應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大準(zhǔn)分子激光器

1、    應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器具有獨(dú)特的材料加工特性，這一特性使得其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。與其他氣體激光器不同，準(zhǔn)分子激光器在應(yīng)用方面的數(shù)目和種類不斷的增多。這是因?yàn)?，?zhǔn)分子激光器所獨(dú)有的特性和性能，這使得準(zhǔn)分子激光器能滿足很多的材料加工的需要。其獨(dú)有的特性也使得它很好的被用于新興的技術(shù)中。目前，主要有兩個(gè)方面應(yīng)用：1)材料的切除2)光學(xué)材料的加工，尤其是打孔，劃線，微加工，和其他方面的加工，在這些加工中，其特征尺寸縮小且準(zhǔn)分子激光器具有獨(dú)特的材料加工特性，這一特性使得其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。與其他氣體激光器不同，準(zhǔn)分子激光器在應(yīng)用方面的數(shù)目和

2、種類不斷的增多。這是因?yàn)?，?zhǔn)分子激光器所獨(dú)有的特性和性能，這使得準(zhǔn)分子激光器能滿足很多的材料加工的需要。其獨(dú)有的特性也使得它很好的被用于新興的技術(shù)中。目前，主要有兩個(gè)方面應(yīng)用：1) 材料的切除 2)光學(xué)材料的加工，尤其是打孔，劃線，微加工，和其他方面的加工，在這些加工中，其特征尺寸縮小且超出了機(jī)械加工的范圍。準(zhǔn)分子材料切除的本質(zhì)是光燒蝕，它幾乎沒有熱影響區(qū)域，而且使用準(zhǔn)分子時(shí)，切口干凈而且輪廓分明。這些特點(diǎn)使得它十分適合進(jìn)行亞微米范圍的微加工。此外，短波長的紫外(UV)準(zhǔn)分子輻射很容易被許多材料所吸收，使得它不論對(duì)硬質(zhì)材料(如,硅和陶瓷)還是對(duì)軟質(zhì)聚合物都能進(jìn)行有效加工。紫外準(zhǔn)分子激光波長的范

3、圍較廣，這意味著，基本上對(duì)于任何需要加工的材料都能夠找到合適的波長。大型的多模平頂準(zhǔn)分子光束讓大面積圖案制作所需的光束整形和掩膜技術(shù)成為可能，使得加工效率更高，且能得到復(fù)雜的三維圖案。目前，準(zhǔn)分子激光器有三個(gè)主要的用途：LASIK眼科手術(shù)，平板顯示器退火，和半導(dǎo)體微光刻。不過，準(zhǔn)分子市場的其他部分也是很重要的，包括了許多不同的加工和行業(yè)，從對(duì)眼鏡打標(biāo)到加工柴油機(jī)汽缸套，到電子工業(yè)中的打孔都使用了該技術(shù)。然而，這“三大”主要的應(yīng)用有專門的模型，這些模型被優(yōu)化以滿足行業(yè)中已很好確立的性能參數(shù)，在大量不同的應(yīng)用中對(duì)激光條件有著廣泛且多樣的要求。這是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)給定的材料和波長，要進(jìn)行有效的材料加工就

4、需要在主要的準(zhǔn)分子激光性能，脈沖能量(對(duì)加工對(duì)象的影響)，和重復(fù)頻率之間得到正確的平衡。選擇能量還是重復(fù)頻率？起初，大部分工業(yè)準(zhǔn)分子激光器的主要特點(diǎn)是：合適的重復(fù)頻率處(幾百Hz)，激光脈沖能量很高(幾百個(gè)mJ)；或者是高重復(fù)頻率(100 Hz-2 Hz)而能量為幾個(gè)mJ。但是，平板顯示器制造中低溫多晶硅(LTPS)退火技術(shù)的成熟推進(jìn)了高重復(fù)頻率(達(dá)300Hz)、高脈沖能量(>1 J)激光器的發(fā)展，這些技術(shù)目前也被用在微加工應(yīng)用中。例如，可以直接對(duì)薄膜進(jìn)行圖案處理，這主要用于電子工業(yè)。另一個(gè)重要的方向是節(jié)約成本的“迷你”準(zhǔn)分子激光器的開發(fā)和不斷進(jìn)步，該激光器提供的激光能量約為10 mJ，

5、重復(fù)頻率最大值為幾百個(gè)Hz或者更大，光束高度僅為9-10 mm，整個(gè)裝置很小。現(xiàn)在，這些激光器運(yùn)行起來十分劃算，因?yàn)槠渲饕M(jìn)步在于電極(管)的壽命長，整體效率高，補(bǔ)充氣體的間隔時(shí)間長。此外，這些激光器使用的氣體量更小，并且可以使用小直徑的光束傳輸裝置。獨(dú)特的性能準(zhǔn)分子激光器輸出的矩形光束其最大的尺寸可以達(dá)到幾個(gè)厘米。這一特性，與準(zhǔn)分子激光器的高脈沖能量和低重復(fù)頻率相結(jié)合，使得準(zhǔn)分子激光器很適合與光掩膜技術(shù)結(jié)合在大范圍內(nèi)加工得到大量重復(fù)的圖案(如圖1)。與此相反，由許多固態(tài)激光器得到的光束通常被聚焦成小光斑，并用振鏡進(jìn)行掃描。這個(gè)技術(shù)被稱為直接寫入法(如圖2)，直接寫入法具有的點(diǎn)狀的本質(zhì)讓它具有

6、特有的應(yīng)用范圍，比如，圓晶的劃線和晶粒的切割。然而，直接寫入式微加工其劣勢在于，它無法以固定的深度來去除較大面積的材料，因?yàn)樾」馐闹鹦袙呙钑?huì)留下刻痕。 圖1. 準(zhǔn)分子激光器結(jié)合光掩膜可以有效的進(jìn)行重復(fù)性操作，比如對(duì)多個(gè)小孔進(jìn)行并行加工。 圖2. 通常，準(zhǔn)分子激光器與光掩膜結(jié)合使用，而其他激光器類型使用的是直接寫入過程；然而，迷你型準(zhǔn)分子激光器使用了準(zhǔn)分子激光光源，讓直接寫入技術(shù)更為實(shí)用。另一個(gè)主要的優(yōu)勢是準(zhǔn)分子激光器特有的波長范圍。比如，準(zhǔn)分子可以在深紫外范圍(193 nm和157 nm)運(yùn)行，這個(gè)波段在同樣級(jí)別的功率和能量上對(duì)于固態(tài)激光器是少見的。低脈沖能量，高重復(fù)頻率

7、的準(zhǔn)分子激光所具備的柔性使其可用于直接寫入加工過程，在一些情況下，使用準(zhǔn)分子激光器來進(jìn)行直接寫入更為合適。它能夠進(jìn)行這樣的操作部分取決于光束利用因子 (BUF)。BUF是使用的能量除以總的可用能量。比如，一個(gè)具有幾百毫焦能量的光束被用于只需要低于幾個(gè)毫焦能量的情況，即這里BUF很低，加工也不經(jīng)濟(jì)合理。這些高能量激光器通常運(yùn)行在低重復(fù)頻率(幾百Hz) 的情況，所以整個(gè)加工過程也很慢。然而，能量較低的迷你型準(zhǔn)分子激光器改變了這種情況。比如，JPSA公司已經(jīng)建成了幾個(gè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)中，高重復(fù)頻率的光束是利用了一個(gè)掩膜調(diào)換設(shè)備來傳輸?shù)?。機(jī)動(dòng)化的掩膜調(diào)換設(shè)備包括了幾個(gè)簡單的光掩膜(有正方形，三角形和不同直徑的圓形，以及其他形狀，如圖3) 。這與CNC(全自動(dòng)型注射針)研磨系統(tǒng)相類似，該系統(tǒng)配有自動(dòng)的工具調(diào)換裝置。在這種情況下，一個(gè)小型準(zhǔn)分子激光器的BUF比其他較大的準(zhǔn)分子激光器要高得多。此外，準(zhǔn)分子與DPSS(二極管泵浦固體激光器)相比，它還具有面積大，能量高的特點(diǎn)，而且它具有平頂光束，所以使用掩膜調(diào)換裝置，其外形可以通過成像而擴(kuò)大。 圖3. 圖示為直接寫入式準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，它帶有自動(dòng)調(diào)換掩膜裝置，這類似于CNC機(jī)器帶有工具更換裝置