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                      《準分子激光器用途日益擴大》

                      2011-10-26 16:19:52

                      0
                      準分子激光器具有獨特的材料加工特性,這一特性使得其應用范圍日益擴大。

                      與其他氣體激光器不同,準分子激光器在應用方面的數目和種類不斷的增多。這是因為,準分子激光器所獨有的特性和性能,這使得準分子激光器能滿足很多的材料加工的需要。其獨有的特性也使得它很好的被用于新興的技術中。目前,主要有兩個方面應用:1) 材料的切除 2) 光學材料的加工,尤其是打孔,劃線,微加工,和其他方面的加工,在這些加工中,其特征尺寸縮小且超出了機械加工的范圍。準分子材料切除的本質是光燒蝕,它幾乎沒有熱影響區域,而且使用準分子時,切口干凈而且輪廓分明。這些特點使得它十分適合進行亞微米范圍的微加工。此外,短波長的紫外(UV)準分子輻射很容易被許多材料所吸收,使得它不論對硬質材料(如,硅和陶瓷)還是對軟質聚合物都能進行有效加工。紫外準分子激光波長的范圍較廣,這意味著,基本上對于任何需要加工的材料都能夠找到合適的波長。大型的多模平頂準分子光束讓大面積圖案制作所需的光束整形和掩膜技術成為可能,使得加工效率更高,且能得到復雜的三維圖案。

                      目前,準分子激光器有三個主要的用途:LASIK眼科手術,平板顯示器退火,和半導體微光刻。不過,準分子市場的其他部分也是很重要的,包括了許多不同的加工和行業,從對眼鏡打標到加工柴油機汽缸套,到電子工業中的打孔都使用了該技術。然而,這“三大”主要的應用有專門的模型,這些模型被優化以滿足行業中已很好確立的性能參數,在大量不同的應用中對激光條件有著廣泛且多樣的要求。這是因為對于一個給定的材料和波長,要進行有效的材料加工就需要在主要的準分子激光性能,脈沖能量(對加工對象的影響),和重復頻率之間得到正確的平衡。

                      選擇能量還是重復頻率?

                      起初,大部分工業準分子激光器的主要特點是:合適的重復頻率處(幾百Hz),激光脈沖能量很高(幾百個mJ);或者是高重復頻率(100 Hz-2 Hz)而能量為幾個mJ。但是,平板顯示器制造中低溫多晶硅(LTPS)退火技術的成熟推進了高重復頻率(達300 Hz)、高脈沖能量(>1 J)激光器的發展,這些技術目前也被用在微加工應用中。例如,可以直接對薄膜進行圖案處理,這主要用于電子工業。

                      另一個重要的方向是節約成本的“迷你”準分子激光器的開發和不斷進步,該激光器提供的激光能量約為10 mJ,重復頻率最大值為幾百個Hz或者更大,光束高度僅為9-10 mm,整個裝置很小?,F在,這些激光器運行起來十分劃算,因為其主要進步在于電極(管)的壽命長,整體效率高,補充氣體的間隔時間長。此外,這些激光器使用的氣體量更小,并且可以使用小直徑的光束傳輸裝置。

                      獨特的性能

                      準分子激光器輸出的矩形光束其最大的尺寸可以達到幾個厘米。這一特性,與準分子激光器的高脈沖能量和低重復頻率相結合,使得準分子激光器很適合與光掩膜技術結合在大范圍內加工得到大量重復的圖案(如圖1)。與此相反,由許多固態激光器得到的光束通常被聚焦成小光斑,并用振鏡進行掃描。這個技術被稱為直接寫入法(如圖2),直接寫入法具有的點狀的本質讓它具有特有的應用范圍,比如,圓晶的劃線和晶粒的切割。然而,直接寫入式微加工其劣勢在于,它無法以固定的深度來去除較大面積的材料,因為小光束的逐行掃描會留下刻痕。
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                      圖1. 準分子激光器結合光掩膜可以有效的進行重復性操作,
                      比如對多個小孔進行并行加工。
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                      圖2. 通常,準分子激光器與光掩膜結合使用,而其他激光器類型使用的是直接寫入過程;
                      然而,迷你型準分子激光器使用了準分子激光光源,讓直接寫入技術更為實用。
                      另一個主要的優勢是準分子激光器特有的波長范圍。比如,準分子可以在深紫外范圍(193 nm和157 nm)運行,這個波段在同樣級別的功率和能量上對于固態激光器是少見的。

                      低脈沖能量,高重復頻率的準分子激光所具備的柔性使其可用于直接寫入加工過程,在一些情況下,使用準分子激光器來進行直接寫入更為合適。它能夠進行這樣的操作部分取決于光束利用因子 (BUF)。BUF是使用的能量除以總的可用能量。比如,一個具有幾百毫焦能量的光束被用于只需要低于幾個毫焦能量的情況,即這里BUF很低,加工也不經濟合理。這些高能量激光器通常運行在低重復頻率(幾百Hz) 的情況,所以整個加工過程也很慢。

                      然而,能量較低的迷你型準分子激光器改變了這種情況。比如,JPSA公司已經建成了幾個系統,這些系統中,高重復頻率的光束是利用了一個掩膜調換設備來傳輸的。機動化的掩膜調換設備包括了幾個簡單的光掩膜(有正方形,三角形和不同直徑的圓形,以及其他形狀,如圖3) 。這與CNC(全自動型注射針)研磨系統相類似,該系統配有自動的工具調換裝置。在這種情況下,一個小型準分子激光器的BUF比其他較大的準分子激光器要高得多。此外,準分子與DPSS(二極管泵浦固體激光器)相比,它還具有面積大,能量高的特點,而且它具有平頂光束,所以使用掩膜調換裝置,其外形可以通過成像而擴大。
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                      圖3. 圖示為直接寫入式準分子激光器系統,它帶有自動調換掩膜裝置,
                      這類似于CNC機器帶有工具更換裝置。
                      三維圖形的制作可以利用圖形掩膜的旋轉在表面產生光滑且復雜的形狀。比如,三角形繞它的頂點旋轉時可以產生一個“V”型的凹槽。正方形旋轉可以得到底邊平整的凹槽,而圓形旋轉則得到拋物面型的底面結構。

                      波長的選擇

                      準分子激光器提供的輸出波長范圍為157 nm到351 nm。為特定的目的而選擇合適的波長經常需要在各個有關因素中達成平衡,這些因素包括:所得到的產品的質量(具體來說,即邊界熱效應更小,邊緣更平滑,更干凈),整體效率,以及加工成本。舉例來說,通常,選擇最合適的波長不僅會提高整體的質量,也會提高加工的速度,因為它使用了較低的能量來完成同樣的工作。

                      在紫外激光對熱敏材料或者高度透明材料的微加工應用中,一般的原則是波長越短能夠得到的結果越好。這就是為什么波長為193 nm的激光比更長波長的激光更適合來對玻璃和感光聚合物比如PET,PMMA,以及類似的塑料進行加工,而157 nm更適合Teflon(聚四氟乙烯),聚乙烯塑料和石英的原因。

                      然而,某種材料的特有性質使得它們適合于特定的波長;其關鍵在于材料的吸收。比如,Teflon(聚四氟乙烯)被用于外科植入裝置的涂層,或是射頻裝置的絕熱器,它對于可見光波段和大部分長波長的紫外光的吸收比較小。對于這種材料,157 nm是最佳波長。對于許多塑料來說,在吸收頻譜上最大程度與入射激光相匹配將帶來更好的結果和更快的加工。比如,PMMA塑料,對波長222 nm的吸收量最大,這使得常被忽視的KrCl激光(222 nm)成為加工這種材料的最佳選擇。

                      使用準分子激光器,更長的波長通常意味著運行成本更低,成本方面需要考慮激光管壽命,氣體壽命,以及光束傳輸元件。需要記住的是,使用氯化物會比使用氟化物所得到的激光壽命更長,運轉成本也越低。

                      應用的多樣化

                      準分子激光器在制造業的應用主要在微加工(包括激光打標)和材料/表面改性。準分子微加工可以得到小孔,刻線,以及其他三維復雜的圖案,如果結合有效反饋( 比如,用激光測量)來控制光的輸入,加工精度在深度方向可達亞微米量級。

                      使用短波長使得側向的精度可達亞微米量級;然而,實現亞微米量級不僅依賴于激光性能。它還要求高重復率的運動控制,通常使用帶空氣軸承的平臺來移動基底和鏡片,鏡片移動需要考慮到足夠的焦深,同時,實際加工時需要足夠大的視場。

                      準分子激光器尤其適合大面積,集中且重復性強的圖案。例如,在多片模塊上打孔的過程。目前,在這方面的應用中,固態或者CO2激光器與振鏡掃描相結合的技術占了主導地位。然而,當生產量增大時,電子元件的結構(包括微通道)會被縮小。在高密度元件數量增多,微通道尺寸卻減小的這個方面,準分子激光圖像制作相比其他直接寫入技術就更具有競爭力。舉例來說,利用光掩膜技術與底層的“步進和重復”運動相結合的過程,準分子激光器每秒可以得到>10000個過孔。大規模的并行打孔能力 (如圖1) 還被用來生產過濾器,被用來在噴墨打印機中進行微粒過濾,該特點還被用于生產新一代的醫學呼吸器,它目前正接受美國食品與藥物管理局(FDA)的評估。

                      微型化的細胞培養工具(通常被稱為“芯片上的實驗室”),是利用248 nm的準分子激光器在聚碳酸酯和其他塑料上制作而成的。這里,可以使用單束激光來得到微型坑和微通道,以及微米量級的通孔(如圖4)。然后使用金屬沉積技術來密閉這些通孔,從而起到密封和導電兩方面效果。
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                      圖4. 微流體裝置被用于藥物發明和開發應用中,在該裝置上,
                      利用248 nm的準分子激光可以得到微型坑和微通道,它們被用于實現密封的電路連接,
                      如圖中聚碳酸酯樣品所示。
                      另一個快速發展的應用領域是薄膜直接制備圖形。在這個過程中,激光能量穿過薄膜,基底材料與薄膜的交界處被底部材料吸收。在交界面處,材料在短時間內被蒸發,導致了該處薄膜被去除。這個準分子“TFA”(薄膜燒蝕過程)在薄膜厚度小于1微米時結果最佳。在這些情況中,對薄膜進行去除/制圖操作所需的能量小于蒸發同樣體積的相同材料所需的能量。實際的例子包括在絕緣基底上的金屬薄膜(厚度達1000 nm),它被用于射頻識別電路(RFID)和醫療傳感器上。需要的話,金屬薄膜的厚度可以通過低成本的電鍍過程來增加。其他組合還包括在金屬上加工絕緣體,在陶瓷上加工聚合物,甚至在聚合物上加工聚合物。大部分的應用是采用卷帶式(reel-to-reel)的操作方式,在這里每片薄膜由單個激光脈沖進行加工。

                      準分子激光器的獨特性還在于它們可以加工表面和亞表面的材料;其中一個例子是高碳鋼零件的淬火過程。未經退火時,這些鋼包含了鐵和碳的較大晶體。使用308 nm的準分子激光器可以在微觀層面上,使表面的金屬層升到共熔區之上,讓原子可以自由在金屬內遷移。對于碳素鋼來說,這個過程僅涉及碳和鐵。這里的硬化過程是將相同的主要元素留在表面,而核心材料仍然保持未淬火時的延展性。

                      對于其他高度可淬火性合金材料,比如鉻(或者其他金屬)可以移到表面,從而形成獨特的表面,比如該表面可能更堅硬,更具有防化學品腐蝕能力,更為光滑。同時,整個零件本身不受影響,仍然保持這些鋼材特有的延展性。308 nm的準分子激光被用于鑄鐵柴油機引擎的汽缸套以得到摩擦力很小的表面。這項Audi公司開發的應用在本刊2005年2月刊中有具體介紹。

                      另一個表面加工的應用是對CVD金剛石晶片進行微加工和磨平操作,因為其多晶的本質導致了表面不平整。193 nm適用于加工高純度的金剛石。高精度微加工的實例包括了對磨損表面,線切割模,散熱片以及切割工具等進行三維微加工。在線性化的過程中,193 nm或者248 nm的準分子激光被整形成直線狀,然后被定位,以便在臨界角或者小于臨界角情況下對整個表面進行作用。簡單的光學理論表明,平整的表面會產生全反射,而不平整的表面點會導致激光被材料所吸收。這樣得到的結果是平滑的表面,整個過程是個自中斷過程。

                      使用準分子激光器所進行的工業加工任務各不相同,這就促使了激光器產品具有更廣的輸出特性。本質上,所有的應用都要求具有高可靠性,激光壽命更長,運轉成本更低。在三方面主要應用的促進下,激光器制造商已經取得了大量重要的技術進步。新一代的準分子激光器維護間隔時間更長,自動調節能力更先進,所需支的擁有成本也更低。

                      Ruediger Hack和Matthew Philpott (matthew.philpott@coherent.com)來自美國相干公司(Santa Clara,CA)。網址:www.coherent.com。Jeff Sercel來自美國JP Sercel Associates公司(Hollis,NH)。
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