激光微加工工藝的發展前景

一、前言

自從1960年第一臺激光出現以來，激光的研究和應用在各個領域得到了飛速的發展。它在高精度測量、材料結構分析、信息存儲與通訊等方面得到了廣泛的應用。高向性、高光度激光可廣泛用于加工制造業。近20年來，隨著激光設備、新型受激輻射光源及相關工藝的不斷創新與優化，激光制造技術已滲透到許多高科技領域和產業，并開始替代或改造一些傳統加工產業。

1987年，美國科學家提出了微型機電系統(MEMS)開發計劃，標志著人類微機械研究進入了一個新紀元。微機械制造技術主要包括半導體加工技術、微光刻電鑄模工藝、超精密機械加工技術和特殊微加工技術。這些微細加工方法中，從小到小，從小到小，都是通過能量處理的直接作用。特種加工是以電能、熱能、光能、聲能、化學能等形式進行的。常見的加工方法有：電火花、超聲、電子束、離子束、電解等。近幾年來，發展了一種新型的微細加工技術：包括立體光刻技術、光掩膜技術等。用激光進行微細加工具有很大的應用潛力和誘人的發展前景。

為了適應21世紀高新技術產業化，滿足微細制造的需要，研制高性能的激光源。近十年來，激光微細加工技術作為激光加工技術的一個分支受到廣泛關注。原因之一是越來越多的高效率激光器出現。比如，具有極高峰功率和超短脈沖的固態激光、高光束質量的二極泵Nd:YAG激光器等。二是數控操作平臺速度快，精度高。但是，一個更為重要的原因是工業需求的持續增長。適用于微電子加工、半導體穿孔、寄存器剪切、電路修理的激光微加工技術。通常激光微加工是指數至數百微米的加工過程。光束的寬度是飛秒(fs)和納秒(ns)之間。從遠紅外線到X射線的寬頻范圍。當前三大領域主要應用于微電子、微機械、微光學加工。伴隨著激光微細加工技術的不斷成熟，必將在更廣泛的領域得到推廣和應用。

二、激光微細加工的應用：

由于電子產品越來越輕便、小型化，由于單位體積信息(高密度)和單位時間處理速度(高速)的增加，對微電子封裝技術的新需求也在增加。舉例來說，現代的手機和數碼相機的互連距離大約為1200根。改進封裝工藝的關鍵是在不同層間留有微孔，既能實現表面安裝裝置與下方信號板的高速連接，又能有效地減小封裝面積。

另外，隨著近幾年全球手機、數碼相機、手提電腦等便攜式電子產品趨向于向輕、細、短、小的方向發展，印刷電路板(PCB)逐漸出現了積層多功能特性，主要是高密度互連技術。孔板(via)是多層PCB中的一個重要部件，其有效性能已經成為多層PCB的一個重要部件。現在，打孔成本一般占PCB板成本的30%-40%。對于高速、高密度的PCB設計，設計者總是希望孔洞越小越好，這樣不僅可以留下更多的布線空間。過孔越小，越適合高速電路。常規機鉆的最小尺寸僅為100μm，顯然無法滿足要求，而采用激光微孔加工新方法。當前，CO2激光器可在工業上獲得直徑30-40微米的微孔，也可通過紫外激光切割機加工出10微米的微孔。

它可以應用于設備、汽車、航空精密制造及各種微加工行業的切削、鉆、雕、標、熱滲透、焊等。例如對20微米以上噴墨打印機進行噴墨處理。采用微壓力、拋光等激光表面處理技術對各種微光學元件進行加工，或用激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶態改變其組織結構，再通過機械力的調和，軟化階段的等離子體輔助微工微光學元件。

激光微細加工常用工藝：

該技術具有非接觸、選擇性加工、熱影響范圍小、精度高、重復頻率高、零件尺寸和形狀高等優點。其實激光微加工技術最大的特點就是直寫加工，簡化工藝，實現微電腦的快速成型制造。此外，此法不會產生腐蝕等環境污染問題，可謂綠色制造。激光微細加工技術被應用于微機械制造中：

1)激光直寫微加工、激光LIGA及其它材料的微加工；

2)激光微立體光刻、激光輔助沉積、激光選區燒結等材料堆積微加工技術。

2.1激光直寫技術。

準分子激光波長，聚焦光斑直徑小，功率密度高，非常適用于微加工和半導體材料的加工。大多數的準分子激光微細加工系統都是通過膜片投影加工的，也可以直接利用聚焦光斑刻蝕件，把準分子激光技術與數控技術相結合。利用X-Y平臺的相對運動和Z方向的微進給，可以直接掃描刻在基體材料上或加工三維微細結構。當前，準分子激光直寫技術可加工高深寬比微、線寬數微細結構。在此基礎上，利用準分子激光結合類似的快速成形(RP)制造技術，對分層掃描三維微加工進行了研究。

2.2激光LIGA工藝。

用準分子激光深蝕替代載射光刻，解決了高精度載射線掩膜片制作、套刻對準等技術難題。與此同時，激光光源在LIGA技術上的應用也遠遠優于同步輻射載光源，大大降低了LIGA技術的制造成本。雖然激光LIGA技術在高徑比加工微構件的高徑比上有很大差異，但它完全可以接受微構件的加工。另外，激光LIGA技術無需化學腐蝕顯影，而直接刻蝕，不受化學腐蝕的橫向滲透和腐蝕。所以，加工邊陡、精度高、光刻性能好于同步載射光刻。

2.3激光微立體光刻技術。

該技術是一種應用于微制造領域的先進快速成型技術，并將其應用到三維光刻技術中。微細三維光刻技術因其高精度的微細加工而被稱為微細三維光刻。相對于其它微細加工技術，微立體光刻技術的最大特點是不受微裝置或系統結構形狀的限制。該系統可加工任意三維結構，包括自由曲面，可一次形成不同的微部件，節約了微裝配環節。另外，該工藝具有處理時間短、成本低、工藝自動化等優點，為微型計算機的大規模生產創造了有利條件。這種方法有兩個局限。

精度較低：

基于快速成形的微細加工技術，目前最大水平精度在1mm左右，垂直方向在3mm左右。很明顯，這種精度不能與基于集成電路的硅微加工技術相比較。

其使用受到一定程度的限制，現有的樹脂材料在電性能、機械性能、熱學性能等方面都與硅材料存在著差距。近幾年來，我國大力研究開發了激光微立體光刻。關于提高精確度和效率的發展方向如下：

1)采用面片曝光代替點曝光，進一步縮短加工時間，提高生產效率；

2)材料方面，研制了分辨率較高的光固化樹脂，例如雙光近紅外聚合樹脂，為高精度制造奠定了良好的基礎；

3)在工藝方面，研究開發無支承或犧牲層的工藝，并與平面微加工技術相結合，進一步簡化工藝，提高加工精度和生產靈活性。

利用激光輔助氣相淀積(LCVD)(LCVD)是一種激光輔助的方法。

該固形件在固化微成型過程中，通過氣相化學反應沉積于襯底表面。該三維顯微結構利用激光輔助化學氣相沉積，在一定范圍內加熱基體，啟動和維持CVD過程，使沉積基板或激光束形成固體結構。造型中，沒有平面投影和平面掃描的限制，能夠生成復雜幾何形狀的三維微結構。用一種特殊的方式移動工件臺，使得光束的速度總是和晶體一樣快，這樣就形成了期望的微觀結構。

2.5激光選區燒結工藝(SLS)

這是一種快速成形技術，具有廣泛可加工材料范圍和制造任何復雜三維形狀的獨特優點。現在，人們在用SLS技術制造微型機械。SLS系統實現時，先在計算機上完成所需的三維CAD模型，再利用層次化軟件分層獲取各個層段，利用自動控制技術，使激光選擇性地燒結與計算機零件截面相對應的粉體，通過燒結、熔化、冷卻和凝固。在下一層燒結完成后，兩層燒結連接。所以，燒結部分和CAD原型是一致的，而未燒成的部分是松散的粉末，可以作為支撐，最終容易清潔。燒結機的精度主要取決于燒結機的功率、焦徑、掃描速度、粉體粒徑、粉體各向異性、燒結溫度等因素。利用SLS工藝進行三維造型，也可以把各種材料集成在一個微結構中，完成某種功能。

其他激光微加工工藝

本文介紹了脈沖激光刻蝕成形技術的最新進展。利用短波長倍頻激光或皮秒、飛秒激光與高精度數控機床，對各種材料進行刻蝕。短脈沖對這些材料表面進行腐蝕，然后除去材料，其表面形成的微觀結構質量遠遠高于長脈沖加工。2001年，德國HEIDELBERGINSTRUMENTS于2001年使用三倍頻(波長354.7nm)獲得5mm的聚焦光斑，加工尺寸為10mm，精度1mm。在x、y方向上的激光焦斑直徑5毫米。其表面平均粗糙度為0.16毫米，表面粗糙度為0.16毫米。與激光刻蝕原理相同的激光微切割成形，還采用倍頻或飛秒激光作為光源，聚焦光束精確控制能量輸入，熱影響小，精密切割成型。

微細加工技術在超短脈沖激光方面的最新發展

二氧化碳。YAG激光是一種連續的。長脈沖激光，主要依靠焦點形成高能密度，導致局部高溫燒蝕材料，基本屬于熱加工類別，加工精度有限。準分子激光通過短波紫外光作用，可以對材料進行光化處理，特征尺度可達微米級，但準分子激光對氣體的腐蝕非常嚴重，且難以控制，且紫外強激光易損壞，且應用范圍有限。隨著激光領域的深入研究，脈沖在時間上逐漸變小，從納秒(10-9s)到皮秒(10-12s)再到飛秒(10-l5s)。

飛秒脈沖激光主要有兩個特點：(1)脈沖寬度短。飛秒脈沖的持續時間短至幾個飛秒，而在1fs內僅能傳播0.3微米，比大部分細胞直徑短；2)峰值功率極高。飛秒激光把脈沖能量集中在幾至幾百個飛秒的極短時間內，所以它的峰值功率是很高的。舉例來說，把lμJ的能量集中在幾個飛秒內，聚集成10微米的光點，其光功率密度可以達到1018W/cm2，轉化為2×1012V/m/m。它是氫氣原子的庫侖場強度(5×1011V/m)的4倍，它有可能直接從原子上除去電子。

從激光與透光材料的作用機理來看，材料的損傷機制是雪崩電離過程，由初始電子密度決定，材料中雜質分布不均勻，材料中初始電子密度變化很大。結果表明，損傷閾值有較大變化。長脈沖激光損傷閾值是激光能量流50%，即長脈沖激光損傷閾值是統計值。超短脈沖激光有很強的場強度，束縛電子能對n個光子進行吸收，并且直接由束縛能級躍升到自由能級。超短脈沖激光損傷過程雖然屬于雪崩電離過程，但是它的電子是通過多光子電離過程產生的，不再依賴于材料中的原始電子密度。所以損傷閾值是準確的。當脈寬減小時，脈沖激光的損傷閾值明顯減小。當達到皮秒級別時，下落速度減慢，飛秒量級基本不變。

此外，由于超短脈沖激光具有較高的損傷閾值，使得其能量在等于或略高于損傷閾值，如果是部分燒蝕，則可以將其降低到衍射極限的亞微米加工。飛秒激光能產生超高的光強，精確的損傷閾值，低的熱影響范圍，幾乎可以精確的加工各種材料。并且具有極高的加工精度，能夠精確地加工亞微米尺寸。

激光器是一種高效、低成本、穩定可靠的加工質量，具有良好的經濟效益。由于飛秒激光獨特的短脈寬和高峰功率特性，飛秒激光突破了傳統的激光加工方法，開創了超細、無熱損、三維空間加工的新領域。飛秒激光加工技術主要應用于微電子、光子晶體器件、光纖通信器件(1Tbit/s)、微細加工、三維光存儲、微醫療器件生產、細胞生物工程技術等。可見，激光微制造技術將以其不可替代的優點，成為21世紀飛速發展的高科技。

最后：

工業革命時代，世界各國以生產大機器為榮；在信息時代，先進工業國家致力于微物質的研究，制造更小的機器；在納米技術時代，為適應國防、航空航天、醫療、生物等領域的發展，微加工已經成為當前制造業中最活躍的研究方向之一，微機械技術的發展水平已經成為一個國家綜合實力的標志。在微細加工技術方面，激光微細加工技術表現出了獨特的優勢，有著廣闊的發展前景。為了在未來的高科技領域占據一席之地，中國必須發展具有自主知識產權的激光微制造技術。