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引言
? ? ? 本文研究了激光通量對光纖的氫氧化鉀+過氧化氫蝕刻劑中單晶硅無碎片凹槽的影響。在固定掃描條件下，凹槽的深度隨著通量的增加而增大，但當(dāng)通量為2.9J/cm2及以上時，由于激光誘導(dǎo)沖擊波引起的光纖振動，直槽加工困難。試圖通過多次和慢掃描增強(qiáng)累積激光通量，使溝槽更深，將單脈沖通量限制在1.4或2.2J/cm2，以避免光纖振動。通過比較相同單脈沖通量下形成的溝槽深度，發(fā)現(xiàn)其深度隨累積通量呈線性增加的趨勢。另一方面，累積通量和單脈沖通量不同的凹槽深度相似，表明其深度與單脈沖通量呈非線性關(guān)系。
? ? ? 我們探討了通過將加工物設(shè)置在電動XY工作臺上來展開槽加工的方法。 雖然可以進(jìn)行無碎屑槽加工，但是槽深度不夠，在能夠?qū)崿F(xiàn)深槽的例子中，槽底有嚴(yán)重的裂紋等，無法找出能夠得到良好槽的加工條件6）。因此，在本研究中，以不產(chǎn)生裂紋等而得到深槽為目的，通過改變激光輸出，調(diào)查了注量對加工速度等的影響。另外，由于在前面的報告中，槽是通過單脈沖加工的單純重疊而形成的，因此通過改變工件的掃描速度和掃描次數(shù)來增減累積的激光注量，調(diào)查了槽的深度相對于累積注量是否呈線形增減。
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實驗
? ? ? 由于激光可以得到高峰輸出，可以使用光纖，因此使用了Nd:YAG激光。波長為1064nm的該光源，脈沖寬度為6ns，重復(fù)頻率為10Hz，脈沖比較短，重復(fù)頻率較低。
? ? ? 考慮到光纖可以傳輸高強(qiáng)度的光和可加工性，使用了芯徑200μm，包層徑220μm的階躍指數(shù)多模型石英光纖。用#4000的砂紙對該光纖的端面垂直于光纖軸進(jìn)行研磨，使通過聚光透鏡的激光稍微散焦入射進(jìn)行耦合。加工物的厚度為0.5。將mm的N型（100）硅片切割成7mm角左右，不進(jìn)行清洗等處理，在購買的狀態(tài)下使用。另外，將鏡面作為表面進(jìn)行加工。作為腐蝕液，使用了在硅的濕法過程中可以期待穩(wěn)定除去的堿性腐蝕液，除去率比較高的KOH水溶液。但是，在KOH水溶液中，無論有無激光照射，硅都會被腐蝕，因此，通過進(jìn)一步添加H2O2，在硅表面經(jīng)常生成氧化膜，只在激光照射部進(jìn)行選擇性的除去。各自的濃度KOH為30mass%，H2O2為0.4 mass%，液溫為室溫。
? ? ? 實驗裝置的模式圖：如圖1所示。在纖維的出射側(cè)，為了使端面垂直向下，用纖維保持器固定。硅表面和纖維端面的間隔為0.7 mm.另外，將腐蝕液放入離硅表面高2mm的位置，使纖維插入到1.3 mm的腐蝕液中。其理由是為了不受加工時產(chǎn)生的沖擊引起的腐蝕液搖晃的影響，進(jìn)行穩(wěn)定的加工。將硅用螺絲固定在亞克力制容器的底面上。然后，將容器全部放置在XY自動工作臺上，使其垂直移動，進(jìn)行槽加工。固定掃描速度為10μm/s，掃描次數(shù)為1次，激光輸出分別為10mW，20mW，30mW，40mW，50mW，激光輸出分別為20mW，30mW，掃描速度為5μm/s，掃描次數(shù)進(jìn)行了2次實驗。作為評價方法，在斷面形狀測定中使用了激光顯微鏡，在溝的表面形狀的觀察中使用了SEM。
? ? ? 圖2在激光功率為20mW（a、b）、30mW（c、d）、40mW（e、f）、50mW（g、h）下處理的凹槽的SEM圖像（左側(cè)）和輪廓（右側(cè)）。改變激光輸出時的SEM像及代表性截面形狀如圖2所示。 30mW的單脈沖的能量密度分別為1.4， 2.2 J/cm2， 射束中心通過部分的累積能量密度為1.4×103。 計算為2.2×103 J/cm2.由于能量密度為1.5倍，溝深加深了一倍以上。另一方面，激光輸出功率為40， 從50mW時的SEM像來看，不能進(jìn)行直線狀的槽加工，這可以認(rèn)為是實驗中觀察到的纖維的搖晃的原因。作為搖晃的原因，可以認(rèn)為是隨著能量密度的增加，加工帶來的沖擊變大了。再從斷面形狀來看，是40， 50mW的情況下，能量密度分別為2.9， 雖然增加到3.6 J/cm2，但與20mW的情況相比，溝深沒有出現(xiàn)大的變化。其次，在不產(chǎn)生光纖搖晃的范圍內(nèi)的激光輸出功率20， 在30mW下，將掃描速度設(shè)為5μm/s，將掃描次數(shù)設(shè)為2次，嘗試增加累積的能量密度。
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圖3
? ? ? 圖3在激光功率為20mW（a、b）、30mW（c、d）（掃描速度：5μm/s、2次掃描）時處理的凹槽的SEM圖像（左側(cè)）和輪廓（右側(cè)）結(jié)果的SEM像以及代表性的截面形狀如圖3所示，與SEM像相比，通過使掃描速度變小，使掃描次數(shù)變多，可以得到清晰且深的溝。另外，與各自相同輸出的前結(jié)果相比，由于累積能量密度變?yōu)?倍，溝深度也大致增加了4倍左右。另一方面，將20mW的結(jié)果與30mW下進(jìn)行1次掃描的結(jié)果相比，累積的能量密度大2.7倍，但兩者的溝深度相同。
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結(jié)果和討論
? ? ? 在固定掃描條件下，凹槽的深度隨著通量的增加而增大，但當(dāng)通量為2.9J/cm2及以上時，由于激光誘導(dǎo)沖擊波引起的光纖振動，直槽加工困難。試圖通過多次和慢掃描增強(qiáng)累積激光通量，使溝槽更深，將單脈沖通量限制在1.4或2.2J/cm2，以避免光纖振動。通過比較相同單脈沖通量下形成的溝槽深度，發(fā)現(xiàn)其深度隨累積通量呈線性增加的趨勢。另一方面，累積通量和單脈沖通量不同的凹槽深度相似，表明其深度與單脈沖通量呈非線性關(guān)系。
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總結(jié)
? ? ? 使用光纖將脈沖Nd:YAG激光照射到設(shè)置在蝕刻液中的硅晶圓上，進(jìn)行溝加工。通過改變單脈沖以及累積的能量量，得到了以下的見解。（1）單脈沖的能量量過大的話，由于光纖的動搖，不能進(jìn)行直線狀的溝加工。（2）溝深度對于單脈沖的能量量是非線性增減的，對于單脈沖的能量量相同的情況，對于累積的能量量有線性增加的傾向。（3）為了得到深溝，在一定程度上減小單脈沖的能量量，減小掃描速度，增加掃描次數(shù)是有效的。