作者: 顏孟華

單位: 國(guó)立勤益科技大學(xué) 機(jī)械系 博士后研究員.

摘要:

因玻璃具有良好透光性，所以將UV雷射應(yīng)用于玻璃加工為目前業(yè)界常用方法，雷射誘導(dǎo)背面濕法刻蝕（Laser-induced backside wet etching, LIBWE）技術(shù)可克服此透光性缺點(diǎn)，利用LIBWE系統(tǒng)對(duì)于可透光之基材(玻璃)蝕刻，其結(jié)果可達(dá)到近光學(xué)平面的蝕刻結(jié)果；此外，高深寬比之結(jié)構(gòu)，亦可透過(guò)LIBWE加工制作來(lái)達(dá)成，顯示此技術(shù)之高產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性。本文除探討LIBWE技術(shù)之架構(gòu)外，亦簡(jiǎn)述其工作原理，最后介紹不同LIBWE系統(tǒng)之蝕刻結(jié)果，并比較不同LIBWE系統(tǒng)之特色。最后，因LIBWE技術(shù)目前已漸趨成熟，但其商用化產(chǎn)品目前不多，因此想藉此文章推廣LIBWE技術(shù)，未來(lái)希望LIBWE技術(shù)有機(jī)會(huì)可應(yīng)用于其他雷射應(yīng)用加工產(chǎn)業(yè)。

1. 前言

當(dāng)利用微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)來(lái)制造微米/次微米結(jié)構(gòu)時(shí)，需要經(jīng)過(guò)耗時(shí)光罩生產(chǎn)、復(fù)雜的光微影技術(shù)及蝕刻流程等，此復(fù)雜的流程阻礙了新原型(prototype)的快速發(fā)展．為減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，利用雷射激光直寫(xiě)（laser direct-write, LDW）技術(shù)是一個(gè)好的選擇。 LDW已在玻璃 [1]、聚甲基丙烯酸甲酯(壓克力)[2]和硅膜[3]等材料上，被應(yīng)用于制造微米尺寸結(jié)構(gòu)。另外，LDW已結(jié)合化學(xué)金屬沉積方法建構(gòu)出三維立體微結(jié)構(gòu)[4]，此方法為激光直寫(xiě)式化學(xué)氣相沉積（LDW-CVD），此方法類似3D打印機(jī)的原理，透過(guò)準(zhǔn)確的雷射聚焦來(lái)使基材的氣態(tài)前趨勢(shì)物固化形成復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)[4]，如下圖1所示。LDW技術(shù)除了可以快速制造新的原型，包括3D結(jié)構(gòu)，還可制作不同長(zhǎng)寬比的溝槽及表面平滑的微米結(jié)構(gòu)。因此上述研究皆證明LDW對(duì)于快速原型開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)是一個(gè)適合的技術(shù)平臺(tái)。

圖1、利用LDW-CVD方法來(lái)建構(gòu)3D微結(jié)構(gòu)之流程示意圖[4]。

雷射激光照射方法長(zhǎng)期以來(lái)被應(yīng)用于各種材料的結(jié)構(gòu)化，利用雷射對(duì)于材料的燒蝕，改質(zhì)或沉積等不同方式，這些不同的雷射引導(dǎo)的物理和化學(xué)過(guò)程，被應(yīng)用于產(chǎn)生材料體積和其表面的微觀結(jié)構(gòu)。雷射誘導(dǎo)背面濕法刻蝕（Laser-induced backside wet etching, LIBWE）方法最早于1999年由Wang團(tuán)隊(duì)所發(fā)表[5, 6]，是一種已被開(kāi)發(fā)且有前途的LDW技術(shù) [5-7]。LIBWE可在光學(xué)透明材料表面形成微結(jié)構(gòu)，其表面粗糙度可接近光面質(zhì)量。LIBWE的優(yōu)點(diǎn)包括：1.較低的蝕刻閾值(約為直接蝕刻的1/40)，此閥值是指可蝕刻材料的最低雷射能量值。2.對(duì)于透明材料蝕刻有更好效果，其蝕刻表面精糙度（Rrms）可小于10 nm [8]及高深寬比之深溝結(jié)構(gòu)（可高達(dá)60）[9]。3.和傳統(tǒng)的直接激光蝕刻比較，LIBWE有較小的熱影響區(qū)域（heat-affected zone, HAZ）[10]。因此，LIBWE可為微電子相關(guān)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造新型微結(jié)構(gòu)、光纖、集成光學(xué)、微光學(xué)[8, 11, 12] 和微流體結(jié)構(gòu)[13]…等。當(dāng)有難以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的蝕刻技術(shù)時(shí)來(lái)達(dá)成之特殊結(jié)構(gòu)，利用LIBWE方法就成為另一種最佳選擇，例如：在石英玻璃中制作信道波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)，就可利用LIBWE。

LIBWE技術(shù)的發(fā)展近年來(lái)已趨成熟，許多研究指出LIBWE實(shí)驗(yàn)架構(gòu)可透不同雷射光源及吸收物質(zhì)（染劑）來(lái)達(dá)成[7, 10, 13-16]，目前已有研究發(fā)展出利用低成本的綠光雷射及其對(duì)應(yīng)的吸收染料[10, 14-16]。 LIBWE可使用不同的雷射源作為光源，如可見(jiàn)光雷射（波長(zhǎng)（λ）為532　nm）和紫外光（UV）雷射（λ= 248 nm、266 nm和351nm）；在吸收染劑部份也可使用不同的染劑如烴類（如甲苯或芘（pyrene）/丙酮）和金屬吸收染料（例如汞和鎵）[14, 17-19]。根據(jù)以前的研究[20]，LIBWE采用液態(tài)金屬吸收劑具有比烴吸收劑更高的蝕刻速率和更低閾值。因此，接下來(lái)將介紹LIBWE的架構(gòu)及其工作原理。

2. 實(shí)驗(yàn)架構(gòu)及其工作原理:

LIBWE系統(tǒng)之基本實(shí)驗(yàn)架構(gòu)如下圖2所示，其中雷射光源可依不同應(yīng)用或研究而自行選用（本圖中是以可見(jiàn)光雷射為例），而不同的雷射光源需搭配不同吸收染劑才能達(dá)到蝕刻效果，這也是目前LIBWE相關(guān)研究中重要研究主題。而LIBWE工作原理簡(jiǎn)單敘述如下，雷射光會(huì)直接穿過(guò)待刻基材到達(dá)吸收層，而雷射能量會(huì)被吸收染劑所吸收，因此蝕刻的現(xiàn)象會(huì)發(fā)生在基材跟吸收染劑的界面。在完成蝕刻后，基材通常利用超音波震洗機(jī)清洗，主要是將殘留于接口的吸收染劑清洗干凈，若是使用液態(tài)金屬作為吸收染劑時(shí)，則可利用稀鹽酸來(lái)清洗基材，而最后一道程序就是利用去離子水將基材表面做清洗。

圖2. LIBWE系統(tǒng)架構(gòu)[10]

接著介紹LIBWE的蝕刻機(jī)制，如下圖3所示，雷射能量經(jīng)由吸收染劑所吸收，接著在基材／吸收染劑接口產(chǎn)生高溫的超臨界水（supercritical water，SCW），此區(qū)域的高溫會(huì)使基材發(fā)生熔化／軟化，甚至汽化的情況發(fā)生，而超臨界水接著會(huì)產(chǎn)生爆炸性沸騰現(xiàn)象，進(jìn)而使已軟化的玻璃基材脫落，因而達(dá)到蝕刻的效果。若想更深入了解此現(xiàn)象，可參考Tsvetkov (2017) [21]的研究論文。在介紹完LIBWE架構(gòu)及原理后，接下來(lái)為大家介紹各種不同雷射光源及不同吸收染劑的LIBWE系統(tǒng)。

圖3.　LIBWE蝕刻原理。

利用單一脈沖波模式來(lái)解釋LIBWE蝕刻過(guò)程的機(jī)制；在a和b中，紅色曲線表示聚焦在玻璃/液體界面上的激光束; 1表示觀察到90％激光能量的區(qū)域; 2為激光脈沖末端高溫超臨界水（SCW）的擴(kuò)展面積; 3是高液壓的擴(kuò)大區(qū)域。帶箭頭的空白圓圈表示超臨界水高溫蒸發(fā)和玻璃蝕刻的過(guò)程;黃色的區(qū)域表示軟化的玻璃的體積，其通過(guò)高液壓沿著邊緣被擠出。[21]

3. 紫外光雷射LIBWE系統(tǒng)(UV-LIBWE)

LIBWE系統(tǒng)的雷射光源大多是探用紫外光雷射光源，其波長(zhǎng)包含248 nm、266nm及355nm…等多種不同波長(zhǎng)，而其相對(duì)應(yīng)吸收染劑也相對(duì)多，例如甲苯或芘（pyrene）/丙酮和金屬吸收染料（例如銀）…等多種，其蝕刻結(jié)果如下圖所示，可刻出接近光學(xué)平面之流道，其最佳表現(xiàn)粗糙度(Ra)可達(dá)10 nm以下 [8]. 此外，高深寬比之微結(jié)構(gòu)蝕刻是LIBWE之特點(diǎn)，如下圖5所示，其深寛比可高達(dá)60，因此可用于做深溝之結(jié)構(gòu)。

圖4. UV-LIBWE蝕刻玻璃(Borofloat 33)之結(jié)果[13]

圖5. UV-LIBWE蝕刻具高深寬比結(jié)構(gòu)之結(jié)果[9]

4. 可見(jiàn)光雷射LIBWE系統(tǒng)(visible-LIBWE)

利用可見(jiàn)光雷射作為光源是經(jīng)濟(jì)便宜的方法來(lái)建構(gòu)LIBWE系統(tǒng)，其波長(zhǎng)為527 nm和532nm…等多種選擇，其相對(duì)應(yīng)的吸收染劑為Rose Bengal, Amaranth及Gallium…等多種不同吸收染劑，其蝕刻結(jié)果如下圖6所示。因此我們可發(fā)現(xiàn)，若是以可見(jiàn)光雷射作為雷射光源，其吸收染劑大多為一般染料，因此可大幅降低系統(tǒng)建構(gòu)成本，亦可增加實(shí)驗(yàn)操作的安全性。

圖6.　Visible-LIBWE系統(tǒng)搭配金屬吸收劑Gallium之蝕刻結(jié)果.可發(fā)現(xiàn)其表面非常平滑。[10]

接下來(lái)我們大約可以比較兩種不同蝕刻方法之結(jié)果，如下表1所示，從表中可發(fā)現(xiàn)Visible-LIBWE的蝕刻表面粗糙度比UV-LIBWE結(jié)果略差，但其閥值卻比較小，主要可能原因?yàn)榻饘傥杖緞┪绽咨淠芰亢?，直接傳到玻璃，進(jìn)而軟化玻璃達(dá)到蝕刻效果。另外，可發(fā)現(xiàn)深寬比方面，利用金屬吸收染劑可達(dá)到最佳深寬比遠(yuǎn)小于有機(jī)染劑，這是應(yīng)用金屬吸收染劑的限制。

表1. UV-LIBWE與Visible LIBWE的蝕刻結(jié)果比較表[10]

5. 結(jié)論

目前業(yè)界的玻璃加工為主要利用大功率的UV雷射來(lái)進(jìn)行，主要因玻璃具有良好透光性，而LIBWE技術(shù)剛好可克服之缺點(diǎn)，利用LIBWE系統(tǒng)對(duì)于可透光之基材(玻璃)蝕刻，可達(dá)到近光學(xué)平面的蝕刻結(jié)果，且其可達(dá)到高深寬比之結(jié)構(gòu)，大大增加LIBWE在不同產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用性。此外，若是以可見(jiàn)光雷射作為主要光源，因其搭配吸收染劑為一般染料，可大幅增加實(shí)作操作之安全性。因LIBWE技術(shù)目前已漸趨成熟，目前已有產(chǎn)業(yè)商品出現(xiàn)，例如：Laser Marking Machine with LIBWE method（Y-E DATA Inc.）[22]. 相信LIBWE未來(lái)很有機(jī)會(huì)可應(yīng)用于其他雷射應(yīng)用加工業(yè)。

作者聯(lián)系：Mail:emh1989@gmail.com 

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