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消費電子品器件中的超快激光器微納加工應用
超快(包括飛秒和皮秒脈寬)激光器,以其高品質、高光束質量、幾乎無熱材料加工等優勢使得其在工業加工市場上占有一席之地。然而,要考慮到投入和產出的平衡,超快工業加工必須滿足兩個條件。首先,工業過程必須的技術可行性,由于超快激光和物質的相互作用的獨特性,勢必要求對這個負責的過程有一個科學的理解。其次,工業生產過程必須保證給客戶帶來可觀的收入,這勢必驅使激光器朝著高平均功率的超快激光器發展。
     
電子消耗品給我們提供了更多的證據。手機、微處理器、顯示器、內存芯片等復雜組件,由不同的組成成份、超薄、非常小的材料組成。這就需要先進的,超精細的加工過程,以及低成本的量產。下面的例子陳述了工業加工,激光技術,以及光束傳輸技術以滿足現在和未來的挑戰。
   
考慮到整個過程的困難程度,工業產量的比例(通過嚴格質量檢測的百分比)是嚴格保密的。一個關鍵的限制是在面板上的“死相素”的存在,這將影響到屏幕的商業化。在過去的幾年里,發展了多波長的納秒激光器的加工技術,要么通過激光碳化或者切割薄膜電極晶體管控制相素,損失一個亮相素。
         
當今,通過納秒激光加工而得的高清屏幕已經達到極限,因為提高分辨率和相素尺寸的可能性已經越來越小。此外,新的顯示技術,如有機發光二極管(OLED)和有源矩陣發光二極管(AMOLED),,使有機和高分子材料的廣泛使用,這是對加熱和不符合熱處理高度敏感。由于超短的脈沖持續時間,超快激光實際上是允許非熱微加工的新選擇。在先進的屏幕修復加工領域的廣泛應用,使得新一代的緊湊型、高速的、多波長超快激光得到的突飛猛進的發展。
   
一些工業過程已經開發利用高精度的超快激光加工。這包括選擇性燒蝕,燒蝕率通常可以精確到30 nm /脈沖。高精度薄膜晶體管電極切割、切削寬度小于2μm。這些過程需要先進的和靈活的光束整形技術的發展,使得光束均一而且是平頂光束,且與樣品的形狀和大小和2×2μm一樣低。
       
另外一個例子是半導體電路板的加工變得越來越復雜。當今的半導體電路板要求在更小的尺寸上集成更多的功能。因此,現在的晶片是由許多層的適于快速加工的低值的多種材料組成。半導體制造業最重要的步驟就是晶片的切割和分離過程(如圖2所示)。傳統的金剛石鋸的加工方法,已經被材料的低脆性、低厚度和層數多以及裂紋和分層等副作用越來越容易發生而限制。
         
越來越多的紫外納秒激光加工技術已大大改善了納秒激光加工代來的熱效應影響。但是超快激光在處理硅和高品質材料方面逐漸顯示出納秒激光器無法超越的優勢。直到最近,工業化的高品質的50-100W飛秒激光器的加工能力已經可以和傳統的工業加工相媲美。
       
超快激光加工是眾多精細微納加工工藝的一個重要組成部分。Rudolph Technologies(www.rudolphtech.com)公司最近發布了一款測量半導體薄膜厚度的測量系統。該系統基于聲波和超短脈沖激光產生超聲脈沖。這種超聲脈沖的在半導體的各層表面反射時間是通過高精度的泵浦-探測技術實現的。
     
另外一個例子,CAMECA(www.cameca.com)公司可以實現3D成像和分析半導體和金屬樣品的表征技術。這個心測量過程是基于一種叫做為原子探針斷層掃描的技術(如圖3所示)。如果能精細地控制激光功率,而不是激光燒蝕,每個原子的位置都通過探針被傳輸到一個能精確探測位置的探測器。另外利用飛行時間質譜可以測量原子質量。然后,一層一層地執行三維重建。該方法用于半導體行業監控半導體材料的成分和雜質,以及在冶金控制冶金合金的質量。
     
高功率高可靠性的激光系統可以保證激光加工的質量。更具體地說, 平均功率在50到200W范圍的超快激光增加吞吐量和生產力。然而,如此大功率的激光的光束操控和傳輸卻并不容易。高達加工速度100米/秒必須達到經濟收支平衡,同時保持微米量級定位精度促使新的工藝加工過程的產生。
     
ESI(www.esi.com)公司已經引進了一個混合處理系統,結合了檢流計反射鏡和聲光技術。當操作在一個較高的加工速度,掃描儀掃描到鏡子的慣性矩時意味著他們將延遲執行, 例如,一個急轉彎,所以加工不會有預期的形狀。但是聲光調節器,表現出極靈敏的反應。組合鏡運動和聲光偏轉,精確同步,克服了這一局限性。這種技術尤其有用互聯數字電路的制造模式,它們變得越來越緊密集成,需要布線密度增加。
   
在DISCO(www.disco.co.jp)公司的研究者利用同一激光將微加工和過程控制結合起來。在這種情況下,利用超快激光在一個上層80μm厚的透明材料,下層20μm厚的金屬薄膜上鉆孔。為了精確控制激光到達透明基板上的脈沖數量,在鉆孔過程中利用光譜分析儀來監測等離子體發射利用人們熟知的激光誘導擊穿光譜(LIBS)。根據原子具有獨特的等離子發射光譜,可以實時監測透明層是否完全消融。
     
在另外一種方法中,利用掃描速度大于100米/秒的多邊掃描儀取代只能在X和Y軸單一方向的低慣性振鏡。如果脈沖激光與多面鏡旋轉精確同步,則只有一個點/面可能會影響樣品加工。在這種情況下,整個過程更接近一個數字化的過程。要想獲得好的結果,需要激光器與掃描儀之間精確的同步,而且該多邊形反射鏡的制作精度要非常高。瑞士伯尼爾應用科學大學的Beat.Neuenschwander教授利用500kHz的激光器實現了微米級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,光纖入口較細,會產生嚴重的非線性效應,并最終導致光纖降解,所以光纖傳輸的激光還不能應用到激光加工上。為了擺脫這種限制,人們開發出了空心光纖,中心直徑只有幾個微米,Kagome微結構光纖可以傳輸高功率飛秒激光。
     
特別的,空心光纖的芯內擺線形狀限制了激光模式,防止它與纖維微觀結構的相互作用,并提供相結合的低非線性,大面積,和靈活的色散控制。與Glo Photonics(www.glophotonics.fr)公司合作,法國Amplitude Systems公司已經開發出可以傳輸500fs,mJ量級的脈沖激光幾米遠的距離。另外,Photonics Tools(www.photonics-tools.de)公司已經可以把100W的脈沖激光壓縮到小于100fs。其他公司和研究者們也迅速發展了利用Kagome光纖柔性傳輸超快脈沖激光。(如圖4所示)。
   
隨著短脈沖激光與物質相互作用的物理學發展,以及光束處理和傳輸系統的技術發展。超快激光器已經走入我們的日常生活,并且深入最先進的工業加工過程。它改變了我們看到的方式,溝通的方式和工作方式。它更是未來制造電子消耗品的關鍵。
   
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