激光微加工

激光微加工2020年6月18日星期四激光微加工的概念激光微加工的应用领域飞秒激光微加工的优点飞秒微加工的重要应用光纤激光在精细加工中的应用展望2020年6月18日星期四微加工的概念微加工的概念Microfabrication微细加工（结构，功能，性能）Micromachining精细加工（尺寸精确，机械加工）起源于半导体制造工艺传统微加工技术多用于硅材料，并限于平面结构，由于这种基于传统光刻和各向异性腐蚀硅微机械，结晶学取向性限制了能获得的形状。微加工作为微机械的关键技术目前常用的工艺方法有：半导体IC加工工艺的硅微细加工，微细电火花精密加工，LIGA技术，微组装技术等等。微加工几何尺寸的偏差比例（比传统的结构）大一般传统加工偏差1%，MEMS加工尺寸偏差大于10％2020年6月18日星期四区别于传统的激光加工激光微加工区别于传统得奖激光焊接、切割、打孔、表面改性等，包含范围非常广，能无限激发人的创造力。微加工特点激光功率小：mW～W量级；功率密度高；加工尺寸小，分辨率高；脉冲、连续两种方式。加工精度衍射极限（横向分辨率约等于波长量级）Rayleigh长度（焦长）2020年6月18日星期四激光微加工应用领域激光微加工技术主要应用于以下三个重要领域：微电子学（ME）——薄膜的局部沉积及去除，即激光修整、激光光刻、激光微机械加工，以及退火、局部掺杂及焊接等。微机械学（MM）——在设备制造业、汽车以及航空精密制造业和各种微细加工业中可用激光进行切割、钻孔、打标、雕刻、划线、热渗透、焊接、硬化处理等。微光学（MO）——利用诸如微压型、打磨抛光等激光表面处理来加工多种微型光学元件，也可通过诸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化来改变组织结构，然后，通过调和外部机械力，再在软化阶段依靠等离子体辅助进行微成形来加工微光学元件。激光在上述领域的应用推动了它在许多新兴的工程方面的应用，例如：信息、通讯、医药、微型机器人和其他一些集光、电、机械为一体的微型系统。2020年6月18日星期四飞秒激光加工的优点飞秒脉冲与长脉冲加工效果比较2020年6月18日星期四长脉冲作用与短脉冲作用比较材料光学击穿的过程可以分为五个主要过程：（1）通过热激发或光激发（包括单光子和多光子电离）产生导带电子；（2）导带电子通过焦耳加热和雪崩电离在光场中吸收能量，形成等离子体；（3）等离子体通过电子声子耦合，把能量传递给晶格；（4）晶格被加热，物质熔化和升华；（5）物质的热扩散和声冲击波引起周围物质结构变化。纳秒～微秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含（1）～（5）；皮秒～纳秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含（1）～（4）；飞秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含（1）～（3）。2020年6月18日星期四飞秒激光加工是一种高强度脉冲激光加工，具有如下优点：飞秒激光加工的优点无接触；非真空条件（与X射线、电子束、离子束）；深入体内（三维加工）；作用区域小于衍射极限（多光子）。2020年6月18日星期四飞秒激光微细加工应用飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率正在打破以往传统的激光加工方法，开创了材料超精细、低损伤和空间3D加工和处理的新领域。该技术已在多个领域得到非常广泛应用。2020年6月18日星期四在材料微细加工领域的应用（a）（b）德国汉诺威激光中心的B.N.Chichkov研究小组在真空靶室中放置100mm厚的钢片，然后分别将能量为lmJ、宽度为3.3ns和能量为120μJ、宽度为200fs的聚集激光对其表面进行加工，经过104个脉冲照射后，比较两者的处理结果具有显著的不同。下图（a）和（b）分别为各自处理结果的SEM图像。2020年6月18日星期四对于一些难熔性金属如：钼、钽、铼、钨等，其相应的熔点位于高达2610-3410℃范围，若采用传统的长脉冲激光很难完成对它们的精细加工。但由于飞秒激光作用基于多光子吸收和电离机制，避免了热传导效应，因此成为对这些金属成功实现高精度处理的唯一选择。最近美国Clark公司应用150fs激光在100μm厚、熔点温度为3180℃的铼材料上实现了直径为110μm的精确钻孔，与应用8ns激光进行加工的情况相比，避免孔径周围热应力导致的裂纹产生，如图下图所示。纳秒（a）和飞秒（a）激光对高熔点金属铼的加工2020年6月18日星期四对于一些超高硬度的材料如金刚石，由于它具有独特的力学、热学和光电特性，在机械摩擦、切割、光学和装饰方面具有重要的应用价值。金刚石的能带间隔为5.4eV，目前主要采用波长小于230nm准分子纳秒脉冲激光进行加工，在材料加工边缘容易形成炭化区域和机械应力，如图下图(a)所示。最近，瑞士G.Dumitru和英国M.Gower等人采用脉宽为150fs、能量为54mJ的钛宝石激光（输出波长为800nm）对lmm厚的人造CVD金刚石进行了钻孔和切割处理，如图下图(b)所示。纳秒（a）和飞秒（b）激光对CVD金刚石的切割2020年6月18日星期四对于一些电解质材料如硅，由于具有弱机械性、高热传导性以及光谱在UV-IR范围内高透射性等，通常被用来制作传感器件、探测器件以及太阳能电池等高技术产品。随着应用要求的不断提高，传统的硅加工处理手段变得愈加困难。飞秒激光以其独特的除热和消机械应力的加工特性给硅材料的切割等处理技术带来了新的希望。下图（a）为飞秒激光对硅材料表面加工的原子力显微图像及其截面包络；（b）表示了M．Meunier等人采用光谱物理公司生产的重复率为lkHz的钛宝石再生放大系统，将输出波长为760-820nm，能量约lmJ，持续时间小于120fs的脉冲激光对厚度仅为50μm的硅晶片实现了高精度切割。飞秒激光对硅表面的加工处理2020年6月18日星期四另外，对于一些高爆危险物品如：TNT、PETN、HMX、LX和PBX等，通常由于对热应力和冲击波的敏感性使得其加工处理过程中的安全性受到重大挑战。在应用传统的机械操作中，若使用了不适当的夹持工件、不适当的工具结构或者不适当的切割速度都可能会造成加工过程的剧烈反应。传统的激光脉冲常被用作爆炸物品的点火，飞秒激光脉冲则可以用来高爆危险品的切割。M.D.Perry利用l000Hz、100fs的钛宝石激光对多种高爆危险品进行了安全切割，如下图（b）所示。在直径为lcm、厚度为2mm的样品表面没有任何化学反应痕迹，整个切割面上材料的化学性质没有发生变化。而用600ps的激光照射时，立即观察到样品的爆燃过程，切割边缘出现熔化痕迹，并且生成大量新的热反应物质，如（a）所示。纳秒（a）和飞秒（b）激光对爆炸物品的切割2020年6月18日星期四在微电子学领域的应用现代微电子产业在本质上是芯片的集成制造为核心，而光掩模和光刻技术是处在这一核心链的一个关键环节。它是联接集成略设计与制造的纽带，光掩模和光刻技术水平和质量就成为集成电路产品、质量和生产效率关键。2020年6月18日星期四实现光掩模缺陷的修复随着超高速、超高频、超高集成度电路及器件的研制和开发，线宽的特征尺寸已进入深亚微米、百纳米以至纳米级。对于如此复杂的光掩模，要实现毫无缺陷的制作过程将变得非常困难，甚至不太可能。国际著名的半导体制造商SEMATECH公司已经将此困难列为限制下一代微芯片发展的主要因素。这些缺陷通常包括在光掩模版上的某个非合适位置处残留有多余的金属吸收体。它们的去处必须让该位置对光具有高透射率，同时又不能损伤衬底硅材料及其相邻的区域，应用传统的纳秒激光烧蚀技术很难满足这种要求，而聚焦离子束（FIB）实现的最小修补线宽为0.35μm。飞秒激光修复光掩模2020年6月18日星期四实现光掩模的新型制造光掩模(Photomask)是指根据IC器件设计版图数据进行定制的、载有集成电路图形结构的高纯精密石英玻璃版，其作用相当于一个模具，它是半导体微细加工和制造业的重要前提。根据2001年国际半导体协会预测，世界集成电路的生产在2004年左右将达到0.1µm线宽水平，2011年可望达到0.05µm线宽水平。目前人们为了实现这一目标，通过采用更短的照射光波长发展了几种新型的光刻技术如：电子束曝光技术、远紫外线技术、XRL技术以及157nm准分子激光刻写技术等。这些平版印刷技术虽然各有优势，缺点是价格昂贵、生产耗时。针对上述平版印刷术给光掩模制造带来的种种困难，新加坡南洋工业大学的B.K.A.Ngoi等人采用飞秒激光发展了一种全新的光掩模制造技术。这种干净、低成本、高效率的一步式(one-stepsolution)直接刻写技术对于逐步取代传统的平版印刷术在薄片硅(TFS)太阳能电池、平板显示(FPD)等多种微电子器件制作中的应用具有非常重要的意义。2020年6月18日星期四实现微型过孔，提高电路互连封装水平近20年来，与集成电路(IC)在计算速度和存储记忆方面取得的快速进步一样重要的是互连封装的并行发展。随着电子产品朝着便携式、小型化、网络化和多媒体化的方向发展，单位体积信息的提高(高密度)和单位时间处理速度的提高(高速化)对微电子封装技术提出不断增长的新需求。提高芯片封装水平的关键之处就是在不同层面的线路之间保留微型过孔的存在，这样通过微型过孔不仅提供了表面安装器件与下面信号面板之间的高速连接，而且有效地减小了封装面积。另一方面，印制线路板(PCB)逐步呈现出以高密度互连技术为主体的积层化、多功能化特征。为了有效地保证各层间的电气连接以及外部器件的固定，过孔(via)已成为多层PCB的重要组成部分之一。由于PCB通常由铜箔与玻璃布和树脂组合而成，此三种材料对波长的吸光度有所不同。因此激光钻孔技术一般采用YAG倍频激光器和CO2激光器的混合系统。由于对加工材料不具有严格的选择性，飞秒激光无疑可以取代微型过孔加工中所采用的混合激光系统。而且随着微电子封装技术要求的进一步提高，微型过孔的加工尺寸将会变得愈来愈小，为飞秒激光加工的应用提供了非常广阔的前景。2020年6月18日星期四在光子器件和全光通讯领域的应用随着科学技术的不断发展，世界正在向光子时代迈进，目前的各种电子元器件正在被全光学元件所取代，并将其逐步微小化和集成化在一个紧凑的功能系统内，成为高速信息处理的新兴发展方向。对光通讯来说，这就意味着要在一个单独的“芯片”上生产出包括方向连接器、带通滤波器、多路复用器、光开关、波长转换器以及调制器等元件在内的平面光波环路。这一发展与四十多年前第一次将平面化、集成化的晶体管和其他电子元器件放置到一个硅片上的电子芯片产业情况相类似。光子产业的未来演化将更多地倾向于发展一种能够对光学材料进行纳米操纵的精密处理工具。由于这些器件被用来改变和控制光在系统中的路径，因此它们的特征尺寸一般仅为光波长的一小部分。对于许多应用来说，透明玻璃(如熔石英)由于具有较高的透明性、长时间和高温环境下的稳定性而被通常选作加工光子器件的基础材料。同时，也正是这些理想的特点给材料的精细处理带来了巨大挑战，特别是当加工尺寸位于～100nm量级范围时。2020年6月18日星期四制作光学波导光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离传输。目前常用的制作方法是离子注入法、火焰水解涂覆法、熔胶凝胶法、汽相沉积法和热扩散型离子交换法等。这些方法的缺点是灵活性差、过程非常繁杂、缓慢。飞秒激光制作光波导依靠飞秒激光可以顺利地解决这些问题。最近德国亚深大学的StefanNolte教授将钛宝石激光器输出重复率lkHz、脉宽为100fs、能量为几个微焦的激光实现了亚衍射极限光波导的制作，如右图所示。2020年6月18日星期四飞秒激光光波导制作技术非常简单，整个过程在室温环境下进行，并且波导结构在高达1500K的温度下仍可以保持良好的质量稳定性。另外，在制作过程中，基片材料的选取不再受到严格的限制。透明玻璃可以包括硅酸盐、硼硅酸盐、硫族化物以及氟化物等。光波导可以位于材料内部3D空间的任意位置，而且还可以实现制作任意形状的二维、三维波导，分束器以及连接器等光子器件，如图下图所示，其中右半部分是一个三维光分束器结构