CN105110287B - 一种飞秒激光网格化铁电陶瓷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种飞秒激光网格化铁电陶瓷方法，属于微细加工技术领域。本发明飞秒激光网格化铁电陶瓷方法，是用光刻、金属沉积、刻蚀的方法在铁电陶瓷上制备网格化的金属图案，飞秒激光刻蚀根据预先制备的网格化金属图案进行网格加工，实现了高精度网格列阵。本发明不通过控制加工台移动的步进精度来控制加工的误差，而是通过预先制备的网格化图案进行加工，消除加工台产生的机械累计误差，并解决了铁电非制冷焦平面探测器组件横向热扩散的难题，提高了探测器组件的空间分辨率，有效提高了探测器的性能。本发明不仅可广泛应用到大列阵规模高精度网格阵列制备，还可以推广到大列阵规模高精度的圆柱阵列、圆孔阵列等多种图形的微细加工。
Description
技术领域
本发明属于微细加工技术领域，具体涉及一种新的飞秒激光网格化铁电陶瓷方法。
背景技术
混合式非制冷焦平面探测器组件芯片网格化工艺是探测器组件工艺的重要组成部分。探测元间的横向热扩散是影响混合式铁电非制冷热像仪热图像空间分辨率的主要原因之一，网格化热隔离技术则是消除这一影响的重要手段。铁电陶瓷网格化工艺的质量关乎芯片成品率的高低，网格化的线条宽度同时还会影响探测器光敏元的占空比，从而影响探测器的最终性能。所以，对芯片网格化工艺的要求来讲，在实现铁电陶瓷的分割的同时，除了保证像元的中心距及列阵规模满足要求外，还要求降低对材料的损伤。
国外以美国为代表的TI公司在上世纪90年代曾报道的采用激光化学辅助刻蚀或者是离子束刻蚀的方法进行铁电陶瓷网格化。在国内，也有采用与国外报道的类似方法。
利用离子束刻蚀铁电陶瓷，需采用掩蔽层进行掩蔽刻蚀。由于离子束刻蚀铁电陶瓷速率远小于对掩蔽层的刻蚀速率，因此解决找到合适的掩蔽层以及离子束刻蚀参数非常困难。
随着激光微细加工的发展，激光化学辅助刻蚀已被飞秒激光微加工所替代，飞秒激光微加工是当今世界激光、光电行业中极为引人注目的前沿研究方向。由于飞秒激光的超短、超强和高聚焦能力3大特点，比激光化学辅助刻蚀有较大优势。飞秒激光可以将其能量全部、快速、准确地集中在限定的作用区域，具有其它激光加工无法比拟的无热熔区“冷”加工、高精度、高质量、高分辨率等优势。采用飞秒激光进行铁电陶瓷网格化工艺，是实现高精度、大列阵、高性能非制冷焦平面探测器组件微细加工的必然趋势。
发明内容
针对高精度、大列阵、高性能铁电非制冷焦平面探测器组件微细加工问题，本发明提供一种新的飞秒激光网格化铁电陶瓷方法。在铁电陶瓷表面，采用飞秒激光进行纵横交错的网格制备，实现了大规模的大小相等的网格阵列，产生的沟槽宽度、深度及形貌形状均匀一致。
本发明采用的技术方案如下：
一种飞秒激光网格化铁电陶瓷方法，包括如下步骤：
步骤a，铁电陶瓷清洗：
（1）用甲苯浸泡铁电陶瓷4-5小时；
（2）更换甲苯，铁电陶瓷浸泡于甲苯中超声清洗5-10分钟；重复三次；
（3）将溶剂换为丙酮，铁电陶瓷浸泡于丙酮中超声清洗5-10分钟；重复三次；
（4）将溶剂换为乙醇，铁电陶瓷浸泡于乙醇中超声清洗5-10分钟；重复三次；
（5）用氮气吹干铁电陶瓷表面的残余液体；铁电陶瓷放入烘箱，温度设置为80℃，烘烤2-3小时；
步骤b，金属层沉积：通过磁控溅射的方法，在经步骤a处理的铁电陶瓷表面溅射1000Å-1500Å钛钨膜层或镍铬膜层，得到镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷；
步骤c，光刻：将预先设计好的需要加工的网格化图案，制成光刻掩膜版；利用光刻工艺，将预先设计好的网格化图案转移到步骤b得到的镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷表面，在镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷表面形成所需的网格化光刻胶图形；
步骤d，离子束刻蚀金属层：利用离子束刻蚀，对步骤c得到的表面带有网格化光刻胶图形的镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷进行处理，把裸露的网格沟槽里的钛钨膜或镍铬膜刻蚀干净；
步骤e，去胶清洗：经步骤d处理得到的铁电陶瓷在丙酮中浸泡1-2小时，并通过超声清洗将光刻胶清洗干净，形成带有网格化金属图案的铁电陶瓷；
步骤f，飞秒激光刻蚀：利用飞秒激光进行网格化；将步骤e得到的带有网格化金属图案的铁电陶瓷表面的网格化金属图案采集到软件里，激光光斑根据软件里的网格化金属图案加工，将没有钛钨膜或镍铬膜覆盖的网格沟槽被飞秒激光刻蚀，得到被飞秒激光刻蚀的铁电陶瓷；
步骤g，去除金属层：采用离子束刻蚀的方法，将步骤f得到的被飞秒激光刻蚀的铁电陶瓷的钛钨膜或镍铬膜去除，完成铁电陶瓷的网格化。
进一步，优选的是步骤f飞秒激光的工艺参数为：飞秒激光脉宽小于280fs，激光功率50mW，激光波长258nm，光斑直径5微米。
进一步，优选的是，所述铁电陶瓷为钛酸锶钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷或钽钪酸铅陶瓷。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
（1）本发明飞秒激光网格化铁电陶瓷方法，不通过控制加工台移动的步进精度来控制加工的的误差，而是通过预先制备的网格化图案进行加工，消除加工台产生的机械累计误差，实现了高精度的网格阵列。
（2）通过本发明飞秒激光网格化铁电陶瓷技术，解决了铁电非制冷焦平面探测器组件横向热扩散的难题，提高了探测器组件的空间分辨率，有效提高了探测器的性能。
（3）本发明不仅可广泛应用到大列阵规模高精度网格阵列制备，而且本发明可以推广到大列阵规模高精度的圆柱阵列、圆孔阵列等多种图形的微细加工。
附图说明
图1为本发明的网格化阵列的示意图；
图2为本发明飞秒激光网格化铁电陶瓷的工艺流程图；
图3为镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷的剖面图；
图4为表面带有网格化光刻胶图形的镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷的剖面图；
图5为离子束刻蚀金属层后的铁电陶瓷的剖面图；
图6为带有网格化金属图案的铁电陶瓷的剖面图；
图7为被飞秒激光刻蚀的铁电陶瓷的剖面图；
图8为本发明飞秒激光网格化铁电陶瓷的剖面图；
其中，1为铁电陶瓷，2为钛钨膜层或镍铬膜层，3为光刻胶层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
本发明飞秒激光刻蚀所用软件为SCA engineer V2.5。
实施例1
本实施例要形成如图1所示的大规模的大小相等的网格阵列，实现的工艺步骤如下：
步骤a，如图2和图3所示，将铁电陶瓷1进行清洗，具体包括：
（1）用甲苯浸泡铁电陶瓷4小时；
（2）更换甲苯，铁电陶瓷浸泡于甲苯中超声清洗5分钟；重复三次；
（3）将溶剂换为丙酮，铁电陶瓷浸泡于丙酮中超声清洗5分钟；重复三次；
（4）将溶剂换为乙醇，铁电陶瓷浸泡于乙醇中超声清洗5分钟；重复三次；
（5）用氮气吹干铁电陶瓷表面的残余液体；铁电陶瓷放入烘箱，温度设置为80℃，烘烤2小时；
步骤b，金属层沉积：如图3所示，通过磁控溅射的方法，在经步骤a处理的铁电陶瓷1表面溅射1000Å钛钨膜层2，得到镀有钛钨膜的铁电陶瓷。
步骤c，光刻：如图4所示，将预先设计好的需要加工的网格化图案，制成光刻掩膜版；利用光刻工艺，将预先设计好的网格化图案转移到步骤b得到的镀有钛钨膜的铁电陶瓷表面，形成所需的网格化光刻胶图形，网格上有光刻胶层3保护，网格沟槽裸露。
步骤d，离子束刻蚀金属层：如图5所示，利用离子束刻蚀，对步骤c得到的表面带有网格化光刻胶图形的镀有钛钨膜的铁电陶瓷进行处理，把裸露的网格沟槽里的钛钨膜刻蚀干净；网格上有光刻胶保护钛钨膜保留下来。
步骤e，去胶清洗：如图6，经步骤d处理得到的铁电陶瓷在丙酮中浸泡1小时，并通过超声清洗将光刻胶清洗干净，形成带有网格化金属图案的铁电陶瓷；
步骤f，飞秒激光刻蚀：如图7所示，利用飞秒激光进行网格化。设置工艺参数：飞秒激光脉宽小于280fs，激光功率50mW、激光波长258nm，光斑直径5微米。将步骤e得到的带有网格化金属图案的铁电陶瓷表面的网格化金属图案采集到软件里，激光光斑根据软件里的网格化金属图案加工，将没有钛钨膜覆盖的网格沟槽被飞秒激光刻蚀，得到被飞秒激光刻蚀的铁电陶瓷；
步骤g，去除金属层：如图8所示，采用离子束刻蚀的方法，将步骤f得到的被飞秒激光刻蚀的铁电陶瓷的钛钨膜或镍铬膜去除，完成铁电陶瓷的网格化。
本实施例所述的铁电陶瓷为钛酸锶钡陶瓷。
实施例2
本实施例要形成如图1所示的大规模的大小相等的网格阵列，实现的工艺步骤如下：
步骤a，如图2和图3所示，将铁电陶瓷1进行清洗，具体包括：
（1）用甲苯浸泡铁电陶瓷5小时；
（2）更换甲苯，铁电陶瓷浸泡于甲苯中超声清洗10分钟；重复三次；
（3）将溶剂换为丙酮，铁电陶瓷浸泡于丙酮中超声清洗10分钟；重复三次；
（4）将溶剂换为乙醇，铁电陶瓷浸泡于乙醇中超声清洗01分钟；重复三次；
（5）用氮气吹干铁电陶瓷表面的残余液体；铁电陶瓷放入烘箱，温度设置为80℃，烘烤3小时；
步骤b，金属层沉积：如图3所示，通过磁控溅射的方法，在经步骤a处理的铁电陶瓷1表面溅射1500Å镍铬膜层2，得到镀有镍铬膜的铁电陶瓷。
步骤c，光刻：如图4所示，将预先设计好的需要加工的网格化图案，制成光刻掩膜版；利用光刻工艺，将预先设计好的网格化图案转移到步骤b得到的镀有镍铬膜的铁电陶瓷表面，形成所需的网格化光刻胶图形，网格上有光刻胶层3保护，网格沟槽裸露。
步骤d，离子束刻蚀金属层：如图5所示，利用离子束刻蚀，对步骤c得到的表面带有网格化光刻胶图形的镀有镍铬膜的铁电陶瓷进行处理，把裸露的网格沟槽里的镍铬膜刻蚀干净；网格上有光刻胶保护镍铬膜保留下来。
步骤e，去胶清洗：如图6，经步骤d处理得到的铁电陶瓷在丙酮中浸泡2小时，并通过超声清洗将光刻胶清洗干净，形成带有网格化金属图案的铁电陶瓷；
步骤f，飞秒激光刻蚀：如图7所示，利用飞秒激光进行网格化。设置工艺参数：飞秒激光脉宽小于280fs，激光功率50mW、激光波长258nm，光斑直径5微米。将步骤e得到的带有网格化金属图案的铁电陶瓷表面的网格化金属图案采集到软件里，激光光斑根据软件里的网格化金属图案加工，将没有镍铬膜覆盖的网格沟槽被飞秒激光刻蚀，得到被飞秒激光刻蚀的铁电陶瓷；
步骤g，去除金属层：如图8所示，采用离子束刻蚀的方法，将步骤f得到的被飞秒激光刻蚀的铁电陶瓷的钛钨膜或镍铬膜去除，完成铁电陶瓷的网格化。
本实施例所述的铁电陶瓷为锆钛酸铅陶瓷。
实施例3
本实施例要形成如图1所示的大规模的大小相等的网格阵列，实现的工艺步骤如下：
步骤a，如图2和图3所示，将铁电陶瓷1进行清洗，具体包括：
（1）用甲苯浸泡铁电陶瓷4.5小时；
（2）更换甲苯，铁电陶瓷浸泡于甲苯中超声清洗6分钟；重复三次；
（3）将溶剂换为丙酮，铁电陶瓷浸泡于丙酮中超声清洗7分钟；重复三次；
（4）将溶剂换为乙醇，铁电陶瓷浸泡于乙醇中超声清洗8分钟；重复三次；
（5）用氮气吹干铁电陶瓷表面的残余液体；铁电陶瓷放入烘箱，温度设置为80℃，烘烤2.3小时；
步骤b，金属层沉积：如图3所示，通过磁控溅射的方法，在经步骤a处理的铁电陶瓷1表面溅射1300Å钛钨膜层2或镍铬膜层2，得到镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷。
步骤c，光刻：如图4所示，将预先设计好的需要加工的网格化图案，制成光刻掩膜版；利用光刻工艺，将预先设计好的网格化图案转移到步骤b得到的镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷表面，形成所需的网格化光刻胶图形，网格上有光刻胶层3保护，网格沟槽裸露。
步骤d，离子束刻蚀金属层：如图5所示，利用离子束刻蚀，对步骤c得到的表面带有网格化光刻胶图形的镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷进行处理，把裸露的网格沟槽里的钛钨膜或镍铬膜刻蚀干净；网格上有光刻胶保护钛钨膜或镍铬膜保留下来。
步骤e，去胶清洗：如图6，经步骤d处理得到的铁电陶瓷在丙酮中浸泡1.5小时，并通过超声清洗将光刻胶清洗干净，形成带有网格化金属图案的铁电陶瓷；
步骤f，飞秒激光刻蚀：如图7所示，利用飞秒激光进行网格化。设置工艺参数：飞秒激光脉宽小于280fs，激光功率50mW、激光波长258nm，光斑直径5微米。将步骤e得到的带有网格化金属图案的铁电陶瓷表面的网格化金属图案采集到软件里，激光光斑根据软件里的网格化金属图案加工，将没有钛钨膜或镍铬膜覆盖的网格沟槽被飞秒激光刻蚀，得到被飞秒激光刻蚀的铁电陶瓷；
步骤g，去除金属层：如图8所示，采用离子束刻蚀的方法，将步骤f得到的被飞秒激光刻蚀的铁电陶瓷的钛钨膜或镍铬膜去除，完成铁电陶瓷的网格化。
本实施例所述的铁电陶瓷为钽钪酸铅陶瓷。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种飞秒激光网格化铁电陶瓷方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a，铁电陶瓷清洗：
（1）用甲苯浸泡铁电陶瓷4-5小时；
（2）更换甲苯，铁电陶瓷浸泡于甲苯中超声清洗5-10分钟；重复三次；
（3）将溶剂换为丙酮，铁电陶瓷浸泡于丙酮中超声清洗5-10分钟；重复三次；
（4）将溶剂换为乙醇，铁电陶瓷浸泡于乙醇中超声清洗5-10分钟；重复三次；
（5）用氮气吹干铁电陶瓷表面的残余液体；铁电陶瓷放入烘箱，温度设置为80℃，烘烤2-3小时；
步骤b，金属层沉积：通过磁控溅射的方法，在经步骤a处理的铁电陶瓷表面溅射1000Å-1500Å钛钨膜层或镍铬膜层，得到镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷；
步骤c，光刻：将预先设计好的需要加工的网格化图案，制成光刻掩膜版；利用光刻工艺，将预先设计好的网格化图案转移到步骤b得到的镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷表面，在镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷表面形成所需的网格化光刻胶图形；
步骤d，离子束刻蚀金属层：利用离子束刻蚀，对步骤c得到的表面带有网格化光刻胶图形的镀有钛钨膜或镍铬膜的铁电陶瓷进行处理，把裸露的网格沟槽里的钛钨膜或镍铬膜刻蚀干净；
步骤e，去胶清洗：经步骤d处理得到的铁电陶瓷在丙酮中浸泡1-2小时，并通过超声清洗将光刻胶清洗干净，形成带有网格化金属图案的铁电陶瓷；
步骤f，飞秒激光刻蚀：利用飞秒激光进行网格化；将步骤e得到的带有网格化金属图案的铁电陶瓷表面的网格化金属图案采集到软件里，激光光斑根据软件里的网格化金属图案加工，将没有钛钨膜或镍铬膜覆盖的网格沟槽被飞秒激光刻蚀，得到被飞秒激光刻蚀的铁电陶瓷；飞秒激光的工艺参数为：飞秒激光脉宽小于280fs，激光功率50mW，激光波长258nm，光斑直径5微米；
步骤g，去除金属层：采用离子束刻蚀的方法，将步骤f得到的被飞秒激光刻蚀的铁电陶瓷的钛钨膜或镍铬膜去除，完成铁电陶瓷的网格化，网格化后，得到大规模的大小相等的网格阵列，产生的沟槽宽度、深度及形貌形状均匀一致。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光网格化铁电陶瓷方法，其特征在于，所述铁电陶瓷为钛酸锶钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷或钽钪酸铅陶瓷。
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