《激光微加工》课件.ppt

1、2022-4-292022-4-29激光微加工的概念激光微加工的概念激光微加工的应用领域激光微加工的应用领域飞秒激光微加工的优点飞秒激光微加工的优点飞秒微加工的重要应用飞秒微加工的重要应用光纤激光在精细加工中的应用光纤激光在精细加工中的应用展望展望2022-4-29微加工的概念微加工的概念Microfabrication 微细加工（结构，功能，性能）Micromachining 精细加工（尺寸精确，机械加工）传统微加工技术多用于硅材料，并限于平面结构，由于这种基于传统光刻和各向异性腐蚀硅微机械，结晶学取向性限制了能获得的形状。目前常用的工艺方法有：半导体IC加工工艺的硅微细加工，微细电火花精密

2、加工，LIGA技术，微组装技术等等。 微加工几何尺寸的偏差比例（比传统的结构）大微加工几何尺寸的偏差比例（比传统的结构）大一般传统加工偏差1%，MEMS加工尺寸偏差大于102022-4-29激光微加工区别于传统得奖激光焊接、切割、打孔、表面改性等，包含范围非常广，能无限激发人的创造力。2022-4-29激光微加工应用领域激光微加工应用领域 激光微加工技术主要应用于以下三个重要领域： 微电子学（ME）薄膜的局部沉积及去除，即激光修整、激光光刻、激光微机械加工，以及退火、局部掺杂及焊接等。 微机械学（MM）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、打标、雕刻、划

3、线、热渗透、焊接、硬化处理等。 微光学（MO）利用诸如微压型、打磨抛光等激光表面处理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。 激光在上述领域的应用推动了它在许多新兴的工程方面的应用，例如：信息、通讯、医药、微型机器人和其他一些集光、电、机械为一体的微型系统。 2022-4-29飞秒激光加工的优点飞秒激光加工的优点2022-4-29 材料光学击穿的过程可以分为五个主要过程：材料光学击穿的过程可以分为五个主要过程： （1 1）通过热激发或光激发（包括单光子和多光子电离）产

4、生导）通过热激发或光激发（包括单光子和多光子电离）产生导带电子；带电子； （2 2）导带电子通过焦耳加热和雪崩电离在光场中吸收能量，形）导带电子通过焦耳加热和雪崩电离在光场中吸收能量，形成等离子体；成等离子体； （3 3）等离子体通过电子声子耦合，把能量传递给晶格；）等离子体通过电子声子耦合，把能量传递给晶格； （4 4）晶格被加热，物质熔化和升华；）晶格被加热，物质熔化和升华； （5 5）物质的热扩散和声冲击波引起周围物质结构变化。）物质的热扩散和声冲击波引起周围物质结构变化。 纳秒微秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含（纳秒微秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含（1 1）（）（5 5）；）； 皮秒

5、纳秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含（皮秒纳秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含（1 1）（）（4 4）；）； 飞秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含（飞秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含（1 1）（）（3 3）。）。2022-4-292022-4-29飞秒激光微细加工应用飞秒激光微细加工应用 飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率正在打破以往传统的激光加工方法，开创了材料超精细、低损伤和空间3D加工和处理的新领域。该技术已在多个领域得到非常广泛应用。 2022-4-29在材料微细加工领域的应用在材料微细加工领域的应用 （a）（b） 德国汉诺威激光中心的B. N. Chichkov研究小组在真空靶室

6、中放置100 mm厚的钢片，然后分别将能量为l mJ、宽度为3.3 ns和能量为120 J、宽度为200 fs的聚集激光对其表面进行加工，经过104个脉冲照射后，比较两者的处理结果具有显著的不同。下图（a）和（b）分别为各自处理结果的SEM图像。 2022-4-29 对于一些难熔性金属如：钼、钽、铼、钨等，其相应的熔点位于高达2610-3410范围，若采用传统的长脉冲激光很难完成对它们的精细加工。但由于飞秒激光作用基于多光子吸收和电离机制，避免了热传导效应，因此成为对这些金属成功实现高精度处理的唯一选择。最近美国Clark公司应用150fs激光在100m厚、熔点温度为3180的铼材料上实现了直

7、径为110m的精确钻孔，与应用8ns激光进行加工的情况相比，避免孔径周围热应力导致的裂纹产生，如图下图所示。 纳秒（a）和飞秒（a）激光对高熔点金属铼的加工 2022-4-29对于一些超高硬度的材料如金刚石，由于它具有独特的力学、热学和光电特性，在机械摩擦、切割、光学和装饰方面具有重要的应用价值。金刚石的能带间隔为5.4eV，目前主要采用波长小于230nm准分子纳秒脉冲激光进行加工，在材料加工边缘容易形成炭化区域和机械应力，如图下图(a)所示。最近，瑞士G. Dumitru和英国M. Gower等人采用脉宽为150 fs、能量为54 mJ的钛宝石激光（输出波长为800nm）对l mm厚的人造C

8、VD金刚石进行了钻孔和切割处理，如图下图(b)所示。纳秒（a）和飞秒（b）激光对CVD金刚石的切割2022-4-29 对于一些电解质材料如硅，由于具有弱机械性、高热传导性以及光谱在UV-IR范围内高透射性等，通常被用来制作传感器件、探测器件以及太阳能电池等高技术产品。随着应用要求的不断提高，传统的硅加工处理手段变得愈加困难。飞秒激光以其独特的除热和消机械应力的加工特性给硅材料的切割等处理技术带来了新的希望。下图（a）为飞秒激光对硅材料表面加工的原子力显微图像及其截面包络；（b）表示了MMeunier等人采用光谱物理公司生产的重复率为lkHz的钛宝石再生放大系统，将输出波长为760-820nm，

9、能量约lmJ，持续时间小于120fs的脉冲激光对厚度仅为50m的硅晶片实现了高精度切割 。飞秒激光对硅表面的加工处理2022-4-29 另外，对于一些高爆危险物品如：TNT、PETN、HMX、LX和PBX等，通常由于对热应力和冲击波的敏感性使得其加工处理过程中的安全性受到重大挑战。在应用传统的机械操作中，若使用了不适当的夹持工件、不适当的工具结构或者不适当的切割速度都可能会造成加工过程的剧烈反应。传统的激光脉冲常被用作爆炸物品的点火，飞秒激光脉冲则可以用来高爆危险品的切割。M. D. Perry利用l000Hz、100fs的钛宝石激光对多种高爆危险品进行了安全切割，如下图（b）所示。在直径为l

10、cm、厚度为2mm的样品表面没有任何化学反应痕迹，整个切割面上材料的化学性质没有发生变化。而用600ps的激光照射时，立即观察到样品的爆燃过程，切割边缘出现熔化痕迹，并且生成大量新的热反应物质，如（a）所示。 纳秒（a）和飞秒（b）激光对爆炸物品的切割2022-4-29在微电子学领域在微电子学领域的应用的应用 现代微电子产业在本质上是芯片的集成制造为核心，而光掩模和光刻技术是处在这一核心链的一个关键环节。它是联接集成略设计与制造的纽带，光掩模和光刻技术水平和质量就成为集成电路产品、质量和生产效率关键。 2022-4-29实现光掩模缺陷的修复实现光掩模缺陷的修复 随着超高速、超高频、超高集成度电

11、路及器件的研制和开发，线宽的特征尺寸已进入深亚微米、百纳米以至纳米级。对于如此复杂的光掩模，要实现毫无缺陷的制作过程将变得非常困难，甚至不太可能。国际著名的半导体制造商SEMATECH公司已经将此困难列为限制下一代微芯片发展的主要因素。这些缺陷通常包括在光掩模版上的某个非合适位置处残留有多余的金属吸收体。它们的去处必须让该位置对光具有高透射率，同时又不能损伤衬底硅材料及其相邻的区域，应用传统的纳秒激光烧蚀技术很难满足这种要求，而聚焦离子束（FIB）实现的最小修补线宽为0.35m。 飞秒激光修复光掩模 2022-4-29实现光掩模的新型制造实现光掩模的新型制造 光掩模(Photomask)是指根

12、据IC器件设计版图数据进行定制的、载有集成电路图形结构的高纯精密石英玻璃版，其作用相当于一个模具，它是半导体微细加工和制造业的重要前提。根据2001年国际半导体协会预测，世界集成电路的生产在2004年左右将达到0.1m 线宽水平，2011年可望达到0.05 m 线宽水平。目前人们为了实现这一目标，通过采用更短的照射光波长发展了几种新型的光刻技术如：电子束曝光技术、远紫外线技术、XRL技术以及157nm准分子激光刻写技术等。这些平版印刷技术虽然各有优势，缺点是价格昂贵、生产耗时。 针对上述平版印刷术给光掩模制造带来的种种困难，新加坡南洋工业大学 的B. K. A. Ngoi等人采用飞秒激光发展了

13、一种全新的光掩模制造技术。这种干净、低成本、高效率的一步式(one-step solution)直接刻写技术对于逐步取代传统的平版印刷术在薄片硅(TFS)太阳能电池、平板显示(FPD)等多种微电子器件制作中的应用具有非常重要的意义。 2022-4-29实现微型过孔，提高电路互连封装水平实现微型过孔，提高电路互连封装水平 近20年来，与集成电路(IC)在计算速度和存储记忆方面取得的快速进步一样重要的是互连封装的并行发展。随着电子产品朝着便携式、小型化、网络化和多媒体化的方向发展，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。提高芯片封装水平的

14、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，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。 由于PCB通常由铜箔与玻璃布和树脂组合而成，此三种材料对波长的吸光度有所不同。因此激光钻孔技术一般采用YAG倍频激光器和CO2激光器的混合系统。 由于对加工材料不具有严格的选择性，飞秒激光无疑可以取代微型过孔加工中所采用的混合激光系统。而且随着微电子封装技术要求的

15、进一步提高，微型过孔的加工尺寸将会变得愈来愈小，为飞秒激光加工的应用提供了非常广阔的前景。 2022-4-29在光子器件和全光通讯领域的应用在光子器件和全光通讯领域的应用 随着科学技术的不断发展，世界正在向光子时代迈进，目前的各种电子元器件正在被全光学元件所取代，并将其逐步微小化和集成化在一个紧凑的功能系统内，成为高速信息处理的新兴发展方向。对光通讯来说，这就意味着要在一个单独的“芯片”上生产出包括方向连接器、带通滤波器、多路复用器、光开关、波长转换器以及调制器等元件在内的平面光波环路。这一发展与四十多年前第一次将平面化、集成化的晶体管和其他电子元器件放置到一个硅片上的电子芯片产业情况相类似。

16、 光子产业的未来演化将更多地倾向于发展一种能够对光学材料进行纳米操纵的精密处理工具。由于这些器件被用来改变和控制光在系统中的路径，因此它们的特征尺寸一般仅为光波长的一小部分。对于许多应用来说，透明玻璃(如熔石英)由于具有较高的透明性、长时间和高温环境下的稳定性而被通常选作加工光子器件的基础材料。同时，也正是这些理想的特点给材料的精细处理带来了巨大挑战，特别是当加工尺寸位于100nm量级范围时。 2022-4-29制作光学波导制作光学波导 光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离传输。目前常用的制作方法是离子注入法、火焰水解涂覆法、熔胶凝胶法、汽相沉积法和

17、热扩散型离子交换法等。这些方法的缺点是灵活性差、过程非常繁杂、缓慢。 飞秒激光制作光波导 依靠飞秒激光可以顺利地解决这些问题。最近德国亚深大学的 Stefan Nolte教授将钛宝石激光器输出重复率lkHz、脉宽为100fs、能量为几个微焦的激光实现了亚衍射极限光波导的制作，如右图所示。2022-4-29 飞秒激光光波导制作技术非常简单，整个过程在室温环境下进行，并且波导结构在高达1500K的温度下仍可以保持良好的质量稳定性。另外，在制作过程中，基片材料的选取不再受到严格的限制。透明玻璃可以包括硅酸盐、硼硅酸盐、硫族化物以及氟化物等。光波导可以位于材料内部3D空间的任意位置，而且还可以实现制作

18、任意形状的二维、三维波导，分束器以及连接器等光子器件，如图下图所示，其中右半部分是一个三维光分束器结构及其输出光的近场分布图样。分束器长度为25mm，输出端口间隔40mm。这一技术对于构建未来的“光学芯片”具有非常重要的意义。 飞秒激光在透明晶体中制作空间三维光波导（a）和空间分束器及其近场光分布图样（b）2022-4-29制作制作BraggBragg光栅光栅 光纤光栅（FBG）作为一种新型光纤器件，主要用于光纤通信、光纤传感和光信息处理。目前光纤光栅的制作主要是利用紫外激光通过相位掩模板沿轴向诱导光纤芯折射率呈周期性的变化。紫外光直接写入技术无法引起足够的折射率变化（n10-4）。通过高压载

19、氢，或者高掺锗等方法可以适当提高折射率变化。但是，采用该技术制成的光栅器件随时间退化明显，退化速率呈 “指数律”变化，特别是在高温条件下，退化效应更为明显。 飞秒激光束可以使各种玻璃产生永久性的折射率变化，日本Yuld Kondo和法国Eric Fertein等人分别用近红外波长的飞秒激光脉冲在标准通信光纤中成功制作了长周期Bragg光栅。 飞秒双光束全息方法实现微型表面浮雕光栅的制作（左）和形成的光栅结构及其原子力显微图像（右）2022-4-29制作近红外和可见光波段光子晶体制作近红外和可见光波段光子晶体 要得到光子带隙在红外或可见光的光子晶体，晶格常数应当在微米或亚微米量级，这对光子晶体的

20、制作来说无疑是极大的挑战。近年来，人们利用现有成熟的半导体制作工艺，如光刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀等，以及胶体颗粒自组织等方法相继成功制备了从红外到可见光波段的二维结构光子晶体，但这些方法仍然受到严格的技术限制。 最近，基于飞秒激光强双光子或多光子吸收光聚合效应，人们采用聚合物材料提出了两种全新制作近红外和可见光波段光子晶体的方法。一种是飞秒双光子或多光子聚合-逐层叠加制作法，另一种是飞秒激光多光束干涉制作法 。飞秒双光子聚合-逐层叠加法制作的3-D光子晶体2022-4-29超高密度光学存储超高密度光学存储 信息存储在国民经济建设及现代军事科学技术中具有十分重要的地位。20世纪末兴起的光信息

21、存储（简称光存储）是继磁记录之后重要信息存储技术，具有存储容量大、寿命长、可替换、不易损坏等优点。 3D立体光学存储原理 在介质空间内部实现3-D的光学存储技术是近年来在海量存储领域内的一个新的、非常重要的发展方向。特别是最近几年，随着飞秒激光技术的发展成熟，基于双光子非线性过程实现材料表面和内部任意空间上的亚微米操作，为发展超高密度的3-D光学存储技术提供了一个全新的思路。与其他三维存储技术相比，飞秒激光双光子存储技术的优点在于：高达1012bits/cm3的巨大体存储密度；快速的数据读、写；并行随机存取；存储介质成本低廉；相邻数据位层之间的串扰最小。2022-4-29在激光医疗和生物工程领

22、域的应用在激光医疗和生物工程领域的应用 由于飞秒激光加工是一个高准确度、低能量、小损伤以及能够进行三维空间严格定位的处理过程，因此它能够最大限度地满足医学和生物领域内的特殊需求。在精细医疗器件制作、激光无痛和无损伤医疗以及细胞生物工程技术等方面具有广泛应用前景。 2022-4-29制作新型特种医疗器械制作新型特种医疗器械 在冠心病的治疗方面，心血管支架置放术是避免旁路移植，简称“冠脉搭桥”，是手术治疗冠状动脉血管硬化的一种新型的、侵人性小的介入治疗方式。这种手术一般采用不锈钢支架，但是这种支架再狭窄问题严重。 2000年7月日本科学家报道了一种新聚合物，可望解决血管再狭窄问题。这种聚合物实际上

23、是一种半结晶的热塑料聚酯，具有生物相容性和生物降解性的优点。尽管它也具有很好的机械特性，但非常脆弱，因此采用机械工具很难完成支架网状结构的精细制作。如果采用传统的长脉冲激光技术，则加工过程中的热熔相变将会严重损坏材料原有的特性。 尽管这种聚合物材料对于钛宝石飞秒激光的波长来说是透明的，但基于光脉冲高峰值强度造成的多光子吸收过程，2002年1月德国汉诺威激光中心的Thorsten Bauer等人报道在这种聚合物材料上完成了血管支架结构的突破性制作，如右图所示。 2022-4-29无痛和无损伤医疗无痛和无损伤医疗 与长脉冲激光相比，飞秒激光能量高度集中，作用期间几乎没有热量传输效应，因此也不会引起

24、周围环境温度的上升，这在激光手术医疗应用方面非常重要。数度的温度上升一方面会在瞬间变成压力波传到神经细胞产生痛感，另一方面可能会对生物体组织造成致命伤害。因此，飞秒激光可以实现无痛和无损伤的安全治疗。对于人体中质地坚硬的钙化组织的治疗，如牙齿等，一般采用机械钻孔或Er: YAG激光烧蚀方法。这两种方法容易造成钙化组织破损或者产生裂纹，为牙齿进一步腐烂提供了条件，而且必须避免长时间的连续接受治疗。飞秒激光不会带来任何损伤，如下图所示。长脉冲激光（a）和飞秒激光（b）在牙科治疗中的比较2022-4-29 此外，飞秒激光低能量、小损伤以及严格的空间定位特点，就像一把锐利而精密的手术刀，非常适合于生物

25、组织的超精细切割。1999年，密歇根大学超快科学研究中心的科研人员发展了一种利用超快激光对人眼角膜进行清洁、高精度眼科手术切割的新方法。在视觉折射率修正手术中，他们采用工作波长为1060nm、脉宽为800fs、脉冲重复率为2kHz、最高脉冲能量40J的飞秒激光，代替传统的机械刀来对角膜覆盖物实施更加精密的切割，如下图所示。这种技术减少了不均匀切割的机会，也减少了相关边缘组织破坏的机会，降低了传统手术的危险性，改进了医疗安全。现在科学家们正在努力将这种系统用于青光眼及白内障等手术中。 飞秒激光对角膜覆盖物实现精密切割2022-4-29在生物工程领域的应用在生物工程领域的应用 基因工程和细胞工程是

26、指人类对细胞和基因有目的地进行切割、缝合与转运等的各种操作。由于细胞和基因都非常小，例如DNA的直径只有2nm，在它们身上进行“手术”是非常困难的，必须选纳米量级空间分辨的特殊工具。 飞秒激光对染色体的纳米切割秒激光对细胞内部线粒体进行纳米切割2022-4-29光纤激光在微细加工中的应用光纤激光在微细加工中的应用 在医疗器械行业的应用在医疗器械行业的应用在机械行业的应用在机械行业的应用在光电子行业的应用在光电子行业的应用2022-4-29在医疗器械行业的应用在医疗器械行业的应用 目前实用化心血管支架的形状加工一般采用Nd: YAG激光器加工血管内支架。近年来，高功率光纤激光器得到了非常迅速的发

27、展，它具有光束质量好、基模输出、聚焦光斑小等优点，心血管支架要求网线宽度小、均匀以及热影响区小，因此与YAG激光器相比，光纤激光器更适合用于支架精密加工的光源。2022-4-29在机械行业的应用在机械行业的应用放大10倍放大40倍 下图表示了在直径为10mm的不锈钢板切割150个小齿的情形。不锈钢板厚度为0.2mm，切割参数为：激光出功率25W，脉冲频率2000Hz，脉冲宽度为0.3ms，切割速度120mm/min，辅助气体氧压为0.2MPa。从图中可以看出，小齿均匀、尖锐度好。2022-4-29在光电子行业的应用在光电子行业的应用手机面板的切割 目前，诺基亚、西门子、摩托罗拉等大手机厂商都在

28、市场上相继推出了不锈钢按键面板的手机，具有按键亮度高、清晰等优点，深受用户喜爱。下图表示了利用光纤激光切割的手机按键面板。切割的手机面板曲线平滑、切面没有毛刺、不挂渣、而且切割速度快，完全符合应用要求。 2022-4-29电路网板（漏锡板）的切割 随着对线路要求的越高，线路板上各个零件的焊接要求也越来越高。漏锡板以前一般采用腐蚀的方法，但是这种方法精度不高，而且速度慢。因此现在越来越多的漏锡板都是利用激光来切割，市场前景很好。下图表示了利用光纤激光切割的漏锡板，最小缝宽度为100m且切缝光滑、下底面没有挂渣、切缝均匀，完全符合应用要求。 2022-4-29要使激光技术形成产业化，必须有一个巨大

29、的市场和有要使激光技术形成产业化，必须有一个巨大的市场和有一批生产激光加工设备的产业群。在市场导向和政府的适当一批生产激光加工设备的产业群。在市场导向和政府的适当引导下，将会有更多的资本和公司投身到发展激光加工产业引导下，将会有更多的资本和公司投身到发展激光加工产业中来，努力扩大其应用，形成更大的市场，逐步进入滚雪球中来，努力扩大其应用，形成更大的市场，逐步进入滚雪球式的发展局面。式的发展局面。激光加工是光电子产业中市场稳健发展、前景非常看好激光加工是光电子产业中市场稳健发展、前景非常看好的产业，它作为的产业，它作为“先进制造技术先进制造技术”之一，已列入国家重点发之一，已列入国家重点发展项目

30、之中。它对传统产业的技术改造（汽车、造船、钢铁、展项目之中。它对传统产业的技术改造（汽车、造船、钢铁、轻工、医疗器械等）和新兴产业的发展（微电子、光通信、轻工、医疗器械等）和新兴产业的发展（微电子、光通信、新材料、礼品工业等）将起着重大的促进作用。最近几年飞新材料、礼品工业等）将起着重大的促进作用。最近几年飞秒激光技术的发展非常迅猛，随着装置的小型化及操作性能秒激光技术的发展非常迅猛，随着装置的小型化及操作性能的提高，在加工现场实现实用化也变得现实起来。从以上介的提高，在加工现场实现实用化也变得现实起来。从以上介绍的一些例子可以看出，飞秒激光具有的潜在能力有非常大绍的一些例子可以看出，飞秒激光具有的潜在能力有非常大的魅力。的魅力。展望展望2022-4-29谢谢！谢谢！