常见激光微加工技术及其进展情况
发布人:新特光电集团 时间:2017-05-08 关注:

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。

1987 年美国科学家提出了微机电系统(MEMS)发展计划,这标志着人类对微机械的研究进入到一个新的时代。目前,应用于微机械的制造技术主要有半导体加工技术、微光刻电铸模造(LIGA)工艺、超精密机械加工技术以及特种微加工技术等。其中,特种微加工方法是通过加工能量的直接作用,实现小至逐个分子或原子的去除加工。特种加工是利用电能、热能、光能、声能、化学能等能量形式进行加工的,常用的方法有:电火花加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工、电解加工等等。近年来发展起来一种可实现微小加工的新方法:光成型法,包括立体光刻工艺、光掩膜层工艺等。其中利用激光进行微加工显示出巨大的应用潜力和诱人的发展前景。

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。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PCB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。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。

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。

常用激光微加工技术

激光微加工技术具有非接触、有选择性加工、热影响区域小、高精度与高重复率、高的零件尺寸与形状的加工柔性等优点。实际上,激光微加工技术最大的特点是“直写”加工,简化了工艺,实现了微型机械的快速成型制造。此外,该方法没有诸如腐蚀等方法带来的环境污染问题,可谓“绿色制造”。在微机械制造中采用的激光微加工技术有两类:

  1. 材料去除微加工技术,如激光直写微加工、激光LIGA 等;
  2. 材料堆积微加工技术,如激光微细立体光刻、激光辅助沉积、激光选区烧结等。

2.1 激光直写技术

准分子激光波长短、聚焦光斑直径小、功率密度高,非常适合于微加工和半导体材料加工。在准分子激光微加工系统中,大多采用掩膜投影加工,也可以不用掩膜,直接利用聚焦光斑刻蚀工件,将准分子激光技术与数控技术相结合,综合激光光束扫描与X-Y 工作台的相对运动以及Z 方向的微进给,可以直接在基体材料上扫描刻写出微细图形,或加工出三维微细结构。目前采用准分子激光直写方式可加工出线宽为数微米的高深宽比微细结构。另外,利用准分子激光采取类似快速成型(RP)制造技术,采用逐层扫描的方式进行三维微加工的研究也已取得较好结果。

2.2 激光LIGA 技术

它采用准分子激光深层刻蚀代替载射线光刻,从而避开了高精密的载射线掩膜制作、套刻对准等技术难题,同时激光光源的经济性和使用的广泛性大大优于同步辐射载光源,从而大大降低 LIGA 工艺的制造成本,使LIGA技术得以广泛应用。尽管激光LIGA 技术在加工微构件高径比方面比载射线差,但对于一般的微构件加工完全可以接受。此外,激光LIGA 工艺不像载射线光刻需要化学腐蚀显影,而是“直写”刻蚀,不存在化学腐蚀的横向浸润腐蚀影响,因而加工边缘陡直,精度高,光刻性能优于同步载射线光刻。

2.3 激光微立体光刻(mSL)技术

它是立体光刻(SLA)工艺这一先进的快速成型技术应用到微制造领域中衍生出来的一种加工技术,因其加工的高精度与微型化,故称为微立体光刻(Microstere-olithography 或mSL)。同其他微加工技术相比,微立体光刻技术最大的特点是不受微型器件或系统结构形状的限制,可以加工包含自由曲面在内的任意三维结构,并且可以将不同的微部件一次成型,省去微装配环节,如图2所示。此外,该技术还有加工时间短、成本低、加工过程自动化等优点,为微机械批量化生产创造了有利条件。该技术的局限性在于两方面:

精度较低,目前基于快速成型的微加工技术的最高水平方向的精度在1mm 左右,而垂直方向大约为3mm,显然这一精度无法同基于集成电路的硅微加工工艺相比。

使用材料受到一定的限制,目前的树脂材料在电性能、机械性能、热性能方面与硅材料相比有一定差距。近年来,激光微立体光刻技术得到了大力研究与开发。在提高精度与效率方面有如下发展方向:

  1. 以面曝光代替点曝光,从而进一步缩短加工时间,提高生产效率;
  2. 在材料方面,研究开发出更高分辨率的光固化树脂,如已研制出的双光近红外光聚合树脂为高精度制造奠定了良好基础;
  3. 在工艺方面,研究开发无需任何支撑结构或牺牲层的工艺以及与平面微加工工艺的集成,从而进一步简化工艺,提高加工精度与生产柔性。

2.4 激光辅助气相沉积(LCVD)技术在化学气相沉积(CVD)工艺

固化微成型的两种零件中,固态物质从气相通过化学反应沉积在基片表面上。用激光辅助化学气相沉积来制作三维微结构,是将聚焦激光微光束通过定域加热基片,启动并维持CVD 过程,在沉积过程中通过移动基片或激光束,将固体结构以很高的分辨率沉积塑型。塑造几何形状时不受平面投影和平面扫描的局限,能制作出复杂几何形状的立体微结构。以特定方式运动工件台并使激光焦斑运动速度始终与晶体生长速度相同,即可做出所需的微结构。

2.5 激光选区烧结技术(SLS)

它是快速成型技术的一种,具有可加工材料范围广且可制作任意复杂三维形状的独特优势。目前,人们尝试用SLS 工艺进行微机械的制造。在SLS工艺中,首先在计算机上完成符合需要的三维CAD模型,再用分层软件对其进行分层得到各层截面,采用自动控制技术,使激光有选择地烧结出与计算机内零件截面相对应部分的粉末,使粉末经烧结融化冷却凝固成型。完成一层烧结后再进行下一层烧结,且两层之间烧结相连。如此层层烧结、堆积,结果烧结部分恰好是与CAD 原型一致的实体,而未烧结部分则是松散粉末,可以起到支撑的作用,并在最后很容易清理掉。烧结系统的精度受以下因素的影响:激光功率、激光焦斑直径、扫描速度、粉末颗粒直径、粉末的各向异性以及烧结过程中的温度控制等。用SLS 工艺进行三维成形,还可以在一个微结构内集成多种材料完成一定的功能。

其他激光微加工技术

脉冲激光刻蚀成型是激光技术的一个新的研究领域,它采用短波长的倍频激光或皮秒、飞秒激光结合高精度数控机床,刻蚀加工各种材料。用短脉冲在这些材料表面刻蚀,再将材料去除,其表面形成的微结构的质量比用长脉冲加工高得多。2001 年德国HEIDELBERG INSTRUMENTS采用三倍频(波长354.7nm),获得最小可达5mm的聚焦光斑,最小可加工特征尺寸为10mm,精度为1mm。图5 为脉冲激光刻蚀在WC/Co 上加工的三维形状。激光焦斑直径5mm,x,y 方向进给5mm。每层去除1.3mm,平均表面粗糙度为0.16mm。激光微切割成形,原理上与激光刻蚀相同,也是采用倍频或飞秒激光为光源,对光束精细聚焦,精确控制能量的输入,热影响小,进行微细去除切割成形。

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。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。

激光微加工生产效率高,成本低,加工质量稳定可靠,具有良好的经济效益和社会效益。飞秒激光以其独特的脉冲持续时间短、峰值功率高等优越性能正在打破以往传统的激光加工方法,开创了材料超精细、无热损伤和3D空间加工和处理的新领域。飞秒激光加工技术应用包括微电子学、光子晶体器件、高信息传输速度(1Tbit/s)的光纤通讯器件、微机械加工、新型三维光存储器、以及微细医疗器件制作和细胞生物工程技术等方面具有广泛应用前景。可以预言,激光微制造技术必将以其无可替代的优势成为21世纪迅速发展的一项高新技术。

结束语

在工业化时代,世界各国均以制造出大型机器而自豪;在信息化时代,各先进工业国家,均致力于微观物质的研究,并制造越来越小的机械;而进入纳米科技时代,为了适应国防、航空航天、医学和生物工程等方面的发展,微加工是当今制造业最为活跃的研究方向之一,微机械技术的发展水平已经成为一个国家综合实力的衡量标准之一。激光微加工技术在微加工技术中越来越显示出其独特的优越性,具有广阔的发展前景,我国必须开发具有自主知识产权的激光微制造技术,才能在未来的高科技领域占有一席之地。

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