飞秒激光烧蚀研究进展

在掩模缺陷的修复上，该组已 取得一訾大进展，Ｂｕｒｋｈａｒｔ说，“一 个掩膜价值几万美元．只要有可 能，修复缺陷可为Ｔ＇业部门节约大
量开支。”
以原予水平测量
直到最近，还不能对反射镜面 几个原子高低的点进行准确测最。 两年前该组研制的一种干涉仪，获 得“研究与开发１００项”奖。浚干 涉仪称为“相移衍射干涉仪”（Ｐｓ— ＤＩ），它的研制成功改变了这一情
测量波前通过被测的光学系 统，在波面小产生像差，将其聚焦
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在另一光纤的端面。此处波面由光 纤端面的一个平射金属膜反射，与 参考波面产生干涉，形成干涉图 案。然后将此图案用电荷耦合相机 ｆ己录。
过去三年，利用此种干涉仪测 量＿『许多极紫外光学件，包括凹和 凸球面和球面镜以及完成的投影 系统。相移衍射干涉仪现已成为一 种町靠的生产Ｔ－具，测量那些非球 面光学件的总面形，其规格为 Ｏ ５ｆｍ或更小，已成功地测量低达 Ｏ ３５ｎｍ表面形状误差。里弗莫尔测 量组正将此系统升级，使之ＨＪ以＿｝｝＝『 来测量低到Ｏ．１５ｎｍ的总表面形状
况。” 像所有的干涉仪一样，此种干
涉仪使用两个光波的干涉网形来 测量物体和现象。这些光波波段通 常都不完美，因为发ｆ｛｛这些光波的 表而或透镜并不完美。仟何不完美 都会产生测量误差。此种“相移衍 射干涉仪”则用衍射产生近于完美 的球形波面。在相移衍射干涉仪 中，两光束分别通过两根光纤，当 光离开每根光纤的端而时，产生衍 射，形成近乎完美的球形波面。由 于两个波面独立产生，它们的相对 振幅和位相可被控制，可以进行对 比调节和相移，提供尽可能高的准 确度．
激光诱导烧蚀过程的建立需 要一定的时间且与激光场强度有 关。对给定激光脉宽，只有当激光 场强超过一定值时，等离子体密度 才能达到发生不可逆损伤时的阈 值。该临界值通常以激光能流闯值 来表示。研究表明：从连续波到脉 冲宽度几十个皮秒，烧蚀过程是离 子雪崩，始于内部电子。在该脉宽 范同，烧蚀能流密度阈值与脉宽的 平方根成比例。同时，从事超短脉 宽烧蚀阈值的研究也在进行…ｍ，并 发现偏离了脉冲宽度平方根法则。 更为重要的是，对长脉冲，能量在 很大范围内变动均可引起烧蚀，而 当使用超短激光脉冲时，情形发生 了巨大改变。如图４所示：烧蚀阈 值的波动限制在很小区域内，也就
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（２）
其中Ｌ、丁，为电子及品格系 统的温度，ｃ。、ｃ，为电子及晶格系 统单位体积的比热容，七为电子热 传导率，鲁为电子与晶格耦合的特 征参数，Ａｋ０为与激光脉冲相对应 的热源项。
以该模型为基础，１９８４年，英 国学者Ｊ．Ｇ Ｆ ｕ｛ｉｍｏｔｏ用皮秒与飞秒 染料激光器刘铜材料进行ｒ确定 耦合特征参数ｇ的研究¨２１；１９８７ 年，美国学者Ｈ．ＥＥｌｓａｙｅｄ—Ａ１ｉ利用 １５０ｆｓ及３００＆的激光脉冲研究热 量在铜薄片中的传导，发现了电子 与品格的温度差异，得出电子与光 子的能量传递过程为几个皮秒的 量级，并随着激光能量的提高而延 长”Ｊ；１９８８年，加拿大学者Ｐ．Ｂ． ｃｏｒｌ（ｕｍ对双温模型进行了解析求 解㈣，并与铜和钼烧蚀阔值的实验 值进行比较，认为脉冲间隔小于纳 秒量级时，用双温模型可以很好地 理解激光脉冲作用于金属时引起 的损伤，２０世纪９０年代，伴随着钛 宝石飞秒激光器的研制成功，掀起 了飞秒激光烧蚀材料的研究热潮， 研究方法及材料品种也多样化。具 有代表性的是金属和聚合物的研 究。
1989年荚同学者rsauerbrey通过弹沦分i得出当所吸收的光子数密度与发色冈密度接近相等时便达到r激光烧蚀闯值与所得实验数据相吻合该描述基r高强度时的辐射传输分析且不考虑紫外激光烧蚀是光化学效应还是热效应1并于1993年给出j紫外激光烧蚀聚合物的非线陲吸收和多光子效腑的数学描述吧1994年h本学者hiroshikumagai利用超短脉冲高功率钛常石激光实验研究聚合物的烧蚀理论计算与实验数据相吻合
作。”
（咏涛编译）
飞秒激光烧蚀研究进展
倪晓昌王清月
喇耳 ６
（天津大学精密仪器与光电于Ｔ＝程学院超快激光研究室光电ｆ占息技术科学教吾部重点实验窒，天津３０００７２）
提要介绍飞秒激光烧蚀材料的机理及理论模型，阐述飞秒激光烧蚀的特性，揭不飞秒激光烧蚀的广泛应用前景。 关键词微细加工，飞秒激光烧蚀，材料迁移
图６适当控制激光能量。可实现小于聚 焦点尺度的材料烧蚀
域上非常之短，单脉冲烧蚀深度较 长脉冲时浅。因此飞秒激光烧蚀材 料可实现逐层微加工。
如ｊ：所述，飞秒激光加工材料 具有这些独特的优点，就需要相应 的理论对这种超强超快过程进行 描述。 ３理论研究
早在飞秒激光烧蚀的实验研 究之前，刊沦工作者就已经对超强 脉冲激光与材料相互作崩过程进 行了研究。１９７５苏联学者ｓ．Ｉ Ａｎｉｓｉｍｏｖ等提出烧蚀金属材料的 双温模型…】。该模刑从一维非稳态 热导方程出发，考虑到超短脉冲时 光子与电子及电子‘』晶格两种不 同的相互作用过程，给出了电子与 晶格的温度变化微分力‘程组，即双 温方程：
－口由自由电子产生离子雪 崩进而形成的等离子体达到一个 足够高的密度，也就是典型的该激 光波长的等离子体临界密度，这时 就Ⅲ现不可逆的材料损伤。电ｆ通 过与离Ｆ碰撞吸收激光能量Ｊ｛：被 加热到高温，同时电子又将能最传 递给离子和品格，’材料也就被加 热。由激光脉冲所传输的能量，其 大小依赖ｆ脉冲间隔和能量祸合 参数。长脉冲时，被吸收能量通过 热传导偏离激光聚焦区域而向四 周扩散，形成热梯度，闭此比聚焦 点体积更大的范同也被加热。对超 短脉冲，激光场强非常高，相互作 用时间却很短，以至于等离子体还 来不及形成光脉冲已经消失。避免 了等离子体对能量的散射损失。同 时，电子被加热到非常高的温度， 而离子和品格的温度比电ｒ峰值 温度低得多。电ｆ温度在激光脉冲 间隔内能够达到儿ｆ．个电子伏 （１ｅｖ＝１ １６００ Ｋ），而离子温度相对 较低。随后，在激光脉冲结束后，电 子与离子之问发牛的能量传递将 使离子温度迅速升高到比用长光 脉冲时更高的温度。崮此用飞秒激 光可以加上高硬度材料，相互作用 区内的大部分材料在板短时间内 通过熔融态而气化、正是因为相互 作用的时问非常短，所以即使热传 导率较高的金属材料，由热效应引
２飞秒激光烧蚀特性及与物质 相互作用机理
２．１使透明材料改性
激光烧蚀的第·步是靶材料 吸收激光能量，这是通过线性及非 线性过程完成的，聚焦区域的材料 被加热到熔融温度或气化温度。不 同的吸收材料，它们的吸收机理足 不同的，吸收过群还与光强有关， 对于给定的激光能量．则与激光的 脉宽有很大关系。对非透明材料， 长脉宽低强度的激光，以线性吸收 为主要吸收过程；而对超短脉冲高 能量激光束，非线性吸收则占主导 地位。对透明材料，吸收来源ｒ非 线性光学过程，直到产生激光诱导 烧蚀过程。
收稿Ⅱ期２００２－０７．０８：收到修政稿日期２００２—０８＿０８
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第３９巷，带１２捌 ２００２年１２月
１引言
激光微机械加１二特别是打孔、 切割，涉及到材料的迁移。材料迁 移是通过激光烧蚀过程发生的，即 在激光辐射下，靶材料吸收激光能 量并转变成液体或气体，熔融液体 通过反冲作用从作用区域（激光聚 焦点）排…，蒸汽则ｆ｛己从聚焦点 直接逸出。
对聚合物烧蚀的研究始于紫 外激光，最早是用紫外光对聚合物 化合键的组合进行分析，利用了制 料中的多键对紫外光的强吸收并 自发辐射ｍ特定波长荧光的特性。 因此也称聚合物中的多键为发色 刚。加火紫外光的能量，多键由于 吸收能营过高而断裂，达到烧蚀的 日的。１９８９年，荚同学者Ｒ．Ｓａｕｅｒ． ｂｒｅｙ通过弹沦分｛＝『ｉ＿得出，当所吸收 的光子数密度与发色冈密度接近 相等时，便达到ｒ激光烧蚀闯值，
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接被电离。在激光脉冲中，通过同 时吸收ｍ个光子使得ｍｈｖ≥Ｕ（＾ｖ 为光子能量，Ｕ为离子势能或带 隙）。一个价带边电子的能量呵以 从它的价带边能量水平或价带被 提升到自由电子能量水平或导带， 即所谓的多光子离子。这是一个ｍ 阶过程，其穿透界面非常小。因此 对于飞秒激光脉冲，多光子离子起 着重要作用，它决定着激光烧蚀闽 值【８ｊ。图ｌ一３分别给出用色秒激光 的这种多光子吸收效应在硅、玻璃 材料以及光纤内刻划的光波导、ｉ 维光耦合器…和衍射光栅㈣。 ２ ２确定的烧蚀阈值
对金属材料，１９９６年德国学 者Ｂ Ｎ．ｃ１１ｉｃｈｋｏｖ厢Ｏ ２～５０００ｐｓ的 钛宝石激光脉冲烧蚀金属靶材料 研究。利用双温方程，在不同的激 光脉冲间隔内，约化双温方程，求 得解析解，定量地揭示了飞秒激 光烧蚀材料较长脉冲具有规则彤 状；同时，在脉冲间隔为纳秒量级 时的解析解，揭示了烧蚀率对能流 域值的对数关系，该关系也适用于 半导体材料及聚合物【８１。１９９７年， ｓ．Ｎ０１ｔｅ仍从求解双温方程人手， 假设ｆ。＝ｃ，值为晶格受热时间，当
飞秒激光烧蚀就是利用其非 常高的脉冲功率密度与物质相互 作用，达到烧蚀日的。２０ｔ咕纪９０年 代初，飞秒激光器开始应用到加Ｊ二 领域【”。同时，一些研究学者从理 论上对飞秒激光烧蚀过程进行研 究㈦”ｊ。由于１￡秒激光的高脉冲功 率密度，在激光微细加工中具有独 特的优越性。
本文介绍飞秒激光烧蚀的机 理、理论研究现状，阐述Ｅ秒激光 烧蚀特性。通过对小同材料进行激 光烧蚀的分析，揭示飞秒激光烧蚀 的广泛臆用前景ｊ
以透明绝缘材料为例，价带边 电子有一个比激光光子能量还高
～一
图３用飞秒激光于光纤表面下２５肛ｔ处
刻蚀的周期为５岬的衍射光栅
的离子势能或能带隙，光强低时， 价带边电子不吸收激光。对飞秒脉 冲激光与物质相互作用情形，由于 其激光场强非常高，透明材料的价 带边电子通过多光子吸收可以直
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第３９卷．第１２期 ２００２句‘１２月
脉冲间隔“《ｒ，时，烧蚀时间ｆ。将 不依赣激光脉冲问隔。因此，依照 漫射深度￡（ｆ＝（Ｄｒ。）”）与表皮厚度 ６（ｄ＝１肛）的大小，烧蚀率存在两 种不同的解析表达式Ｈ．１９９８年．Ｊ． Ｇｎｄｄｅ用２００矗的脉冲烧蚀不同厚 度（几十纳米至微米昔级）的金和 镍薄片，结果发现：随着材料厚度 的增加，不同厚度两类金属被烧蚀 时．所吸收的能流也线性增加，直 到材料厚度九于某一值时，所需能 流不冉增加，为一常值。但是达到 饱和时的材料厚度却存在较大的 差另ＩＪ（对Ｎｊ５０ｎｍ，ｘｔ Ａｕ５００ｎｍ）。此 时材料的厚度称为该利料的光ｒ 穿透深度，汪明两种金属存在不同 的电ｒ光子桶合特瓶参数，利用双 温模刑呵以对废现象给出合理的 解释㈣。１９９９年，Ｆａｌｋｏｖｓｋｖ和 Ｍｊｓｈｃｈｅｎｋｏ基于波尔兹曼方程和 费米狄拉克配分甬数提…ｒ热电 子爆炸模式，用以描述金属材料ｔｆｔ 的超快形变ｍ】。２００２年，Ｊ．Ｋ ｃｈｅｎ 等，综合双温模型及上述热电子爆 炸模Ｊ￡，在假定单轴应变三维高压 条什下，提出·系列相互关联的瞬 时热弹性变彤方程＂】，数值结果表 明，存超短脉冲激光烧蚀过程叶１， 非熔融态损伤占支配地佗，这种非 熔融态损伤主要动力来源于热电 子爆炸力。
误差。
极紫外光刻在竞争中前进
１９９９年１２月，虚拟围家实验 室受到国际ｓｅｍａｔｅｃｈ半导体公司 的信任。
四种在下公一司代的光年刻会技上术，—公极司紫鉴外定、了
ｘ射线、电＿『求和离子柬，并强烈 推荐极紫外光刻。Ｓｗｅｅｎｅｙ说，“他 们的推荐给我们的工作以重大鼓 舞。它确认了我们已知道的：我们 已赢得三个实验室及其丁业伙伴 的信任，我们的力量来自共同工
第３９卷，第１２期 ２００２年１２月
来自光纤的渡前 球而测量
纤芯叠：：Ｉ 单模光纤
．，’
纤芯■■：、
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十涉罔案
从光纤而反射 的像差波面
图６使用两根单模光纤的相移衍射干涉仪示意图。以干涉仪检验透镜 此装置与用于检验反射镜的装置相类似
ｓｃｏｔｔ Ｂｕｒｋｈａｒｔ说：“长期以来，我们 一直在进行模拟．以便看看什么样 的尺寸和ｆｆ么种类的缺陷会影响 最终产品。我们最后进行的实验就 是确定临界缺陷尺寸的Ｆ限．”
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图４单脉冲作用时，在熔融硅中由激光诱导击穿所传输的能量及产生的等离子体粒子 数与不同脉冲宽度的入射激光能量之间的函数关系（ａ）７ｎｓ：（ｂ）１７０ｆＳ
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笫３９卷，靴１２期 ２００２年１２月
是说，只有能量密度达到一定值 时，才有烧蚀现象卅现ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ烧蚀从一 种统计属性转变为一种确定行为。 ２．３规则的加工边缘
图５用飞秒激光在钢板上打孔
起的热传导区域也非常小。图５给 ｆ｛｛了用飞秒激光在铜材料Ｉ＋加工 出边缘非常规则的孔。 ２．４逐层微加工
超短脉冲的空间分布为高斯 形状，利用其具有确定烧蚀闽值特 性，适当控制激光能流密度，使得 脉冲ｒｈ凸很小区域的能量超过烧 蚀阈值，可实现比聚焦点还小烧蚀 区域。理论上可达到中心波跃的ｆ’ 分之一，突破衍射极限，如图６所 示。另外，由于飞秒激光脉冲在时