聚酰亚胺胶带辅助皮秒激光逐层加工实现高表面质量碳化硅微结构制备新策略

《Optics & Laser Technology》：Fabrication of silicon-carbide microstructures with high surface quality by PI-tape coating assisted picosecond laser machining in a layer-by-layer mode

本研究针对碳化硅(SiC)陶瓷表面微结构加工中存在的碎屑沉积、重铸层形成及表面质量下降等问题，创新性地提出聚酰亚胺胶带涂层辅助皮秒激光加工(PCAPLM)方法。通过系统优化激光功率(Pavg)、扫描线重叠率(LOR)、光斑重叠率(SOR)和离焦距离(DF)等参数，结合双阶段加工策略，实现了无重铸层的高质量SiC微结构制备，表面粗糙度(Sa)从5.19μm显著降低至0.64μm，为半导体制造装备中真空吸盘微柱阵列等结构的精密加工提供了有效的技术解决方案。

　　

在半导体制造、光电器件和微机电系统(MEMS)等领域，表面微结构发挥着至关重要的作用。特别是在半导体制造装备中，针式吸盘(pin chuck)表面的微柱阵列结构直接决定了晶圆的吸附稳定性和防损伤性能。碳化硅(SiC)陶瓷因其高热导率、低热膨胀系数、优异机械稳定性和高温耐腐蚀性，成为制造凸点吸盘的首选材料。然而，SiC极高的硬度和脆性使其微结构制造面临巨大挑战。

传统的减材制造方法如金刚石工具加工、化学蚀刻和电火花加工(EDM)往往难以满足精度和质量要求。激光加工技术因其对材料类型和工件硬度的非选择性，特别适用于硬脆材料加工。其中，超快激光加工(包括飞秒和皮秒激光)作为一种非接触、高精度制造技术，其极短的脉冲宽度能够实现冷 ablation，减少热影响区(HAZ)和微裂纹，提高加工精度。但即便如此，在SiC表面微结构的超快激光加工中，仍然存在加工效率与精度难以平衡、碎屑重复沉积等问题，特别是 ablation 碎屑在加工结构周围的沉积会严重影响加工精度和表面质量，进而影响真空吸盘的吸附性能。

针对这些挑战，苏州大学机电工程学院的研究团队在《Optics》上发表了一项创新研究成果，提出了一种聚酰亚胺胶带(PI-tape)涂层辅助皮秒激光加工(PCAPLM)方法。该方法通过在SiC基底表面直接粘贴PI-tape作为保护层，利用其易于粘附去除、大面积覆盖和优异均匀性的特点，有效捕获 ablation 碎屑，防止其在加工结构周围重新沉积，从而显著抑制重铸层的形成。

研究人员采用紫外皮秒激光加工系统，激光波长为355nm，脉冲宽度为10.9ps，最大重复频率5MHz。通过控制变量实验系统研究了激光扫描线重叠率(S_OR)、光斑重叠率(L_OR)、加工次数和初始离焦距离(DF)等参数对几何结构特征和沉积层的影响。研究还提出了双阶段加工策略：首先使用高平均功率(P_avg)进行快速材料去除，随后使用低P_avg进行原位抛光以提升表面质量。

2.1. 材料

研究使用反应烧结SiC陶瓷作为基底，尺寸为25×20×4mm³。选择厚度为35和50μm的PI-tape作为保护层，该材料具有优异的热稳定性和机械耐久性，在约500°C分解。PI-tape由聚酰亚胺(PI)薄膜和硅基粘合剂层组成，能够直接粘贴到清洁后的SiC基底上，确保完全接触和均匀粘附。

2.2. 激光加工

采用紫外皮秒激光加工系统，激光源发射355nm波长脉冲，持续时间10.9ps。通过三维平移台和振镜扫描器控制激光束在样品表面的运动。通过MarkingMate软件设置加工轨迹，计算激光光斑沿扫描线和跨扫描线的重叠率。

2.3. 表征

使用延长景深三维显微镜表征微柱的三维轮廓和表面形貌，测量表面粗糙度(Sa)。采用扫描电子显微镜(SEM)配备能谱仪(EDS)进一步检查表面形貌和分析化学成分。

3.1. 激光参数对材料去除深度和ablation表面粗糙度的影响

实验结果表明，P_avg是影响激光加工的关键因素之一。当P_avg低于6W时，激光ablation表面近乎平坦，无明显脊沉宏观纹理或微裂纹，Sa保持在0.79μm以下。当P_avg超过12W时，激光能量密度增加，ablation过程从温和ablation(GA)转变为强烈ablation(SA)，表面质量逐渐恶化。

激光重叠率对微柱形貌和高度有显著影响。随着S_OR和L_OR增加，微柱高度相应增加。当S_OR超过80%且L_OR超过70%时，微柱高度急剧增加，这是由于能量吸收耦合效应导致的。

3.1.3. 原位抛光对ablation SiC表面形貌的影响

研究发现，采用2.1W的P_avg进行三次原位激光抛光后，Sa从5.19μm显著降低至0.64μm。适度的抛光次数能有效降低Sa，但过度重复可能由于重铸层暴露和热积累导致质量下降。

3.2. 激光加工次数对微柱高度的影响

在P_avg=12W、S_OR=90%、L_OR=80%条件下，微柱高度与LM次数呈线性关系：H=2.91t_s+2.57，实现了微柱高度的精确控制。

3.3. 初始DF对微锥度的影响

正离焦距离(+DF)可减小微柱的锥角，产生更直的侧壁，而对材料去除率影响不大。当DF从0μm增加到+100μm时，侧壁锥角从77.46°增加到80.14°，而微柱高度仅减少约3μm。适当的+DF能有效减少侧壁锥度并增强微柱的整体结构质量。

3.4. PI-tape的ablation阈值及PCAPLM在SiC陶瓷上的应用

实验测定PI-tape的单脉冲ablation阈值φ_h为0.59J/cm²。基于此阈值，采用激光图案化方法在PI-tape中制备了直线微槽，对底层SiC基底影响最小。通过7次LM通道，PI-tape被完全ablation，微槽宽度为102μm。

EDS分析表明，PI-tape未发生碳化而是发生了ablation，暴露了底层SiC基底。较厚的PI-tape倾向于在微槽边缘产生更多碎屑，可能影响图案化PI-tape工艺的质量和有效性。

采用PCAPLM方法制备的微柱阵列结构高度为100μm，直径为300μm。结果显示，PCAPLM方法制备的微柱阵列无可见沉积，而直接LM则导致碎屑积累。各种SiC微结构(微柱阵列、微蜂窝结构和微流控结构)在PCAPLM方法下制备均显示边缘无沉积，ablation表面的Sa分别为0.63μm、0.67μm和0.59μm。

本研究通过系统优化皮秒激光加工参数，提出了PI-tape涂层辅助皮秒激光加工(PCAPLM)方法，有效解决了SiC陶瓷表面微结构加工中的碎屑沉积和重铸层形成问题。研究发现激光功率、光斑重叠率和扫描线重叠率是最关键工艺参数，直接决定材料去除率和ablation表面形貌。在特定参数条件下，SiC陶瓷的材料去除深度与激光加工次数呈线性关系，实现了微柱高度的精确控制。适当的正离焦距离有助于减小侧壁锥度，而原位低功率激光抛光能显著改善表面质量。

PCAPLM方法通过使用PI-tape作为保护涂层，有效消除了微结构边缘的沉积，为SiC微结构的高精度制造提供了可靠解决方案。这项研究不仅实现了高质量SiC微结构的制备，还为半导体制造装备中真空吸盘等关键部件的精密加工提供了有效的技术支撑，对推动半导体制造业的发展具有重要意义。