激光在材料中的应用

激光在材料中的应用

杜鹏

(哈尔滨工业大学材料学院材料科学系1141900308)

摘要本文介绍了激光的产生机理和性能特点，从材料吸收和激光波长的关系讨论了激光加工中使用的激光器，介绍了国内外在激光材料加工方面所做的工作，尤其是超微细加工和材料热加工方面的进展。最后展望了激光加工的发展前景，指出应该大力发展激光加工的应用研究。

关键词激光飞秒激光微加工

引言自上世纪60年代成功研制第一台激光器不久，人们就开始进行激光与材料交互作用方面的研究。这是继原子能，计算机，半导体之后人类的又一重大发明。激光在材料中的应用十分广泛，包括：简单的材料吸收光致局部加热，也可以是复杂的光致化学反应已经烧蚀，等离子体的产生等，这些现象都与激光特性，材料性质和加工环境有关。近年来，非接触性和高加工精度受到人们的亲睐，激光切割，激光表面热处理，激光焊接和工业领域的迫切需求大大促进了激光加工技术的实用化。随着深入研究，激光脉冲的时域宽度被压缩的越来越短，由纳秒到皮秒直至飞秒，不但提供加工精度，还可以加工以前长脉冲激光无力加工的透明材料。超短脉冲激光微加工具有广阔的前景。

1.激光的发生

1.1受激辐射

自发辐射：假设存在于发光有关的两个能级E1、E2。如果原子已经处于高能级E2，它可以自发地、独立地向低能级E1跃迁并发射一个光子。

各个原子发射的自发辐射光子，除了能量上的制约以外，发射方向和偏振态都是随机和无规则的。若N2代表高能级E2的原子密度，则在单位体积内单位时间发生自发辐射的原子数(dN2/dt)Sp 与高能级的原子数N2成正比。

受激辐射：当一个能量hv=E2-E1的光子趋近高能级E2时，入射的光子诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子来。受激辐射的光子和入射光子具有相同的频率、方向和偏振状态

1.2激光工作原理

红宝石激光器的主要部分是激光工作物质（Al 2O 3单晶)和激活物质Cr 3+提供亚稳态能级，从基态到激发态经亚稳能级构成三能级激光器。受激辐射产生的光子受到谐振腔的限制，光波沿着红宝石轴来回传播，强度越来越强，发出高度准直的高强度相干波。

2.

激光在超微细加工方面的发展

2212N A sp dt dN -=2212),(N T v B sp dt

dN ρ-=

( 1 ) 利用激光分解有机金属化合物, 使它析出金属膜层附在衬板上,这是一种对半导体加工和集成光学加工很有用的工艺。

( 2 ) 离子注入硅的激光退火。激光照射到受离子轰击而损伤的半导体基片上, 局部表面温度提高到熔点以上则可使受损伤的部位恢复完善的晶格。改变激光功率密度和照射时间，可以控制晶格的恢复过程, 控制杂质的深度和分布。( 3 ) 激光外延再结晶。采用分子束外延的方法在硅片上蒸气沉积非结晶薄膜, 沉积后的硅片用Q开关, 单模输出Y A G激光器扫描, 控制光强使材料表面熔化, 硅片上蒸气沉积的非结晶层重新结晶化, 即可获得优良完美的结层。

( 4 ) 激光掺杂。在n型硅上涂上磷的悬浮液,或在p型硅上涂以硼酸溶液,使之干燥形成约1m g/ c m的薄层然后用激光照射,表面熔深0~ 50 微米,结果产生简并层,即nn +和pp +结构.若在n型硅上涂以硼杂质,在p型硅上涂以磷杂质, 采用同样工艺,则可得到np+和p矿整流结构。正向电阻具有目前欧姆接触的数量级,而反向电阻比正向电阻大1 0 4倍以上。

( 5 ) 在硅片上形成欧姆接触的激光合金化技术。用激光照射金属膜与硅片反应形成高电导的接触,这就是所谓半导体电路的激光合金化。

( 6 ) 集成电路的激光互连术为集成电路的设计和制作提供了新的有利条件。最近的研究表明,用毫微秒脉冲染料激光,能在集成电路的导体之间形成低电阻欧姆接触。这种方法已在MOS结构的扩散硅层和铝之间形成连接。

( 7 ) 激光图形发生器。集成电路图形制作的第一步就是掩模制作。这是一道精度要求极高又非常复杂的工序。向来都是用座标仪制作掩模原图, 再将原图以1 / 10的倍率进行二次缩小。激光图形发生器用激光扫描方法直接制作一次缩小后的掩模原版。

( 8 ) 精确定位。激光技术用作集成电路的精确定位,大致有这样三个方面:尺寸测量中的自动定位,掩模自动对准,焊接中的自动定位。由于集成电路的微细化,定位精度的要求越来越高,在前两种定位中,要求位置测量精度达到0.05微米以下, 这只能利用激光技术才能做到。

3.飞秒激光在材料微加工中的应用

3.1飞秒激光特性及其与材料相互作用机理

由于脉冲宽度极短,就可以在较低的脉冲能量下获得极高的峰值激光强度,例如对10fs脉冲宽度激光,0.3mJ能量就可在聚焦为直径2um的焦点达到10ˆ18 W/cm 的峰值强度,而脉冲宽10ns的长脉冲激光却要300J的能量才能达到同样的峰值强度。较小的损伤闭值。激光加工在时间上可分为两个阶段: (l )激光与材料相互作用,即激光吸收与材料加热; (2) 材料熔化和汽化过程,即材料去除程。因此,对特定波长的激光来说,材料可分为:吸收材料和透明的介电材料。热影响区小,加工精度高。由于超短脉冲激光能量被限制在趋肤深度的范围内,而且作用时间极短,能量还没来得及扩散,材料已经被加热到极高的温度,直接以汽相蒸发,这样在材料内形成很大的温度梯度,并且材料以汽相蒸发带走大部分热量, 使得周围热影响区很小,实现精密加工。如图是不同脉冲宽度激光切割铝板对比,可以发现:长脉冲激光切割样品熔化和再凝固的痕迹十分明显, 而飞秒激光切割样品边缘锐利且没有材料熔化和再凝固的痕迹。

另外,由于超短脉冲激光的烧蚀闭值很精确,因此将激光的能量控制在正好等于或略高于烧蚀阂值,则只有高于烧蚀闭值的部分产生烧蚀,可进行低于衍射极限的亚微米加工.由于透明材料为脆性材料,长脉冲激光加热产生的热应力使之在损伤的同时发生破裂并有碎片飞出,故无法进行加工,而超短脉冲激光产生的热影响区很小,所以可进行精加工。

3.2飞秒激光在材料加工中的应用举例

3.2.1金属材料加工

由于长脉冲激光的烧蚀闭值高且存在很强的热扩散,在激光辐照区及周围的大范围内发生熔化和飞溅现象,使得加工区边缘不清晰,为再凝固材料所包围,加工精度低;超短脉冲激光能量集中在趋肤深度范围之内且热影响区非常小,没有熔化及再凝固痕迹, 呈现锐利的加工边缘。飞秒激光加工的精密微孔及微机械零件应用前景广阔。其中,精密微孔已成功用于汽油发动机喷嘴。此外,飞秒激光还能对金属基非晶材料进行精密加工,而且周围没有明显的晶化现象。

3.2.2薄膜材料加工

光掩模是微(光)电子制备工业的支柱,成本极高。光掩模是由光刻工艺制备的,但由于结构极其复杂,且为多步工艺,经常存在缺陷需要修改。修改光掩模要求不能损伤衬底材料;不能影响修改位置周围区域膜层的质量,并且不能有残渣形成;不能影响修改位置衬底的透明性;修改方法应能去除最小尺度的缺陷。飞秒激光可对光掩模上纳米尺寸缺陷进行修复,显示了巨大的商业开发潜力。

3.2.3透明材料加工

透明材料加工必须避免热扩散引起的加工区域周围的损伤和裂纹, 一直是困扰激光加工技术的一个难题。飞秒激光的热影响区小,已经为实验证明可作为透