《準(zhǔn)分子激光器用途日益擴(kuò)大》

準(zhǔn)分子激光器具有獨(dú)特的材料加工特性，這一特性使得其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。

與其他氣體激光器不同，準(zhǔn)分子激光器在應(yīng)用方面的數(shù)目和種類不斷的增多。這是因?yàn)?，?zhǔn)分子激光器所獨(dú)有的特性和性能，這使得準(zhǔn)分子激光器能滿足很多的材料加工的需要。其獨(dú)有的特性也使得它很好的被用于新興的技術(shù)中。目前，主要有兩個(gè)方面應(yīng)用：1) 材料的切除 2) 光學(xué)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(jī)械加工的范圍。準(zhǔn)分子材料切除的本質(zhì)是光燒蝕，它幾乎沒有熱影響區(qū)域，而且使用準(zhǔn)分子時(shí)，切口干凈而且輪廓分明。這些特點(diǎn)使得它十分適合進(jìn)行亞微米范圍的微加工。此外，短波長的紫外(UV)準(zhǔn)分子輻射很容易被許多材料所吸收，使得它不論對硬質(zhì)材料(如,硅和陶瓷)還是對軟質(zhì)聚合物都能進(jìn)行有效加工。紫外準(zhǔn)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(zhǔn)分子光束讓大面積圖案制作所需的光束整形和掩膜技術(shù)成為可能，使得加工效率更高，且能得到復(fù)雜的三維圖案。

目前，準(zhǔn)分子激光器有三個(gè)主要的用途：LASIK眼科手術(shù)，平板顯示器退火，和半導(dǎo)體微光刻。不過，準(zhǔn)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(yè)，從對眼鏡打標(biāo)到加工柴油機(jī)汽缸套，到電子工業(yè)中的打孔都使用了該技術(shù)。然而，這“三大”主要的應(yīng)用有專門的模型，這些模型被優(yōu)化以滿足行業(yè)中已很好確立的性能參數(shù)，在大量不同的應(yīng)用中對激光條件有著廣泛且多樣的要求。這是因?yàn)閷τ谝粋€(gè)給定的材料和波長，要進(jìn)行有效的材料加工就需要在主要的準(zhǔn)分子激光性能，脈沖能量(對加工對象的影響)，和重復(fù)頻率之間得到正確的平衡。

選擇能量還是重復(fù)頻率？

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

另一個(gè)重要的方向是節(jié)約成本的“迷你”準(zhǔn)分子激光器的開發(fā)和不斷進(jìn)步，該激光器提供的激光能量約為10 mJ，重復(fù)頻率最大值為幾百個(gè)Hz或者更大，光束高度僅為9-10 mm，整個(gè)裝置很小?，F(xiàn)在，這些激光器運(yùn)行起來十分劃算，因?yàn)槠渲饕M(jìn)步在于電極(管)的壽命長，整體效率高，補(bǔ)充氣體的間隔時(shí)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(dú)特的性能

準(zhǔn)分子激光器輸出的矩形光束其最大的尺寸可以達(dá)到幾個(gè)厘米。這一特性，與準(zhǔn)分子激光器的高脈沖能量和低重復(fù)頻率相結(jié)合，使得準(zhǔn)分子激光器很適合與光掩膜技術(shù)結(jié)合在大范圍內(nèi)加工得到大量重復(fù)的圖案(如圖1)。與此相反，由許多固態(tài)激光器得到的光束通常被聚焦成小光斑，并用振鏡進(jìn)行掃描。這個(gè)技術(shù)被稱為直接寫入法(如圖2)，直接寫入法具有的點(diǎn)狀的本質(zhì)讓它具有特有的應(yīng)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?yàn)樾」馐闹鹦袙呙钑粝驴毯邸? 另一個(gè)主要的優(yōu)勢是準(zhǔn)分子激光器特有的波長范圍。比如，準(zhǔn)分子可以在深紫外范圍(193 nm和157 nm)運(yùn)行，這個(gè)波段在同樣級別的功率和能量上對于固態(tài)激光器是少見的。

低脈沖能量，高重復(fù)頻率的準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光器來進(jìn)行直接寫入更為合適。它能夠進(jìn)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(gè)具有幾百毫焦能量的光束被用于只需要低于幾個(gè)毫焦能量的情況，即這里BUF很低，加工也不經(jīng)濟(jì)合理。這些高能量激光器通常運(yùn)行在低重復(fù)頻率(幾百Hz) 的情況，所以整個(gè)加工過程也很慢。

然而，能量較低的迷你型準(zhǔn)分子激光器改變了這種情況。比如，JPSA公司已經(jīng)建成了幾個(gè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)中，高重復(fù)頻率的光束是利用了一個(gè)掩膜調(diào)換設(shè)備來傳輸?shù)摹C(jī)動化的掩膜調(diào)換設(shè)備包括了幾個(gè)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(tǒng)相類似，該系統(tǒng)配有自動的工具調(diào)換裝置。在這種情況下，一個(gè)小型準(zhǔn)分子激光器的BUF比其他較大的準(zhǔn)分子激光器要高得多。此外，準(zhǔn)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(diǎn)，而且它具有平頂光束，所以使用掩膜調(diào)換裝置，其外形可以通過成像而擴(kuò)大。 三維圖形的制作可以利用圖形掩膜的旋轉(zhuǎn)在表面產(chǎn)生光滑且復(fù)雜的形狀。比如，三角形繞它的頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)可以產(chǎn)生一個(gè)“V”型的凹槽。正方形旋轉(zhuǎn)可以得到底邊平整的凹槽，而圓形旋轉(zhuǎn)則得到拋物面型的底面結(jié)構(gòu)。

波長的選擇

準(zhǔn)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(jīng)常需要在各個(gè)有關(guān)因素中達(dá)成平衡，這些因素包括：所得到的產(chǎn)品的質(zhì)量(具體來說，即邊界熱效應(yīng)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(zhì)量，也會提高加工的速度，因?yàn)樗褂昧溯^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(yīng)用中，一般的原則是波長越短能夠得到的結(jié)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(jìn)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(zhì)使得它們適合于特定的波長；其關(guān)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(jié)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(zhǔn)分子激光器，更長的波長通常意味著運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)成本也越低。

應(yīng)用的多樣化

準(zhǔn)分子激光器在制造業(yè)的應(yīng)用主要在微加工(包括激光打標(biāo))和材料/表面改性。準(zhǔn)分子微加工可以得到小孔，刻線，以及其他三維復(fù)雜的圖案，如果結(jié)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(dá)亞微米量級。

使用短波長使得側(cè)向的精度可達(dá)亞微米量級；然而，實(shí)現(xiàn)亞微米量級不僅依賴于激光性能。它還要求高重復(fù)率的運(yùn)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(shí)，實(shí)際加工時(shí)需要足夠大的視場。

準(zhǔn)分子激光器尤其適合大面積，集中且重復(fù)性強(qiáng)的圖案。例如，在多片模塊上打孔的過程。目前，在這方面的應(yīng)用中，固態(tài)或者CO2激光器與振鏡掃描相結(jié)合的技術(shù)占了主導(dǎo)地位。然而，當(dāng)生產(chǎn)量增大時(shí)，電子元件的結(jié)構(gòu)(包括微通道)會被縮小。在高密度元件數(shù)量增多，微通道尺寸卻減小的這個(gè)方面，準(zhǔn)分子激光圖像制作相比其他直接寫入技術(shù)就更具有競爭力。舉例來說，利用光掩膜技術(shù)與底層的“步進(jìn)和重復(fù)”運(yùn)動相結(jié)合的過程，準(zhǔn)分子激光器每秒可以得到>10000個(gè)過孔。大規(guī)模的并行打孔能力 (如圖1) 還被用來生產(chǎn)過濾器，被用來在噴墨打印機(jī)中進(jìn)行微粒過濾，該特點(diǎn)還被用于生產(chǎn)新一代的醫(yī)學(xué)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(xì)胞培養(yǎng)工具(通常被稱為“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”)，是利用248 nm的準(zhǔn)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(shù)來密閉這些通孔，從而起到密封和導(dǎo)電兩方面效果。 另一個(gè)快速發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域是薄膜直接制備圖形。在這個(gè)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(shí)間內(nèi)被蒸發(fā)，導(dǎo)致了該處薄膜被去除。這個(gè)準(zhǔn)分子“TFA”(薄膜燒蝕過程)在薄膜厚度小于1微米時(shí)結(jié)果最佳。在這些情況中，對薄膜進(jìn)行去除/制圖操作所需的能量小于蒸發(fā)同樣體積的相同材料所需的能量。實(shí)際的例子包括在絕緣基底上的金屬薄膜(厚度達(dá)1000 nm)，它被用于射頻識別電路(RFID)和醫(yī)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(yīng)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(gè)激光脈沖進(jìn)行加工。

準(zhǔn)分子激光器的獨(dú)特性還在于它們可以加工表面和亞表面的材料；其中一個(gè)例子是高碳鋼零件的淬火過程。未經(jīng)退火時(shí)，這些鋼包含了鐵和碳的較大晶體。使用308 nm的準(zhǔn)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(qū)之上，讓原子可以自由在金屬內(nèi)遷移。對于碳素鋼來說，這個(gè)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(shí)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(dú)特的表面，比如該表面可能更堅(jiān)硬，更具有防化學(xué)品腐蝕能力，更為光滑。同時(shí)，整個(gè)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(zhǔn)分子激光被用于鑄鐵柴油機(jī)引擎的汽缸套以得到摩擦力很小的表面。這項(xiàng)Audi公司開發(fā)的應(yīng)用在本刊2005年2月刊中有具體介紹。

另一個(gè)表面加工的應(yīng)用是對CVD金剛石晶片進(jìn)行微加工和磨平操作，因?yàn)槠涠嗑У谋举|(zhì)導(dǎo)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(shí)例包括了對磨損表面，線切割模，散熱片以及切割工具等進(jìn)行三維微加工。在線性化的過程中，193 nm或者248 nm的準(zhǔn)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(gè)表面進(jìn)行作用。簡單的光學(xué)理論表明，平整的表面會產(chǎn)生全反射，而不平整的表面點(diǎn)會導(dǎo)致激光被材料所吸收。這樣得到的結(jié)果是平滑的表面，整個(gè)過程是個(gè)自中斷過程。

使用準(zhǔn)分子激光器所進(jìn)行的工業(yè)加工任務(wù)各不相同，這就促使了激光器產(chǎn)品具有更廣的輸出特性。本質(zhì)上，所有的應(yīng)用都要求具有高可靠性，激光壽命更長，運(yùn)轉(zhuǎn)成本更低。在三方面主要應(yīng)用的促進(jìn)下，激光器制造商已經(jīng)取得了大量重要的技術(shù)進(jìn)步。新一代的準(zhǔn)分子激光器維護(hù)間隔時(shí)間更長，自動調(diào)節(jié)能力更先進(jìn)，所需支的擁有成本也更低。

Ruediger Hack和Matthew Philpott ([email protected])來自美國相干公司(Santa Clara，CA)。網(wǎng)址：www.coherent.com。Jeff Sercel來自美國JP Sercel Associates公司(Hollis，NH)。