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由于激光具有方向性好高能量和單色性好等系列優(yōu)點自六十年代問世來受科研領(lǐng)域高度重視推動了諸多領(lǐng)域迅猛發(fā)展尤其激光加工領(lǐng)域應(yīng)用傳統(tǒng)激光加工機(jī)工業(yè)產(chǎn)品已得了廣泛應(yīng)用近年來激光微加工方面也受廣泛重視
激光微加工對生產(chǎn)具有小孔或細(xì)小溝槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜電子器件、醫(yī)療和汽車制品有重大意義因類產(chǎn)品孔直徑和溝槽尺寸越來越小而些尺寸公差越來越嚴(yán)格只有激光才能滿足對微加工零件提出從1μm1mm所有要求激光加工熱作用區(qū)域小準(zhǔn)確地控制加工范圍和深度保證高重復(fù)性良好邊緣和廣泛通用性[1]
微系統(tǒng)制造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)前者適合加工硅二維結(jié)構(gòu)和小深寬比三維結(jié)構(gòu)；者能夠加工精密三維結(jié)構(gòu)僅適用于硅而且也適用于加工金屬、塑料和陶瓷而種技術(shù)要求條件比較苛刻需要同步輻射X射線源而且模制作也復(fù)雜因此難普及還有點也必須指出LIGA工藝與IC兼容定程度上限制了使用
90年代初發(fā)展起來激光微加工工藝既能加工出較復(fù)雜微型結(jié)構(gòu)且所要求條件又苛刻實驗室和工廠較容易實現(xiàn)[2]
激光微加工所涉及應(yīng)用領(lǐng)域較寬本文著重介紹激光束UV（紫外）波段或532nm和1.06μm段激光微加工應(yīng)用,工作狀態(tài)脈沖狀態(tài),加工應(yīng)用范圍微電子和微機(jī)械（MEMS）激光束其應(yīng)用本文贅述
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)利用高能量激光脈沖對固體直接加工主要基于激光燒蝕過程燒蝕過程固體材料所吸收激光能量使材料從加工表面噴射出來激光和固體間燒蝕作用與固體材料及脈沖激光參數(shù)密切相關(guān)脈沖激光參數(shù)主要包括激光波長、脈沖寬度和脈沖強(qiáng)度適宜條件下幾乎所有固體材料脈沖激光都能夠加工而且現(xiàn)經(jīng)研究已經(jīng)建立了多種材料脈沖激光加工參數(shù)[3]
圖(a)所示種常見準(zhǔn)分子激光加工設(shè)備主要結(jié)構(gòu)激光光束經(jīng)過系列器件包括快門、調(diào)衰減器、光束整形器和歸化器照射掩模上結(jié)構(gòu)光束整形器改變光束形狀使其近似正方形歸化器再把光分成許多光束每束光從同方向照射掩模（圖(b)）僅提高了光照射均勻性同時也引入了離軸元件離軸光照射完成垂直結(jié)構(gòu)甚至鉆蝕結(jié)構(gòu)加工而使用傳統(tǒng)平面光照射無法加工出樣結(jié)構(gòu)整系統(tǒng)般需要些輔助設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)直比CCD視頻傳感器或獨立非線性顯微鏡
脈沖激光直接微加工技術(shù)主要特點之能夠加工復(fù)雜三維表面輪廓對同掩模進(jìn)行多次曝光加工階梯式多級結(jié)構(gòu)而曝光時間內(nèi)掃描掩模完成連續(xù)切削也用半色調(diào)掩模直接進(jìn)行投影燒蝕來完成連續(xù)切削[4]掩模和工件般都安裝步進(jìn)馬達(dá)控制精密移動平臺上通過計算機(jī)實現(xiàn)自動掃描操作加工過程改變其脈沖激光參數(shù)比激光光通量和重復(fù)頻率此外還通過改變數(shù)值孔徑NA來改變離軸照射大視角見圖(b)從而恒定激光光通量條件下加工同側(cè)壁角度結(jié)構(gòu)
圖(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)另特點加工多種材料[5]尤其適用于聚合物材料加工大多數(shù)聚合物激光頻譜內(nèi)都有強(qiáng)能量吸收保證了激光與工件間能量耦合而相對較低熱傳導(dǎo)性又保證了燒蝕過程熱量擴(kuò)散和受熱影響區(qū)域小大多數(shù)情況下得好表面光潔度附加損失(熔化和碎屑)也達(dá)小許多其材料具備特性例由于金屬反射率和熱傳導(dǎo)率較高用脈沖激光加工具有高燒蝕閥值加工過程有嚴(yán)重附加損耗加工對象沉積導(dǎo)熱性較差基體表面金屬薄膜時用脈沖激光得好加工效
脈沖激光直接加工MEMS器件成功例子噴墨打印頭加工[6]另外脈沖激光高峰值功率和3D結(jié)構(gòu)加工能力也應(yīng)用微流控芯片加工微流控芯片主要部件像微通道、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)此外作微流控芯片材料聚合物比硅基底材料更適于用脈沖激光進(jìn)行微加工
MEMS直接加工例子近也有報道硅底上制作雙壓電晶片微執(zhí)行器[7]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)展也快[9]由于飛秒激光有高能量密度使得MEMS加工某些方面具有好應(yīng)用前景比利用標(biāo)準(zhǔn)透明材料與高能量多光子劇烈作用透光材料上加工微結(jié)構(gòu)
2.1直接加工
里所用術(shù)語直接加工用來描述用激光束聚焦點來進(jìn)行材料加工過程項技術(shù)廣泛應(yīng)用于對高精度和小尺寸有要求微機(jī)械加工包括燃料注入器鉆孔、氣體傳感器鉆孔、太陽能電池刻畫及MEMS原型處理工件用檢流掃描儀和移動平臺隨著光束移動同時用激光加工從而得預(yù)期圖案加工速度通過調(diào)節(jié)檢流掃描儀達(dá)10ms-1 [10]
圖二：（a）用檢流掃描儀和X-Y移動平臺直接加工示意圖 （b）MicrAlater M1000 直接加工激光器設(shè)備
2.2 鉆孔
使用X-Y平臺或檢流掃描儀上聚焦激光束系列孔加工燃料注入器、氣體傳感器、微小電路板和探測器卡片鉆孔都有廣泛應(yīng)用圖三顯示用來IC（integrated circuit）測試探測器卡片部分100μm孔500μm厚硅氮化物晶體上用355nmND:YAG激光鉆孔使用AblataCAM軟件能文件直接轉(zhuǎn)化成激光器設(shè)備加工過程利用項技術(shù)能探測器卡片上加工幾乎任何形狀孔
圖三：（a）硅氮晶體探測器卡片上用來IC測試100μm孔 b）硬質(zhì)鋼上用來燃料注入孔
發(fā)動機(jī)對低損耗和更佳燃料利用率需求引起對更小孔和更厚有壁燃料注入器深入研究由于傳統(tǒng)EMD技術(shù)對于柴油機(jī)注入器鉆孔限制使得激光加工技術(shù)成下代柴油機(jī)引擎關(guān)鍵技術(shù)孔直徑30-100μm公差±1.5μm錐角小于0.5度圖三（b）顯示用Nd:YAG激光器532nm柴油機(jī)注入器上加工孔
2.3太陽能板加工
1.06μm波上工作激光器設(shè)備其典型能量幾十瓦廣泛應(yīng)用于薄膜太陽能板玻璃底層上精細(xì)線性雕合種過程和發(fā)射技術(shù)結(jié)合與BTS能夠使太陽能板高速情況下能保持非常高精度和準(zhǔn)確率圖四（a）無定型硅薄膜雙激光系統(tǒng)（1.06μm和532nm）下加工過程示意圖IR YAG激光束用來ITO層上劃近似30μm寬線接著α－Si沉積和見YAG激光束盤附近穿過α－Si層來加工50μm直徑相互連接而ITO層受加工過程影響接著鋁電極層沉積用見光YAG激光來加工大概25μm寬軌跡來完成板加工過程太陽能板樣板部分加工過程圖四所示用580nm來加工400mm板每層大概需要1分鐘
圖四：（a）用雙波長激光系統(tǒng)加工太陽能板
b）薄膜α－Si太陽能板上劃線和相互連接照片
3.新研究動態(tài)
3.1用于微加工UV激光鉆孔機(jī)械－Meister 1000DF
MHI出品了新DUV266nm激光鉆孔機(jī)Meister 1000DF能所有新固體UV－YAG振蕩器上應(yīng)用用Meister 1000DF能同材料、同工作環(huán)境下進(jìn)行高質(zhì)量微加工特點：半導(dǎo)體泵浦固體激光器諧振腔能達(dá)高壽命和具有高靠性高能量密度266nmUV輸出,能實現(xiàn)50－200μm直徑微小鉆孔,高速和裝備了檢流掃描儀[11]
圖五：加工應(yīng)用樣品圖
（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250μm
圖六：結(jié)構(gòu)圖
3.2 DPSS UV 激光器
高脈沖355nm激光器（LD泵浦 YV04 激光器+ SHG + THG）空氣冷卻概要：種激光器緊湊和空氣冷卻類型高循環(huán)脈沖DPSS UV激光器（355nm）非線性晶體GdYCOB應(yīng)用于種激光器（已由大阪大學(xué)發(fā)明）因此能獲得高光束質(zhì)量和穩(wěn)定輸出并且非常容易維護(hù)和操作廣泛應(yīng)用于微加工、精確測量等等[12]
3.3 DPSS綠色激光器
高脈沖532nm激光器（LD泵浦 YVO4激光器+ SHG) 空氣冷卻概要：種激光器緊湊和空氣冷卻類型高循環(huán)脈沖DPSS綠色激光器（532nm）具有好輸出穩(wěn)定性和高光束質(zhì)量并且易于維護(hù)和操作能廣泛應(yīng)用于微加工、測量等等
3.4 DPSS YVO4激光器
高脈沖1064nm激光器（LD泵浦 YVO4激光器）空氣冷卻概要：種緊湊、空氣冷卻及易于維護(hù)DPSS激光器用LD泵浦并且用光纖輸出由于加工過程有高重復(fù)性、熱張力等特點因此能被小型化所能廣泛應(yīng)用于高速標(biāo)刻、激光加工和產(chǎn)生諧波光源
4.結(jié) 論
從加工材料范圍和3D加工靈活性方面脈沖激光具有特有加工能力脈沖激光加工技術(shù)和其微細(xì)加工主流技術(shù)相結(jié)合MEMS未來發(fā)展提供重要加工手段脈沖激光加工技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域有基于功能材料微驅(qū)動器、微流控器件和系統(tǒng)另外脈沖激光還具有特有微部件操控和連接能力因此對MEMS集成和封裝技術(shù)也作出巨大貢獻(xiàn)
參考文獻(xiàn)：
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[10] http://www.exitech.co.uk/pdfFiles/Thin%20Films%20Paper%20HJB%202003.pdf.
[11] http://www.mhi.co.jp/kobe/mhikobe-e/products/etc/uvlaser.htm
[12] http://www.neoark.co.jp/Eng/eng-PDF/YVO4_355.PDF