氫氧化鉀中硼矽酸鹽玻璃的鐳射輔助蝕刻
引言
擇性鐳射輔助化學蝕刻是一種用於透明材料的體微加工技術。該技術使用強聚焦鐳射點將結構寫入玻璃基板的體積中。這些結構隨後從襯底上移除。與基於傳統光刻的玻璃蝕刻工藝相比，這一概念的優勢在於可以製造三維形狀。作為光物質相互作用的結果，奈米光柵和/或奈米孔隙導致材料。可以透過隨後的溼化學蝕刻來移除修改的體積。
本文提出了一種選擇性刻蝕硼矽酸鹽玻璃（SCHOTT Borofloat 33）的方法，用超短脈衝鐳射對玻璃進行改性，然後進行溼法化學刻蝕。BF33玻璃通常用於微技術，以生產感測器、演員和流控晶片，因為它可以透過陽極鍵合與矽片鍵合。
實驗
鐳射誘導選擇性化學蝕刻（SLE）的製造工藝基於兩個主要的生產步驟。在第一步中，透過所施加的超短鐳射脈衝（圖1（a））並且在第二步驟中，玻璃基板透過溼化學蝕刻。鐳射處理後，用氫氧化鉀對玻璃基片進行溼化學蝕刻。氫氧化鉀溶液的濃度為8。5±0。5摩爾/升，並被加熱至80±3℃的溫度。為了進行加熱，使用了溫度波動小於0。5℃的溫控超聲波浴。襯底和氫氧化鉀溶液被封裝在單獨的容器中，該容器被放置在加熱的水浴中。
鐳射加工系統的引數範圍很大。為此，使用不同的脈衝重複率、脈衝持續時間、脈衝能量和寫入速度將通孔寫入500 m厚的玻璃基板。
對於通孔生成，將直徑為300 m、垂直距離z為5 m的圓寫入具有不同鐳射引數組合的玻璃中。用於生成圓的切片過程如圖2所示。在寫入序列之後，用氫氧化鉀蝕刻襯底，並使用光學顯微鏡分析所得的孔。不同的蝕刻時間用於確定蝕刻速率。
圖2 用於將三維形狀轉換為鐳射書寫曲線的切片程式草圖
結果和討論
利用玻璃通孔的引數研究：
透過分析玻璃通孔在50、75、100和150分鐘後的蝕刻結果，測量了不同鐳射引數組的蝕刻速率r。蝕刻時間為50分鐘，看不到玻璃的完全蝕刻。因此，所有蝕刻速率必須小於300米/小時75分鐘，可以觀察到玻璃上的第一個通孔。該蝕刻時間對應於大於200米/小時的蝕刻速率。
對於競爭性生產，需要減少每臺裝置的交付週期和成本。因此，快速寫入速度是製造三維物體的基本引數。
鐳射改性硼矽酸鹽玻璃的蝕刻速率和選擇性：
對於脈衝能量> 1000 nJ、脈衝持續時間為5 ps、重複頻率為105 kHz和寫入速度為75 mm/s的引數集A，可以實現最高的蝕刻速率和高寫入速度的結合。必須考慮的是，選擇性鐳射蝕刻工藝的經濟效率主要取決於寫入速度，因為這與生產時間直接相關。為此，在附加實驗中分析了以75毫米/秒為中心的65、70、80和85毫米/秒的寫入速度，以更精確地研究寫入速度的依賴性。
使用玻璃體積中的通道結構來研究蝕刻選擇性。透過在表面下書寫線條並隨後進行大約4小時的溼化學蝕刻來製造通道。然後透過測量蝕刻通道的不同長度來計算蝕刻速率。為了提高結果的統計顯著性，每個引數集在樣本上重複五次。透過鐳射寫入進行材料改性後，在兩個位置切割尺寸為4英寸的襯底。結果是樣品有兩個裂開的邊緣。如上所述從兩側蝕刻樣品。測量所得的蝕刻通道，並計算改性材料的相應蝕刻速率r1。為了確定選擇性，還必須測量未改性材料的蝕刻速率r0。這是透過蝕刻非鐳射處理的襯底約24小時並測量厚度變化來完成的。
圖6顯示了對於105千赫的重複頻率，BF33的選擇性作為脈衝能量的函式。對於每個脈衝能量，顯示了10次測量的平均值和標準偏差。可以觀察到，在窄脈衝能量中對於每個寫入速度的選擇性隨著脈衝能量的增加，範圍從低選擇性快速增加到高選擇性。描述對脈衝能量的選擇性依賴性的圖具有“S”形曲線的形狀。此外，資料集顯示寫入速度的增加需要更高的脈衝能量來實現高選擇性。因此，基於邏輯函式的選擇性模型被應用於資料集，以確定實現高選擇性所需的脈衝能量的閾值。
圖6 鐳射改性和未改性硼矽酸鹽玻璃的蝕刻速率選擇性是脈衝能量的函式
硼矽酸鹽玻璃中的三維形狀：
為了證明所提出的3D玻璃器件製造工藝的能力，透過使用最佳引數組A（脈衝重複頻率為105千赫，寫入速度為75毫米/秒，脈衝長度為5秒），在500米厚的硼矽酸鹽襯底中生產半球、錐體、V形槽和階梯。
除了3D形狀之外，實施約2。5×4 mm2的測試區域來測量蝕刻表面的平整度和粗糙度。如果應用0。8 m高斯濾波器，測量結果顯示硼矽酸鹽玻璃的均方根粗糙度為1。2 m。該值與0。9 m熔融石英的結果相當。
總結
本文研究的結果是一組非常有前途的工藝引數，用於使用數值孔徑為0。4的物鏡對硼矽酸鹽玻璃進行選擇性鐳射蝕刻。之前使用了一種用於熔融石英的選擇性鐳射蝕刻工藝，該工藝使用0。14的數值孔徑和約10 ps的脈衝寬度。在我們的研究中，我們還觀察到，如果使用較低NA的物鏡，脈衝長度調諧到皮秒範圍是硼矽酸鹽玻璃增加選擇性的一個基本引數。在本方法中，BF33的蝕刻速率可達到約320米/小時。此外，透過使用高達80毫米/秒的寫入速度，可實現大於540的選擇性。相比之下，熔融石英的選擇性高兩到三倍，這主要是由於未改性的熔融石英材料的蝕刻速率較低。
