作者: 顏孟華

單位: 國立勤益科技大學 機械系 博士后研究員.

摘要:

因玻璃具有良好透光性，所以將UV雷射應用于玻璃加工為目前業界常用方法，雷射誘導背面濕法刻蝕（Laser-induced backside wet etching, LIBWE）技術可克服此透光性缺點，利用LIBWE系統對于可透光之基材(玻璃)蝕刻，其結果可達到近光學平面的蝕刻結果；此外，高深寬比之結構，亦可透過LIBWE加工制作來達成，顯示此技術之高產業應用性。本文除探討LIBWE技術之架構外，亦簡述其工作原理，最后介紹不同LIBWE系統之蝕刻結果，并比較不同LIBWE系統之特色。最后，因LIBWE技術目前已漸趨成熟，但其商用化產品目前不多，因此想藉此文章推廣LIBWE技術，未來希望LIBWE技術有機會可應用于其他雷射應用加工產業。

1. 前言

當利用微電子機械系統（MEMS）技術來制造微米/次微米結構時，需要經過耗時光罩生產、復雜的光微影技術及蝕刻流程等，此復雜的流程阻礙了新原型(prototype)的快速發展．為減少開發時間，利用雷射激光直寫（laser direct-write, LDW）技術是一個好的選擇。 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，被應用于制造微米尺寸結構。另外，LDW已結合化學金屬沉積方法建構出三維立體微結構[4]，此方法為激光直寫式化學氣相沉積（LDW-CVD），此方法類似3D打印機的原理，透過準確的雷射聚焦來使基材的氣態前趨勢物固化形成復雜的3D結構[4]，如下圖1所示。LDW技術除了可以快速制造新的原型，包括3D結構，還可制作不同長寬比的溝槽及表面平滑的微米結構。因此上述研究皆證明LDW對于快速原型開發來說是一個適合的技術平臺。

圖1、利用LDW-CVD方法來建構3D微結構之流程示意圖[4]。

雷射激光照射方法長期以來被應用于各種材料的結構化，利用雷射對于材料的燒蝕，改質或沉積等不同方式，這些不同的雷射引導的物理和化學過程，被應用于產生材料體積和其表面的微觀結構。雷射誘導背面濕法刻蝕（Laser-induced backside wet etching, LIBWE）方法最早于1999年由Wang團隊所發表[5, 6]，是一種已被開發且有前途的LDW技術 [5-7]。LIBWE可在光學透明材料表面形成微結構，其表面粗糙度可接近光面質量。LIBWE的優點包括：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構（可高達60）[9]。3.和傳統的直接激光蝕刻比較，LIBWE有較小的熱影響區域（heat-affected zone, HAZ）[10]。因此，LIBWE可為微電子相關產業創造新型微結構、光纖、集成光學、微光學[8, 11, 12] 和微流體結構[13]…等。當有難以應用標準的蝕刻技術時來達成之特殊結構，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結構時，就可利用LIBWE。

LIBWE技術的發展近年來已趨成熟，許多研究指出LIBWE實驗架構可透不同雷射光源及吸收物質（染劑）來達成[7, 10, 13-16]，目前已有研究發展出利用低成本的綠光雷射及其對應的吸收染料[10, 14-16]。 LIBWE可使用不同的雷射源作為光源，如可見光雷射（波長（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]。根據以前的研究[20]，LIBWE采用液態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，接下來將介紹LIBWE的架構及其工作原理。

2. 實驗架構及其工作原理:

LIBWE系統之基本實驗架構如下圖2所示，其中雷射光源可依不同應用或研究而自行選用（本圖中是以可見光雷射為例），而不同的雷射光源需搭配不同吸收染劑才能達到蝕刻效果，這也是目前LIBWE相關研究中重要研究主題。而LIBWE工作原理簡單敘述如下，雷射光會直接穿過待刻基材到達吸收層，而雷射能量會被吸收染劑所吸收，因此蝕刻的現象會發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，若是使用液態金屬作為吸收染劑時，則可利用稀鹽酸來清洗基材，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系統架構[10]

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

圖3.　LIBWE蝕刻原理。

利用單一脈沖波模式來解釋LIBWE蝕刻過程的機制；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％激光能量的區域; 2為激光脈沖末端高溫超臨界水（SCW）的擴展面積; 3是高液壓的擴大區域。帶箭頭的空白圓圈表示超臨界水高溫蒸發和玻璃蝕刻的過程;黃色的區域表示軟化的玻璃的體積，其通過高液壓沿著邊緣被擠出。[21]

3. 紫外光雷射LIBWE系統(UV-LIBWE)

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

圖4. UV-LIBWE蝕刻玻璃(Borofloat 33)之結果[13]

圖5. UV-LIBWE蝕刻具高深寬比結構之結果[9]

4. 可見光雷射LIBWE系統(visible-LIBWE)

利用可見光雷射作為光源是經濟便宜的方法來建構LIBWE系統，其波長為527 nm和532nm…等多種選擇，其相對應的吸收染劑為Rose Bengal, Amaranth及Gallium…等多種不同吸收染劑，其蝕刻結果如下圖6所示。因此我們可發現，若是以可見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建構成本，亦可增加實驗操作的安全性。

圖6.　Visible-LIBWE系統搭配金屬吸收劑Gallium之蝕刻結果.可發現其表面非常平滑。[10]

接下來我們大約可以比較兩種不同蝕刻方法之結果，如下表1所示，從表中可發現Visible-LIBWE的蝕刻表面粗糙度比UV-LIBWE結果略差，但其閥值卻比較小，主要可能原因為金屬吸收染劑吸收雷射能量后，直接傳到玻璃，進而軟化玻璃達到蝕刻效果。另外，可發現深寬比方面，利用金屬吸收染劑可達到最佳深寬比遠小于有機染劑，這是應用金屬吸收染劑的限制。

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

5. 結論

目前業界的玻璃加工為主要利用大功率的UV雷射來進行，主要因玻璃具有良好透光性，而LIBWE技術剛好可克服之缺點，利用LIBWE系統對于可透光之基材(玻璃)蝕刻，可達到近光學平面的蝕刻結果，且其可達到高深寬比之結構，大大增加LIBWE在不同產業的應用性。此外，若是以可見光雷射作為主要光源，因其搭配吸收染劑為一般染料，可大幅增加實作操作之安全性。因LIBWE技術目前已漸趨成熟，目前已有產業商品出現，例如：Laser Marking Machine with LIBWE method（Y-E DATA Inc.）[22]. 相信LIBWE未來很有機會可應用于其他雷射應用加工業。

作者聯系：Mail:emh1989@gmail.com 

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22. https://www.yedata.com/laser/libwe.html