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《准分子激光器用途日益扩大》

更新时间:2011-10-26 16:19:52
准分子激光器具有独特的材料加工特性,这一特性使得其应用范围日益扩大。

与其他气体激光器不同,准分子激光器在应用方面的数目和种类不断的增多。这是因为,准分子激光器所独有的特性和性能,这使得准分子激光器能满足很多的材料加工的需要。其独有的特性也使得它很好的被用于新兴的技术中。目前,主要有两个方面应用:1) 材料的切除 2) 光学材料的加工,尤其是打孔,划线,微加工,和其他方面的加工,在这些加工中,其特征尺寸缩小且超出了机械加工的范围。准分子材料切除的本质是光烧蚀,它几乎没有热影响区域,而且使用准分子时,切口干净而且轮廓分明。这些特点使得它十分适合进行亚微米范围的微加工。此外,短波长的紫外(UV)准分子辐射很容易被许多材料所吸收,使得它不论对硬质材料(如,硅和陶瓷)还是对软质聚合物都能进行有效加工。紫外准分子激光波长的范围较广,这意味着,基本上对于任何需要加工的材料都能够找到合适的波长。大型的多模平顶准分子光束让大面积图案制作所需的光束整形和掩膜技术成为可能,使得加工效率更高,且能得到复杂的三维图案。

目前,准分子激光器有三个主要的用途:LASIK眼科手术,平板显示器退火,和半导体微光刻。不过,准分子市场的其他部分也是很重要的,包括了许多不同的加工和行业,从对眼镜打标到加工柴油机汽缸套,到电子工业中的打孔都使用了该技术。然而,这“三大”主要的应用有专门的模型,这些模型被优化以满足行业中已很好确立的性能参数,在大量不同的应用中对激光条件有着广泛且多样的要求。这是因为对于一个给定的材料和波长,要进行有效的材料加工就需要在主要的准分子激光性能,脉冲能量(对加工对象的影响),和重复频率之间得到正确的平衡。

选择能量还是重复频率?

起初,大部分工业准分子激光器的主要特点是:合适的重复频率处(几百Hz),激光脉冲能量很高(几百个mJ);或者是高重复频率(100 Hz-2 Hz)而能量为几个mJ。但是,平板显示器制造中低温多晶硅(LTPS)退火技术的成熟推进了高重复频率(达300 Hz)、高脉冲能量(>1 J)激光器的发展,这些技术目前也被用在微加工应用中。例如,可以直接对薄膜进行图案处理,这主要用于电子工业。

另一个重要的方向是节约成本的“迷你”准分子激光器的开发和不断进步,该激光器提供的激光能量约为10 mJ,重复频率最大值为几百个Hz或者更大,光束高度仅为9-10 mm,整个装置很小。现在,这些激光器运行起来十分划算,因为其主要进步在于电极(管)的寿命长,整体效率高,补充气体的间隔时间长。此外,这些激光器使用的气体量更小,并且可以使用小直径的光束传输装置。

独特的性能

准分子激光器输出的矩形光束其最大的尺寸可以达到几个厘米。这一特性,与准分子激光器的高脉冲能量和低重复频率相结合,使得准分子激光器很适合与光掩膜技术结合在大范围内加工得到大量重复的图案(如图1)。与此相反,由许多固态激光器得到的光束通常被聚焦成小光斑,并用振镜进行扫描。这个技术被称为直接写入法(如图2),直接写入法具有的点状的本质让它具有特有的应用范围,比如,圆晶的划线和晶粒的切割。然而,直接写入式微加工其劣势在于,它无法以固定的深度来去除较大面积的材料,因为小光束的逐行扫描会留下刻痕。
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图1. 准分子激光器结合光掩膜可以有效的进行重复性操作,
比如对多个小孔进行并行加工。
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图2. 通常,准分子激光器与光掩膜结合使用,而其他激光器类型使用的是直接写入过程;
然而,迷你型准分子激光器使用了准分子激光光源,让直接写入技术更为实用。
另一个主要的优势是准分子激光器特有的波长范围。比如,准分子可以在深紫外范围(193 nm和157 nm)运行,这个波段在同样级别的功率和能量上对于固态激光器是少见的。

低脉冲能量,高重复频率的准分子激光所具备的柔性使其可用于直接写入加工过程,在一些情况下,使用准分子激光器来进行直接写入更为合适。它能够进行这样的操作部分取决于光束利用因子 (BUF)。BUF是使用的能量除以总的可用能量。比如,一个具有几百毫焦能量的光束被用于只需要低于几个毫焦能量的情况,即这里BUF很低,加工也不经济合理。这些高能量激光器通常运行在低重复频率(几百Hz) 的情况,所以整个加工过程也很慢。

然而,能量较低的迷你型准分子激光器改变了这种情况。比如,JPSA公司已经建成了几个系统,这些系统中,高重复频率的光束是利用了一个掩膜调换设备来传输的。机动化的掩膜调换设备包括了几个简单的光掩膜(有正方形,三角形和不同直径的圆形,以及其他形状,如图3) 。这与CNC(全自动型注射针)研磨系统相类似,该系统配有自动的工具调换装置。在这种情况下,一个小型准分子激光器的BUF比其他较大的准分子激光器要高得多。此外,准分子与DPSS(二极管泵浦固体激光器)相比,它还具有面积大,能量高的特点,而且它具有平顶光束,所以使用掩膜调换装置,其外形可以通过成像而扩大。
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图3. 图示为直接写入式准分子激光器系统,它带有自动调换掩膜装置,
这类似于CNC机器带有工具更换装置。
三维图形的制作可以利用图形掩膜的旋转在表面产生光滑且复杂的形状。比如,三角形绕它的顶点旋转时可以产生一个“V”型的凹槽。正方形旋转可以得到底边平整的凹槽,而圆形旋转则得到抛物面型的底面结构。

波长的选择

准分子激光器提供的输出波长范围为157 nm到351 nm。为特定的目的而选择合适的波长经常需要在各个有关因素中达成平衡,这些因素包括:所得到的产品的质量(具体来说,即边界热效应更小,边缘更平滑,更干净),整体效率,以及加工成本。举例来说,通常,选择最合适的波长不仅会提高整体的质量,也会提高加工的速度,因为它使用了较低的能量来完成同样的工作。

在紫外激光对热敏材料或者高度透明材料的微加工应用中,一般的原则是波长越短能够得到的结果越好。这就是为什么波长为193 nm的激光比更长波长的激光更适合来对玻璃和感光聚合物比如PET,PMMA,以及类似的塑料进行加工,而157 nm更适合Teflon(聚四氟乙烯),聚乙烯塑料和石英的原因。

然而,某种材料的特有性质使得它们适合于特定的波长;其关键在于材料的吸收。比如,Teflon(聚四氟乙烯)被用于外科植入装置的涂层,或是射频装置的绝热器,它对于可见光波段和大部分长波长的紫外光的吸收比较小。对于这种材料,157 nm是最佳波长。对于许多塑料来说,在吸收频谱上最大程度与入射激光相匹配将带来更好的结果和更快的加工。比如,PMMA塑料,对波长222 nm的吸收量最大,这使得常被忽视的KrCl激光(222 nm)成为加工这种材料的最佳选择。

使用准分子激光器,更长的波长通常意味着运行成本更低,成本方面需要考虑激光管寿命,气体寿命,以及光束传输元件。需要记住的是,使用氯化物会比使用氟化物所得到的激光寿命更长,运转成本也越低。

应用的多样化

准分子激光器在制造业的应用主要在微加工(包括激光打标)和材料/表面改性。准分子微加工可以得到小孔,刻线,以及其他三维复杂的图案,如果结合有效反馈( 比如,用激光测量)来控制光的输入,加工精度在深度方向可达亚微米量级。

使用短波长使得侧向的精度可达亚微米量级;然而,实现亚微米量级不仅依赖于激光性能。它还要求高重复率的运动控制,通常使用带空气轴承的平台来移动基底和镜片,镜片移动需要考虑到足够的焦深,同时,实际加工时需要足够大的视场。

准分子激光器尤其适合大面积,集中且重复性强的图案。例如,在多片模块上打孔的过程。目前,在这方面的应用中,固态或者CO2激光器与振镜扫描相结合的技术占了主导地位。然而,当生产量增大时,电子元件的结构(包括微通道)会被缩小。在高密度元件数量增多,微通道尺寸却减小的这个方面,准分子激光图像制作相比其他直接写入技术就更具有竞争力。举例来说,利用光掩膜技术与底层的“步进和重复”运动相结合的过程,准分子激光器每秒可以得到>10000个过孔。大规模的并行打孔能力 (如图1) 还被用来生产过滤器,被用来在喷墨打印机中进行微粒过滤,该特点还被用于生产新一代的医学呼吸器,它目前正接受美国食品与药物管理局(FDA)的评估。

微型化的细胞培养工具(通常被称为“芯片上的实验室”),是利用248 nm的准分子激光器在聚碳酸酯和其他塑料上制作而成的。这里,可以使用单束激光来得到微型坑和微通道,以及微米量级的通孔(如图4)。然后使用金属沉积技术来密闭这些通孔,从而起到密封和导电两方面效果。
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图4. 微流体装置被用于药物发明和开发应用中,在该装置上,
利用248 nm的准分子激光可以得到微型坑和微通道,它们被用于实现密封的电路连接,
如图中聚碳酸酯样品所示。
另一个快速发展的应用领域是薄膜直接制备图形。在这个过程中,激光能量穿过薄膜,基底材料与薄膜的交界处被底部材料吸收。在交界面处,材料在短时间内被蒸发,导致了该处薄膜被去除。这个准分子“TFA”(薄膜烧蚀过程)在薄膜厚度小于1微米时结果最佳。在这些情况中,对薄膜进行去除/制图操作所需的能量小于蒸发同样体积的相同材料所需的能量。实际的例子包括在绝缘基底上的金属薄膜(厚度达1000 nm),它被用于射频识别电路(RFID)和医疗传感器上。需要的话,金属薄膜的厚度可以通过低成本的电镀过程来增加。其他组合还包括在金属上加工绝缘体,在陶瓷上加工聚合物,甚至在聚合物上加工聚合物。大部分的应用是采用卷带式(reel-to-reel)的操作方式,在这里每片薄膜由单个激光脉冲进行加工。

准分子激光器的独特性还在于它们可以加工表面和亚表面的材料;其中一个例子是高碳钢零件的淬火过程。未经退火时,这些钢包含了铁和碳的较大晶体。使用308 nm的准分子激光器可以在微观层面上,使表面的金属层升到共熔区之上,让原子可以自由在金属内迁移。对于碳素钢来说,这个过程仅涉及碳和铁。这里的硬化过程是将相同的主要元素留在表面,而核心材料仍然保持未淬火时的延展性。

对于其他高度可淬火性合金材料,比如铬(或者其他金属)可以移到表面,从而形成独特的表面,比如该表面可能更坚硬,更具有防化学品腐蚀能力,更为光滑。同时,整个零件本身不受影响,仍然保持这些钢材特有的延展性。308 nm的准分子激光被用于铸铁柴油机引擎的汽缸套以得到摩擦力很小的表面。这项Audi公司开发的应用在本刊2005年2月刊中有具体介绍。

另一个表面加工的应用是对CVD金刚石晶片进行微加工和磨平操作,因为其多晶的本质导致了表面不平整。193 nm适用于加工高纯度的金刚石。高精度微加工的实例包括了对磨损表面,线切割模,散热片以及切割工具等进行三维微加工。在线性化的过程中,193 nm或者248 nm的准分子激光被整形成直线状,然后被定位,以便在临界角或者小于临界角情况下对整个表面进行作用。简单的光学理论表明,平整的表面会产生全反射,而不平整的表面点会导致激光被材料所吸收。这样得到的结果是平滑的表面,整个过程是个自中断过程。

使用准分子激光器所进行的工业加工任务各不相同,这就促使了激光器产品具有更广的输出特性。本质上,所有的应用都要求具有高可靠性,激光寿命更长,运转成本更低。在三方面主要应用的促进下,激光器制造商已经取得了大量重要的技术进步。新一代的准分子激光器维护间隔时间更长,自动调节能力更先进,所需支的拥有成本也更低。

Ruediger Hack和Matthew Philpott (matthew.philpott@coherent.com)来自美国相干公司(Santa Clara,CA)。网址:www.coherent.com。Jeff Sercel来自美国JP Sercel Associates公司(Hollis,NH)。
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