准分子激光微细加工新的发展与应用

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1、万方数据◆专题聚焦摘要：准分子激光微细加粤已成势一种成熟的加工技誊，雇工业中有著广泛盼应用，如喷墨打印机喷嘴耐钻孔、传感器的生产和显示板的加工等。本寒描述了准分子激光加工系统的重要概念，给出了在微细加工领域中己被开发出表的各种新方_i芳。重j《描述-了用于加工复杂的、多层次三维微细结构的各种加工技术，并用加工省来的结构实例说明了r它锕盼相关应用。蛳外，述给：出了用垂纳秒圈体纤雏激光器进行微细加工获得鲮初涉结果；d：：最后叙述了席超短脉冲激光器进行激光微细加i这个快速增长的技术领域。1前言激光器广泛地应用于各种工业领域。如汽车、航空航天业的切割、焊接和材

2、料处理等加工。最近激光在微细工程方面的应用呈增长趋势。在众多微细加工系统工艺技术(MST)的开发中脉冲激光器起着主要作用。例如用激光系统加工喷墨打印机的喷嘴能提高生产效率。在其他方面(如生物医学分析“芯片”)，利用激光微细加工技术的独特性能已开发出许多全新的器件。脉冲激光微细加工具有如下优点：·高质量·高分辨率·高精度·高加工速度·极好的重复精度-低热损伤·可用于加工多种材料·高产量而勰瓣‰oOMEINFORMATl0NNo．7．2001V·好的容差·单步“干”加工处理·高度灵活性·经济效益可观激光微细加工的优越性在很大程度上由应用来决定，同时也依赖于

3、激光器的选择和采用的加工方法。激光微细加工最吸引人之处是它所具有的灵活性，能快速加工出样机并快速评价不同设计方案。此外还能用同一激光加工设备在很短时间内完成多种不同的加工工序，因此研制的周期比用传统加工技术要缩短很多。许多不同类型的脉冲激光器现已广泛应用于微细加工试验。这些激光器的波长范围已从红外扩展到深紫外，脉冲周期从毫秒到飞秒，脉冲重复频率从单个脉冲到几十kHz。本文重点描述紫外准分子激光器微细加工，因为这些激光器已经处于许多新开发的应用领域的前列。此外还给出一些使用新型固体激光器进行微细加工的初步研究成果。万方数据专题聚焦●2准分子激光微细加工准

4、分子激光器是发射紫外光的脉冲激光光源。这种光源的带宽相当宽，通常输出尺寸约为25mm×10mm的矩形光束。光束的发散角一般为1mrad～5mrad，并且在矩形光束的两个方向上的发散度是不同的。由于这种光束的发散度和不均匀性相当大，事实上光束的空问相干性相当差，所以准分子激光束的直接聚焦通常是不受人们重视的。因此在大多数应用中通常采用掩模投影技术。2．1掩模投影由于准分子激光器输出的光束是不均匀的，因此要采取某种形式的光束匀化处理以产生“平顶”能量分布光束。光束匀化处理是很重要的，因为在样品各点处的烧蚀深度与能量密度相关。把一个掩模放置在能使光束最佳匀化

5、的平面处，用于限定光束的形状或图样，再用分辨率相当高的光学系统把通过掩模的光束成像到样品上。掩模一般是用涂覆铬的石英或者金属板制作的。通常情况下，激光束在掩模投影系统中保持不动，而掩模和工件是移动的，并按照精确控制的运动方式穿过激光束。掩模投影的基本原理示于图1。图1典型的准分子激光掩模投影系统掩模投影方法具有极大的灵活性，在微细加工领域具有许多优越性能，这些性能包括：·掩模尺寸投影物镜把掩模图样缩小并投影到工件上，所以掩模上的图案特征尺寸不必做得像待加工工件上的微细结构那么细小。一般投影物镜的缩小倍数为4×、10×或30×，因此没有必要把掩模图案加工

6、成具有超高分辨率的特征尺寸，这样就减少了掩模的复杂性和加工费用。o·掩模损伤由于使用缩微投影物镜，所以投到掩模上的激光能量密度远比投到工件上的能量密度低。这样既减少了对掩模的损伤，又延长了掩模的使用寿命。·掩模和工件的分离因为掩模和工件不是非常靠近，所以掩模不会受到工件烧蚀时产生的碎片或散粒的损伤。·单独控制掩模投影方法可以单独控制掩模和工件光机电信息7／200l0MEINFORMATl0NNo．7．2001万方数据◆专题聚焦的运动，并可根据微细工程的要求采用许多不同的加工处理技术。·分辨率和焦深掩模投影加工得到的最小特征尺寸或分辨率R，基本上是由投影

7、物镜的性能决定的。可用R础，A刀似表达，其中A是激光波长，NA是光学系统的数值孔径，局-是一个与工件材料和加工条件有关的常数。焦深(DoF)用DoF口．

8、}2A／J7、H2表示，其中矗：是另一个与光学系统／加工条件有关的常数。掩模投影系统为微细加工提供了极大的灵活性，用同一系统能加工出不同用途的各种类型的微细结构。2．2各种微细结构的加工在掩模投影系统中有些加工参数是可以进行调整的，适当控制这些参数能对微细加工的结构产生不同的影响。这些可调加工参数包括激光波长、光学系统设计参数、工件材料、激光能量密度和重复频率，但最重要的参数是在激光照射期间掩模和工件

9、的位置和运动参数，它能决定待加工的微细结构的类型。因此，对掩模和工件位置的精确控制，以及它们的