучения. Для более длинных импульсов величина зоны термического влияния равна:
δ = 2(аtи)1/2, (3)
где а — коэффициент температуропроводности, зависящий от теплофизических свойств материала.
Следует отметить, что эффективность процесса испарения материала существенно зависит от плотности энергии в лазерном импульсе и носит пороговый характер. Пороговое значение плотности энергии составляет для алюминия около 0,2 Дж/см2 для импульсов длительностью <10 пс и более 1 Дж/см2 для импульса длительностью 100 нс. Объем испаренного материала логарифмически зависит от плотности энергии, причем для импульсов большей длительности данная зависимость более крутая.
Анализируя физические процессы взаимодействия лазерного излучения с твердыми и сверхтвердыми материалами, можно сделать вывод о применении следующих типов лазеров для оборудования:
- лазеры ультрафиолетовой и видимой области спектра длин волны наносекундного, пикосекундного и фемтосекундного диапазона длительности импульса;
- СО2‑лазеры с длиной волны 10,6 мкм наносекундного и микросекундного диапазона длительности импульса.
Импульсные лазеры микросекундной и наносекундной длительности уже используются, обеспечивая адекватную скорость обработки и удовлетворительное качество финишной поверхности. Однако повышенные требования к миниатюризации делают эти лазеры неподходящими для высококачественной обработки главным образом из-за тепловой природы взаимодействия с материалами, которое способствует плохой морфологии поверхности.
Ультрафиолетовое лазерное излучение длиной волны 355 нм использовано для микрообработки пьезоэлектрической керамики [1] сериями импульсов. Тепловое влияние приводило к изменениям пьезоэлектрических свойств материала, которые восстанавливались после отжига при температуре +1050 °C. Основным недостатком лазеров наносекундного диапазона длительности импульса является значительная дефектная зона, образующаяся за счет слабого поглощения излучения материалами подложек.
Новые пикосекундные лазеры, пригодные для промышленных целей (серия RAPID, Lumera Laser Ltd.; DUETTO TIMEBANDWIDTH PRODUCTS, Швейцария; PL10100TH, EXPLA, Литва, и серия Talisker, Coherent Inc.), пока имеют ограниченное применение вследствие высокой стоимости, превышающей 200 тыс. евро, что в 2–3 раза выше стоимости наносекундных лазеров с диодной накачкой и волоконных лазеров и почти в 10 раз дороже лазеров на парах меди. Поэтому наносекундные лазеры занимают достаточно прочные позиции в системах микрообработки материалов.
Основной проблемой применения пикосекундных и фемтосекундных лазеров для микрообработки остается образование экранирующей лазерное излучение плазмы при воздействии на обрабатываемую поверхность. Это обусловлено высокой пиковой мощностью лазерного импульса и, как следствие, высокой плотностью мощности в зоне воздействия излучения. Одним из способов противодействия этому может быть применение высоких частот следования лазерных импульсов. Обнаружено [2], что при f ˃ 4 кГц результаты абляционного воздействия в воздухе подобны тем, которые достигаются под действием единичных лазерных импульсов в вакууме. На основании данных эксперимента, а также оценок параметров лазерной плазмы и газовой среды сделан вывод о существовании долгоживущей области горячего разреженного газа. Возникающее разрежение уменьшает экранирующее влияние приповерхностной плазмы, образующейся под действием последующих импульсов. Это позволяет использовать лазеры с высокой частотой повторения импульсов для достижения условий абляции, близких к вакуумным, не осложняя процесс микрообработки применением вакуумных камер и устройств откачки.
Более сложный способ борьбы с плазменной экранировкой — дополнительное применение наносекундного лазерного излучения [3]. Столь сложный и дорогой способ может быть рационален для сверления глубоких (более 2 мм) отверстий. Использование режима BURST позволяет минимизировать экранирующее влияние плазмы, повысить производительность лазерной обработки и чистоту поверхности получаемого реза. Принцип такого режима заключается в разбиении пикосекундного импульса на несколько последовательных импульсов с возможностью регулировки интенсивности каждого из них.
Ультрабыстрые лазеры имеют большое практическое значение в том смысле, что минимизируют или полностью устраняют формирование нежелательных особенностей лазерной обработки (наплывы, неровности) [4] при фрезеровании таких материалов, как металлы, керамика и стекло. Порог абляции этих материалов обычно находится в диапазоне 0,2–2 Дж/cм2 [5]. Он достигается фокусировкой излучения в пятно диаметром не более 10 мкм. Энергия импульса находится в диапазоне 1–50 мкДж.
Для лазерной микрообработки материалов Lumera Laser GmbH предлагает пикосекундные лазеры серии RAPID (RAPID, SUPER RAPID, HYPER RAPID 25, HYPER RAPID 50). Пикосекундные лазеры с их короткими тепловыми глубинами проникновения и высокими частотами следования импульсов обеспечивают хороший компромисс, поскольку могут достигнуть высокой производительности и значительно ограничивают пагубные влияния от высокой тепловой нагрузки и больших температурных градиентов в материале. На рис. 1 представлена сравнительная схема воздействия сфокусированного излучения пикосекундного и микросекундного излучения [5].
Приведенная схема отражает преимущества обработки материала ультракороткими импульсами лазерного излучения. К таким преимуществам относятся отсутствие зоны термического влияния (HAZ, heat affected zone), ударной волны, микротрещин, оплавленных зон и выплесков, теплового повреждения поверхностных слоев материала.
Использование Burst mode (режим пачек) позволяет уменьшить шероховатость поверхности и увеличить съем материала до 8 раз. Пикосекундный лазер производства Lumera Laser GmbH (Германия) представлен на рис. 2.
Установка лазерной обработки материалов ЭМ‑290
Установка лазерной обработки ЭМ‑290 (рис. 3) предназначена для формирования сквозных отверстий в кристаллах без изменения физических свойств кристалла и лазерной резки подложек. Установка оснащена пикосекундным лазером SUPER RAPID HE (LUMERA Laser GmbH, Германия) с программно задаваемыми параметрами лазерного излучения, генерирующим излучение λ = 355 нм средней мощности 1 Вт (при fмод = 50 кГц) с частотой следования лазерных импульсов 0–1000 кГц и ультракороткой длительностью импульса ~10 пс, что позволяет проводить размерную лазерную обработку материалов в режиме «холодной абляции» без изменения их физических свойств.
Управление установкой осуществляется при помощи персонального компьютера. Рабочая программа загружает файл системы AutoCAD, содержащий топологию лазерной обработки. Для получения более высоких точностей лазерной обработки в установке применена схема лазерно-оптических каналов, приведенная на рис. 4.
Лазерная обработка представляет собой цикл перемещений обрабатываемой заготовки относительно неподвижного лазерного луча. Повышение точности лазерной обработки достигнуто за счет использования для перемещения обрабатываемой пластины точных приводов с обратной связью по положению. Применение объектива (F ~ 100 мм) и телескопического устройства (увеличение от 3× до 8×) позволяет работать с лазерным лучом диаметром в несколько микрон. Техническая характеристика установки приведена в таблице 1.
Наименование параметра |
Значение |
Толщина обрабатываемых пластин |
0,15–1 мм |
Минимальный диаметр обрабатываемого отверстия |
0,1 мм |
Воспроизводимость положений границ вырезаемых отверстий, не более |
0,005 мм |
Отклонение диаметра входного отверстия от диаметра выходного отверстия в пьезоматериале, не более |
0,005 мм (5%) |
Максимальная величина скола, не более |
0,04 мм |
Скорость резки алюмооксидной керамики толщиной 0,25 мм, не менее |
2 мм/c |
Время сверления отверстия диаметром 100 мкм в пластине пьезокварца толщиной 0,5 мм, не более |
30 с |
Поле обработки |
150×150 мм |
Погрешность перемещения координатного стола XY на длине 150 мм, не более |
±0,004 мм |
Минимальная дискретность перемещений X, Y, не более |
0,001 мм |
Воспроизводимость перемещений координатного стола по X, Y, не более |
0,004 мм |
Максимальная скорость перемещения координатного стола по X, Y, не менее |
300 мм/c |
Загрузка-выгрузка обрабатываемой пластины |
ручная |
Ориентация обрабатываемой пластины |
полуавтоматическая |
Лазерная обработка с заданными параметрами |
автоматическая |
Габаритные размеры установки (Д×Ш×В), не более |
2500×1300×1500 мм |
Масса установки, не более |
2000 кг |
Наиболее распространенным способом формирования реза можно считать метод одно или многократного обхода сфокусированным лучом выбранного контура. Однако такой способ имеет ограничения по толщине обрабатываемого материала, когда из-за экранирования излучения стенками реза по мере его углубления происходит уменьшение и полное прекращение съема материала.
На рис. 5 приведена схема формирования лазерного реза, которая может быть использована для прецизионной лазерной резки и фрезерования материалов [6]. Данная схема работает по принципу «вложенных контуров» с разбивкой реза. Разбивка реза применяется для устранения экранировки излучения стенками формируемого реза, что позволяет выполнять резку материала требуемой толщины. Каждый «вложенный контур» представляет собой единичный рез. Ширина реза D определяется количеством единичных резов n, расположенных на расстоянии QY друг от друга, и зависит от толщины обрабатываемой пластины (глубины реза) и величины критического угла (αкр ~ β/2).
Съем материала происходит послойно при перемещении обрабатываемой пластины относительно лазерного луча по направлениям X, Y с последующей перефокусировкой луча QZ до требуемой глубины T. Перекрытие отпечатков лазерного луча Od в единичном резе определяется по формуле:
Od = (1–V/(2w0f )), (4)
где V — скорость перемещения стола с пластиной относительно луча; w0 — диаметр пятна в фокусе; f — частота следования лазерных импульсов.
При малых скоростях привода перемещения обрабатываемой пластины перекрытие может приближаться к 100%. Угол наклона стенки β/2 может достигать 2–10°. Точность лазерной обработки и высокая чистота поверхности при формировании реза достигаются благодаря тому, что доводка поверхности реза происходит при воздействии излучения под критическим углом к данной поверхности (αкр ~ β/2) [6].
За счет увеличения площади пятна на стенке реза при увеличении наклона стенки снижается плотность мощности излучения. В результате воздействия излучения на стенку вблизи критического угла достигается минимальный съем материала за цикл. Перегрева материала, прилегающего к зоне обработки, не происходит благодаря малой длительности импульсов (около 10 пс).
Под критическим углом обработки понимается предельная величина наклона оси лазерного луча к поверхности стенки реза, при которой еще возможен съем материала лазерным излучением. Величина критического угла αкр зависит от теплофизических параметров обрабатываемого материала, коэффициентов отражения и поглощения, а также от величины плотности потока лазерного излучения в зоне обработки. Величина плотности потока излучения, в свою очередь, зависит от энергии, длительности лазерного импульса и величины площади пятна на наклонной стенке реза обрабатываемого материала.
Лазерная микрообработка материалов
Для сравнения и анализа качества лазерной микрообработки материалов использованы установки MACROMAC (Lumera Laser GmbH, Германия) и ЭМ‑290 (ГНПО «Планар», Беларусь). Для экспериментальных работ в установке MACROMAC с лазером SUPER RAPID (355 нм) средняя мощность излучения составляла 4 Вт, длительность импульса 15 пс. Обрабатываемые материалы — пьезокварц, танталат, лангасит, ниобат лития, алюмооксидная керамика (AL2O3), кремний. В таблице 2 приведены параметры лазерной обработки.
Материал (толщина, |
Операция |
Частота, |
Средняя мощность, мВт |
Энергия в импульсе, мкДж |
Скорость, мм/с |
Количество проходов |
Время, с |
Качество |
Пьезокварц |
Фрезеровка (1×1 мм), |
20 |
400 |
20 |
10 |
5 |
180 |
хорошее |
Пьезокварц |
Фрезеровка (1×1 мм), |
100 |
2000 |
20 |
200 |
20 |
60 |
отличное |
Пьезокварц |
Фрезеровка (1×1 мм), |
100 |
2000 |
20 |
300 |
30 |
60 |
отличное |
Пьезокварц |
Фрезеровка (1×1 мм), |
100 |
2000 |
20 |
400 |
40 |
60 |
отличное |
Пьезокварц |
Фрезеровка (1×1 мм), |
100 |
2000 |
20 |
500 |
50 |
60 |
отличное |
Пьезокварц |
Сверление (5×6 мм), |
50 |
1000 |
20 |
80, 100, 120, 140, 160 |
5 |
8 |
отличное |
Пьезокварц |
Сверление (5×5 мм) |
50 |
1000 |
20 |
80, 100 |
6,7,8,9,10 |
6 |
отличное |
Пьезокварц |
Сквозной рез длиной 4 мм, |
20 |
400 |
20 |
10 |
6, 9, |
260 |
очень хорошее |
Пьезокварц |
Скрайбирование, |
200 |
4000 |
20 |
100 |
10 |
9 |
очень хорошее |
Танталат |
Сверление (4×5 мм), |
4, 10, |
1 Вт при |
20 |
5, 10, 15, 20 |
5,10,15,20 |
15 |
хорошее |
Ниобат лития |
Сверление (7×4 мм), |
4, 10, |
1 Вт при |
20 |
5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 |
5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 |
15 |
отличное |
Лангасит (0,5) |
Сверление отверстий ∅0,1 мм |
10 |
200 |
20 |
5 |
16 |
110 |
хорошее |
Поликор (1) |
Сверление отверстий ∅0,1 мм |
80 |
4000 |
50 |
40 |
25 |
230 |
хорошее |
Кремний |
Рез длиной 5 мм, ширина |
200 |
4700 |
23,5 |
200 |
50 |
22 |
хорошее |
Кремний |
Скрайбирование, |
200 |
4700 |
23,5 |
200 |
5, 10, 15, 20, 25 |
1,3 |
хорошее |
Образцы после лазерной обработки протирались салфеткой, смоченной изопропиловым спиртом, так как вблизи реза имелся налет мелкодисперсных шлаков (без пригаров). Материалы обработаны при помощи лазерного луча, перемещающегося гальванометрическими приводами (сканирование луча по координатам X, Y). Фокусное расстояние линзы примерно 100 мм. Диаметр луча на выходе из лазера 1,2 мм. Лазерный канал содержал телескоп 3× и λ/4‑пластину для компенсации влияния линейной поляризации излучения. λ/4‑пластина находилась в оправе-держателе и имела возможность регулировки угла поворота (перпендикулярно лучу). На рис. 6 и 7 представлены фотографии обработанных материалов.
Для проведения экспериментальных работ использовалась установка лазерной обработки ЭМ‑290 с лазером SUPER RAPID HE (355 нм), средняя мощность излучения до 4 Вт, длительность импульса 15 пс. Виды экспериментальных работ — сверление отверстий, фрезерование, скрайбирование. Обрабатываемые материалы — пьезокварц, алюмооксидная керамика (AL2O3), кремний.
При обработке материалы перемещались приводом X, Y относительно неподвижного лазерного луча с линейной скоростью 1 мм/с. Фокусное расстояние линзы 100 мм. Диаметр луча на выходе из лазера 1,2 мм. Лазерный канал содержал телескоп и λ/4‑пластину для компенсации влияния линейной поляризации излучения (λ/4‑пластина находилась в оправе-держателе и имела возможность регулировки угла поворота перпендикулярно лучу). На рис. 8 приведены фотографии лазерной обработки пьезокварца.
Заключение
Анализ методов и технологий лазерной размерной обработки материалов в производстве МЭМС показал, что наиболее перспективным способом лазерного формирования отверстий в кристаллических подложках и резов без изменения физических свойств кристалла является лазерная микрообработка при помощи пикосекундного лазера. Преимущества обработки материала ультракороткими импульсами лазерного излучения заключаются в отсутствии зоны термического влияния, ударной волны, микротрещин, оплавленных зон и выплесков, теплового повреждения поверхностных слоев материала.
Поскольку лазерная обработка по схеме формирования реза неподвижным лучом имеет ограничения по производительности, возможен комбинированный вариант с использованием лазерной обработки неподвижной пластины путем формирования реза перемещением луча гальванометрическими сканерами с небольшим полем сканирования (обработки) и перемещениями пластины без лазерной обработки относительно точек поля сканирования.
Качество лазерной обработки (сверление, фрезеровка, резка, скрайбирование) может быть высоким с шероховатостью Ra < 1µ при тщательном подборе следующих технологических параметров: частоты следования лазерных импульсов f, средней мощности излучения Р (зависит от f ), диаметра пятна в фокусе d, скорости перемещения луча V, коэффициента перекрытия лазерных импульсов % overloop (зависит от f и V), энергии в импульсе Е, количества проходов N, шага заполнения контура S.
Производительность лазерной обработки существенно зависит от скорости перемещения луча относительно заготовки. В некоторых случаях на больших (оптимальных) скоростях она может увеличиваться до 10 раз. Оптимальные скорости сверления отверстий диаметра 100µ для материалов находятся в диапазоне 80–100 мм/с.
- UV LASER MICROMACHINING OF PIEZOELECTRIC CERAMIC USING A PULSED ND: YAG LASER/Zeng D. W., LiK. C. K. Yung, Chan H. L. W., Choy C. L., Xie C. S. // Applied Physics A: Materials Science & Processing. 2004. V. 78. № 3.
- Климентов С. М., Пивоваров П. А., Конов В. И., Брайтлинг Д., Даусингер Ф. Лазерная микрообработка в газовой среде при высокой частоте повторения аблирующих импульсов // Квантовая электроника. 2004. Том 34. № 6.
- Smetanin S., Fedin A., Gavrilov A., Solokhin S., Basiev T., Garnov S., Klimentov S., Pivovarov P. High rate ablative formation of ultradeep channels by self-adaptive Nd: YAG laser with dynamically adjustable passive Q‑switch // Proc. SPIE 6985, Fundamentals of Laser Assisted Micro and Nanotechnologies, 69850B, January 15. 2008.
- Karnakis D. M., Knowles M. R. H., Petkov P. V., Dobrev T. and Dimov S. S. Surface integrity optimisation in ps-laser milling of advanced engineering materials // Proceedings of the 4thInternational WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2007. Munich, June 2007.
- www.LUMERALASER.com
- Ретюхин Г. Е., Кощеев А. Г., Файн И. В., Шершнев Е. Б. Размерная обработка ювелирных алмазов излучением YAG: Nd-лазера с модулированной добротностью // Весцi НАН Беларусi. Сер. физ.техн. навук. 2001. № 1.