激光微加工技术及其应用

激光微加工技术及其应用

日期: [ 2004年12月16日] 来源: [ 浙江大学光学研究所]

摘要：本文简述了激光微加工技术以及在微电子加工领域的应用; 并介绍了飞秒激光与材料的相互作用机理及其在透明材料的微加工和有机聚合物微器件制备方面的应用。

关键词：激光微加工、飞秒激光

一、引言

自1960年第一台激光器问世以来，激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。其高相干性在高精密测量、物质结构分析、信息存储及通信等领域得到了广泛应用。激光的高方向性和高亮度可广泛应用于加工制造业。随着激光器件、新型受激辐射光源，以及相应工艺的不断革新与优化，尤其是近20年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某些传统的加工业[1]。

为适应21世纪高新技术的产业化、满足微观制造的需要，研究和开发高性能激光源势在必行。作为激光加工的一个分支，激光微加工在过去十年被广泛关注。其中原因之一是由于更加有效的激光源不断涌现。比如具有非常高峰值功率和超短脉冲固体激光，有很高光束质量的二极泵浦的Nd:YAG激光器等。另外一个原因是有了更为精确、高速的数控操作平台。但一个更为重要的原因是不断涌现的工业需求。在微电子加工中，半导体层的穿孔、寄存器的剪切和电路修复都用到激光微加工技术。激光微加工一般所指加工尺寸在几个到几百微米的工艺过程。激光脉冲的宽度在飞秒（fs）到纳秒（ns）之间。激光波长从远红外到X射线的很宽波段范围。目前主要应用于微电子、微机械和微光学加工三大领域[2]。随着激光微加工技术的发展和成熟，将在更广的领域得到推广和应用。

二、激光微加工技术的主要应用

随着电子产品朝着便携式、小型化的方向发展，单位体积信息的提高（高密度）和单位时间处理速度的提高（高速化）对微电子封装技术提出不断增长的新需求。例如现代手机和数码相机每平方厘米安装大约为1200条互连线。提高芯片封装水平的关键之处就是在不同层面的线路之间保留微型过孔的存在，这样通过微型过孔不仅提供了表面安装器件与下面信号面板之间的高速连接，而且有效地减小了封装面积。

另一方面，随着近年来全球手机、数码相机和笔记本电脑等便携式电子产品向轻、薄、短、小的趋势发展，印制线路板（PCB）逐步呈现出以高密度互连技术为主体的积层化、多功能化特征。为了有效地保证各层间的电气连接以及外部器件的固定，过孔（via）已成为多层PCB的重要组成部分之一。目前钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%-40%。在高速、高密度的PC

B设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上不仅可以留有更多的布线空间[3]。而且过孔越小，越适合用于高速电路。传统的机械钻孔最小的尺寸仅为100μm，这显然已不能满足要求，代而取之的是一种新型的激光微型过孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工业上可获得过孔直径达到在30-40μm的小孔或用UV激光加工10μm 左右的小孔[4]。

激光微加工技术在设备制造业、汽车以及航空精密制造业和各种微细加工业中可用激光进行切割、钻孔、雕刻、划线、热渗透、焊接等，如20多微米大小的喷墨打印机的喷墨口的加工。利用诸如微压型、打磨抛光等激光表面处理技术来加工多种微型光学元件，也可通过诸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化来改变组织结构，然后，通过调和外部机械力，再在软化阶段依靠等离子体辅助进行微成形来加工微光学元件[2]。

三、超短脉冲激光在微加工技术的最新进展

CO2激光和YAG激光是连续和长脉冲激光，主要靠聚焦形成高能量密度，从而在局部产生高温来烧蚀材料，基本上属于热加工范畴，加工精度有限。准分子激光则依靠其短波长(紫外)与材料进行光化学相互作用，其特征尺度可达到微米量级，但准分子激光器所需的气体是腐蚀性的，难以操控，而且，高强紫外激光对加工系统的光学元件容易造成损伤，其应用因而受到限制。随着对激光领域的深入研究，激光脉冲的时域宽度被压缩得越来越短，从纳秒(10-9s)量级到了皮秒(10-12s)量级直至飞秒(10-l5s)量级。

飞秒脉冲激光具有以下两个特点：(1)脉冲持续时间短。飞秒脉冲的持续时间可以短至几个飞秒，而光在1fs内仅仅传播0.3μm，比大多数细胞的直径还要短；(2)峰值功率极高。飞秒激光将脉冲能量集中在几个至几百个飞秒的极短时间内，因此其峰值功率很高。例如，将lμJ 的能量集中在几个飞秒时间内并会聚成10μm的光斑，其光功率密度可达到1018W／cm2，将其换算成电场强度则为2×1012V/m，为氢原子中库仑场强(5×1011V／m)的4倍，这就有可能将电子从原子中直接剥离出来。

从激光与透明材料的相互作用机理来看，脉冲宽度从连续激光到几十皮秒，损伤机制为雪崩电离过程，依赖与初始的电子密度，而材料中的初始电子密度由于材料中杂质分布的不均匀而变化很大。因此，损伤阈值变化也很大。对长脉冲激光损伤阈值定义为可引起损伤几率为50％的激光能流密度，即长脉冲激光损伤阈值是一个统计值[54]。超短脉冲激光的场强极高，束缚电子可以同时吸收n个光子直接从束缚能级跃迁到自由能级。超短脉冲激光引起的损伤虽然也是雪崩电离过程，但其电子由多光子电离过程产生，不再依赖于材料中的初始电子密度，因此，损伤阈值是精确值。脉冲激光的损伤阈值是随脉冲宽度下降而明显减小，到了皮秒量级，下降速率变缓，到飞秒量级时已基本不变。

另外，由于超短脉冲激光的损伤阈值很精确，因此将激光的能量控制在正好等于或略高于损伤阈值，则只有高于损伤阈值的部分产生烧蚀，可进行低于衍射极限的亚微米加工。飞秒激光可产生超高光强、具有精确且较低的损伤阈值，很小的热影响区、几乎可精密加工所有种类材料，并且，加工精度极高，可进行亚微米尺寸的精密加工。

飞秒激光对透明材料的微加工：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。

京都大学的K.Hirao等人将波长为810nm、脉宽为120fs、脉冲重复率为200kHz的锁模钛蓝宝石激光经20倍的显微物镜聚焦到掺锗石英玻璃中，通过非线性多光子吸收机制, 聚焦区物质结构由玻璃态向结晶态转变，将焦点沿平行光轴方向移动，即可在掺锗石英玻璃体内绘制微米级折射率变化的线, 扫描线横截面中心部位的折射率比未辐照区高3％。并且这线的直径随激光平均功率增大而增大，折射率变化随脉宽的减小(即峰值光强升高)而提高，因此很容易设计成光波导。K.Hirao等人的实验表明，这样制成的波导属梯度折射率型，横截面折射率分布为中央高，边缘低。他们制成的800nm波长光波导损耗为0.1dB/cm。直径为8μｍ，17μｍ，25μｍ波导分别能传输800nm光的[6，7]。

将强激光束聚焦到透明材料内部,可以在焦点附近形成超高温高压等离子体,从而引起体内微爆炸，在焦点处形成极小的空洞,微腔周围的材料因压缩而致密。哈佛大学Mazur小组研究了光学玻璃、熔融石英和蓝宝石晶体等透明材料中的微爆炸形成过程和微腔的尺度大小[8]。当波长为800nm，能量为0.5μJ的100fs的脉冲经NA=0.65的显微物镜聚集到材料内部时，微爆炸形成的微腔直径约为300nm，小于光学衍射极限。透明材料内部的微爆炸可以应用于三维结构的制备。由于体内微爆炸形成的空洞非常小，所以可以实现高密度三维存储，存储密度可达到1012bit/cm3。将微腔按照一定的方式周期性排列，可制作三维光子晶体[9]。

在制备有机聚合物微器件方面的应用：利用飞秒激光进行加工的一个特点是与物质的热扩散时间相比,可以在极短的时间内注入能量。因此照射的激光能量没有在照射区域以外损失,可以得到有效利用。由于飞秒激光脉冲持续时间极短,激光辐照区沉积的能量难以通过热扩散途径逸出辐照区域，激光与物质相互作用的范围被严格限定，即热影响区很小。

另外，利用双（多）光子吸收过程，可以提高激光微加工的精细度。双（多）光子吸收过程就是一个分子或原子在同一量子过程中,吸收两（多）个光子而成为激发态的过程。要使材料发生双光子吸收,必须要求激发光场有足够高的光子密度。通常使用聚焦光束,只有在焦点附近的光强才能达到产生双光子吸收的密度条件。双光子微细加工的加工方式并不局限于传统的层叠方式，只要精确地控制激光束焦点的扫描动作，就可以实现对材料的“直接写入”,从而快速地加工出预先设计的微器件。这同时也保证了双光子微细加工具有很强的柔性:不需要对加工系统的结构做任何调整,就可以通过改变CAD的设计模型实现新器件的加工。

利用多光子效应(主要是双光子吸收)制备聚合物的超精细结构是飞秒激光应用的又一热点。Tanaka等人利用双光子吸收和掺杂荧光染料的光聚合树脂制备出齿轮、试管和多面体等很多复杂的微器件，尺寸仅为几微米。Maruo等人则报道了利用双光子引发的光聚合制备出机器人等三维可移动微结构，其分辨率为亚微米量级，这些微器件有望应用于显微流体系统、生物化学等显微系统所需的复杂三维微通道以及各种微分析系统。日本大阪大学的Kawata研究小组的研究人员使用红外飞秒激光，利用双光子反应对一种遇激光凝固的树脂材料进行加工，雕刻出了一个红细胞大小(10μm长、7μm高)的公牛像[10]（如图）。这种技术将来能用于制造极为微