一、前言

自從1960年第一臺激光出現以來(lái)，激光的研究和應用在各個(gè)領(lǐng)域得到了飛速的發(fā)展。它在高精度測量、材料結構分析、信息存儲與通訊等方面得到了廣泛的應用。高向性、高光度激光可廣泛用于加工制造業(yè)。近20年來(lái)，隨著(zhù)激光設備、新型受激輻射光源及相關(guān)工藝的不斷創(chuàng )新與優(yōu)化，激光制造技術(shù)已滲透到許多高科技領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，并開(kāi)始替代或改造一些傳統加工產(chǎn)業(yè)。

1987年，美國科學(xué)家提出了微型機電系統(MEMS)開(kāi)發(fā)計劃，標志著(zhù)人類(lèi)微機械研究進(jìn)入了一個(gè)新紀元。微機械制造技術(shù)主要包括半導體加工技術(shù)、微光刻電鑄模工藝、超精密機械加工技術(shù)和特殊微加工技術(shù)。這些微細加工方法中，從小到小，從小到小，都是通過(guò)能量處理的直接作用。特種加工是以電能、熱能、光能、聲能、化學(xué)能等形式進(jìn)行的。常見(jiàn)的加工方法有：電火花、超聲、電子束、離子束、電解等。近幾年來(lái)，發(fā)展了一種新型的微細加工技術(shù)：包括立體光刻技術(shù)、光掩膜技術(shù)等。用激光進(jìn)行微細加工具有很大的應用潛力和誘人的發(fā)展前景。

為了適應21世紀高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，滿(mǎn)足微細制造的需要，研制高性能的激光源。近十年來(lái)，激光微細加工技術(shù)作為激光加工技術(shù)的一個(gè)分支受到廣泛關(guān)注。原因之一是越來(lái)越多的高效率激光器出現。比如，具有極高峰功率和超短脈沖的固態(tài)激光、高光束質(zhì)量的二極泵Nd:YAG激光器等。二是數控操作平臺速度快，精度高。但是，一個(gè)更為重要的原因是工業(yè)需求的持續增長(cháng)。適用于微電子加工、半導體穿孔、寄存器剪切、電路修理的激光微加工技術(shù)。通常激光微加工是指數至數百微米的加工過(guò)程。光束的寬度是飛秒(fs)和納秒(ns)之間。從遠紅外線(xiàn)到X射線(xiàn)的寬頻范圍。當前三大領(lǐng)域主要應用于微電子、微機械、微光學(xué)加工。伴隨著(zhù)激光微細加工技術(shù)的不斷成熟，必將在更廣泛的領(lǐng)域得到推廣和應用。

二、激光微細加工的應用：

由于電子產(chǎn)品越來(lái)越輕便、小型化，由于單位體積信息(高密度)和單位時(shí)間處理速度(高速)的增加，對微電子封裝技術(shù)的新需求也在增加。舉例來(lái)說(shuō)，現代的手機和數碼相機的互連距離大約為1200根。改進(jìn)封裝工藝的關(guān)鍵是在不同層間留有微孔，既能實(shí)現表面安裝裝置與下方信號板的高速連接，又能有效地減小封裝面積。

另外，隨著(zhù)近幾年全球手機、數碼相機、手提電腦等便攜式電子產(chǎn)品趨向于向輕、細、短、小的方向發(fā)展，印刷電路板(PCB)逐漸出現了積層多功能特性，主要是高密度互連技術(shù)?？装?via)是多層PCB中的一個(gè)重要部件，其有效性能已經(jīng)成為多層PCB的一個(gè)重要部件?，F在，打孔成本一般占PCB板成本的30%-40%。對于高速、高密度的PCB設計，設計者總是希望孔洞越小越好，這樣不僅可以留下更多的布線(xiàn)空間。過(guò)孔越小，越適合高速電路。常規機鉆的最小尺寸僅為100μm，顯然無(wú)法滿(mǎn)足要求，而采用激光微孔加工新方法。當前，CO2激光器可在工業(yè)上獲得直徑30-40微米的微孔，也可通過(guò)紫外激光切割機加工出10微米的微孔。

它可以應用于設備、汽車(chē)、航空精密制造及各種微加工行業(yè)的切削、鉆、雕、標、熱滲透、焊等。例如對20微米以上噴墨打印機進(jìn)行噴墨處理。采用微壓力、拋光等激光表面處理技術(shù)對各種微光學(xué)元件進(jìn)行加工，或用激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶態(tài)改變其組織結構，再通過(guò)機械力的調和，軟化階段的等離子體輔助微工微光學(xué)元件。

激光微細加工常用工藝：

該技術(shù)具有非接觸、選擇性加工、熱影響范圍小、精度高、重復頻率高、零件尺寸和形狀高等優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)激光微加工技術(shù)最大的特點(diǎn)就是直寫(xiě)加工，簡(jiǎn)化工藝，實(shí)現微電腦的快速成型制造。此外，此法不會(huì )產(chǎn)生腐蝕等環(huán)境污染問(wèn)題，可謂綠色制造。激光微細加工技術(shù)被應用于微機械制造中：

1)激光直寫(xiě)微加工、激光LIGA及其它材料的微加工；

2)激光微立體光刻、激光輔助沉積、激光選區燒結等材料堆積微加工技術(shù)。

2.1激光直寫(xiě)技術(shù)。

準分子激光波長(cháng)，聚焦光斑直徑小，功率密度高，非常適用于微加工和半導體材料的加工。大多數的準分子激光微細加工系統都是通過(guò)膜片投影加工的，也可以直接利用聚焦光斑刻蝕件，把準分子激光技術(shù)與數控技術(shù)相結合。利用X-Y平臺的相對運動(dòng)和Z方向的微進(jìn)給，可以直接掃描刻在基體材料上或加工三維微細結構。當前，準分子激光直寫(xiě)技術(shù)可加工高深寬比微、線(xiàn)寬數微細結構。在此基礎上，利用準分子激光結合類(lèi)似的快速成形(RP)制造技術(shù)，對分層掃描三維微加工進(jìn)行了研究。

2.2激光LIGA工藝。

用準分子激光深蝕替代載射光刻，解決了高精度載射線(xiàn)掩膜片制作、套刻對準等技術(shù)難題。與此同時(shí)，激光光源在LIGA技術(shù)上的應用也遠遠優(yōu)于同步輻射載光源，大大降低了LIGA技術(shù)的制造成本。雖然激光LIGA技術(shù)在高徑比加工微構件的高徑比上有很大差異，但它完全可以接受微構件的加工。另外，激光LIGA技術(shù)無(wú)需化學(xué)腐蝕顯影，而直接刻蝕，不受化學(xué)腐蝕的橫向滲透和腐蝕。所以，加工邊陡、精度高、光刻性能好于同步載射光刻。

2.3激光微立體光刻技術(shù)。

該技術(shù)是一種應用于微制造領(lǐng)域的先進(jìn)快速成型技術(shù)，并將其應用到三維光刻技術(shù)中。微細三維光刻技術(shù)因其高精度的微細加工而被稱(chēng)為微細三維光刻。相對于其它微細加工技術(shù)，微立體光刻技術(shù)的最大特點(diǎn)是不受微裝置或系統結構形狀的限制。該系統可加工任意三維結構，包括自由曲面，可一次形成不同的微部件，節約了微裝配環(huán)節。另外，該工藝具有處理時(shí)間短、成本低、工藝自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，為微型計算機的大規模生產(chǎn)創(chuàng )造了有利條件。這種方法有兩個(gè)局限。

精度較低：

基于快速成形的微細加工技術(shù)，目前最大水平精度在1mm左右，垂直方向在3mm左右。很明顯，這種精度不能與基于集成電路的硅微加工技術(shù)相比較。

其使用受到一定程度的限制，現有的樹(shù)脂材料在電性能、機械性能、熱學(xué)性能等方面都與硅材料存在著(zhù)差距。近幾年來(lái)，我國大力研究開(kāi)發(fā)了激光微立體光刻。關(guān)于提高精確度和效率的發(fā)展方向如下：

1)采用面片曝光代替點(diǎn)曝光，進(jìn)一步縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；

2)材料方面，研制了分辨率較高的光固化樹(shù)脂，例如雙光近紅外聚合樹(shù)脂，為高精度制造奠定了良好的基礎；

3)在工藝方面，研究開(kāi)發(fā)無(wú)支承或犧牲層的工藝，并與平面微加工技術(shù)相結合，進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝，提高加工精度和生產(chǎn)靈活性。

利用激光輔助氣相淀積(LCVD)(LCVD)是一種激光輔助的方法。

該固形件在固化微成型過(guò)程中，通過(guò)氣相化學(xué)反應沉積于襯底表面。該三維顯微結構利用激光輔助化學(xué)氣相沉積，在一定范圍內加熱基體，啟動(dòng)和維持CVD過(guò)程，使沉積基板或激光束形成固體結構。造型中，沒(méi)有平面投影和平面掃描的限制，能夠生成復雜幾何形狀的三維微結構。用一種特殊的方式移動(dòng)工件臺，使得光束的速度總是和晶體一樣快，這樣就形成了期望的微觀(guān)結構。

2.5激光選區燒結工藝(SLS)

這是一種快速成形技術(shù)，具有廣泛可加工材料范圍和制造任何復雜三維形狀的獨特優(yōu)點(diǎn)?，F在，人們在用SLS技術(shù)制造微型機械。SLS系統實(shí)現時(shí)，先在計算機上完成所需的三維CAD模型，再利用層次化軟件分層獲取各個(gè)層段，利用自動(dòng)控制技術(shù)，使激光選擇性地燒結與計算機零件截面相對應的粉體，通過(guò)燒結、熔化、冷卻和凝固。在下一層燒結完成后，兩層燒結連接。所以，燒結部分和CAD原型是一致的，而未燒成的部分是松散的粉末，可以作為支撐，最終容易清潔。燒結機的精度主要取決于燒結機的功率、焦徑、掃描速度、粉體粒徑、粉體各向異性、燒結溫度等因素。利用SLS工藝進(jìn)行三維造型，也可以把各種材料集成在一個(gè)微結構中，完成某種功能。

其他激光微加工工藝

本文介紹了脈沖激光刻蝕成形技術(shù)的最新進(jìn)展。利用短波長(cháng)倍頻激光或皮秒、飛秒激光與高精度數控機床，對各種材料進(jìn)行刻蝕。短脈沖對這些材料表面進(jìn)行腐蝕，然后除去材料，其表面形成的微觀(guān)結構質(zhì)量遠遠高于長(cháng)脈沖加工。2001年，德國HEIDELBERGINSTRUMENTS于2001年使用三倍頻(波長(cháng)354.7nm)獲得5mm的聚焦光斑，加工尺寸為10mm，精度1mm。在x、y方向上的激光焦斑直徑5毫米。其表面平均粗糙度為0.16毫米，表面粗糙度為0.16毫米。與激光刻蝕原理相同的激光微切割成形，還采用倍頻或飛秒激光作為光源，聚焦光束精確控制能量輸入，熱影響小，精密切割成型。

微細加工技術(shù)在超短脈沖激光方面的最新發(fā)展

二氧化碳。YAG激光是一種連續的。長(cháng)脈沖激光，主要依靠焦點(diǎn)形成高能密度，導致局部高溫燒蝕材料，基本屬于熱加工類(lèi)別，加工精度有限。準分子激光通過(guò)短波紫外光作用，可以對材料進(jìn)行光化處理，特征尺度可達微米級，但準分子激光對氣體的腐蝕非常嚴重，且難以控制，且紫外強激光易損壞，且應用范圍有限。隨著(zhù)激光領(lǐng)域的深入研究，脈沖在時(shí)間上逐漸變小，從納秒(10-9s)到皮秒(10-12s)再到飛秒(10-l5s)。

飛秒脈沖激光主要有兩個(gè)特點(diǎn)：(1)脈沖寬度短。飛秒脈沖的持續時(shí)間短至幾個(gè)飛秒，而在1fs內僅能傳播0.3微米，比大部分細胞直徑短；2)峰值功率極高。飛秒激光把脈沖能量集中在幾至幾百個(gè)飛秒的極短時(shí)間內，所以它的峰值功率是很高的。舉例來(lái)說(shuō)，把lμJ的能量集中在幾個(gè)飛秒內，聚集成10微米的光點(diǎn)，其光功率密度可以達到1018W/cm2，轉化為2×1012V/m/m。它是氫氣原子的庫侖場(chǎng)強度(5×1011V/m)的4倍，它有可能直接從原子上除去電子。

從激光與透光材料的作用機理來(lái)看，材料的損傷機制是雪崩電離過(guò)程，由初始電子密度決定，材料中雜質(zhì)分布不均勻，材料中初始電子密度變化很大。結果表明，損傷閾值有較大變化。長(cháng)脈沖激光損傷閾值是激光能量流50%，即長(cháng)脈沖激光損傷閾值是統計值。超短脈沖激光有很強的場(chǎng)強度，束縛電子能對n個(gè)光子進(jìn)行吸收，并且直接由束縛能級躍升到自由能級。超短脈沖激光損傷過(guò)程雖然屬于雪崩電離過(guò)程，但是它的電子是通過(guò)多光子電離過(guò)程產(chǎn)生的，不再依賴(lài)于材料中的原始電子密度。所以損傷閾值是準確的。當脈寬減小時(shí)，脈沖激光的損傷閾值明顯減小。當達到皮秒級別時(shí)，下落速度減慢，飛秒量級基本不變。

此外，由于超短脈沖激光具有較高的損傷閾值，使得其能量在等于或略高于損傷閾值，如果是部分燒蝕，則可以將其降低到衍射極限的亞微米加工。飛秒激光能產(chǎn)生超高的光強，精確的損傷閾值，低的熱影響范圍，幾乎可以精確的加工各種材料。并且具有極高的加工精度，能夠精確地加工亞微米尺寸。

激光器是一種高效、低成本、穩定可靠的加工質(zhì)量，具有良好的經(jīng)濟效益。由于飛秒激光獨特的短脈寬和高峰功率特性，飛秒激光突破了傳統的激光加工方法，開(kāi)創(chuàng )了超細、無(wú)熱損、三維空間加工的新領(lǐng)域。飛秒激光加工技術(shù)主要應用于微電子、光子晶體器件、光纖通信器件(1Tbit/s)、微細加工、三維光存儲、微醫療器件生產(chǎn)、細胞生物工程技術(shù)等?？梢?jiàn)，激光微制造技術(shù)將以其不可替代的優(yōu)點(diǎn)，成為21世紀飛速發(fā)展的高科技。

最后：

工業(yè)革命時(shí)代，世界各國以生產(chǎn)大機器為榮；在信息時(shí)代，先進(jìn)工業(yè)國家致力于微物質(zhì)的研究，制造更小的機器；在納米技術(shù)時(shí)代，為適應國防、航空航天、醫療、生物等領(lǐng)域的發(fā)展，微加工已經(jīng)成為當前制造業(yè)中最活躍的研究方向之一，微機械技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為一個(gè)國家綜合實(shí)力的標志。在微細加工技術(shù)方面，激光微細加工技術(shù)表現出了獨特的優(yōu)勢，有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。為了在未來(lái)的高科技領(lǐng)域占據一席之地，中國必須發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的激光微制造技術(shù)。