康博棟，單等玉，陳 濤，趙 宇，楊武雄

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京100124）

準分子激光是微加工領(lǐng)域常用的技術(shù)之一，對于聚合物的加工非常有優(yōu)勢[1-2]。首先，準分子激光波長短、能量密度高，可進行微電子的微米級高精度加工，并減少熱效應(yīng)的不良影響[3-4]；其次，它屬于紫外波段，相較于傳統(tǒng)YAG和CO2激光更適合材料尤其是聚合物的吸收，從而更易實現(xiàn)對材料的加工[5]；最后，由于激光的非接觸式作用方式，非常適合在醫(yī)療設(shè)備微器件制造與醫(yī)學(xué)治療上，可滿足醫(yī)療設(shè)備對于無塵無菌的苛刻要求[6-7]。準分子激光加工的材料包括金屬材料、非金屬材料、聚合物材料等[8]，很多醫(yī)用復(fù)合材料都可采用準分子激光進行加工[9]，保證材料性能的同時還能提高效率。

目前，錐形微孔加工主要利用圓形掩模選擇性透過一部分光斑，再通過后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)投影到需要加工的聚甲基丙烯酸甲酯 （polymethyl methacrylate，PMMA）薄板上，加工過程中工件靜止不動，這種錐形微孔加工方式稱為沖孔法[10]。沖孔法有其獨特的優(yōu)點，但有時無法滿足更好的錐度同時達到更大的底邊直徑。而旋轉(zhuǎn)打孔的優(yōu)勢在于，由于掩模不是圓形而是三角形和正方形，在旋轉(zhuǎn)打孔時兩種形狀的內(nèi)切圓會獲得更多的能量，同時旋轉(zhuǎn)形成的外接圓獲得的能量較少，如此會比同樣大小的圓形掩模具有更好的錐度。本文基于此理論，探究工藝參數(shù)對準分子激光旋轉(zhuǎn)打孔質(zhì)量的影響。

1 準分子激光旋轉(zhuǎn)打孔試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗材料為PMMA，俗稱亞克力，其特點為高透明、易加工、耐腐蝕、性能穩(wěn)定，試樣尺寸為10 mm×10 mm×2 mm。試驗前，將PMMA薄板放入無水乙醇中超聲清洗10 min，然后取出風(fēng)干備用。

試驗采用LPXpro 305型準分子氣體激光器，工作氣體為KrF，激光波長為248 nm，脈寬為30 ns，單光子能量為5 eV，最大可輸出單脈沖能量為1200 mJ，激光光斑為矩形，尺寸約36 mm×18 mm，光束能量分布為帽形，激光脈沖觸發(fā)模式為外觸發(fā)模式，激光器由一個與其相聯(lián)的計算機進行控制。控制系統(tǒng)配置自主研發(fā)的準分子激光加工控制界面，可實現(xiàn)多種運動方式與準分子激光器發(fā)射激光脈沖的同步編程控制。

本試驗采用準分子激光掩膜投影直寫加工系統(tǒng)，與沖孔加工系統(tǒng)的區(qū)別在于：試驗中的位移臺是一個四維電控位移臺，且在旋轉(zhuǎn)臺上額外安裝了一個二維位移臺以滿足制造錐形孔陣列的需要。圖1是加工系統(tǒng)試驗裝置，主要由指示光、準分子激光器、掩膜、反射鏡、聚焦投影物鏡、樣品、四維電控位移臺及位移臺電機驅(qū)動器、控制計算機組成。試驗所用的電控位移臺可在 x、y、z、c 軸方向上以 1 μm的精度步進，各軸10 mm/s，該階段由一個步進馬達驅(qū)動，該馬達通過計算機程序同步控制激光發(fā)出。

圖1 準分子激光加工裝置示意圖

1.2 試驗方法

圖2是采用旋轉(zhuǎn)打孔的調(diào)焦與旋轉(zhuǎn)臺固定位置示意。采用正離焦方式，先將指示光方向和準分子激光方向調(diào)一致；使激光在感光紙上留下光斑，將指示光光斑的位置調(diào)整到準分子激光光斑的中心位置；之后將激光通過小于激光光斑的掩?？?，所用掩模為邊長2 mm的三角形孔掩模，保證指示光的中心區(qū)域與三角形孔重合，通過掩膜孔后的激光束橫截面即為掩膜孔的形狀；然后將樣品水平放置，在整個光路中添加248 nm波段的高反射率的反射鏡，使光偏轉(zhuǎn)90°方向水平向下，并經(jīng)過10倍的聚焦投影物鏡照射到工件的上表面；最后通過調(diào)整z軸找到合適的位置，從而可使PMMA內(nèi)部的激光能量密度分布小于上表面處的激光能量密度，使得孔的錐度更好一些。

圖2 激光加工位置示意圖

通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺的位置使旋轉(zhuǎn)中心與光斑重合。用自行開發(fā)的軟件使旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的同時讓準分子激光器發(fā)出脈沖，將三角形孔掩模旋轉(zhuǎn)120°，觀察在試樣中刻蝕出的軌跡；通過不斷調(diào)整x、y軸的位置，直到在試樣中刻蝕出圓形的痕跡，即達到所需要的效果。如此就達到了旋轉(zhuǎn)中心與光斑的重合，之后就可進行旋轉(zhuǎn)打孔試驗。

為了能使光學(xué)顯微鏡觀測到錐形微孔的橫截面形狀，將激光器的輻照范圍集中在試樣邊緣，以此旋轉(zhuǎn)打孔。這樣，在試樣邊緣打出的孔便可通過光學(xué)顯微鏡清楚地看到其橫截面的錐形形狀，從而作為試驗結(jié)果的依據(jù)。

在整個旋轉(zhuǎn)打孔試驗中，找到掩模最佳位置和旋轉(zhuǎn)中心與光斑對準這兩個步驟是提高加工效果的關(guān)鍵，也是旋轉(zhuǎn)打孔的基礎(chǔ)，它們都可使得加工面能量分布均勻，得到良好的上表面。最佳的像面位置可通過調(diào)節(jié)三維電控位移臺的高度、聚焦投影物鏡的角度、光路系統(tǒng)中掩模的位置來實現(xiàn)，而旋轉(zhuǎn)中心與光斑對準這一步只能通過不停地調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺來實現(xiàn)。

1.3 試驗過程

調(diào)整好位置與參數(shù)之后便可進行加工試驗，試驗參數(shù)如下：恒能外觸發(fā)模式，激光頻率1～10 Hz，脈沖能量 100～900 mJ，總脈沖個數(shù) 150～1000 個，旋轉(zhuǎn)速度范圍每秒1°～10°。將加工好的樣品放入無水乙醇中超聲清洗10 min，室溫風(fēng)干后測量結(jié)果。

首先在顯微鏡下觀察試樣上表面，并測量直徑大小，之后將樣品豎直放置，靠近錐形孔的面朝上，觀察錐形微孔的側(cè)面形狀，并進行孔深度與底面直徑的測量。當激光器發(fā)出脈沖加工同一位置時，不同區(qū)域的熱積累不同，可造成單脈沖刻蝕邊緣的微小傾斜角，并且由于旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致三角形掩模不同位置的熱積累也不同，在三角形中心的內(nèi)切圓比外圍獲得更多的能量。在連續(xù)的脈沖作用下，刻蝕側(cè)壁沿斜角向下延伸，最終形成一個錐形孔。

由于準分子激光刻蝕聚合物材料是光化學(xué)與光熱的共同作用機制，其占比取決于激光參數(shù)與樣品性質(zhì)。當激光能量在幾十納秒內(nèi)作用于物體，大多能量都消耗在破壞物質(zhì)的化學(xué)鍵上，多數(shù)情況下光化學(xué)機制占主導(dǎo)地位。同時，用JSM840型掃描電子顯微鏡對樣品的內(nèi)表面進行更精細的觀察。用控制變量法進行試驗，并探究不同參數(shù)對錐形微孔深度與錐度的影響，能為旋轉(zhuǎn)法制造錐形孔的工藝參數(shù)與優(yōu)化提供參考。

2 結(jié)果與分析

2.1 旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速對微孔深度與錐度的影響

在試驗中對于微孔的錐度測量，使用的計算公式為：

式中：C為微孔錐度；D1為孔上表面直徑均值；D2為孔底端直徑均值；H為孔的深度。

將激光器調(diào)整為外觸發(fā)模式，焦距和旋轉(zhuǎn)中心都調(diào)整為最佳位置，激光器調(diào)為恒能模式，激光單脈沖能量為300 mJ，頻率為3 Hz，掩模為邊長2 mm的三角形掩模，在試樣上分10組依次進行旋轉(zhuǎn)速度為每秒 1°～10°的加工試驗，每組間隔為 1°/s。

為研究不同旋轉(zhuǎn)速度對微孔的影響，采用移動同樣距離的方式來保證激光脈沖數(shù)目的一致，用光學(xué)顯微鏡觀察孔的上表面與側(cè)面，并用配套的測量軟件測量上表面直徑、側(cè)面深度、底部直徑后進行計算。為提高準確性，對每個參數(shù)做四次試驗并取平均值，結(jié)果見圖3?？煽闯?，在只改變旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的情況下，并不會對微孔的錐度與深度產(chǎn)生較大影響。這是由于準分子激光的脈沖個數(shù)和單脈沖能量不發(fā)生變化時，材料不會產(chǎn)生多光子吸收、不存在非線性吸收使材料的刻蝕率發(fā)生改變。去除率的改變很大程度上由熱積累產(chǎn)生，而熱積累和熱蒸發(fā)的過程比旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速快得多，提高旋轉(zhuǎn)速度并不加速刻蝕效率，就不會改變錐形微孔的深度與錐度。

圖3 旋轉(zhuǎn)速度對微孔深度和錐度的影響曲線

2.2 單脈沖能量對微孔深度與錐度的影響

采用邊長2 mm的三角形掩模，調(diào)整激光頻率為 3 Hz，旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為 6°/s，共旋轉(zhuǎn) 360°。 在試樣上分9組依次進行單脈沖能量為100～900 mJ的加工試驗，每組間隔100 mJ，研究單脈沖能量對微孔深度和錐度的影響。為提高準確性，對每個參數(shù)做四次試驗并取平均值，結(jié)果見圖4?？煽闯?，隨著激光脈沖能量的增加，錐形微孔的深度逐漸增加，而微孔的錐度則逐漸降低。脈沖能量在100～200 mJ時，錐度和深度變化都很明顯；脈沖能量高于500 mJ后，錐度和深度變化緩慢。這是由于在相同孔徑和旋轉(zhuǎn)速度的情況下，能量越高，能量密度越大，去除的材料越多，使孔的深度越大而錐度越小。當單脈沖能量到達一定程度時，材料的去除率難有明顯的提升，深度和錐度逐漸趨于不變。

圖4 激光單脈沖能量對微孔深度和錐度的影響曲線

2.3 脈沖頻率對微孔深度與錐度的影響

采用邊長2 mm的三角形掩模，調(diào)整激光單脈沖能量為 300 mJ，旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為 6°/s，共旋轉(zhuǎn) 360°。由于旋轉(zhuǎn)打孔的特殊性，改變激光頻率可通過改變激光脈沖數(shù)目來實現(xiàn)，保證旋轉(zhuǎn)速度不變，在試樣上分10組依次進行激光脈沖頻率為1～10 Hz的加工試驗，每組間隔1 Hz，結(jié)果見圖5。可看出，隨著激光脈沖頻率的增加，微孔的深度逐漸增加、錐度逐漸減??；當激光脈沖頻率高于6 Hz時，微孔的深度與錐度的變化趨勢大幅減緩。這是由于錐形微孔的深度和錐度都是熱積累的產(chǎn)物，但當激光脈沖數(shù)目到達一定限度時，激光到底邊的能量損失非常嚴重，這會嚴重影響底邊材料的熱積累效應(yīng)，使去除率逐漸降低，導(dǎo)致了孔深度的緩慢增加和錐度的緩慢減小。

2.4 掩模大小對微孔深度與錐度的影響

調(diào)整激光參數(shù)，固定激光單脈沖能量300 mJ，激光頻率 3 Hz，旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為 6°/s，共旋轉(zhuǎn) 360°。 采用邊長分別為1、1.5、2、3 mm的三角形掩模進行加工試驗，研究掩模大小對錐形微孔深度與錐度的影響。為提高準確性，對每個參數(shù)做四次試驗并取平均值，結(jié)果見表1?？煽闯觯煌难谀＜庸こ龅腻F孔效果都不錯，但在使用較大孔徑的掩模時，微孔底部的直徑非常大，可達460 μm。這是由于當掩模增大后可使更多的光子進入，同時刻蝕面積增大，側(cè)壁的傾斜程度并不降低，由于在深度方向的刻蝕率是一定的，所以會使得底面的邊長增大。

2.5 掩模形狀對微孔深度與錐度的影響

調(diào)整激光參數(shù)，固定激光單脈沖能量300 mJ，激光頻率 3 Hz，旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為 6°/s，共旋轉(zhuǎn) 360°。 分別采用外接圓相等的三角形掩模、正方形掩模和圓形掩模，研究不同掩模形狀對旋轉(zhuǎn)打孔的影響，結(jié)果見圖6。對比可知，圓形掩模加工出的微孔錐度較差，三角形掩模加工出的微孔錐度較好。這是由于雖然三種形狀的掩模在旋轉(zhuǎn)時的外接圓相同，但它們的內(nèi)切圓中三角形最小，能量更加集中在圓心周圍，這就使得三角形掩模加工出的微孔錐度更好。

圖6 不同掩模激光加工微孔形貌

3 結(jié)論

基于準分子激光打孔的基礎(chǔ)上，進行了旋轉(zhuǎn)法激光加工錐形微孔試驗，研究不同參數(shù)對微孔深度與錐度的影響，得到以下結(jié)論：

（1）脈沖頻率和單脈沖能量對微孔的深度與錐度有較大影響，同時掩模的大小和形狀也影響著錐形微孔的質(zhì)量，而旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速對加工孔的影響較小。脈沖頻率和單脈沖能量增加，會使微孔的深度大幅增長、錐度大幅減??；掩模越大，會使微孔的深度增加、錐度減小，但太大的掩模會造成錐形微孔底部直徑太大而影響孔的加工質(zhì)量；采用三角形掩?？傻玫阶罴训募庸ばЧ?。

（2）加工中不斷有熔渣產(chǎn)生，會導(dǎo)致孔內(nèi)表面質(zhì)量不佳，試驗中還應(yīng)增加對熔渣的處理，可在其周圍添加一個吹氣裝置，通過試驗進一步探究對微孔質(zhì)量的影響。