激光在材料中的應(yīng)用

激光在材料中的應(yīng)用杜鵬（哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院材料科學(xué)系 1141900308）摘要本文介紹了激光的產(chǎn)生機(jī)理和性能特點(diǎn)， 從材料吸收和激光波長的關(guān)系討論了激光加工中使用的激光器， 介紹了國內(nèi)外在激光材料加工方面所做的工作， 尤其是超微細(xì)加工和材料熱加工方面的進(jìn)展。 最后展望了激光加工的發(fā)展前景， 指出應(yīng)該大力發(fā)展激光加工的應(yīng)用研究。關(guān)鍵詞激光飛秒激光 微加工引言自上世紀(jì) 60年代成功研制第一臺(tái)激光器不久，人們就開始進(jìn)行激光與材料交互作用方面的研究。 這是繼原子能， 計(jì)算機(jī)，半導(dǎo)體之后人類的又一重大發(fā)明。激光在材料中的應(yīng)用十分廣泛， 包括：簡(jiǎn)單的材料吸收光致局部加熱， 也可以是復(fù)雜的光致化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)燒蝕， 等離子體的產(chǎn)生等， 這些現(xiàn)象都與激光特性， 材料性質(zhì)和加工環(huán)境有關(guān)。 近年來，非接觸性和高加工精度受到人們的親睞， 激光切割，激光表面熱處理， 激光焊接和工業(yè)領(lǐng)域的迫切需求大大促進(jìn)了激光加工技術(shù)的實(shí)用化。 隨著深入研究， 激光脈沖的時(shí)域?qū)挾缺粔嚎s的越來越短， 由納秒到皮秒直至飛秒， 不但提供加工精度， 還可以加工以前長脈沖激光無力加工的透明材料。超短脈沖激光微加工具有廣闊的前景。激光的發(fā)生受激輻射自發(fā)輻射：假設(shè)存在于發(fā)光有關(guān)的兩個(gè)能級(jí) E1、E2。如果原子已經(jīng)處于高能級(jí)E2，它可以自發(fā)地、獨(dú)立地向低能級(jí) E1躍遷并發(fā)射一個(gè)光子。

射光子，除了能量上的制約以外，各個(gè)原子發(fā)射的自發(fā)輻射光子，除了能量上的制約以外，發(fā)射方向和偏振態(tài)都是隨機(jī)和無規(guī)則的。若 N2代表高能級(jí) E2的原子密度，則在單位體積內(nèi)單位時(shí)間發(fā)生自發(fā)輻射的原子數(shù) (dN2/dt)Sp與高能級(jí)的原子數(shù) N2dN2成正比。 2sp A21N2dt 212受激輻射：當(dāng)一個(gè)能量 hv=E2-E1的光子趨近高能級(jí) E2時(shí)，入射的光子誘導(dǎo)高能級(jí)原子發(fā)射一個(gè)和自己性質(zhì)完全相同的光子來。 受激輻射的光子和入射光子具有相同的頻率、方向和偏振狀態(tài)dN2sp B21(v,T)N2dt激光工作原理紅寶石激光器的主要部分是激光工作物質(zhì) (Al2O3單晶 )和激活物質(zhì) Cr3+提供亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，從基態(tài)到激發(fā)態(tài)經(jīng)亞穩(wěn)能級(jí)構(gòu)成三能級(jí)激光器。 受激輻射產(chǎn)生的光子受到諧振腔的限制， 光波沿著紅寶石軸來回傳播， 強(qiáng)度越來越強(qiáng)， 發(fā)出高度準(zhǔn)直的高強(qiáng)度相干波。激光在超微細(xì)加工方面的發(fā)展(1)利用激光分解有機(jī)金屬化合物 ,使它析出金屬膜層附在襯板上 ,這是一種對(duì)半導(dǎo)體加工和集成光學(xué)加工很有用的工藝。TOC\o"1-5"\h\z(2)離子注入硅的激光退火。激光照射到受離子轟擊而損傷的半導(dǎo)體基片上 ,局部表面溫度提高到熔點(diǎn)以上則可使受損傷的部位恢復(fù)完善的晶格。 改變激光功率密度和照射時(shí)間， 可以控制晶格的恢復(fù)過程 ,控制雜質(zhì)的深度和分布。 (3)激光外延再結(jié)晶。采用分子束外延的方法在硅片上蒸氣沉積非結(jié)晶薄膜 ,沉積后的硅片用 Q開關(guān),單模輸出 YAG激光器掃描 ,控制光強(qiáng)使材料表面熔化 ,硅片上蒸氣沉積的非結(jié)晶層重新結(jié)晶化 ,即可獲得優(yōu)良完美的結(jié)層 。(4)激光摻雜。 在n型硅上涂上磷的懸浮液 ,或在p型硅上涂以硼酸溶液 ,使之干燥形成約 1mg/cm的薄層然后用激光照射 ,表面熔深 0~50微米 ,結(jié)果產(chǎn)生簡(jiǎn)并層,即nn+和pp+結(jié)構(gòu) .若在 n型硅上涂以硼雜質(zhì) ,在p型硅上涂以磷雜質(zhì) ,采用同樣工藝 ,則可得到 np+和p礦整流結(jié)構(gòu)。正向電阻具有目前歐姆接觸的數(shù)量級(jí) ,而反向電阻比正向電阻大 104倍以上。(5)在硅片上形成歐姆接觸的激光合金化技術(shù)。用激光照射金屬膜與硅片反應(yīng)形成高電導(dǎo)的接觸 ,這就是所謂半導(dǎo)體電路的激光合金化。(6)集成電路的激光互連術(shù)為集成電路的設(shè)計(jì)和制作提供了新的有利條件。最近的研究表明 ,用毫微秒脈沖染料激光 ,能在集成電路的導(dǎo)體之間形成低電阻歐姆接觸。這種方法已在 MOS結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散硅層和鋁之間形成連接。(7)激光圖形發(fā)生器。集成電路圖形制作的第一步就是掩模制作。這是一道精度要求極高又非常復(fù)雜的工序。 向來都是用座標(biāo)儀制作掩模原圖 ,再將原圖以 1/10的倍率進(jìn)行二次縮小。 激光圖形發(fā)生器用激光掃描方法直接制作一次縮小后

(8)精確定位。 激光技術(shù)用作集成電路的精確定位 ,大致有這樣三個(gè)方面 :尺寸測(cè)量中的自動(dòng)定位 ,掩模自動(dòng)對(duì)準(zhǔn) ,焊接中的自動(dòng)定位。由于集成電路的微細(xì)化 ,定位精度的要求越來越高 ,在前兩種定位中 ,要求位置測(cè)量精度達(dá)到 0.05微米以下 ,這只能利用激光技術(shù)才能做到。飛秒激光在材料微加工中的應(yīng)用飛秒激光特性及其與材料相互作用機(jī)理由于脈沖寬度極短 ,就可以在較低的脈沖能量下獲得極高的峰值激光強(qiáng)度 ,例如對(duì)10fs脈沖寬度激光 ,0.3mJ能量就可在聚焦為直徑 2um的焦點(diǎn)達(dá)到 10?18W/cm的峰值強(qiáng)度 ,而脈沖寬 10ns的長脈沖激光卻要 300J的能量才能達(dá)到同樣的峰值強(qiáng)度。較小的損傷閉值。激光加工在時(shí)間上可分為兩個(gè)階段 :(l)激光與材料相互TOC\o"1-5"\h\z作用 ,即激光吸收與材料加熱 ;(2)材料熔化和汽化過程 ,即材料去除程。因此 ,對(duì)特定波長的激光來說 ,材料可分為 :吸收材料和透明的介電材料。 熱影響區(qū)小 ,加工精度高。由于超短脈沖激光能量被限制在趨膚深度的范圍內(nèi) ,而且作用時(shí)間極短 ,能量還沒來得及擴(kuò)散 ,材料已經(jīng)被加熱到極高的溫度 ,直接以汽相蒸發(fā) ,這樣在材料內(nèi)形成很大的溫度梯度 ,并且材料以汽相蒸發(fā)帶走大部分熱量 ,使得周圍熱影響區(qū)很小 ,實(shí)現(xiàn)精密加工。如圖是不同脈沖寬度激光切割鋁板對(duì)比 ,可以發(fā)現(xiàn) :長脈沖激光切割樣品熔化和再凝固的痕跡十分明顯 ,而飛秒激光切割樣品邊緣銳利且沒有材料熔化和再凝固的痕跡。另外 ,由于超短脈沖激光的燒蝕閉值很精確 ,因此將激光的能量控制在正好等于或略高于燒蝕閡值 ,則只有高于燒蝕閉值的部分產(chǎn)生燒蝕 ,可進(jìn)行低于衍射極限的亞微米加工 .由于透明材料為脆性材料 ,長脈沖激光加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力使之在損傷的同時(shí)發(fā)生破裂并有碎片飛出 ,故無法進(jìn)行加工 ,而超短脈沖激光產(chǎn)生的熱影響區(qū)很小,所以可進(jìn)行精加工。飛秒激光在材料加工中的應(yīng)用舉例金屬材料加工由于長脈沖激光的燒蝕閉值高且存在很強(qiáng)的熱擴(kuò)散 ,在激光輻照區(qū)及周圍的大范圍內(nèi)發(fā)生熔化和飛濺現(xiàn)象 ,使得加工區(qū)邊緣不清晰 ,為再凝固材料所包圍 ,加工精度低;超短脈沖激光能量集中在趨膚深度范圍之內(nèi)且熱影響區(qū)非常小 ,沒有熔化及再凝固痕跡 ,呈現(xiàn)銳利的加工邊緣。飛秒激光加工的精密微孔及微機(jī)械零件應(yīng)用前景廣闊。其中 ,精密微孔已成功用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴。此外 ,飛秒激光還能對(duì)金屬基非晶材料進(jìn)行精密加工 ,而且周圍沒有明顯的晶化現(xiàn)象。薄膜材料加工光掩模是微 （光 ）電子制備工業(yè)的支柱 ,成本極高。光掩模是由光刻工藝制備的 ,但由于結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜 ,且為多步工藝 ,經(jīng)常存在缺陷需要修改。修改光掩模要求不能損傷襯底材料 ;不能影響修改位置周圍區(qū)域膜層的質(zhì)量 ,并且不能有殘?jiān)纬?;不能影響修改位置襯底的透明性 ;修改方法應(yīng)能去除最小尺度的缺陷。飛秒激光可對(duì)光掩模上納米尺寸缺陷進(jìn)行修復(fù) ,顯示了巨大的商業(yè)開發(fā)潛力。透明材料加工透明材料加工必須避免熱擴(kuò)散引起的加工區(qū)域周圍的損傷和 裂紋,一直是困擾激光加工技術(shù)的一個(gè)難題。飛秒激光的熱影響區(qū)小 ,已經(jīng)為實(shí)驗(yàn)證明可作為透,加工邊緣清晰 ,無熔化和飛濺的痕跡。飛秒激光輻照還可引起輻照區(qū)域透明材料的折射率變化 ,這一現(xiàn)象已用于制備光波導(dǎo)和微光柵中。結(jié)語（1）激光是人類的重大發(fā)明之一，可以用來瞄準(zhǔn)特定區(qū)域并產(chǎn)生高密度熱能。激光的特點(diǎn)是：定向發(fā)光，亮度極高，顏色極純，能量密度極大。激光是利用受激發(fā)射工作的。（2）隨著激光技術(shù)的發(fā)展 ,激光日益成為精密可控的強(qiáng)光束 ,其加工領(lǐng)域逐漸深入到超微細(xì)加工工藝中。 激光與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)相互作用的深入研究 ,勢(shì)必將大大推進(jìn)激光加工技術(shù)的發(fā)展 .而且會(huì)使微電子學(xué)的加工領(lǐng)域及其他的超微 細(xì)加工領(lǐng)域發(fā)生極大的變化。（3）長脈沖激光加工產(chǎn)生的熱擴(kuò)散可引起切口周圍材料的明顯損傷 ,經(jīng)常在切口周圍流下材料燒蝕的殘留物 ,使加工的質(zhì)量和效率下降。飛秒激光可將材料加工區(qū)快速加熱到遠(yuǎn)高于 沸點(diǎn)的溫度 ,切口處材料以汽相去除 ,而周圍材料還保持低溫 ,即對(duì)切口附近影響很小， 實(shí)現(xiàn)了精密加工和多層材料的選擇性加工。隨著加工技術(shù)的日趨成熟 ,在微電子、微機(jī)電系統(tǒng)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域