紫外激光在微细加工技术中的优势

　　本文主要涉及紫外激光加工技术．通过实验，将紫外／红外两种激光设备对材料的加工结果进行比较，发现在特殊材料加工上，紫外激光相对于红外激光，加工边沿更光滑、效率更高．对于用红外透过率较高的材料加工的红外器件来说，紫外激光在加工中具有明显的优势。

　　1引言   

　　激光技术是20世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一．四十多年来，随着小型电子产品和微电子元器件需求量的日益增长，对于加工材料(尤其是聚合物材料以及高熔点材料)的精密处理日渐成为激光在工业应用中发展最快的领域之一。   

　　激光加工是激光产业的重要应用，与常规的机械加工相比，激光加工更精密、更准确、更迅速．该技术利用激光束与物质相互作用的特性对包括金属与非金属的各种材料进行加工，涉及到了焊接、切割、打标、打孔，热处理、成型等多种加工工艺。激光独一无二的特性使之成为微处理的理想工具，目前广泛应用于微电子、微机械和微光学加工三大领域。   

　　激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。   

　　激光加工有其独特的特点：

　　(1)范围广泛：几乎可以对任何材料进行雕刻切割。

　　(2)安全可靠：采用非接触式加工，不会对材料产生机械挤压或机械应力。   

　　(3)精确细致；加工精度可达0．01mm。   

　　(4)效果一致：保证同一批次的加工效果一致。   

　　(5)高速快捷：可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割，且激光切割的速度比线切割的速度要快很多。   

　　(6)成本低廉：不受加工数量的限制，对于小批量加工服务，激光加工更加便宜。   

　　(7)切割缝隙小：激光切割的割缝一般在0.02mm-0.05mm。   

　　(8)切割面光滑：激光切割的切割面无毛刺。   

　　(9)热变形小；激光加工的激光割缝细、速度快、能量集中，因此传到被切割材料上的热量小，引起材料的变形也非常小。   

　　红外器件技术中所用的材料(宝石等)、加工条件(精度，变形等)要求采用激光加工。鉴于激光种类很多，我们主要涉及的是红外激光设备和紫外激光加工系统。因此希望通过实验，将紫外／红外两种激光系统对同种材料的加工结果进行比较，从而了解它们的特点与区别，并确定出各自的适用范围和优越性，为今后更好地发展特殊材料加工作铺垫。       

　　与红外加工不同，紫外微处理从本质上来说不是热处理，而且大多数材料吸收紫外光比吸收红外光更容易。高能量的紫外光子直接破坏许多非金属材料表面的分子键，用这种"冷"光蚀处理技术加工出来的部件具有光滑的边缘和最低限度的炭化。而且，紫外短波长本身的特性对金属和聚合物的机械微处理具有优越性．它可以被聚焦到亚微米数量级的点上，因此可以进行细微部件的加工，即使在不高的脉冲能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地进行材料加工。   

　　微细孔在工业界中的应用已经相当广泛，主要形成的方式有两种：   

　　一是使用红外激光：将材料表面的物质加热并使其汽化(蒸发)，以除去材料，这种方式通常被称为热加工．主要采用YAG激光(波长为1.06μm)。   

　　二是使用紫外激光：高能量的紫外光子直接破坏许多非金属材料表面的分子键，使分子脱离物体，这种方式不会产生高的热量，故被称为冷加工，主要采用紫外激光(波长为355nm)．   

　　3实验结果与讨论

　　3．1钻孔实验

　　结果表明，用红外激光打的小孔圆度较差，且边缘被"烧"黑．而用紫外激光加工的陶瓷片，小孔圆度较好且边缘光滑。实验结果的数据不难发现，紫外激光较红外激光在加工速度、钻孔精度上不止高出几个等级，而且质量效果也有明显的优势。

　　3．2切割实验   

　　激光切割是利用聚焦的高功率激光照射加工材料表面，当激光超过阈值功率密度后，引起照射点材料温度急剧上升，温度达到沸点后，材料产生气化并形成孔洞，随着激光束与工件的相对移动，最终在材料表面形成切缝。切割质量(包括切缝宽度、边缘的直线度、光洁度)由激光功率、激光束模式、辅助气体压强和切割速度决定。切割所需的激光功率直接正比于材料的厚度，对于黑色金属更是一条典型的直线。最大切割厚度为功率、会聚透镜焦距、激光波长、切割速度的函数。焦距及收敛角是切割质量、厚度、速度的重要参数。

　　在理论上，切割厚度由激光高斯光束的瑞利区域所决定，瑞利区在工业界称作焦深(DOF)，

　　式中，λ为波长，f和D分别为会聚透镜的焦距和直径，焦深给出的是切割厚度的上限。用紫外激光钻孔机在0.1mm厚的高熔点金属钼片上进行切割的SEM照片，由于高熔点金属对紫外光的较高吸收，其切割边缘平整。

　　激光切割具有切缝窄、热影响区小、效率高、切边无机械应力、可适合多种不同薄膜材料的加工等优点，而且对孔径以及特征尺寸的限制小。

　　被切割滤光片介质膜的成分主要为硫化锌、锡化锌等。紫外激光钻孔机的加工频率为100kHz，切割速度为10mm／s。   

　　用紫外激光划的滤光片边缘光滑，损伤小．而用机械划片机则容易产生"崩边"，切割产生的应力容易使介质膜脱落，损坏滤光片。我们知道，红外激光切割是将材料表面的物质加热汽化，而滤光片介质膜在温度超过130℃时很容易氧化变质。因而用红外激光无法形成滤光片的划片工艺。目前，用紫外激光切割的滤光片已经用于某种型号的红外器件。用高功率紫外激光切割一些金属，如铜薄膜、钼片等，具有切缝窄、热影响区小、切割效率高等优势，适合于多种不同高精度微细薄膜器件的研制。对高功率紫外激光切割技术的研究大大地促进了激光作为万能加工工具的应用与发展。

　　3．3实验比较  

　　(1)铜具有良好的导热(热扩散率为1．19cm2／s，热传导系数为4．01W／cm℃)、导电(导电率为6×103s／m)及延展性能，而且在空气中比较稳定[引．因此，这些优异的性能使得铜薄膜材料目前在薄膜器件生产制造中得以广泛应用。然而，铜在激光材料加工中属于难加工材料，这是因为铜的热反射率高，对激光的吸收率很低。因此即使在高能量密度下，使用普通的C02激光及Nd：YAG激光也很难对铜进行微细切割加工。

　　但是铜对波长为355nm的三倍频固体紫外激光却具有较高的吸收率，而且由于紫外激光的波长短，其聚焦点可小到亚微米数量级，因此采用紫外激光对铜薄膜进行切割加工，将是研制这种高精度微细薄膜器件的有效方法．利用紫外激光钻孔机在厚度为0.05mm的铜片上钻小孔，目标是小孔孔径小、圆度和边缘质量高。

　　经过反复实验，紫外激光钻孔机的加工频率为25KHz，切割速度为0.3mm／s．图5是利用紫外激光钻孔机加工出来的咖为10μm的小孔。

　　(2)在0.1mm厚生陶瓷上的加工实验在郭栋等的《氧化铝陶瓷基板过孔的新型激光打孔工艺》中，笔者选用了常见的氧化铝陶瓷作为研究对象，激光器为Nd：YAG撒光器。

　　当打孔进行到激光脉冲尾缘后，由于光强和蒸汽压锐减及光束的发散等，熔化而未来得及被携带走的液相会重新凝聚在孔壁和孔入口处形成重铸层和堆积物，陶瓷体直接加工时孔的周围会形成大量不规则堆积物。

　　4．结论

　　通过几种实验对比发现：

　　(1)与常规机械加工相比，激光加工更精密、更准确和更迅速。

　　(2)通过钻孔实验可以看出：紫外激光较红外激光在加工速度、钻孔精度及质量效果上有较为明显的优势．因此在某些孔径精度高、孔的表面质量要求高、加工材料熔点高的场合则可以用紫外激光来替代红外激光。

　　(3)从切割实验中不难发现：用紫外激光切割一些金属，如铜薄膜、钼片等，具有切缝窄、热影响区小、切割效率高等优势，适合于多种不同高精度微细薄膜器件的研制。虽然固态半导体泵紫外激光具有许多优势，但如何通过加工参数的优化和调整，更好地利用固态半导体泵紫外激光进行精密加工，是现阶段需进一步探索的问题。

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