激光器是許多微加工用途的有效工具，激光聚焦光束可以很容易地會聚到一個直徑幾微米的目標上（或者通過一只高分辨力物鏡將激光曝光的掩膜圖形“翻版”到工件上）。在目標區(qū)域內(nèi)激光材料的相互作用將由多個參數(shù)加以控制，諸如波長、脈沖能量和脈沖寬度等，這些參數(shù)決定脈沖的峰值能量密度。一定的參數(shù)組合可以引起打標、切割、穿孔、退火、淬硬等操作所需要的熱效應。 受激準分子激光器發(fā)出的納秒（ns）脈沖高能UV光子（主要按掩膜圖形分布），可以在材料表面引發(fā)“無熱效應”，用來腐蝕聚碳酸酯薄層或打標。 而且，無熱反應，即冷消融，在采用超短脈沖激光器進行的微加工試驗中得到了論證，冷消融基本上可以切割任何一種材料。飛秒（fm）激光器能達到數(shù)百tW/cm2（太瓦/ cm2）的能量密度，因此可以加工金屬、半導體以及玻璃或有機材料等絕緣體。 最近，試驗證明皮秒（ps）激光器可以對金屬和其它工業(yè)材料進行微加工，并達到相同的精度和類似的單位脈沖切除率。皮秒脈沖寬度之短，足以避免能量發(fā)生熱擴散并達到這些消融臨界過程所需要的峰值能量密度。試驗和理論分析說明，10 ps左右的激光脈沖寬度適合于許多加工用途[1]，有助于避免在靶標前面的空氣中發(fā)生的等離子效應和由此引起的光束變形和散射。 皮秒激光器穩(wěn)定可靠，而且比飛秒激光器便宜。最重要的是，皮秒激光器提供較高的平均功率(10 W)和良好的光束質(zhì)量（M2 < 1.5），且頻率高達100kHz，從而減少單件成本，并使這種微加工技術(shù)具備工業(yè)應用的資格。如果一個增強的皮秒激光系統(tǒng)完全調(diào)整到合適的狀態(tài)，就能通過每個脈沖去除聚焦范圍內(nèi)幾納米~幾十納米厚的材料，為工業(yè)過程提供極好的通過軟件驅(qū)動的3D控制能力。這使材料切除率達到1 mm3 /min左右（鋼），激光加工總成本約25美分/min。 這樣的激光器有望成為高質(zhì)量的新型加工工具，用于計算機控制的加工系統(tǒng)中，對任何一種材料（金屬、半導體以及玻璃、鉆石、陶瓷和聚合物等絕緣體）進行穿孔、切割或表面蝕刻。 例如，2003年Lumera Laser展示了這種類型的首臺激光器Staccato，該設(shè)備以1064 nm脈沖寬度提供 10 W TEM00激光輸出，在100kHz頻率下提供脈沖寬度12 ps、脈沖能量100 μJ的激光輸出，足以使任何材料在直徑150 um左右的靶標區(qū)域內(nèi)達到消融臨界點。 在很多情況下（甚至在金屬上），短脈寬和短波長相結(jié)合，可以顯示最好的微加工效果，本文將對一些試驗范例進行討論。 不銹鋼鉆孔 皮秒激光系統(tǒng)有望用于金屬精密穿孔，金屬表面的邊緣質(zhì)量、內(nèi)孔壁的質(zhì)量和微米級的重復精度，都勝于納秒（ns）激光器。改進鉆孔質(zhì)量的第一步是螺線鉆孔（環(huán)鉆），在這個方式下，激光束沿螺旋形軌跡穿透工件，使孔的出口呈現(xiàn)清晰的圓形邊緣（見圖1）。 圖1：在100μm厚不銹鋼上螺線鉆孔的出口端：孔徑100μm，平均功率1W。為了使整個孔達到良好的質(zhì)量，在鉆孔過程中必須對激光器的輻射偏振進行適應性調(diào)整。孔壁表面形成波紋和形狀不規(guī)則的孔，在很大程度上取決于激光偏振對孔壁表面的影響有關(guān)。在螺線鉆孔過程中，只要利用特殊的環(huán)鉆光路進行偏振控制，使極化方向總是垂直于孔壁，就能獲得無波紋的孔。 皮秒激光系統(tǒng)的光束質(zhì)量非常好（M2 < 1.5），皮秒超短激光輻射可以在有效工作距離內(nèi)聚焦成一個10 μm或更小的光點。 一種應用是在厚50μm的鋼箔上鉆數(shù)個直徑50 μm孔，顯示了邊緣質(zhì)量良好、無毛刺、融化層最小的孔。采用平均能量2 W的Staccato激光系統(tǒng)，每分鐘可以鉆180個孔。另一種應用是在厚25 μm鋼箔上鉆數(shù)個30 μm孔，只要對加工參數(shù)進行優(yōu)化，在激光輻射的進口端也能保持良好的孔口質(zhì)量（見圖2）。 圖2：直徑30μm孔入口端，采用圓偏振激光鉆切，圓度 好，重復精度高，毛刺最小，且孔壁質(zhì)量不錯。硅片鉆孔 為了確定高能皮秒脈沖在這一方面的潛力，并且與納秒和飛秒脈沖輕易可以實現(xiàn)的表面和邊緣質(zhì)量進行對比，我們在50 μm厚硅片上進行環(huán)鉆（見圖3）。 圖3：采用不同的脈沖寬度環(huán)鉆硅片（圖片由LZH提供）。圖3中的試樣說明脈寬對孔口邊緣質(zhì)量和孔壁圓度的典型影響（每種情況的過程參數(shù)和可達到的結(jié)果均未經(jīng)過優(yōu)化）。在這個試驗條件下，25 ns脈寬鉆孔的平均毛刺高度(15~20 μm)比12 ps脈寬鉆孔的平均毛刺高度（3~4 μm）大5~6倍。 脈寬為150 fs時，幾乎看不到毛刺。在孔壁表面，質(zhì)量與脈寬顯示出了類似的依存關(guān)系：采用25 ns脈沖，形成特別粗糙的表面。采用皮秒和飛秒脈沖時，沿孔壁有細小的溝槽，其原因在于這些試驗條件采用了線性偏振（納秒脈沖也存在這種影響，但是觀察不出來，因為融化對表面產(chǎn)生的影響更大）。利用特殊的環(huán)鉆光路或采用圓偏振，可以顯著改進孔壁質(zhì)量（如下面一個范例所示）。 高頻技術(shù)要求電子元件穿過硅片上的通孔，而蝕刻工藝幾乎不能產(chǎn)生這樣的孔。通過采用一臺平均能量為5 W 的Staccato激光系統(tǒng)，在300μm厚硅片上鉆出了直徑2mm的通孔，而且鉆一個2mm孔只需幾秒鐘。圖4顯示，孔口邊緣和孔壁質(zhì)量良好（該樣本是采用圓偏振激光加工的）。 圖4：在300μm厚的硅片上切孔陶瓷和玻璃鉆孔 如果將皮秒或飛秒數(shù)量級的超短激光脈沖聚焦于材料表面，能量密度肯定可以達到幾百太瓦/cm2（1太瓦=1萬億瓦特）。在不存在自由電子的材料中，超短激光脈沖的能量由于多光子和電子沖擊吸收或帶間躍遷而累積。因此，超短脈沖激光器可以處理常規(guī)激光器難以加工的硬質(zhì)材料或透明材料。 當陶瓷鉆孔必須達到嚴格的公差、很小的孔徑或復雜的孔眼分布時，可選擇激光加工。圖5是用 Staccato激光系統(tǒng)在200μm厚陶瓷試樣上切出的直徑1mm孔，平均能量10W，加工時間約8秒鐘。由于無熱燒蝕過程，因此在激光加工的孔周圍沒有任何熱裂紋、毛刺和碎屑。 圖5：在300μm厚硅片上鉆孔。（左） 圖6：在140μm厚玻璃蓋片上鉆1 mm孔。（右） 利用IR皮秒激光器的三次諧波輻射對硼硅酸玻璃進行了加工，在355 nm脈沖寬度和2 W平均功率下，每分鐘加工20個孔。圖6顯示孔口邊緣質(zhì)量良好，具有最小的影響區(qū)，而且毫無裂紋或碎屑。 切割不銹鋼 在電子工業(yè)，飛秒激光系統(tǒng)目前用于掩膜生產(chǎn)過程，切割100 μm厚不銹鋼薄片。采用0.37 W平均功率和1 kHz頻率的飛秒激光系統(tǒng)時，切割一塊20×20 mm2掩膜差不多需要1小時的加工時間。采用Staccato皮秒激光系統(tǒng)和50 kHz頻率、0.85 W平均功率加工同樣的圖形時，加工時間減少到原來的1/6（見圖7）。 圖7：切割100μm厚不銹鋼薄片切割硅片 切割硅片的通用技術(shù)是采用金剛石鑲鍍的砂輪切斷機。為了適合未來的要求，例如減小切口、切割超薄晶片并達到同樣高的切口質(zhì)量，激光輻射的應用正在開發(fā)之中[3、4]。在這一點上，集成電路之間的切痕必須盡可能地減小，以優(yōu)化晶圓芯片封裝。此外，高質(zhì)量的切口對于避免后續(xù)處理是必須的。采用飛秒和皮秒激光脈沖（圖8）最大限度地避免了在切口附近形成裂紋，而且完全不需要清理以及其它后續(xù)加工工序。 圖8：用fs和ps脈沖切割硅片（圖片由LZH提供）表層結(jié)構(gòu)處理：改良金屬翼面 利用激光輻射，幾乎可以加工每一種微米范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)并達到很高的重復精度。應用流體學主要研究如何減小渦輪機葉片或機翼上流阻，因此，被稱為“縫翼”的活動肋狀結(jié)構(gòu)在流控系統(tǒng)表面的應用目前正在研究當中。如圖9所示，這些結(jié)構(gòu)可以減小翼面和周圍氣流之間的紊流干擾。 圖 9：潛在應用：金屬表面肋形結(jié)構(gòu)可減小摩擦（圖片由LZH提供）。這些示范性肋形構(gòu)件試樣是采用脈寬約12 ps的Staccato激光器實現(xiàn)的，為了避免熱損傷，如金屬表面的受輻照區(qū)域達到融化相，必須采用這樣短的脈沖寬度。而且，在加工和非加工材料之間形成毛刺的可能性最小[5、 6]。在規(guī)定的行掃描速度下對該表面進行了掃描，下排照片采用1 mm/s，上排采用100 mm/s。 加工金屬碳化物 碳化物（硬質(zhì)合金）機械硬度大(>1300 kp/mm2) ，抗磨損性高，幾乎適合于每一種鋼、合金和鑄鐵。這類刀片的耐用性和被加工零件的質(zhì)量取決于刀刃的形狀和表面。刀刃倒圓半徑由兩個基本成分組成：倒角半徑和幾何參數(shù)。改變激光器的輸出功率或進給速率可以達到不同的倒圓半徑，而刀刃的幾何參數(shù)必須按照不同的排屑方式而加以調(diào)整。因此，切削力或被加工零件的表面質(zhì)量可能受到影響。另外，在排屑過程中刀刃的幾何特征必須適應加工材料的硬度[6]。 圖10a的圓角是在焦點直徑30 μm和低脈沖能量的組合條件下加工的，非常低的燒蝕速率對刀刃產(chǎn)生一種平滑作用。加工出的半徑在2 μm~10 μm之間，具體尺寸與刀刃原始表面的粗糙度有關(guān)。圖10c是一個表面質(zhì)量相同但半徑較大的圓角（約45 μm），在這種情況下，由于焦點比較大，必須采用較高的脈沖能量。這項工作屬于德國聯(lián)邦教育與研究部 (BMBF) 出資建立的“GEOSPAN”（刀具表面微觀結(jié)構(gòu)的生成和測量）工程(www.geospan.de)。 圖10：采用不同加工參數(shù)的倒圓角（圖片由LZH提供）上述用途顯示，采用高頻皮秒脈沖進行微加工可提供高質(zhì)量和高效率。12 ps以內(nèi)的脈沖寬度有助于最大限度地減少熱損傷和毛刺，避免產(chǎn)生令人煩擾的非線性結(jié)果，而且加工后的刀刃質(zhì)量和表面光潔度幾乎與飛秒加工相同。短脈沖與100 kHz高頻率相結(jié)合，使激光器能夠進行有效而無后續(xù)處理的燒蝕過程。而且，皮秒激光器有望用來直接剝離金屬覆層 — 消除ITO（Indium Tin Oxide）薄層，或?qū)ㄜ嚢l(fā)動機的活塞襯套進行激光珩磨。 除了在電子和微加工應用中可控地切除材料以外，介入蝕變（折射率改變、色心形成或?qū)Ｓ锰砑觿└男裕瑢τ谠谕该鞑牧蟽?nèi)生成識別標志或功能性結(jié)構(gòu)來說是一個有前途的方法。 本文作者：Thomas Herrmann 領(lǐng)導該應用實驗室，Bernhard Klimt負責Lumera 激光器的市場銷售。 Frank Siegel是Laser Zentrum Hannover eV的項目經(jīng)理。 參考文獻 ◆ 1.Dausinger F., H. Hügel, and V. Konov. Micro-machining with Ultrashort Laser Pulses: From Basic Understanding to Technical Applications, in proceedings of Conference ALT 02, 5-20 September 2002, Adelboden (Switzerland). ◆ 2.Dausinger F. Femtosecond Technology for Precision Manufacturing: Fundamental and Technical Aspects, in RIKEN Review No. 50 (January 2003). Focused on Laser Precision Micro Fabrication (LPM 2002), p. 77-82. ◆ 3.Ostendorf A., C. Kulik, T. Bauer, and N. Barsch. Ablation of Metals and Semiconductors with Ultrashort-Pulsed Lasers, Improving Surface Qualities of Micro Cuts and Grooves, in proceedings of SPIE Vol. 5340, 2004, p. 153-163. ◆ 4.T nshoff H. K., A. Ostendorf, K. K rber, and N. Barsch. Ablation and Cutting of Planar Silicon Devices Using Femtosecond Laser Pulses, in Applied Physics A 77 (2003), p. 237-242. ◆ 5.T nshoff H. K., F. von Alvensleben, A. Ostendorf, G. Kamlage, et al. Micromachining of Metals Using Ultrashort Laser Pulses, in International Journal of Electrical Machining, No. 4, January 1999. ◆ 6.T nshoff H. K., A. Ostendorf, C. Kulik, and F. Siegel. Finishing of Cutting Tools Using Selective Material Ablation, in proceedings of 1st International CIRP Seminar on Micro and Nano Technology, Copenhagen, Denmark, November 13-14, 2003.