常見(jiàn)激光微加工技術(shù)及其進(jìn)展

　　一、引言

　　自1960年第一臺(tái)激光器問(wèn)世以來(lái)，激光的研究及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。其高相干性在高精密測(cè)量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、信息存儲(chǔ)及通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光的高方向性和高亮度可廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)。隨著激光器件、新型受激輻射光源，以及相應(yīng)工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近20年來(lái)，激光制造技術(shù)已滲入到諸多高新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，并開(kāi)始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工業(yè)。

　　1987年美國(guó)科學(xué)家提出了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)發(fā)展計(jì)劃，這標(biāo)志著人類對(duì)微機(jī)械的研究進(jìn)入到一個(gè)新的時(shí)代。目前，應(yīng)用于微機(jī)械的制造技術(shù)主要有半導(dǎo)體加工技術(shù)、微光刻電鑄模造(LIGA)工藝、超精密機(jī)械加工技術(shù)以及特種微加工技術(shù)等。其中，特種微加工方法是通過(guò)加工能量的直接作用，實(shí)現(xiàn)小至逐個(gè)分子或原子的去除加工。特種加工是利用電能、熱能、光能、聲能、化學(xué)能等能量形式進(jìn)行加工的，常用的方法有：電火花加工、超聲波加工、電子束加工、離子束加工、電解加工等等。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)一種可實(shí)現(xiàn)微小加工的新方法：光成型法，包括立體光刻工藝、光掩膜層工藝等。其中利用激光進(jìn)行微加工顯示出巨大的應(yīng)用潛力和誘人的發(fā)展前景。

　　為適應(yīng)21世紀(jì)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿足微觀制造的需要，研究和開(kāi)發(fā)高性能激光源勢(shì)在必行。作為激光加工的一個(gè)分支，激光微加工在過(guò)去十年被廣泛關(guān)注。其中原因之一是由于更加有效的激光源不斷涌現(xiàn)。比如具有非常高峰值功率和超短脈沖固體激光，有很高光束質(zhì)量的二極泵浦的Nd:YAG激光器等。另外一個(gè)原因是有了更為精確、高速的數(shù)控操作平臺(tái)。但一個(gè)更為重要的原因是不斷涌現(xiàn)的工業(yè)需求。在微電子加工中，半導(dǎo)體層的穿孔、寄存器的剪切和電路修復(fù)都用到激光微加工技術(shù)。激光微加工一般所指加工尺寸在幾個(gè)到幾百微米的工藝過(guò)程。激光脈沖的寬度在飛秒（fs）到納秒（ns）之間。激光波長(zhǎng)從遠(yuǎn)紅外到X射線的很寬波段范圍。目前主要應(yīng)用于微電子、微機(jī)械和微光學(xué)加工三大領(lǐng)域。隨著激光微加工技術(shù)的發(fā)展和成熟，將在更廣的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。

　　二、激光微加工技術(shù)的主要應(yīng)用

　　隨著電子產(chǎn)品朝著便攜式、小型化的方向發(fā)展，單位體積信息的提高（高密度）和單位時(shí)間處理速度的提高（高速化）對(duì)微電子封裝技術(shù)提出不斷增長(zhǎng)的新需求。例如現(xiàn)代手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)每平方厘米安裝大約為1200條互連線。提高芯片封裝水平的關(guān)鍵之處就是在不同層面的線路之間保留微型過(guò)孔的存在，這樣通過(guò)微型過(guò)孔不僅提供了表面安裝器件與下面信號(hào)面板之間的高速連接，而且有效地減小了封裝面積。

　　另一方面，隨著近年來(lái)全球手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品向輕、薄、短、小的趨勢(shì)發(fā)展，印制線路板（PCB）逐步呈現(xiàn)出以高密度互連技術(shù)為主體的積層化、多功能化特征。為了有效地保證各層間的電氣連接以及外部器件的固定，過(guò)孔（via）已成為多層PCB的重要組成部分之一。目前鉆孔的費(fèi)用通常占PCB制板費(fèi)用的30%-40%。在高速、高密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者總是希望過(guò)孔越小越好，這樣板上不僅可以留有更多的布線空間。而且過(guò)孔越小，越適合用于高速電路。傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔最小的尺寸僅為100μm，這顯然已不能滿足要求，代而取之的是一種新型的激光微型過(guò)孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工業(yè)上可獲得過(guò)孔直徑達(dá)到在30-40μm的小孔或用UV激光加工10μm左右的小孔。

　　激光微加工技術(shù)在設(shè)備制造業(yè)、汽車(chē)以及航空精密制造業(yè)和各種微細(xì)加工業(yè)中可用激光進(jìn)行切割、鉆孔、雕刻、劃線、熱滲透、焊接等，如20多微米大小的噴墨打印機(jī)的噴墨口的加工。利用諸如微壓型、打磨拋光等激光表面處理技術(shù)來(lái)加工多種微型光學(xué)元件，也可通過(guò)諸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化來(lái)改變組織結(jié)構(gòu)，然后，通過(guò)調(diào)和外部機(jī)械力，再在軟化階段依靠等離子體輔助進(jìn)行微成形來(lái)加工微光學(xué)元件。

　　常用激光微加工技術(shù)

　　激光微加工技術(shù)具有非接觸、有選擇性加工、熱影響區(qū)域小、高精度與高重復(fù)率、高的零件尺寸與形狀的加工柔性等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上，激光微加工技術(shù)最大的特點(diǎn)是“直寫(xiě)”加工，簡(jiǎn)化了工藝，實(shí)現(xiàn)了微型機(jī)械的快速成型制造。此外，該方法沒(méi)有諸如腐蝕等方法帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，可謂“綠色制造”。在微機(jī)械制造中采用的激光微加工技術(shù)有兩類：

　　1)材料去除微加工技術(shù)，如激光直寫(xiě)微加工、激光LIGA等；

　　2)材料堆積微加工技術(shù)，如激光微細(xì)立體光刻、激光輔助沉積、激光選區(qū)燒結(jié)等。

　　2.1激光直寫(xiě)技術(shù)

　　準(zhǔn)分子激光波長(zhǎng)短、聚焦光斑直徑小、功率密度高，非常適合于微加工和半導(dǎo)體材料加工。在準(zhǔn)分子激光微加工系統(tǒng)中，大多采用掩膜投影加工，也可以不用掩膜，直接利用聚焦光斑刻蝕工件，將準(zhǔn)分子激光技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，綜合激光光束掃描與X-Y工作臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及Z方向的微進(jìn)給，可以直接在基體材料上掃描刻寫(xiě)出微細(xì)圖形，或加工出三維微細(xì)結(jié)構(gòu)。目前采用準(zhǔn)分子激光直寫(xiě)方式可加工出線寬為數(shù)微米的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)。另外，利用準(zhǔn)分子激光采取類似快速成型(RP)制造技術(shù)，采用逐層掃描的方式進(jìn)行三維微加工的研究也已取得較好結(jié)果。

　　2.2激光LIGA技術(shù)

　　它采用準(zhǔn)分子激光深層刻蝕代替載射線光刻，從而避開(kāi)了高精密的載射線掩膜制作、套刻對(duì)準(zhǔn)等技術(shù)難題，同時(shí)激光光源的經(jīng)濟(jì)性和使用的廣泛性大大優(yōu)于同步輻射載光源，從而大大降低LIGA工藝的制造成本，使LIGA技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。盡管激光LIGA技術(shù)在加工微構(gòu)件高徑比方面比載射線差，但對(duì)于一般的微構(gòu)件加工完全可以接受。此外，激光LIGA工藝不像載射線光刻需要化學(xué)腐蝕顯影，而是“直寫(xiě)”刻蝕，不存在化學(xué)腐蝕的橫向浸潤(rùn)腐蝕影響，因而加工邊緣陡直，精度高，光刻性能優(yōu)于同步載射線光刻。

　　2.3激光微立體光刻(mSL)技術(shù)

　　它是立體光刻(SLA)工藝這一先進(jìn)的快速成型技術(shù)應(yīng)用到微制造領(lǐng)域中衍生出來(lái)的一種加工技術(shù)，因其加工的高精度與微型化，故稱為微立體光刻(Microstere-olithography或mSL)。同其他微加工技術(shù)相比，微立體光刻技術(shù)最大的特點(diǎn)是不受微型器件或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形狀的限制，可以加工包含自由曲面在內(nèi)的任意三維結(jié)構(gòu)，并且可以將不同的微部件一次成型，省去微裝配環(huán)節(jié)，如圖2所示。此外，該技術(shù)還有加工時(shí)間短、成本低、加工過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，為微機(jī)械批量化生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。該技術(shù)的局限性在于兩方面：

　　精度較低，目前基于快速成型的微加工技術(shù)的最高水平方向的精度在1mm左右，而垂直方向大約為3mm，顯然這一精度無(wú)法同基于集成電路的硅微加工工藝相比。

　　使用材料受到一定的限制，目前的樹(shù)脂材料在電性能、機(jī)械性能、熱性能方面與硅材料相比有一定差距。近年來(lái)，激光微立體光刻技術(shù)得到了大力研究與開(kāi)發(fā)。在提高精度與效率方面有如下發(fā)展方向：

　　1)以面曝光代替點(diǎn)曝光，從而進(jìn)一步縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；

　　2)在材料方面，研究開(kāi)發(fā)出更高分辨率的光固化樹(shù)脂，如已研制出的雙光近紅外光聚合樹(shù)脂為高精度制造奠定了良好基礎(chǔ)；

　　3)在工藝方面，研究開(kāi)發(fā)無(wú)需任何支撐結(jié)構(gòu)或犧牲層的工藝以及與平面微加工工藝的集成，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝，提高加工精度與生產(chǎn)柔性。

　　2.4激光輔助氣相沉積(LCVD)技術(shù)在化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝

　　固化微成型的兩種零件中，固態(tài)物質(zhì)從氣相通過(guò)化學(xué)反應(yīng)沉積在基片表面上。用激光輔助化學(xué)氣相沉積來(lái)制作三維微結(jié)構(gòu)，是將聚焦激光微光束通過(guò)定域加熱基片，啟動(dòng)并維持CVD過(guò)程，在沉積過(guò)程中通過(guò)移動(dòng)基片或激光束，將固體結(jié)構(gòu)以很高的分辨率沉積塑型。塑造幾何形狀時(shí)不受平面投影和平面掃描的局限，能制作出復(fù)雜幾何形狀的立體微結(jié)構(gòu)。以特定方式運(yùn)動(dòng)工件臺(tái)并使激光焦斑運(yùn)動(dòng)速度始終與晶體生長(zhǎng)速度相同，即可做出所需的微結(jié)構(gòu)。

　　2.5激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLS)

　　它是快速成型技術(shù)的一種，具有可加工材料范圍廣且可制作任意復(fù)雜三維形狀的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前，人們嘗試用SLS工藝進(jìn)行微機(jī)械的制造。在SLS工藝中，首先在計(jì)算機(jī)上完成符合需要的三維CAD模型，再用分層軟件對(duì)其進(jìn)行分層得到各層截面，采用自動(dòng)控制技術(shù)，使激光有選擇地?zé)Y(jié)出與計(jì)算機(jī)內(nèi)零件截面相對(duì)應(yīng)部分的粉末，使粉末經(jīng)燒結(jié)融化冷卻凝固成型。完成一層燒結(jié)后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，且兩層之間燒結(jié)相連。如此層層燒結(jié)、堆積，結(jié)果燒結(jié)部分恰好是與CAD原型一致的實(shí)體，而未燒結(jié)部分則是松散粉末，可以起到支撐的作用，并在最后很容易清理掉。燒結(jié)系統(tǒng)的精度受以下因素的影響：激光功率、激光焦斑直徑、掃描速度、粉末顆粒直徑、粉末的各向異性以及燒結(jié)過(guò)程中的溫度控制等。用SLS工藝進(jìn)行三維成形，還可以在一個(gè)微結(jié)構(gòu)內(nèi)集成多種材料完成一定的功能。

　　其他激光微加工技術(shù)

　　脈沖激光刻蝕成型是激光技術(shù)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，它采用短波長(zhǎng)的倍頻激光或皮秒、飛秒激光結(jié)合高精度數(shù)控機(jī)床，刻蝕加工各種材料。用短脈沖在這些材料表面刻蝕，再將材料去除，其表面形成的微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比用長(zhǎng)脈沖加工高得多。2001年德國(guó)HEIDELBERGINSTRUMENTS采用三倍頻(波長(zhǎng)354.7nm)，獲得最小可達(dá)5mm的聚焦光斑，最小可加工特征尺寸為10mm，精度為1mm。圖5為脈沖激光刻蝕在WC/Co上加工的三維形狀。激光焦斑直徑5mm，x，y方向進(jìn)給5mm。每層去除1.3mm，平均表面粗糙度為0.16mm。激光微切割成形，原理上與激光刻蝕相同，也是采用倍頻或飛秒激光為光源，對(duì)光束精細(xì)聚焦，精確控制能量的輸入，熱影響小，進(jìn)行微細(xì)去除切割成形。

　　三、超短脈沖激光在微加工技術(shù)的最新進(jìn)展

　　CO2激光和YAG激光是連續(xù)和長(zhǎng)脈沖激光，主要靠聚焦形成高能量密度，從而在局部產(chǎn)生高溫來(lái)燒蝕材料，基本上屬于熱加工范疇，加工精度有限。準(zhǔn)分子激光則依靠其短波長(zhǎng)(紫外)與材料進(jìn)行光化學(xué)相互作用，其特征尺度可達(dá)到微米量級(jí)，但準(zhǔn)分子激光器所需的氣體是腐蝕性的，難以操控，而且，高強(qiáng)紫外激光對(duì)加工系統(tǒng)的光學(xué)元件容易造成損傷，其應(yīng)用因而受到限制。隨著對(duì)激光領(lǐng)域的深入研究，激光脈沖的時(shí)域?qū)挾缺粔嚎s得越來(lái)越短，從納秒(10-9s)量級(jí)到了皮秒(10-12s)量級(jí)直至飛秒(10-l5s)量級(jí)。

　　飛秒脈沖激光具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)脈沖持續(xù)時(shí)間短。飛秒脈沖的持續(xù)時(shí)間可以短至幾個(gè)飛秒，而光在1fs內(nèi)僅僅傳播0.3μm，比大多數(shù)細(xì)胞的直徑還要短；(2)峰值功率極高。飛秒激光將脈沖能量集中在幾個(gè)至幾百個(gè)飛秒的極短時(shí)間內(nèi)，因此其峰值功率很高。例如，將lμJ的能量集中在幾個(gè)飛秒時(shí)間內(nèi)并會(huì)聚成10μm的光斑，其光功率密度可達(dá)到1018W／cm2，將其換算成電場(chǎng)強(qiáng)度則為2×1012V/m，為氫原子中庫(kù)侖場(chǎng)強(qiáng)(5×1011V／m)的4倍，這就有可能將電子從原子中直接剝離出來(lái)。

　　從激光與透明材料的相互作用機(jī)理來(lái)看，脈沖寬度從連續(xù)激光到幾十皮秒，損傷機(jī)制為雪崩電離過(guò)程，依賴與初始的電子密度，而材料中的初始電子密度由于材料中雜質(zhì)分布的不均勻而變化很大。因此，損傷閾值變化也很大。對(duì)長(zhǎng)脈沖激光損傷閾值定義為可引起損傷幾率為50％的激光能流密度，即長(zhǎng)脈沖激光損傷閾值是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值。超短脈沖激光的場(chǎng)強(qiáng)極高，束縛電子可以同時(shí)吸收n個(gè)光子直接從束縛能級(jí)躍遷到自由能級(jí)。超短脈沖激光引起的損傷雖然也是雪崩電離過(guò)程，但其電子由多光子電離過(guò)程產(chǎn)生，不再依賴于材料中的初始電子密度，因此，損傷閾值是精確值。脈沖激光的損傷閾值是隨脈沖寬度下降而明顯減小，到了皮秒量級(jí)，下降速率變緩，到飛秒量級(jí)時(shí)已基本不變。

　　另外，由于超短脈沖激光的損傷閾值很精確，因此將激光的能量控制在正好等于或略高于損傷閾值，則只有高于損傷閾值的部分產(chǎn)生燒蝕，可進(jìn)行低于衍射極限的亞微米加工。飛秒激光可產(chǎn)生超高光強(qiáng)、具有精確且較低的損傷閾值，很小的熱影響區(qū)、幾乎可精密加工所有種類材料，并且，加工精度極高，可進(jìn)行亞微米尺寸的精密加工。

　　激光微加工生產(chǎn)效率高，成本低，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。飛秒激光以其獨(dú)特的脈沖持續(xù)時(shí)間短、峰值功率高等優(yōu)越性能正在打破以往傳統(tǒng)的激光加工方法，開(kāi)創(chuàng)了材料超精細(xì)、無(wú)熱損傷和3D空間加工和處理的新領(lǐng)域。飛秒激光加工技術(shù)應(yīng)用包括微電子學(xué)、光子晶體器件、高信息傳輸速度（1Tbit/s）的光纖通訊器件、微機(jī)械加工、新型三維光存儲(chǔ)器、以及微細(xì)醫(yī)療器件制作和細(xì)胞生物工程技術(shù)等方面具有廣泛應(yīng)用前景?？梢灶A(yù)言，激光微制造技術(shù)必將以其無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)成為21世紀(jì)迅速發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　在工業(yè)化時(shí)代，世界各國(guó)均以制造出大型機(jī)器而自豪；在信息化時(shí)代，各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家，均致力于微觀物質(zhì)的研究，并制造越來(lái)越小的機(jī)械；而進(jìn)入納米科技時(shí)代，為了適應(yīng)國(guó)防、航空航天、醫(yī)學(xué)和生物工程等方面的發(fā)展，微加工是當(dāng)今制造業(yè)最為活躍的研究方向之一，微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。激光微加工技術(shù)在微加工技術(shù)中越來(lái)越顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性，具有廣闊的發(fā)展前景，我國(guó)必須開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光微制造技術(shù)，才能在未來(lái)的高科技領(lǐng)域占有一席之地。