如今，超快激光器（飛秒和皮秒脈寬）是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一個重要組成部分。憑借其高質(zhì)量的非熱材料加工能力，再加上在激光技術(shù)、工藝開發(fā)、光束控制和傳輸?shù)确矫娴倪M(jìn)步，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了超快激光器在工業(yè)市場上的應(yīng)用范圍。不過，為了維持投入和產(chǎn)出的平衡，必須同時(shí)滿足以下條件：首先必需證明其在工業(yè)加工過程中的技術(shù)可行性，由于超快激光和物質(zhì)之間的相互作用具有獨(dú)特性，因而需要對這一過程有一個精細(xì)的科學(xué)的理解；其次，工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)率必須確保能給終端用戶帶來與其投資相匹配的收益，這勢必推動在光束控制和傳輸方面的進(jìn)步，以充分利用潛在的加工速度。
消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域顯然提供了最多的證據(jù)。手機(jī)、微處理器、顯示器、內(nèi)存芯片都是極其復(fù)雜的組件，由大量的不同材料、尺寸很小、厚度極小的多層材料組成。因而需要先進(jìn)的、高精密度的加工能力，以及在經(jīng)濟(jì)上可行的大批量生產(chǎn)的能力。下面舉例說明為什么我們需要同步發(fā)展加工、激光技術(shù)以及新的光束傳輸技術(shù)，來滿足目前以及未來可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。
制造手機(jī)、平板電腦或電視用的平板顯示器是如今最復(fù)雜的技術(shù)之一，困難程度類似或更甚于二十世紀(jì)六十年代的阿波羅計(jì)劃。不同的生產(chǎn)步驟涉及了大量不同的材料，它們具有微米級的橫向分辨率和數(shù)十納米的厚度。由于整個過程都很有難度，將工業(yè)生產(chǎn)率（能通過嚴(yán)格的質(zhì)量檢測的產(chǎn)品比例）視為一項(xiàng)機(jī)密和挑戰(zhàn)也就不足為奇了。一個關(guān)鍵的限制是壞點(diǎn)在面板上的存在，這將阻礙屏幕的商業(yè)化。在過去幾年中開發(fā)了幾種不同的修復(fù)工藝，通常都涉及多波長納秒激光器。例如，通過激光碳化或者切割控制像素的薄膜晶體管的電極，來修復(fù)一個亮的像素（圖1）。
一些工業(yè)加工過程已經(jīng)開始利用高精度的超快激光加工。這包括選擇性燒蝕（通?？梢詫?shí)現(xiàn)精確到30nm/脈沖的燒蝕率），以及高精度薄膜晶體管電極切割，切割寬度小于2μm。這些加工過程需要開發(fā)先進(jìn)靈活的光束整形技術(shù)，以獲得平頂光束并確保其均勻傳輸，并能塑形成樣品的形狀，尺寸低至2×2μm。
在另外一個例子中，半導(dǎo)體電路變得越來越復(fù)雜，它們要求在更小的尺寸上集成更多的功能。因此，現(xiàn)在的晶片是由許多層的多種材料組成，例如適用于快速運(yùn)行的低介電常數(shù)材料。半導(dǎo)體制造業(yè)中的一個重要的過程就是晶圓的劃切和分離，即將一個晶圓切割成單獨(dú)的晶片（如圖2）。傳統(tǒng)上來說是用金剛石鋸的加工方法，但是目前的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了極限。由于低介電常數(shù)材料的脆性、較低的厚度和較多的層數(shù)，發(fā)生裂紋和分層剝離等負(fù)面影響的幾率不斷升高。
超快激光是先進(jìn)的微加工過程的一個重要組成部分，它們在質(zhì)量控制和測量方面起著重要作用。RudolphTechnologies公司最近為半導(dǎo)體行業(yè)推出了一款測量不透明薄膜厚度的新型工具。該系統(tǒng)基于聲波測量，使用了一種非常短的激光產(chǎn)生的超短脈沖。這種超聲脈沖在各層表面反射的時(shí)間是通過高精度的泵浦-探測技術(shù)來測量的。
在另外一個例子中，法國CAMECA公司可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體和金屬樣品的原子級分辨率的3D成像和分析表征。這個驚人的測量過程是基于原子探針層析技術(shù)，即使用超快激光器來照射樣品的納米半徑尖端（如圖3所示）。如果能精細(xì)地控制激光的功率，那么就不會出現(xiàn)激光燒蝕，而是發(fā)生適度的原子蒸發(fā)，然后每個原子被送到位置傳感探測器，從而確定該原子來自哪一個位置。同時(shí)，利用飛行時(shí)間質(zhì)譜儀來測量原子的質(zhì)量，從而確定該尖端的組成成分。然后，逐層進(jìn)行三維重建。該方法在半導(dǎo)體行業(yè)用于監(jiān)控半導(dǎo)體材料的成分和雜質(zhì)，以及在冶金材料中用于精細(xì)控制冶金合金的質(zhì)量。
ESI公司推出了一個結(jié)合振鏡和聲光技術(shù)的混合加工系統(tǒng)。當(dāng)在一個較高的加工速度下操作時(shí)，掃描振鏡的慣性意味著執(zhí)行的滯后，例如一個急轉(zhuǎn)彎，所以加工出來的結(jié)構(gòu)不會和設(shè)計(jì)的形狀相同。然而，聲光調(diào)制器表現(xiàn)出極靈敏的反應(yīng)性，不過是在非常小的范圍。將振鏡運(yùn)動和聲光偏轉(zhuǎn)結(jié)合起來，能夠精確同步，從而克服這一局限性。這種技術(shù)在互聯(lián)數(shù)字電路的圖形制造中尤其有用，這是因?yàn)樗鼈冏兊迷絹碓郊桑蚨枰黾硬季€密度。
日本DISCO公司的研究員用相同激光器同時(shí)進(jìn)行微加工和過程控制，從而將兩者結(jié)合起來。
在該案例中，用超快激光器在一個雙層基板上進(jìn)行激光盲孔鉆孔，上層是80μm厚的透明材料，下層是20μm厚的金屬薄膜。為了精確地控制激光脈沖的數(shù)量，以使得燒蝕的范圍僅限于透明基板，需要利用光譜分析儀來監(jiān)測等離子體發(fā)射，即利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)。
因?yàn)楦鶕?jù)燒蝕的原子種類，等離子體發(fā)射具有獨(dú)特的發(fā)射光譜，因而可以及時(shí)并精確地監(jiān)測到透明層何時(shí)完全燒蝕。另外一種方法是，多邊形掃描儀可以實(shí)現(xiàn)超過100m/s的掃描速度。這種單一的多面鏡能進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，完全能取代只能在x和y軸方向反射光束的低慣性振鏡。如果脈沖激光與多面鏡的旋轉(zhuǎn)能精確同步，那么每個面上只有一個點(diǎn)可能會影響到樣品的加工。在這種情況下，這種微加工過程更類似一種數(shù)字化過程，也就是說，需要控制激光器的開啟和關(guān)閉來生產(chǎn)需要的圖形。為了獲得理想的結(jié)果，需要在激光器與掃描儀之間實(shí)現(xiàn)非常精確的同步，并且多面鏡的制作精度要非常高，加工過程也需要精心設(shè)計(jì)。瑞士Bern University ofApplied Sciences大學(xué)的Beat Neuenschwander教授與AmplitudeSystèmes和比利時(shí)的NextScan公司合作，利用500 kHz的超快激光器實(shí)現(xiàn)了微米級定位精度的高速表面微造型。
更多的關(guān)于光束傳輸?shù)膭?chuàng)新仍在孕育之中。光纖傳輸系統(tǒng)讓激光加工行業(yè)煥然一新，而工業(yè)級超快激光器直到最近還仍然不能受益于此。由于小的光纖纖芯的光束限制，再加上超快脈沖具有非常高的峰值強(qiáng)度，因而會產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，并最終導(dǎo)致光纖降解。為了擺脫這種限制，人們開發(fā)出空心的微結(jié)構(gòu)光纖，不過纖芯直徑限制在幾個微米，這對于實(shí)際應(yīng)用來說太小了?？招拇竽雒娣eKagome微結(jié)構(gòu)光纖的開發(fā)為高能量高功率飛秒激光光束的光纖傳輸鋪平了道路。這種特別的圓內(nèi)旋輪線形狀的空心光纖纖芯限制了激光模式，防止它與光纖微結(jié)構(gòu)相互作用，并將低的非線性、大模場面積和靈活的分散控制結(jié)合起來。通過與法國Glo Photonics公司合作，Amplitude Systèmes公司已經(jīng)可以將毫焦耳量級的脈沖傳輸幾米遠(yuǎn)的距離，同時(shí)還能保證脈沖持續(xù)時(shí)間低于500fs。在另一個與Photonics Tools公司合作進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)可以傳輸平均功率為100W的脈沖激光，并且可以實(shí)現(xiàn)低于100fs的脈沖壓縮。其他團(tuán)隊(duì)和激光制造商也迅速利用Kagome光纖開發(fā)出靈活的傳輸系統(tǒng)（如圖4），我們可以期待超快激光加工技術(shù)在今后幾年迎來更深入的變革。
隨著對短脈沖激光與物質(zhì)相互作用的原理的進(jìn)一步深入，以及在光束控制和傳輸系統(tǒng)方面的技術(shù)發(fā)展，超快激光器已經(jīng)走入我們的日常生活。通過深入最先進(jìn)的工業(yè)加工過程，它改變著我們看待事物、交流溝通和工作的方式，它將是未來成功制造更復(fù)雜的消費(fèi)電子設(shè)備的關(guān)鍵所在。
消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域顯然提供了最多的證據(jù)。手機(jī)、微處理器、顯示器、內(nèi)存芯片都是極其復(fù)雜的組件，由大量的不同材料、尺寸很小、厚度極小的多層材料組成。因而需要先進(jìn)的、高精密度的加工能力，以及在經(jīng)濟(jì)上可行的大批量生產(chǎn)的能力。下面舉例說明為什么我們需要同步發(fā)展加工、激光技術(shù)以及新的光束傳輸技術(shù)，來滿足目前以及未來可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。
制造手機(jī)、平板電腦或電視用的平板顯示器是如今最復(fù)雜的技術(shù)之一，困難程度類似或更甚于二十世紀(jì)六十年代的阿波羅計(jì)劃。不同的生產(chǎn)步驟涉及了大量不同的材料，它們具有微米級的橫向分辨率和數(shù)十納米的厚度。由于整個過程都很有難度，將工業(yè)生產(chǎn)率（能通過嚴(yán)格的質(zhì)量檢測的產(chǎn)品比例）視為一項(xiàng)機(jī)密和挑戰(zhàn)也就不足為奇了。一個關(guān)鍵的限制是壞點(diǎn)在面板上的存在，這將阻礙屏幕的商業(yè)化。在過去幾年中開發(fā)了幾種不同的修復(fù)工藝，通常都涉及多波長納秒激光器。例如，通過激光碳化或者切割控制像素的薄膜晶體管的電極，來修復(fù)一個亮的像素（圖1）。
圖1：薄膜晶體管電極切割，切割寬度為1.9μm。（圖片由韓國金屬和機(jī)械研究所提供）
當(dāng)前的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到極限。因?yàn)樵诟咔迤聊坏姆直媛史矫娴倪M(jìn)步，像素的尺寸變得越來越小，與之相關(guān)的納秒激光器加工的熱效應(yīng)限制了修復(fù)的質(zhì)量。此外，包括有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）和有源矩陣發(fā)光二極管（AMOLED）在內(nèi)的新的顯示技術(shù)廣泛使用了有機(jī)和高分子材料，這些材料對加熱高度敏感，因而與熱處理格格不入。由于脈沖持續(xù)時(shí)間非常短，所以超快激光實(shí)際上很適合非熱微加工，也不會產(chǎn)生熱。它們在先進(jìn)的屏幕修復(fù)加工領(lǐng)域的應(yīng)用日益擴(kuò)大，從而推動了新一代緊湊的高速多波長超快激光器的發(fā)展。
一些工業(yè)加工過程已經(jīng)開始利用高精度的超快激光加工。這包括選擇性燒蝕（通?？梢詫?shí)現(xiàn)精確到30nm/脈沖的燒蝕率），以及高精度薄膜晶體管電極切割，切割寬度小于2μm。這些加工過程需要開發(fā)先進(jìn)靈活的光束整形技術(shù)，以獲得平頂光束并確保其均勻傳輸，并能塑形成樣品的形狀，尺寸低至2×2μm。
在另外一個例子中，半導(dǎo)體電路變得越來越復(fù)雜，它們要求在更小的尺寸上集成更多的功能。因此，現(xiàn)在的晶片是由許多層的多種材料組成，例如適用于快速運(yùn)行的低介電常數(shù)材料。半導(dǎo)體制造業(yè)中的一個重要的過程就是晶圓的劃切和分離，即將一個晶圓切割成單獨(dú)的晶片（如圖2）。傳統(tǒng)上來說是用金剛石鋸的加工方法，但是目前的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了極限。由于低介電常數(shù)材料的脆性、較低的厚度和較多的層數(shù)，發(fā)生裂紋和分層剝離等負(fù)面影響的幾率不斷升高。
圖2：半導(dǎo)體晶圓切割和劃片。（本圖片由Amplitude Systemes提供）
盡管紫外納秒激光加工的使用獲得推動，但是納秒激光加工帶來的熱效應(yīng)仍然大大限制了加工結(jié)果的質(zhì)量。另一方面，超快激光展示出在加工硅和高質(zhì)量多層材料方面的能力。直到最近，超快激光在平均功率方面的限制仍然是一個主要的問題，這嚴(yán)重限制了總的生產(chǎn)效率。如今具備高可靠性的工業(yè)級飛秒激光器的功率在50-100W之間，這使其生產(chǎn)能力可以與工業(yè)要求相匹配。
超快激光是先進(jìn)的微加工過程的一個重要組成部分，它們在質(zhì)量控制和測量方面起著重要作用。RudolphTechnologies公司最近為半導(dǎo)體行業(yè)推出了一款測量不透明薄膜厚度的新型工具。該系統(tǒng)基于聲波測量，使用了一種非常短的激光產(chǎn)生的超短脈沖。這種超聲脈沖在各層表面反射的時(shí)間是通過高精度的泵浦-探測技術(shù)來測量的。
在另外一個例子中，法國CAMECA公司可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體和金屬樣品的原子級分辨率的3D成像和分析表征。這個驚人的測量過程是基于原子探針層析技術(shù)，即使用超快激光器來照射樣品的納米半徑尖端（如圖3所示）。如果能精細(xì)地控制激光的功率，那么就不會出現(xiàn)激光燒蝕，而是發(fā)生適度的原子蒸發(fā)，然后每個原子被送到位置傳感探測器，從而確定該原子來自哪一個位置。同時(shí)，利用飛行時(shí)間質(zhì)譜儀來測量原子的質(zhì)量，從而確定該尖端的組成成分。然后，逐層進(jìn)行三維重建。該方法在半導(dǎo)體行業(yè)用于監(jiān)控半導(dǎo)體材料的成分和雜質(zhì)，以及在冶金材料中用于精細(xì)控制冶金合金的質(zhì)量。
圖3：原子探針層析的原理。（本圖由CAMECA提供）
高功率、高可靠性激光系統(tǒng)的出現(xiàn)使得激光加工以及質(zhì)量控制大幅提升。更具體地說，平均功率在50到200W的超快激光器能夠提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力，從而擴(kuò)大其在新領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，如此高功率激光的光束控制和傳輸卻并不容易。要想保本盈利，則需要加工速度達(dá)到100m/s，同時(shí)保持微米級的定位精度。當(dāng)前一代的振鏡掃描器已經(jīng)達(dá)到了極限，亟待新方法的產(chǎn)生。
ESI公司推出了一個結(jié)合振鏡和聲光技術(shù)的混合加工系統(tǒng)。當(dāng)在一個較高的加工速度下操作時(shí)，掃描振鏡的慣性意味著執(zhí)行的滯后，例如一個急轉(zhuǎn)彎，所以加工出來的結(jié)構(gòu)不會和設(shè)計(jì)的形狀相同。然而，聲光調(diào)制器表現(xiàn)出極靈敏的反應(yīng)性，不過是在非常小的范圍。將振鏡運(yùn)動和聲光偏轉(zhuǎn)結(jié)合起來，能夠精確同步，從而克服這一局限性。這種技術(shù)在互聯(lián)數(shù)字電路的圖形制造中尤其有用，這是因?yàn)樗鼈冏兊迷絹碓郊桑蚨枰黾硬季€密度。
日本DISCO公司的研究員用相同激光器同時(shí)進(jìn)行微加工和過程控制，從而將兩者結(jié)合起來。
在該案例中，用超快激光器在一個雙層基板上進(jìn)行激光盲孔鉆孔，上層是80μm厚的透明材料，下層是20μm厚的金屬薄膜。為了精確地控制激光脈沖的數(shù)量，以使得燒蝕的范圍僅限于透明基板，需要利用光譜分析儀來監(jiān)測等離子體發(fā)射，即利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)。
圖4：Kagome光纖的纖芯形狀。（圖片由CNRS/Glo Photonics提供)
因?yàn)楦鶕?jù)燒蝕的原子種類，等離子體發(fā)射具有獨(dú)特的發(fā)射光譜，因而可以及時(shí)并精確地監(jiān)測到透明層何時(shí)完全燒蝕。另外一種方法是，多邊形掃描儀可以實(shí)現(xiàn)超過100m/s的掃描速度。這種單一的多面鏡能進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，完全能取代只能在x和y軸方向反射光束的低慣性振鏡。如果脈沖激光與多面鏡的旋轉(zhuǎn)能精確同步，那么每個面上只有一個點(diǎn)可能會影響到樣品的加工。在這種情況下，這種微加工過程更類似一種數(shù)字化過程，也就是說，需要控制激光器的開啟和關(guān)閉來生產(chǎn)需要的圖形。為了獲得理想的結(jié)果，需要在激光器與掃描儀之間實(shí)現(xiàn)非常精確的同步，并且多面鏡的制作精度要非常高，加工過程也需要精心設(shè)計(jì)。瑞士Bern University ofApplied Sciences大學(xué)的Beat Neuenschwander教授與AmplitudeSystèmes和比利時(shí)的NextScan公司合作，利用500 kHz的超快激光器實(shí)現(xiàn)了微米級定位精度的高速表面微造型。
更多的關(guān)于光束傳輸?shù)膭?chuàng)新仍在孕育之中。光纖傳輸系統(tǒng)讓激光加工行業(yè)煥然一新，而工業(yè)級超快激光器直到最近還仍然不能受益于此。由于小的光纖纖芯的光束限制，再加上超快脈沖具有非常高的峰值強(qiáng)度，因而會產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，并最終導(dǎo)致光纖降解。為了擺脫這種限制，人們開發(fā)出空心的微結(jié)構(gòu)光纖，不過纖芯直徑限制在幾個微米，這對于實(shí)際應(yīng)用來說太小了?？招拇竽雒娣eKagome微結(jié)構(gòu)光纖的開發(fā)為高能量高功率飛秒激光光束的光纖傳輸鋪平了道路。這種特別的圓內(nèi)旋輪線形狀的空心光纖纖芯限制了激光模式，防止它與光纖微結(jié)構(gòu)相互作用，并將低的非線性、大模場面積和靈活的分散控制結(jié)合起來。通過與法國Glo Photonics公司合作，Amplitude Systèmes公司已經(jīng)可以將毫焦耳量級的脈沖傳輸幾米遠(yuǎn)的距離，同時(shí)還能保證脈沖持續(xù)時(shí)間低于500fs。在另一個與Photonics Tools公司合作進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)可以傳輸平均功率為100W的脈沖激光，并且可以實(shí)現(xiàn)低于100fs的脈沖壓縮。其他團(tuán)隊(duì)和激光制造商也迅速利用Kagome光纖開發(fā)出靈活的傳輸系統(tǒng)（如圖4），我們可以期待超快激光加工技術(shù)在今后幾年迎來更深入的變革。
隨著對短脈沖激光與物質(zhì)相互作用的原理的進(jìn)一步深入，以及在光束控制和傳輸系統(tǒng)方面的技術(shù)發(fā)展，超快激光器已經(jīng)走入我們的日常生活。通過深入最先進(jìn)的工業(yè)加工過程，它改變著我們看待事物、交流溝通和工作的方式，它將是未來成功制造更復(fù)雜的消費(fèi)電子設(shè)備的關(guān)鍵所在。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
