什么是光學(xué)加工

【專家解說】：由于激光具有方向性好，高能量和單色性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，自六十年代問世以來，就受到科研領(lǐng)域的高度重視，推動(dòng)了諸多領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，尤其是激光在加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的激光加工機(jī)在工業(yè)產(chǎn)品中，已得到了廣泛應(yīng)用，近年來在激光微加工方面也受到廣泛重視。

激光微加工對(duì)生產(chǎn)具有小孔或細(xì)小溝槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子器件、醫(yī)療和汽車制品有重大意義。因?yàn)檫@類產(chǎn)品孔的直徑和溝槽尺寸越來越小，而這些尺寸的公差越來越嚴(yán)格。只有激光才能滿足對(duì)微加工零件提出的從1μm到1mm的所有要求。激光加工熱作用區(qū)域小，可以準(zhǔn)確地控制加工范圍和深度，保證高的重復(fù)性，良好邊緣和廣泛的通用性[1]。

在微系統(tǒng)制造中，人們廣泛采用硅各向異性刻蝕和LIGA(利嗄)技術(shù)加工各種微型結(jié)構(gòu)。前者適合加工硅的二維結(jié)構(gòu)和小深寬比的三維結(jié)構(gòu)；后者能夠加工精密的三維結(jié)構(gòu)，不僅適用于硅而且也適用于加工金屬、塑料和陶瓷。然而這種技術(shù)要求的條件比較苛刻，它需要同步輻射X射線源，而且模的制作也很復(fù)雜，因此很難普及。還有一點(diǎn)也必須指出，LIGA工藝與IC不兼容，這在一定程度上限制了它的使用。

90年代初發(fā)展起來的激光微加工工藝既能加工出較為復(fù)雜的微型結(jié)構(gòu)，且所要求的條件又不那么苛刻，在實(shí)驗(yàn)室和工廠較容易實(shí)現(xiàn)[2]。

激光微加工所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域較寬，本文著重介紹激光束在UV（紫外）波段或532nm和1.06μm段激光微加工的應(yīng)用,工作狀態(tài)為脈沖狀態(tài),加工應(yīng)用的范圍為微電子和微機(jī)械（MEMS）。激光束的其它應(yīng)用不在本文贅述。

2.脈沖激光直接微加工技術(shù)

脈沖激光直接微加工技術(shù)是利用高能量激光脈沖對(duì)固體直接加工，主要是基于激光燒蝕過程。在燒蝕過程中，固體材料所吸收的激光能量使材料從加工表面噴射出來。激光和固體間的燒蝕作用與固體材料以及脈沖激光參數(shù)密切相關(guān)。脈沖激光參數(shù)主要包括激光的波長、脈沖寬度和脈沖強(qiáng)度。在適宜的條件下，幾乎所有的固體材料脈沖激光都能夠加工，而且現(xiàn)在經(jīng)研究已經(jīng)建立了多種材料的脈沖激光加工參數(shù)[3]。

圖一(a)所示的是一種常見的準(zhǔn)分子激光加工設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)。激光光束經(jīng)過一系列器件，包括快門、可調(diào)衰減器、光束整形器和歸一化器，最后照射到掩模上。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，光束整形器改變光束形狀，使其近似為正方形，然后歸一化器再把光分成許多光束，每束光從不同方向照射掩模（圖一(b)）。這不僅提高了光照射的均勻性，同時(shí)也引入了離軸元件。離軸光照射可以完成垂直結(jié)構(gòu)甚至鉆蝕結(jié)構(gòu)的加工，而使用傳統(tǒng)的平面光照射無法加工出這樣的結(jié)構(gòu)。在整個(gè)系統(tǒng)中一般需要一些輔助設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)直，比如CCD視頻傳感器或獨(dú)立的非線性顯微鏡。

脈沖激光直接微加工技術(shù)的主要特點(diǎn)之一是能夠加工復(fù)雜的三維表面輪廓。對(duì)不同的掩模進(jìn)行多次曝光可以加工階梯式多級(jí)結(jié)構(gòu)，而在曝光時(shí)間內(nèi)掃描掩模可以完成連續(xù)切削，也可以用半色調(diào)掩模直接進(jìn)行投影燒蝕來完成連續(xù)切削[4]。掩模和工件一般都安裝在步進(jìn)馬達(dá)控制的精密移動(dòng)平臺(tái)上，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描操作。在加工過程中可以改變其它脈沖激光參數(shù)，比如激光光通量和重復(fù)頻率。此外，還可以通過改變數(shù)值孔徑NA來改變離軸照射的最大視角，見圖一(b)，從而可以在恒定的激光光通量條件下加工不同側(cè)壁角度的結(jié)構(gòu)。

圖一(a)準(zhǔn)分子激光加工設(shè)備框圖 (b)光學(xué)系統(tǒng)圖

脈沖激光直接微加工技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是可以加工多種材料[5]，尤其適用于聚合物材料的加工。大多數(shù)聚合物在激光的頻譜內(nèi)都有很強(qiáng)的能量吸收，保證了激光與工件間的能量耦合，而相對(duì)較低的熱傳導(dǎo)性又保證了燒蝕過程中的熱量擴(kuò)散和受熱影響的區(qū)域很小。大多數(shù)情況下，可以得到很好的表面光潔度，附加損失(熔化和碎屑)也可達(dá)到最小，這是許多其它材料不具備的特性。例如，由于金屬的反射率和熱傳導(dǎo)率較高，用脈沖激光加工具有很高的燒蝕閥值，加工過程中有嚴(yán)重的附加損耗。但是，如果加工對(duì)象是沉積在導(dǎo)熱性較差的基體表面的金屬薄膜時(shí)，用脈沖激光就可以得到很好的加工效果。

脈沖激光直接加工MEMS器件中最成功的例子是噴墨打印頭的加工[6]。另外，脈沖激光很高的峰值功率和3D結(jié)構(gòu)加工能力也可應(yīng)用到微流控芯片的加工中。微流控芯片中的主要部件，像微通道、微過濾器、微攪拌器和微反應(yīng)器都需要3D結(jié)構(gòu)(或至少2.5D)。此外，作為微流控芯片的材料，聚合物比硅基底的材料更適于用脈沖激光進(jìn)行微加工。

MEMS直接加工的例子最近也有報(bào)道，如在硅底上制作雙壓電晶片微執(zhí)行器[7]以及多層磁性材料執(zhí)行器[8]等。另外，飛秒激光微加工技術(shù)發(fā)展也很快[9]。由于飛秒激光有很高的能量密度，這使得它在MEMS加工中的某些方面具有很好的應(yīng)用前景，比如利用標(biāo)準(zhǔn)的透明材料與高能量多光子的劇烈作用可以在透光材料上加工微結(jié)構(gòu)。

2.1直接加工

這里所用的術(shù)語“直接加工”是用來描述用激光束聚焦點(diǎn)來進(jìn)行材料加工的過程。這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于對(duì)高精度和小尺寸有要求的微機(jī)械加工，包括燃料注入器的鉆孔、氣體傳感器的鉆孔、太陽能電池的刻畫以及MEMS的原型處理。工件是用檢流掃描儀和可移動(dòng)平臺(tái)隨著光束移動(dòng)，同時(shí)用激光加工，從而得到預(yù)期的圖案。加工速度通過調(diào)節(jié)檢流掃描儀可達(dá)10ms-1 [10]。

圖二：（a）用檢流掃描儀和X-Y可移動(dòng)平臺(tái)的直接加工的示意圖 （b）MicrAlater M1000 直接加工的激光器設(shè)備

2.2 鉆孔

使用在X-Y平臺(tái)或檢流掃描儀上的聚焦激光束的一系列的孔的加工在燃料注入器、氣體傳感器、微小電路板和探測(cè)器卡片的鉆孔都有廣泛應(yīng)用。圖三顯示的就是用來IC（integrated circuit）測(cè)試的探測(cè)器卡片的一部分。100μm孔是在500μm厚的硅氮化物晶體上用355nm的ND:YAG激光鉆孔的。使用AblataCAM軟件能將文件直接轉(zhuǎn)化成激光器設(shè)備加工過程。利用這項(xiàng)技術(shù)能在探測(cè)器卡片上加工幾乎任何形狀的孔。

圖三：（a）在硅氮晶體探測(cè)器卡片上的用來IC測(cè)試的100μm孔 b）在硬質(zhì)鋼上用來燃料注入的孔

發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)低損耗和更佳的燃料利用率需求，引起對(duì)更小的孔和更厚的有壁燃料注入器的深入研究。由于傳統(tǒng)EMD技術(shù)對(duì)于柴油機(jī)注入器的鉆孔的限制，使得激光加工技術(shù)成為下一代柴油機(jī)引擎的關(guān)鍵技術(shù)?？椎闹睆綖?0-100μm公差為±1.5μm，錐角小于0.5度。圖三（b）顯示的是用Nd:YAG激光器在532nm在柴油機(jī)注入器上加工的孔。

2.3太陽能板加工

在1.06μm波上工作的激光器設(shè)備，其典型的能量為幾十瓦，廣泛的應(yīng)用于薄膜太陽能板的玻璃底層上的精細(xì)線性雕合。這種過程和發(fā)射技術(shù)的結(jié)合與BTS能夠使太陽能板在高速的情況下能保持非常高的精度和準(zhǔn)確率。圖四（a）是無定型硅薄膜在雙激光系統(tǒng)（1.06μm和532nm）下的加工過程的示意圖。IR YAG激光束用來在ITO層上劃近似30μm寬的線，接著α－Si的沉積和可見YAG激光束在盤的附近穿過α－Si層來加工50μm直徑的相互連接。而ITO層是不受加工過程影響的。接著鋁電極層沉積，用可見光YAG激光來加工大概25μm寬的軌跡，來完成板的加工過程。太陽能板的樣板的部分加工過程如圖四所示。用580nm來加工400mm板的每一層大概需要1分鐘。

圖四：（a）用雙波長激光系統(tǒng)加工的太陽能板
b）在薄膜α－Si太陽能板上的劃線和相互連接的照片

3.最新研究動(dòng)態(tài)

3.1用于微加工的UV激光鉆孔機(jī)械－Meister 1000DF
MHI出品了最新DUV266nm激光鉆孔機(jī)Meister 1000DF，能在所有新的固體UV－YAG振蕩器上應(yīng)用。用Meister 1000DF能在不同材料、不同工作環(huán)境下進(jìn)行高質(zhì)量的微加工。特點(diǎn)：半導(dǎo)體泵浦固體激光器諧振腔能達(dá)到很高的壽命和具有很高的可靠性，高能量密度266nmUV輸出,能實(shí)現(xiàn)50－200μm直徑的微小鉆孔,高速和裝備了檢流掃描儀[11]。

圖五：加工應(yīng)用的樣品圖
（a）透孔： 直徑100μm 聚酰亞胺樹脂：厚度25μm
（b）透孔：直徑100μm 陶瓷：厚度250μ