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1、超快激光开辟加工应用新天地 自1960年代激光技术问世以来，其应用范围早已愈来愈广，激光在加工方面具有加工精细、生产效率高、适用范围广及易自动化等优点，因此对很多应用产业包括印刷电路板、太阳能电池和平面显示器产业等，特别具有影响力。而受近年3C产品朝向轻薄短小与多功整合发展趋势影响，微制程更成为电子产业再升级的关键，而激光具有可在物件极微小区域范围内进行加工动作的特性，可用来取代一些传统制程所无法完成的工作项目，因此特别受到广泛注目。微激光加工制程技术依激光光脉冲宽度可区分为：飞秒级（fs）、皮秒级(ps)及奈秒级(ns)激光等，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳
2、激光打标机,东莞激光打标机一般次皮秒级和飞秒级属於超快激光加工。飞秒级激光由美国Clark-MXR公司生产的激光加工机为主，产品尺寸精度可达奈米等级(约50nm)。相较於传统激光(奈秒级)容易发生热效应的微裂缝、融熔残渣、重铸区、精度差的缺点激光打标机，飞秒激光所具备的超强、超快、超微物理特性，使其在IC半导体、显示器、生医、太阳光电、微机电等产业深具突破性的应用潜力。超短脉冲激光(或称超快激光)之所以能达成高品质之微加工制程乃因於此超短脉冲於加工物质上的作用机制。超短脉冲的光交互作用机制与传统激光脉冲完全不同，以下我们将基於相同的微加工过程而唯有脉冲时间不同的基础下做详细比较。首先，我们可以
3、了解微加工的品质强烈地取决於工件上的热堆积程度，或更精准地说是依热的能量所留在材料上所带来的破坏。而超短脉冲则远远比任何标准要来的短的多，所以能量并没有足够的时间经由热传导等机制扩散至加工点外的区域。如此高的能量在如此快的时间内聚积在材料中，将导致所谓电浆化的反应，此电浆随即从材料中以高能量气体形式带着大部分的热能飞散而出。过程中，材料是由固态不经液态直接转换成气态溅散，所以几乎没残留什麽热在材料上，加工品质因此非常理想。没有任何激光打标机其他的加工模式能够产生如此高的能态，所以拥有此独特能力的超快激光才能达成有别於传统激光加工所达不到的加工精度。首先我们要先了解传统激光加工的原理，如此我们才
4、能更进一步理解超快激光加工技术的不同之处。当然我们必须阐明这些是很复杂的，甚至有些部分在物理上来说都还不是完全地被了解了。尽管如此，我们确实了解到极短脉冲在物质上的交互作用与传统激光加工是完全不一样的。例如，我们已经知道超快激光脉冲在物质的交互作用上具有极高的再现性(我们将在後面讨论其原因)，这一发一发具再现性的结果也使得微加工能获得极高的品质。首先要从了解一些我们不是那麽熟悉的时间尺度开始，以下是一些短时间的尺度定义：毫秒、微秒、奈秒、皮秒及飞秒。飞秒是奈秒的百万分之一。是的！那是一个非常快的时间，所以我们称其为超快。一般常见的传统激光加工机的激光脉冲大约是几个奈秒，所以飞秒激光的脉冲大约仅
5、有百万分之一，那麽短、那麽快！ 为了方便讨论的缘故，我们较武断地将光与物质的交互作用物理机制分成两种时间范围，一种是激光脉冲非常非常短(称为超短或超快脉冲)，而另一种则是没那麽短(相对上称其为长脉冲)。一般将超短或超快脉冲定义为小於大约10皮秒甚至短於一个皮秒，而大於10皮秒则归类於长脉冲。长脉冲激光可能是连续波、半连续波或是Q开关激光，只要他们发出的激光光符合我们此处的定义。事实上，目前市面上几乎所有商用激光激光打标机都属於我们所定义的长脉冲激光的范畴，就让我们先来看看长脉冲激光的加工机制。长脉冲与物质交互作用的基本方式为藉由激光所带来的热堆积在脉冲时域内扩散至材料上，如图一所示。技术上来说
6、，激光的脉冲宽度比热扩散时间来的长，若是做激光焊接，这将是一个很好的现象，但对其他大多数微加工来说，周围材料上热扩散的效应就不是我们所乐见的了。为甚麽呢？以下我们来探讨许多会因热扩散伤害到加工品质的因素。图1 长脉冲雷射加工物理机制热扩散会降低微加工制程上的效率，因为将能量带离加工点，而使其降低了原本应完全用来移除材料的能量。试想一下，若是水桶中有个洞不断地让水漏出来，就得补更多的水来平衡所漏出的部分。当材料的热传导系数愈高，就像是水桶中的洞愈大，就得补愈多的水进桶中把他补满。1 热扩散也会降低聚焦点(加工点)的温度，导致加工温度只略高於材料熔点。材料的移除是基於高能集中於加工使其熔融部分进而
7、蒸发，如图一所示，溅射出来的微珠会再掉落回加工务表面进而污染样品，此污染物甚至可能相当大。因为残留的温度更会使其牢牢地黏附在加工件上，使得清理上非常困难，甚至造成加工件的破损。2 热效应亦会降低加工精度。一般来说，热会从聚焦点往外扩散，使得熔融区域将远大於雷射聚焦点尺寸，因此很难做到微细加工。换句话说，材料的移除飞溅区将不仅局限於光束本身的聚焦点大小，所以即使雷射点大小能到达1微米甚至更小，但在很多的材料上是无法做出小於10微米直径大小的。 3 热扩散会影响加工点周微一个很大的区域，一般我们称之为热影响区(heat-affected zone或HAZ)。热能波(或衍生而来的冷却波)将於热影响区
8、内传播，引起机械应力，且可能产生激光打标机微裂缝(甚至大裂缝)，如图一所示。随着材料冷却，这些缺陷将”冻结”在结构内部。而之後在使用时，这些裂缝可能会更加延伸至块材深处进而导致元件提早失效。另一个具有相当程度关联性的现象是加工孔洞周围重铸区的形成，此区重新凝固的材料与原本未熔融的材料在物理甚至化学特性上有极大的不同，重铸区的机械结构性也较为脆弱，因此几乎都需要在加工後加以移除。在某些应用上，例如动脉支架的精密加工，为了能在人体内使用，此重铸区(又称熔渣)必须经过多道繁复、昂贵的後清理制程。4 有时热扩散也会导致表面震波的形成，而导致元件加工区附近的结构或多层膜材料受损。当震波的振幅随着加工材料
9、改变时，通常在制程上愈多的能量堆积会导致愈强的震波形成。显而易见地，热扩散会伴随着多种物理或化学现象而影响微加工制程，因此该如何降低甚至除去热扩散的效应是制程上极为重要的课题。图2 长脉冲雷射加工於1mm厚度之Invar合金雷射加工还有一些限制，例如，毫无意外地传统雷射并无法加工透明材料。但是超快雷射办的到！超快雷射能够加工透明材料。所以，若以市面上长脉冲雷射做微加工，热扩散效应将支配着加工制程，伴随着许多我们不希望见到的效应而降低了加工的品质。 Invar(一种镍铁合金)在室温下具有极低的热膨胀系数，因此常用於需要高度稳定的机械设计上。图二的样品是以长脉冲雷射(雷射参数为脉冲宽度8奈秒，能量
10、0.5毫焦耳，未施以气体喷嘴)加工後的结果。很明显的，在此条件下的加工制程看起来无法让人满意激光打标机，在加工区边缘可以看到很清楚的重铸区，还有大块的熔渣残附在加工区边缘。当然我们可以试着用某些种类的气体喷嘴在加工过程中加以协助，但需注意的是，喷嘴虽然能物理性地将熔融物从加工区移除达到清洁性较好的切割结果，但也可能交互污染下游样品。图3 热影响区(HAZ)在长脉冲雷射加工下产生的熔渣我们接着讨论超快雷射脉冲的加工移除制程，基本的特徵在於雷射脉冲照射过程中，光与物质的交互作用是在极快速的时间内完成，因此热的堆积并没有足够的时间从加工点扩散到其他区域。雷射脉冲时间比热扩散的时间还短，通常这是非常罕
11、见的也是非常吸引人的特点，而这几乎只有超快雷射能办到。1 因为能量根本没足够的时间扩散开来，可以大幅提升机械加工的效率。例如上述水桶的例子，就像没有了会漏水的那个孔，雷射的能量就无处可跑(更精准的说是没有时间传到别处)，激光打标机不断地在加工点累积，几乎在瞬间让温度上升到材料的熔点、然後很快地远远超过沸点。事实上，温度直接爬升至所谓的电浆区，听起来神奇，正因为这不是一个平常的科技经验。2 超快雷射能够带来一个难以置信的尖峰功率，通常可达到百亿瓦级(10 GigaWatt，这甚至比一个大型核电厂的平均功率来得高)，因此在加工点每平方公分的雷射强度可轻易地超数百兆瓦。毫无疑问的，目前还没甚麽其他人
12、造的物品能达到如此高的功率强度。3 所以没有甚麽材料能够承受如此高的功率强度，也就是说，我们可以以超快雷射的脉冲去加工非常硬或熔点非常高的材料，例如钼(Molybdenum)跟铼(Rhenium)等。图4 超快脉冲雷射作用机制在此缺少热扩散效应的机械加工制程中，还有哪些作用产生呢？以超快雷射的脉冲使得材料表面产生电浆化之後，内部力量产生的压力会形成一股爆炸性的烟缕而往外喷散，原本材料原子间的内聚力远远不足承受高浓度的离子(带电荷的原子)及电子从表面爆发激光打标机开来。因为电子比起离子来得轻且较具有动能，所以会在此过程中先快速喷离材料，然後才是离子的喷发，因为这些都是带正电的离子，所以因互斥的力
13、量喷离材料。当然，此过程不会有微滴凝结於材料周围，而且，没有熔融的过程自然没有飞溅的材料污染附近的表面。图5 两种雷射加工於1mm厚度之Invar合金接下来我们将叙述更多飞秒雷射在微加工制程上的优势，我们以上述1公厘厚的Invar(镍铁)合金，在相同的条件下改以200飞秒，0.5毫焦耳的超快雷射来加工，很明显的，从图五的结果可以看出来，超快脉冲的加工面乾净很多，不仅看不到重铸区，边缘较直，而且没有污染物附着的问题，我们能轻易的做出超快脉冲加工品质较优、加工效率较高的结论。 影响加工制程效率的因素尽管超快雷射加工大部分的独特优势能以不具热扩散来加以解释，但仍有一些非常重要的特性，诸如每发激光打标
14、机超高重复性、次微米结构加工能力、透明材料加工能力，必须让我们审视超快脉冲与物质交互作用时的更详细物理原理。除了热扩散、加工雷射光的波长及雷射聚焦点相对加工件的位置之外，加工制程中的随机(Stochastic)或肯定(Deterministic)模型也将决定加工精度。图6 长脉冲与材料间交互作用机制如图六所示，我们在此将雷射脉冲视为一种电磁波，电磁波的频率相当於雷射脉冲的”颜色”，而波包的长度即为雷射的脉冲宽度，波的振幅则为雷射的尖峰功率。当光学波包(即此雷射脉冲)进入加工材料，即开始造成电子受激振荡。束缚电子因受限於固定位置，所以仅产生小幅度的摆动，相对的，未受束缚的自由电子一旦受激便将强烈
15、振荡起来，而且偶而会碰撞到附近的原子。如果雷射场的强度够大，则会把电子束缚的能阶中踢出，如此便有了两个自由电子；相同的这两个自由电子可能再去撞出另两个附近原子中的电子，如此一直反覆下去。这类的倍增效应一般称之为雪崩效应，而此过程中产生了电子及离子化的原子，所以我们称其为”雪崩离子化”。全部的过程如图六所示，一开始时，至少必需有一个以上的自由电子存在电磁场中，若没有自由电子，就没有雪崩过程的重要开始，也就无法完成材料的加工。金属材料中有非常充分的自由电子激光打标机，所以雪崩过程几乎是马上发生，所以加工之再现性极佳(但仍会有热扩散的问题)。在半导体或绝缘体内的自由电子相对非常少，所以雪崩过程不见得
16、马上发生，这取决於光束是否打到自由电子。假设一开始时电磁场内存在一些自由电子，那加工会显得敝较有效率；倘若没有，则雪崩不会开始，所以加工的过程就必须靠些运气。这当中先天性存在的物理性变异，将导致加工的不稳定性，即使雷射是非常稳定、每发的聚焦点大小及能量都一模一样，加工的结果仍然会有所不同，因此当我们想做一些非常微细的加工时，这将是一个非常严重的限制。 对於此现象我们能做些甚麽?我们有办法战胜这物理作用吗？是的，这是可能的！假如我们能以某种方法去创造出一个先天具有很大量自由电子的环境，则原本自然产生的自由电子是否存在於电磁场中就不再是一个重要的因素了。重要的是自由电子的总数，而非原本的数量。那我们要如何创造出很大量的自由电子呢？ 至少有两种方法，而此两种皆依照以下的原理：其实工件中原本就已经存在大量的电子，
