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消费电子品器件中的超快激光器微纳加工应用
超快(包括飞秒和皮秒脉宽)激光器,以其高品质、高光束质量、几乎无热材料加工等优势使得其在工业加工市场上占有一席之地。然而,要考虑到投入和产出的平衡,超快工业加工必须满足两个条件。首先,工业过程必须的技术可行性,由于超快激光和物质的相互作用的独特性,势必要求对这个负责的过程有一个科学的理解。其次,工业生产过程必须保证给客户带来可观的收入,这势必驱使激光器朝着高平均功率的超快激光器发展。
     
电子消耗品给我们提供了更多的证据。手机、微处理器、显示器、内存芯片等复杂组件,由不同的组成成份、超薄、非常小的材料组成。这就需要先进的,超精细的加工过程,以及低成本的量产。下面的例子陈述了工业加工,激光技术,以及光束传输技术以满足现在和未来的挑战。
   
考虑到整个过程的困难程度,工业产量的比例(通过严格质量检测的百分比)是严格保密的。一个关键的限制是在面板上的“死相素”的存在,这将影响到屏幕的商业化。在过去的几年里,发展了多波长的纳秒激光器的加工技术,要么通过激光碳化或者切割薄膜电极晶体管控制相素,损失一个亮相素。
         
当今,通过纳秒激光加工而得的高清屏幕已经达到极限,因为提高分辨率和相素尺寸的可能性已经越来越小。此外,新的显示技术,如有机发光二极管(OLED)和有源矩阵发光二极管(AMOLED),,使有机和高分子材料的广泛使用,这是对加热和不符合热处理高度敏感。由于超短的脉冲持续时间,超快激光实际上是允许非热微加工的新选择。在先进的屏幕修复加工领域的广泛应用,使得新一代的紧凑型、高速的、多波长超快激光得到的突飞猛进的发展。
   
一些工业过程已经开发利用高精度的超快激光加工。这包括选择性烧蚀,烧蚀率通常可以精确到30 nm /脉冲。高精度薄膜晶体管电极切割、切削宽度小于2μm。这些过程需要先进的和灵活的光束整形技术的发展,使得光束均一而且是平顶光束,且与样品的形状和大小和2×2μm一样低。
       
另外一个例子是半导体电路板的加工变得越来越复杂。当今的半导体电路板要求在更小的尺寸上集成更多的功能。因此,现在的晶片是由许多层的适于快速加工的低值的多种材料组成。半导体制造业最重要的步骤就是晶片的切割和分离过程(如图2所示)。传统的金刚石锯的加工方法,已经被材料的低脆性、低厚度和层数多以及裂纹和分层等副作用越来越容易发生而限制。
         
越来越多的紫外纳秒激光加工技术已大大改善了纳秒激光加工代来的热效应影响。但是超快激光在处理硅和高品质材料方面逐渐显示出纳秒激光器无法超越的优势。直到最近,工业化的高品质的50-100W飞秒激光器的加工能力已经可以和传统的工业加工相媲美。
       
超快激光加工是众多精细微纳加工工艺的一个重要组成部分。Rudolph Technologies(www.rudolphtech.com)公司最近发布了一款测量半导体薄膜厚度的测量系统。该系统基于声波和超短脉冲激光产生超声脉冲。这种超声脉冲的在半导体的各层表面反射时间是通过高精度的泵浦-探测技术实现的。
     
另外一个例子,CAMECA(www.cameca.com)公司可以实现3D成像和分析半导体和金属样品的表征技术。这个心测量过程是基于一种叫做为原子探针断层扫描的技术(如图3所示)。如果能精细地控制激光功率,而不是激光烧蚀,每个原子的位置都通过探针被传输到一个能精确探测位置的探测器。另外利用飞行时间质谱可以测量原子质量。然后,一层一层地执行三维重建。该方法用于半导体行业监控半导体材料的成分和杂质,以及在冶金控制冶金合金的质量。
     
高功率高可靠性的激光系统可以保证激光加工的质量。更具体地说, 平均功率在50到200W范围的超快激光增加吞吐量和生产力。然而,如此大功率的激光的光束操控和传输却并不容易。高达加工速度100米/秒必须达到经济收支平衡,同时保持微米量级定位精度促使新的工艺加工过程的产生。
     
ESI(www.esi.com)公司已经引进了一个混合处理系统,结合了检流计反射镜和声光技术。当操作在一个较高的加工速度,扫描仪扫描到镜子的惯性矩时意味着他们将延迟执行, 例如,一个急转弯,所以加工不会有预期的形状。但是声光调节器,表现出极灵敏的反应。组合镜运动和声光偏转,精确同步,克服了这一局限性。这种技术尤其有用互联数字电路的制造模式,它们变得越来越紧密集成,需要布线密度增加。
   
在DISCO(www.disco.co.jp)公司的研究者利用同一激光将微加工和过程控制结合起来。在这种情况下,利用超快激光在一个上层80μm厚的透明材料,下层20μm厚的金属薄膜上钻孔。为了精确控制激光到达透明基板上的脉冲数量,在钻孔过程中利用光谱分析仪来监测等离子体发射利用人们熟知的激光诱导击穿光谱(LIBS)。根据原子具有独特的等离子发射光谱,可以实时监测透明层是否完全消融。
     
在另外一种方法中,利用扫描速度大于100米/秒的多边扫描仪取代只能在X和Y轴单一方向的低惯性振镜。如果脉冲激光与多面镜旋转精确同步,则只有一个点/面可能会影响样品加工。在这种情况下,整个过程更接近一个数字化的过程。要想获得好的结果,需要激光器与扫描仪之间精确的同步,而且该多边形反射镜的制作精度要非常高。瑞士伯尼尔应用科学大学的Beat.Neuenschwander教授利用500kHz的激光器实现了微米级的定位精度高速表面微加工。
   
由于超快激光具有非常高的峰值功率,光纤入口较细,会产生严重的非线性效应,并最终导致光纤降解,所以光纤传输的激光还不能应用到激光加工上。为了摆脱这种限制,人们开发出了空心光纤,中心直径只有几个微米,Kagome微结构光纤可以传输高功率飞秒激光。
     
特别的,空心光纤的芯内摆线形状限制了激光模式,防止它与纤维微观结构的相互作用,并提供相结合的低非线性,大面积,和灵活的色散控制。与Glo Photonics(www.glophotonics.fr)公司合作,法国Amplitude Systems公司已经开发出可以传输500fs,mJ量级的脉冲激光几米远的距离。另外,Photonics Tools(www.photonics-tools.de)公司已经可以把100W的脉冲激光压缩到小于100fs。其他公司和研究者们也迅速发展了利用Kagome光纤柔性传输超快脉冲激光。(如图4所示)。
   
随着短脉冲激光与物质相互作用的物理学发展,以及光束处理和传输系统的技术发展。超快激光器已经走入我们的日常生活,并且深入最先进的工业加工过程。它改变了我们看到的方式,沟通的方式和工作方式。它更是未来制造电子消耗品的关键。
   
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