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　   正如連續(xù)波 (CW) 和準(zhǔn)連續(xù)波 (quasi-CW) 雷射產(chǎn)生材料世界的重要變革一樣，皮秒雷射也準(zhǔn)備改變微細(xì)加工的世界。皮秒雷射被引進(jìn)使用于微細(xì)加工，就如同30年前的各種毫秒級(jí)與后來的奈秒級(jí)已經(jīng)證實(shí)脈沖雷射提供新的微細(xì)加工的能力。目前，有關(guān)晶圓鉆孔、金屬切割、陶瓷劃線與汽車零件、信用卡與護(hù)照等打標(biāo)所使用的激光脈沖介于毫秒與奈秒時(shí)間區(qū)域。微細(xì)加工應(yīng)用領(lǐng)域方面，雷射較機(jī)械工具有著良好的性能，其原因是由于雷射具有彈性、可靠度、重復(fù)性、易程序化等優(yōu)點(diǎn)，而且對加工物也沒有機(jī)械強(qiáng)制力或污染的缺點(diǎn)。

　　皮秒雷射尚未導(dǎo)入之前，加工機(jī)制是對靶材施以非?？焖倬植考訜?、融化和汽化為原理基礎(chǔ)，例如毛邊 (burrs)、再結(jié)晶 (re-crystallization) 及微裂痕 (mcro-cracks)等，會(huì)無法避免產(chǎn)生熱端效應(yīng) (thermal side effects)，導(dǎo)致產(chǎn)品壽命后期才會(huì)出現(xiàn)的嚴(yán)重后果，如圖1兩者比較。由于皮秒時(shí)間長度可以相當(dāng)于物質(zhì)電子 - 光子松弛時(shí)間，雷射與材料之間的反應(yīng)不僅是熱能交換，而大部份是以原子交換，亦即快速的分子間鍵結(jié)崩離的方式進(jìn)行，再加上簡單的可調(diào)倍頻轉(zhuǎn)換使其輕易的產(chǎn)生紫外光，使得所謂的「冷」加工的理想得以實(shí)現(xiàn)。

圖1. 奈秒與皮秒脈沖的鉆孔結(jié)果比較

　　最近，因超快雷射變得容易獲得了，所以有更多的工業(yè)用途，一般所關(guān)注的是尋求合適能量的皮秒脈沖，它可以很快地實(shí)現(xiàn)如何避免熱方面為主的影響而達(dá)成加工質(zhì)量的新水凖，如圖2、圖3。超短脈沖雷射已成為革命性的微制程工具，在最近數(shù)年提供給生產(chǎn)工程師而成為有值價(jià)的產(chǎn)品。其中，德國公司雷射源制造一直是發(fā)展工業(yè)級(jí)皮秒雷射系統(tǒng)的先鋒，并且從一開始這項(xiàng)技術(shù)就已成為市場領(lǐng)先者。當(dāng)超短激光脈沖微加工時(shí)，材料是沒有任何接觸表面而能去除材料，因此表面沒有產(chǎn)生應(yīng)變；沒有耗損加工工具；沒有透過加工工件而污染工件的危險(xiǎn)。最重要的是，超短脈沖可改善加工與任何熱的影響，如再結(jié)晶、毛邊和微裂痕等，其原因是由于超短的激光脈沖能減緩熱擴(kuò)散之故。

圖 2.  20 μm厚度銀片內(nèi)15 μm 寬的狹縫

圖3.  利用ps-Laser 1064 nm在玻璃內(nèi)250 μm寬的微通道加工，具有超過 50 mm3/min的去除速率。

　　皮秒脈沖對材料是非選擇性的，所以能夠成為通用型的加工工具，這事實(shí)或許是個(gè)重大意義，原因是利用皮秒脈沖進(jìn)行微加工時(shí)并不是依賴吸收過程，而是由形成表面電漿云團(tuán) (plasma cloud) 所構(gòu)成的。皮秒脈沖大電場剝離原子的低質(zhì)量電子，經(jīng)庫倫爆炸 (coulomb explosion) 后正電荷原子脫離?？赡苡腥藭?huì)爭論的是，在皮秒范圍內(nèi)甚致更短的激光脈沖應(yīng)可進(jìn)一步增強(qiáng)微加工質(zhì)量。盡管如此，飛秒雷射 (femtosecond lasers) 明顯地更復(fù)雜又容易失效，以及在價(jià)格方面高出許多卻僅傳遞較低的平均#p#分頁標(biāo)題#e#功率。皮秒脈沖足以觸發(fā)電場產(chǎn)生的過程，并且唯一在復(fù)雜系統(tǒng)中達(dá)成短脈沖。飛秒脈沖的高峯值功率需要更小心的傳遞光束且易產(chǎn)生不想要的非線性效應(yīng)。

　　在皮秒范圍的激光脈沖可以擊發(fā)出良好的光斑：皮秒脈沖能夠被制造成為一個(gè)可靠的、工業(yè)級(jí)的封裝、維持優(yōu)越的光束質(zhì)量及傳遞正確的脈沖能量等級(jí)。利用超過50W的平均功率，可以達(dá)到兆赫 (MHz) 等級(jí)的重復(fù)頻率 (repetition rates)，有利于產(chǎn)業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)量，如圖4。假設(shè)能量密度稍微高于剝除門坎 (ablation threshold)，大約是 1 J/cm2，任何材料會(huì)實(shí)際顯示出約10 ~ 100 nm 的剝除厚度材料層，該剝除門坎僅會(huì)隨著材料種類輕微變化 (0.1-2 J/cm2)；幾乎與波長、脈沖長度和其條件無關(guān)。大部份微細(xì)加工應(yīng)用是專注于表面結(jié)構(gòu)的刻痕，換言之，為了挖出溝槽、輪廓切割、鉆孔、材料層裸露或區(qū)域隔離，將材料進(jìn)行「冷」微細(xì)去除。

圖 4.  去除Si 基SiN 層 70 nm厚度 ； 達(dá)到至1 million spots/sec，直徑 50 μm；

當(dāng)使用機(jī)械鉆孔/銑削和電子放電加工 (EDM) 產(chǎn)生小于50 μm 結(jié)構(gòu)時(shí)，其可靠度與成本經(jīng)常被夸大。一種具有M2 < 1.5高質(zhì)量激光束能夠適當(dāng)?shù)鼐劢? ~ 50 μm光斑尺寸，并可以加工達(dá)到接近尺寸的結(jié)構(gòu)。為了滿足1 J/cm2 剝除門坎準(zhǔn)則，典型的距焦光斑25 μm直徑需要約10 μJ脈沖能量。較高的脈沖能量密度未必做得好、做得快：因剝除產(chǎn)生的電漿云團(tuán)反而獲得較高密度且不再從表面分離。更糟的是，可能因熱改變材料和破壞「冷」質(zhì)量，為了「冷」微細(xì)加工，一個(gè)理想的工業(yè)級(jí)皮秒雷射源應(yīng)該產(chǎn)生10 ~ 50 μJ范圍之脈沖能量及大約1 MHz的重復(fù)頻率 (repetition rate)，如圖5。即使再高的重復(fù)頻率，則因先前脈沖的電漿云團(tuán)產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，反而最終會(huì)減少效率。

圖 5.  利用重復(fù)頻率增加去除速率

　　大多數(shù)皮秒激光脈沖應(yīng)用是利用其微米級(jí)精度的優(yōu)勢加工材料。該分辨率取決于小至2 μm或大至100 μm距焦光斑尺寸。在這個(gè)焦點(diǎn)之內(nèi)，雷射透過冷剝除技術(shù)去除一個(gè) 100 nm的薄碟形材料而沒有在周圍區(qū)域加熱。這個(gè)基本過程可以重復(fù)高達(dá)每秒200萬次而去除高達(dá)60 mm3/min之速率（用50 W的皮秒雷射），而實(shí)際的形狀是取決于透過計(jì)算器控制引導(dǎo)光束在微米精度下達(dá)到10 m/sec。

#p#分頁標(biāo)題#e#

1　ulse                                  5 pulses (20 ns separation)

圖6 . 爆發(fā) (burst) 模式增加去除率及表面質(zhì)量，例如Si材料

　　最近觀察到利用奈米尺度分離 (爆發(fā)模式，burst mode) 數(shù)個(gè)皮秒脈沖可以顯著改進(jìn)剝除率和微加工質(zhì)量，例如圖6加工于Si材料的表面粗糙度比較。爆發(fā) (burst) 在本文的定義是指利用奈秒時(shí)間區(qū)間內(nèi)迅速連續(xù)發(fā)生脈沖。這是關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)樵谝粋€(gè)較長的間隔時(shí)間 (例如奈秒時(shí)間) 將不會(huì)產(chǎn)生增加去除率的同樣效果。利用50 W 皮秒雷射操作爆發(fā)模式的實(shí)驗(yàn)，可以隨著重復(fù)頻率及爆發(fā) (burst) 數(shù)量達(dá)成剝除率提升，如圖7。在材料上產(chǎn)生的低深寬比 (aspect ratio, 深度/直徑) 的應(yīng)用方面，例如玻璃可達(dá)到至20 ~ 60 mm3/min ，不銹鋼 (stainless steel) 10 mm3/min ，以及硅 (Si) 30 mm3/min ；有機(jī)物 (organics) ，生物材料 (bio material) 達(dá)到至 100 mm3/min?？傊?，爆發(fā)模式 (burst mode) 可以實(shí)現(xiàn)更低的表面粗糙度和較高的材料去除率等優(yōu)點(diǎn)。

圖 7. 利用爆發(fā) (burst) 模式增加去除速率

　　雖然雷射制造商在最初幾年投入這樣高價(jià)的多用途雷射之特殊研究計(jì)劃，然而激光技術(shù)的進(jìn)步已使價(jià)格和操作的執(zhí)行成本在最近幾年大幅減少。近四內(nèi)年內(nèi)，每單位光子成已本降低至十分之一，以每個(gè)構(gòu)件對應(yīng)成本為基礎(chǔ)，皮秒雷射成為非常經(jīng)濟(jì)的選擇，已足以與其他加工方式競爭，即使為了比奈秒雷射有較合適的功率與較高光束質(zhì)量而開始投資皮秒雷射而言，皮秒雷射的擁有者其總成本也僅需大約 $0.29/min，而且任何堅(jiān)硬或困難加工材料，例如立方氮化硼 (CBN)或三皇冠鉆石 (TCD)、藍(lán)寶石 (sapphire)、玻璃 (glass) 或陶瓷 (ceramics) 等，都能夠于 20mm3 /min以內(nèi)被剝除，圖 8  為陶瓷鉆孔的案例。

圖8. 利用ps-Laser 1064 nm， 50 W進(jìn)行陶瓷鉆孔；直徑:  100 μm ，厚度：1 mm；1 sec / hole

　　很清楚地，創(chuàng)造高價(jià)值的薄膜、小體積剝除的產(chǎn)品新應(yīng)用以從未有過的成長數(shù)量正在興起中：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) (低k材料)、太陽能產(chǎn)業(yè) (特別是薄膜技術(shù))、平面顯示技術(shù)(TCO, OLEDs)、鉆石微鑄造 (micro molds)、精確狹縫 (precise apertures) 和電極結(jié)構(gòu) (electrode structure)、印刷產(chǎn)業(yè) (printing industry) 或轉(zhuǎn)印 (embossing of rolls) 或醫(yī)學(xué)植入(medical implants) 等大型微結(jié)構(gòu)表面，即使大型船艦也選用微細(xì)加工，微尺度特性提供抗污積垢保護(hù)和減少磨擦。甚者，高壓縮汽缸注入噴嘴 (injection nozzles) 和薄型玻璃材料的切割與鉆孔皆呈現(xiàn)其重要性且大量被應(yīng)用。除此之外，強(qiáng)化玻璃、硅、藍(lán)寶石晶圓和發(fā)光二極管等加工也極為合適。為了供應(yīng)大尺寸的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，皮秒雷射是需要證明它能夠超過一年的平均失效時(shí)間和小于1小時(shí)的維護(hù)時(shí)間。而最新生產(chǎn)的工業(yè)型皮秒雷射已經(jīng)證實(shí)有如此的性能。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　從工業(yè)型皮秒雷射市場經(jīng)分析結(jié)果，認(rèn)為未來3至4年內(nèi)會(huì)有成長10倍的趨勢，而且500W功率等級(jí)很快就可達(dá)成降低成本與增加產(chǎn)能，對任何大尺度的產(chǎn)業(yè)使用而言，可靠度和成本將是皮秒雷射擁有者最關(guān)鍵的指標(biāo)。