266nm納秒固體激光在CH薄膜上打孔的工藝實(shí)驗(yàn)研究

齊立濤，劉鳳聰

(1.黑龍江科技大學(xué) 激光先進(jìn)制造研究所，哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

引 言

CH薄膜是一種利用C、H兩種元素合成的新型聚合物材料，制備方法主要包括低壓等離子體化學(xué)氣相沉積法[1]和射頻等離子體化學(xué)氣相沉積法[2]等，常被應(yīng)用于激光慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)的燒蝕層材料[3]、包裝材料領(lǐng)域的阻隔材料[2]和航空航天等空間技術(shù)領(lǐng)域的新型潤滑材料[4]等。在激光加工聚合物材料時，材料的去除機(jī)理主要包括光熱蝕除、光化學(xué)蝕除、光熱和光化學(xué)共同作用等[5]。紫外納秒激光因其波長較短、單光子能量高和聚焦尺寸小等優(yōu)點(diǎn)[6]，在加工材料時，在一定條件下能夠直接打斷材料的化學(xué)鍵[7]，更大程度上通過光化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)材料的去除，從而獲得較高的加工質(zhì)量[8]。利用激光打孔技術(shù)在聚合物材料上制孔，能夠克服傳統(tǒng)機(jī)械加工中出現(xiàn)的精度低、效率低和孔內(nèi)碎屑堆積等缺陷[9],但聚合物材料的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較低，加工過程中易出現(xiàn)熱燒傷現(xiàn)象[10]，因此，通過研究紫外激光加工聚合物材料的作用機(jī)理，找出減輕或避免熱影響區(qū)問題的方法，已成為重要研究內(nèi)容。為此，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。

SRINIVASAN等人利用193nm準(zhǔn)分子激光對聚合物薄膜進(jìn)行刻蝕研究,研究發(fā)現(xiàn),193nm紫外激光可以利用光子能量破壞材料內(nèi)部的化學(xué)鍵，同時在材料表面形成少量顆粒狀碎片，并將這種現(xiàn)象被稱為光化學(xué)蝕除[11]。SUTCLIFFE等人對紫外激光燒蝕聚合物材料的去除機(jī)理進(jìn)行了研究，通過將刻蝕過程的動力學(xué)與實(shí)驗(yàn)參數(shù)如光子流量閾值、波長和脈寬等相結(jié)合，建立了紫外激光燒蝕聚合物材料的光化學(xué)模型，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，建立的模型能夠定量預(yù)測刻蝕特性[12]。D’COUTO等人利用248nm、308nm激光進(jìn)行了多種聚合物的燒蝕實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn),聚合物材料在達(dá)到燒蝕閾值之后，才會出現(xiàn)降解現(xiàn)象,依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合1維傳熱模型建立了光熱蝕除模型，模型預(yù)測的蝕除率-光通量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[13]。YALUKOVA等人利用3種波長(1064nm,532nm,266nm)激光進(jìn)行了熱塑性和熱固性聚合物的實(shí)驗(yàn)研究,研究發(fā)現(xiàn),在1064nm、532nm波長下加工時，材料的去除機(jī)理為光熱蝕除，加工區(qū)域周圍會出現(xiàn)燃燒和燒傷現(xiàn)象；在266nm波長下加工時，熱損傷現(xiàn)象顯著降低。通過分析可知，使用不同光子能量的紫外激光，能夠影響光化學(xué)蝕除和光熱蝕除所占的比例，相互作用機(jī)制會發(fā)生變化[14]。WANG等人采用355nm波長納秒紫外激光對聚苯乙烯材料進(jìn)行了打孔實(shí)驗(yàn)研究,研究發(fā)現(xiàn),在不同的激光脈沖能量、重復(fù)頻率下，光化學(xué)蝕除和光熱蝕除所占的比例不同，微孔的形成是光化學(xué)蝕除和光熱蝕除共同作用的結(jié)果[15]。

綜上可知，國內(nèi)外學(xué)者對激光加工聚合物材料的去除機(jī)理進(jìn)行了一定研究，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了包括光化學(xué)模型、光熱模型等在內(nèi)的各種蝕除模型。但已有的研究中，關(guān)于CH薄膜激光加工的相關(guān)研究較少，利用266nm納秒激光進(jìn)行材料加工的相關(guān)研究也相對較少。因此，本文中利用266nm納秒固體激光進(jìn)行CH薄膜打孔的實(shí)驗(yàn)研究，分析打孔過程中材料的去除機(jī)理和打孔的工藝規(guī)律，擬為CH薄膜的工程應(yīng)用以及266nm納秒激光的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

266nm納秒激光打孔試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中激光器采用北京中科紫玉光電技術(shù)有限公司的Nd∶YAG全固態(tài)紫外激光器，主要性能參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)中選取266nm波長激光作為加工光源，激光束能量服從高斯分布。激光束通過反射鏡反射，并利用1mm的光闌對光束進(jìn)行整形，最后經(jīng)過50mm焦距的平凸透鏡聚焦后照射到工件表面。工件放置在電腦控制的X-Y-Z加工平臺上，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)打孔位置，工件高度和相鄰孔間距等。實(shí)驗(yàn)中，激光脈沖能量通過調(diào)節(jié)激光器輸入電流控制，激光脈沖能量數(shù)值利用OPHIR公司生產(chǎn)的能量計(jì)測量得到。實(shí)驗(yàn)在空氣和常溫下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)后利用原子力顯微鏡(NT-MDT)和數(shù)字顯微鏡(Olympus DSX1000)檢測微孔直徑和微孔深度。

Fig.1 Photo of 266nm nanosecond solid-state laser drilling system

Table1 Main parameters of Nd∶YAG laser

實(shí)驗(yàn)樣品如圖2所示。樣品包括兩層材料，上層為CH薄膜，厚度約為50μm，下層為表面拋光后的硅片，厚度約為1mm。CH膜具有一定的透光性，表面具有部分氣泡狀的凸起，在顯微鏡下觀察時，可見類似氣泡凸起的存在。

Fig.2 Image of CH film sample

利用266nm納秒固體激光對CH薄膜進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn)，通過控制變量法研究各打孔參數(shù)對微孔加工尺寸的影響。因?qū)嶒?yàn)條件限制，實(shí)驗(yàn)中只考慮激光脈沖能量和脈沖數(shù)量兩組參數(shù)對微孔的影響，且不考慮交互作用。實(shí)驗(yàn)中通過改變激光脈沖能量和脈沖數(shù)量等激光打孔參數(shù)，分別進(jìn)行激光打孔的工藝實(shí)驗(yàn)，檢測加工后的微孔直徑、微孔深度和微孔表面形貌，分析激光打孔參數(shù)對微孔尺寸影響的工藝規(guī)律。通過原子力顯微鏡和數(shù)字顯微鏡檢測得到的微孔表面形貌，結(jié)合激光打孔參數(shù)對微孔尺寸影響的工藝規(guī)律，分析266nm納秒激光加工CH薄膜的材料去除機(jī)理。實(shí)驗(yàn)中微孔直徑、微孔深度等測量參數(shù)取3次測量后所得參數(shù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光脈沖能量對微孔尺寸的影響

2.1.1 激光脈沖能量對微孔直徑的影響 圖3為不同激光脈沖能量下，單個脈沖打孔時微孔直徑的變化趨勢。由圖3可見，266nm納秒固體激光在CH膜上進(jìn)行單脈沖打孔時，隨著激光脈沖能量的增大，微孔直徑呈現(xiàn)出先逐漸增大，后基本保持不變的趨勢。因?yàn)榧す馐母咚狗植迹?dāng)激光脈沖能量較低時，光斑中心位置因激光能量密度達(dá)到材料的燒蝕閾值成功將材料去除，而光斑外圍因激光能量密度不足而無法將材料去除。隨著激光脈沖能量的逐漸增大，光斑中心和外圍的能量密度不斷增大[16]，光斑外圍的材料不斷被去除，進(jìn)而表現(xiàn)出微孔直徑不斷增大的趨勢。當(dāng)微孔直徑接近于聚焦之后的光斑束腰直徑時，由于光斑大小的限制，以及加工過程中等離子體屏蔽效應(yīng)、熱擴(kuò)散和熱對流等多方面的影響[17]，微孔直徑趨近于極限最大值，并維持基本不變的趨勢。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)激光脈沖能量為0.014mJ時，微孔直徑最小為26.457μm；當(dāng)激光脈沖能量增大至0.202mJ時，微孔直徑增大為42.663μm，隨后微孔直徑隨激光脈沖能量增大的增大趨勢變緩，并基本保持不變；當(dāng)激光脈沖能量為0.326mJ時，微孔直徑最大為43.083μm。

Fig.3 Diameters of the microholes under single pulse drilling at different laser pulse energies

2.1.2 激光脈沖能量對微孔深度的影響 圖4為不同激光脈沖能量下，單個脈沖打孔時微孔深度的變化趨勢。由圖4可見，266nm納秒固體激光在CH膜上進(jìn)行單脈沖打孔時，隨著激光脈沖能量的增大，微孔深度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且增大趨勢逐漸減緩。這是因?yàn)楫?dāng)激光脈沖能量增大時，激光能量密度增大，單位時間和單位面積內(nèi)材料吸收的激光能量增多，能量傳遞效率增加，更多的材料被燒蝕去除，微孔深度逐漸增大[18]。但是隨著微孔深度不斷增大，一方面由于材料內(nèi)部的能量擴(kuò)散范圍有限，另一方面由于等離子體屏蔽效應(yīng)和激光持續(xù)時間較短等因素的影響，微孔深度的增大趨勢逐漸變緩。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)激光脈沖能量為0.014mJ時，微孔深度最小為0.756μm；當(dāng)激光脈沖能量為0.326mJ時，微孔深度達(dá)到最大為1.410μm。

Fig.4 Depth of microholes under single pulse drilling at different laser pulse energies

2.2 激光脈沖數(shù)量對微孔尺寸的影響

2.2.1 激光脈沖數(shù)量對微孔直徑的影響 圖5為激光脈沖能量分別為0.017mJ,0.034mJ和0.098mJ時，不同激光脈沖數(shù)量下，微孔直徑的變化曲線，圖中激光脈沖數(shù)量無單位。由圖5可見，當(dāng)脈沖數(shù)量在5～50范圍內(nèi)時，隨著脈沖數(shù)量的增加，微孔直徑不斷增大，當(dāng)脈沖數(shù)量達(dá)到50之后，增大趨勢變緩。這是因?yàn)殡S著脈沖數(shù)量的增加，激光對材料的作用時間增加，加工區(qū)域吸收了更多的激光能量，從而使更多的材料被燒蝕去除，微孔直徑逐漸增大。但是由于聚焦之后光斑直徑的限制，能量擴(kuò)散不足以將微孔邊緣更多的材料燒蝕去除，故微孔直徑增大趨勢變緩[19]。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)激光脈沖能量為0.017mJ、脈沖數(shù)量為5時，微孔直徑最小為26.742μm；當(dāng)激光脈沖能量為0.098mJ、脈沖數(shù)量為100時，微孔直徑達(dá)到最大為45.090μm。

Fig.5 Diameter of microholes under different number of laser pulses

2.2.2 激光脈沖數(shù)量對微孔深度的影響 圖6為激光脈沖能量分別為0.017mJ，0.034mJ和0.098mJ時，不同激光脈沖數(shù)量下，微孔深度的變化曲線。由圖6可見，隨著脈沖數(shù)量的增加，微孔深度不斷增大，當(dāng)激光脈沖能量較高時，微孔深度隨脈沖數(shù)量的增加呈線性增長，當(dāng)激光脈沖能量較低時，微孔深度增大幅度有減緩的趨勢。這是因?yàn)殡S著脈沖數(shù)量的增加，激光與材料的作用次數(shù)增加，材料不斷吸收激光能量后達(dá)到燒蝕閾值，并以熔化或汽化的形式去除，過程中不斷形成蒸汽以及等離子體等氣體，氣體在激光作用下發(fā)生膨脹并產(chǎn)生向外的沖擊壓力，被燒蝕材料不斷的被排出孔外。激光繼續(xù)同微孔底部的材料相互作用，重復(fù)上述步驟，從而使微孔深度不斷增大[20]。當(dāng)激光脈沖能量較小時，微孔深度的增大趨勢逐漸變緩，分析原因可能為激光能量較小，隨著微孔深度的增加，激光束不能夠完全穿透加工過程中的等離子體等氣體，使得到達(dá)微孔底部的激光脈沖能量變少，從而造成微孔深度的增大趨勢變緩。試驗(yàn)中當(dāng)激光脈沖能量較低(0.017mJ,0.034mJ)時，激光穿透50μm的CH膜需要90～100個脈沖，單脈沖燒蝕率約為0.56μm/pulse；當(dāng)激光脈沖能量較高(0.098mJ)時，激光穿透50μm的CH膜需要45～55個脈沖，單脈沖燒蝕率約為1μm/pulse。

Fig.6 Depth of microhole under different number of laser pulses

2.3 CH膜激光打孔的機(jī)理分析

圖7為利用數(shù)字顯微鏡得到的不同激光脈沖能量下單脈沖打孔圖。圖8為利用原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)得到的3維形貌圖。由圖7、圖8可見，利用266nm納秒固體激光在CH膜上進(jìn)行單脈沖打孔時，微孔形狀較規(guī)則，尺寸均勻，微孔內(nèi)部無熔融物沉積，孔邊緣無殘?jiān)⑺樾嫉葒姙R物，微孔內(nèi)部和周圍較為清潔。

Fig.7 Digital microscope morphology of single pulse drilling at different laser pulse energy

Fig.8 AFM morphology of single pulse drilling at different laser pulse energya—0.014mJ b—0.202mJ c—0.326mJ

上述結(jié)果表明，266nm納秒固體激光在CH膜上進(jìn)行單脈沖打孔時，加工特征與光化學(xué)蝕除的“冷加工”特性相似度較高[21]，因此推斷266nm納秒固體激光在CH膜上進(jìn)行單脈沖打孔時，材料去除機(jī)理主要為光化學(xué)蝕除。在光化學(xué)蝕除的過程中，材料在吸收激光光子能量后，內(nèi)部會通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的弛豫，即材料內(nèi)部的化學(xué)鍵被激光光子能量破壞，加工區(qū)域材料被降解為分子或原子碎片，并在壓強(qiáng)的作用下被排除孔外，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的去除。

圖9為不同激光脈沖數(shù)量打孔時，由數(shù)字顯微鏡觀測得到的CH膜表面形貌圖。圖9中激光脈沖能量為0.034mJ，脈沖數(shù)量由上到下各行依次為2,5,10,20,50,100個脈沖。由圖9可見，利用266nm納秒固體激光在CH膜上進(jìn)行多脈沖打孔，當(dāng)脈沖數(shù)量較少(2～50)時，微孔形狀規(guī)則，大小均勻，微孔周圍無殘?jiān)⑺樾嫉葤伋鑫铮吘墴o熱影響區(qū)；當(dāng)激光脈沖數(shù)量大于50時，微孔周圍出現(xiàn)大量的熔融物沉積，并且材料表面出現(xiàn)一定的燒傷現(xiàn)象。

Fig.9 Digital microscope morphology of drilling at different pulse numbers

結(jié)合圖6可知，當(dāng)激光脈沖能量為0.034mJ時，激光穿透50μm的CH膜需要90個脈沖左右，在激光穿透CH膜前，激光去除材料的方式主要為光化學(xué)蝕除，因此加工效果較好。當(dāng)激光穿透CH膜之后，激光繼續(xù)與CH膜下方的硅片發(fā)生反應(yīng)，因硅片的熔點(diǎn)在1400℃左右，加工過程中的高溫導(dǎo)致CH膜材料出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。因硅片為硬脆材料，紫外納秒激光與其作用過程中，主要通過光熱蝕除將材料去除，因此加工過程中會出現(xiàn)較為明顯的熔融物噴濺以及重凝現(xiàn)象[22]。在熔融物從微孔底部噴出的過程中，高溫狀態(tài)的熔融物會粘連部分CH材料，并混合為一體，最終重凝于微孔周圍，造成加工區(qū)域周圍出現(xiàn)大量棕色飛濺物，如圖9最末行所示。

3 結(jié) 論

(1)通過266nm納秒固體激光在CH膜上單脈沖打孔的實(shí)驗(yàn)，得出了激光脈沖能量對孔徑和孔深的影響規(guī)律。隨著激光脈沖能量的增大，孔徑和孔深都呈現(xiàn)出先逐漸增大，后增大趨勢減緩，并最終基本保持不變的趨勢。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)激光脈沖能量為0.014mJ時，微孔直徑和深度最小，分別為26.457μm和0.756μm；當(dāng)激光脈沖能量為0.326mJ時，微孔直徑和深度最大，分別為43.083μm和1.410μm。

(2)通過不同激光脈沖能量下，266nm納秒固體激光在CH膜上多脈沖打孔的工藝實(shí)驗(yàn)，得出了激光脈沖數(shù)量對孔徑和孔深的影響規(guī)律。隨著激光脈沖數(shù)量的增加，孔徑和孔深都呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，其中微孔直徑增大趨勢逐漸變緩。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)激光脈沖能量較低(0.017mJ,0.034mJ)時，激光燒蝕CH膜的單脈沖燒蝕率約為0.56μm/pulse；當(dāng)激光脈沖能量較高(0.098mJ)時，激光燒蝕CH膜的單脈沖燒蝕率約為1μm/pulse。

(3)266nm納秒固體激光在CH膜上打孔時，微孔形狀規(guī)則，大小均勻，微孔周圍無殘?jiān)⑺樾嫉葤伋鑫铮吘墴o熱影響區(qū)。通過對打孔形貌進(jìn)行分析，得出其加工特征與光化學(xué)蝕除的冷加工特性較為相符，推斷266nm納秒固體激光在CH膜上進(jìn)行打孔時，材料去除機(jī)理主要為光化學(xué)蝕除。加工結(jié)果說明了266nm納秒激光加工CH膜材料時具有較好的加工質(zhì)量。

上述研究為CH膜材料以及266nm納秒激光在工程中的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)意義。