激光微加工技术纵览基本原理、实际应用及未来展望

显而易见，要想获得可靠的微成形加工
质量，则应该提供能量密度口恒定的激光
束。扫描系统所必需的能量密度ｑ为：ｇ＝
＾Ｋ。／ｄ。Ｌ（１６），或者根据Ｐ／Ｋ。＝砌。厶，＝恒
定值＝Ｂ（１７），这就意味着当能量恒定时，
ＰＫ。应当也都是恒定的。这对于高速加工形
状复杂的图形尤为重要。如果儿不是恒定
的，而是随着扫描轨迹变化，那么它可能满足
流热交换；
一热传导。
还应考虑下列现象：
一应该有充足的气压来吹走孔中的熔化
金属：
一腐蚀物对入射光束的影响。
图２ 激光微成形简图
影响激光微成形质量的主要因素： 在每一个实际的激光微成形过程中，液 态阶段的绝大部分都保留在激光脉冲到来之
专题聚焦●
后的被照射区。 一般来说，大量液体的形成及难以完全
从表面清除都是极其不利并且难以控制的现 象，正是由予这些现象导致了激光微成形酶 效率和质量大大降低。
波长Ａ应该位于材料的强吸光率范围
之内，这取决于材料的光学参数（民Ａ＝１一
Ｒ，艿＝１／ｄ）。
脉冲重复频率斥它对微成形生产效率
及选择何种工艺加工方法有着直接的影响。
比较各种参数，对于Ｎｄ：ＹＡＧ激光器
（丁一１０。ｓ，．厂～１０４Ｈｚ），铜蒸气激光器（丁～
１０—８ｓ，／一１Ｑ４Ｈｚ），ｒ～１０—８ｓ，／一１０３Ｈｚ的准分
为了比较使厢连续波激光和脉冲激光用 于微成形所必需的能量，考虑到要改变形状， 那就意味着要把材料加热到蒸发温度纛。
对予与连续波激光相对应的能量Ｐｃ。， 应该麸稳态温度起始点氛算起
豇＝ｑｒ。／南
（７）
式中：强一光斑半径，磊一热传导系数，
此时：
芦。＝万蕊爻／蠢
《８）
对于与能量Ｒ相对应的脉冲激光，应
该从脉冲状态的起始点瀑度墨算起。
决于光圈损失和光学元器件（菲涅耳反射和 残余吸收）。
在对精度的要求中，应当强调： ·尽量使光斑尺寸最小； ·尽量形成一个具有给定形状的轮廓鲜 明的作用区域； ·尽量使受照射区边缘的粗糙程度降到 最低。 就工作面而言，最为重要的问题是： ·如何利用光学机械扫描系统及光学投 影系统覆盖整个工作面； ·使用最简便的方法获得能够接受的精 度及生产率。 用于激光微成形的激光束在空间的形成 方式主要有两种： １）工作在聚焦面（图３中的Ａ面）； ２）工作在投影面（图３中的Ｂ面）； 两种工作方式的不同之ห้องสมุดไป่ตู้不仅在于光斑 尺寸不同，还在于能量分布也不同。在任何 情况下，聚焦面上的光斑尺寸由光的强度决 定，强度越大，光斑尺寸越小。 投影面Ｂ的情形正好与此相反，投影面 Ｂ（图３）是一个菲涅耳衍射区（近场），其上的 能量分布与源平面上的能量分布一致，此时 光斑可以是任意形状（通过相应的遮光板获 得）。
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０麓Ｅ ｌＮ两Ｒ鹾文露◇楚慕ｏ。ｌ １．艺夺§ｌ
◆专题聚焦
＜＜尸ｃ。ｏ
脉冲持续时间７－限定了下面这些过程
量：
一脉冲能量起始点口。。（公式９，１０） 一液体数量‰（公式５）；
一反气压值Ｐｖ（公式６）；
一热机械压力值Ｆｔｍ一√《近似）；
一蒸气对入射光束所起到的阻挡影响；
一起始能量密度的稳定性取决于照射区
％的增加而线性增长：
危：％ｒ：｝．ｒ
（４）
锄
一孔径不增加：ｄ＝ｃｆｏ＝常数； 一无液态阶段，只有气体生成物； 一可达理想精度；
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一产品质量优良； 二维模型
一维模型不能用来描述孔增长的动力学 过程，因为当孔深＾增加到与光斑尺寸ｒ０大 小相当时，孔壁对孔的形成动力的影响不应 被忽略。
尺寸大小。
注：
·连续波激光器有效作用时间为：
７－＝玩／以。
（１３）
式中：ｃｆ０一焦点直径，‰一扫描速度；
·在任何情况下都应满足公式９和ｌＯ。
激光能量应该能够提供足量优质的能量
密度ｑ－一位于蒸发起始点ｇ山。。ｎ和吸收起始
点之间，通常取ｇ一（２～３）ｇ山础。 计算表明，通常用于微成形加工的激光
能量ｐ＝１ｋＷ是必要的。
从以上讨论中可知，为了提高激光微成 形加工的质量和效率，使用易于被材料吸收 的，高频短脉冲激光束和性能优越的扫描投 影光学系统是必要的。但是选取哪种系统要 取决于操作类型。另外，加工成本在很大程度 上对采取何种方法有着一定的限制。
３ 激光微成形加工的实际应用
图４ Ａ一透镜焦面处Ａ型试样表面，Ｂ一透镜焦面 处的Ｂ型试样表面中心点。
图３ 激光源远心模型（多模运转）。焦斑直径也＝ ０【Ｆ，焦深Ｚ＝２凼Ｆ／Ｄ（１４），投影直径Ｄ。，＝Ｄ卢（１５） （口一光学系统放大倍数，届＝Ｆ／Ｚｒｎ）。
对于焦斑而言，提出这样的问题是有意 义的：能获得的最小光斑尺寸是多少呢？有两 种可行的办法来克服衍射造成的束缚；１．在 大范围内，ｄ。ｉ。不依赖于光学现象，而受ｄ０ （Ｉ）＜入区域内物理条件的限制。当在薄膜上 打孔时，ｄｍｉ。兰詈÷＾，（＾为膜厚度），这 取决于薄膜对基体的附着力；２．在小范围内 进行光刻，不使用传统的光学原则及透镜，而 使用纳米级的探针，将其放置在离表面几纳 米距离处。
１ 概述
激光微加工技术主要应用于以下三个重 要的领域：
微电子学（ＭＥ）一薄膜的局部沉积及去 除，即用激光修整、激光光刻、微机械加工，以 及退火、局部掺杂及焊接等。
微机械学（ＭＭ）一在设备制造业、汽车以 及航空精密制造业和各种微细加工业中可用 激光进行切割、钻孔、打标、雕刻、划线、热渗 透、焊接、硬化处理等。
图１ 激光微成形产品
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激光在这些领域中的应用存在着一个共 同的问题，那就是如何提高激光微成形加工 的精度和质量以及加工效率。
２ 基本原理
２．１ 激光微成形的物理模型
主要步骤：
一在光穿透深度８＝上，１０－５—１旷６ｓｍ 的前提下，激光辐射金属的吸收量符合下式：
瓦＝２Ａｑ￣／盯／而√牝
（９）
式中：Ａ一光吸收率， 此时：只＝艽｜ｉ｝ｒ２咒√趸／２Ａ√８ｒ （１０）
平均能量耳＝础ｒ饵拣ｒ／２矗石
（１１） 式中：．，一脉冲重复频率。
下式定义为：只／ｐ。＝ｒ毋／、／ｎｒ（１２） 取ｆ＝ｌｍｓ，，＝ｌｋ糙ｚ，ｒｏ＝１００ｐ，ａ＝０．１ｃｍ／ｓ， √聪ｒ＝１００弘，７０／￣／口ｒ并ｌ，丘黧１０一。所以 不管＆，岱和ｒ如霭合理搭配，都有耳
液体在结晶之前的重新分布对最终的成
形起决定性作用。这种重新分布的结果使得
匿纯赡薛表谣形状与出激光寨几何形获、气 化动力以及激光脉冲结束后部分液态材料的 流俸动力决定静表嚣形状差异缀大。
液体增多的主要原因：
一枣予髓着孔深的增热光束逐滋发散， 光通量密度逐渐减小；
一在激光脉冲逐渐溃失时，能量的缓慢 减小键使脉冲过后表面的液态残余物体积增
下面仅就激光微成形过程加以讨论。微 成形过程包括微电子学领域的光刻、微机械 学领域的激光精密切割以及包括激光抛光
万方数据
（不考虑退火、硬化、焊接这样的热过程）在内 的微光学领域的激光微型结构化。
激光微成形的基本物理过程： 一适于各种材料的蒸发和烧蚀； 一加热（通过机械作用实现）——仅适于 玻璃元件的微成形； —适于微电子元件用的薄膜或薄层的蚀 刻和其他过程； 一三维叠层——适于光聚合物，陶瓷（粉 末）合成物和切纸。 鉴于激光烧蚀的加工过程是目前最流行 的，为此本文讨论了微成形过程。 虽然激光在微电子学、微机械学、微光学 领域中的应用有着一些外在的差异，即不同 的材料（薄膜、金属、玻璃等）和不同的激光束 （不同波长和能量），但其本质都相同。由于吸 收能量多的部分最终将被烧蚀掉，所以热过 程（熔化和蒸发）将限定最终的形状改变（如 图１所示）。
子激光器好像更为可取，具有更为广泛的应
用。但有时对诸如玻璃陶瓷这样的材料而
言，二氧化碳激光器应作为首选。
２．３ 对光学系统的要求
任何一种用于激光微成形加工的光学系
统都应满足下列三组基本条件：
就能量方面而言。光学系统应该：
·能够提供足够大的光强；
·最大限度地利用激光发射能量，这取
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对物理模型进行讨论所褥出的结论： １．限制激光微成形质避的主鬻因素是 菠态形貌；
２．出现液态形貌的一般原因是由于材 料的熔化。可用一个尺寸来衡量，该尺寸被
近似估计为：
矗～￣／盯
（５）
式孛：盆一热扩散系数。 ３．使液体移动的最关键原因是由于存 在反冲气压魏
。圭鬈／ｓ：警～罟
‘６）
万方数据
该式中：凡一反压 ．ｓ一光斑面积
就工作面而言，有两种非常流行的系统
一扫描系统和投影系统。图４清晰地表明了 Ａ型和Ｂ型扫描系统在精度、工作面尺寸大 小和其他部分参数方面的显著差异。
专题聚焦．．
尺寸正好矛盾。 从图３中能清晰地观察到投影技术的基
本原理。该系统的优点首先在于工作精度高， 其次是适于具有复杂表面形状的工件。
有时最好的办法是使用扫描一投影技 术。
下式：
Ｐ＝召亿ｆ￡Ｊ
（１７）
所以，仅当脉冲发生期间才能满足条件
（１７），则意味着恒定的激光能量密度及可靠
的激光微成形质量。
Ｂ型扫描系统受到额外条件的限制，可
从图中明显看出，增加￡，减小ｄ与减小光斑
万方数据
３．１ 微电子学 激光技术在微电子学领域有着极为广泛 的应用： 一激光光刻包括掩模修整、光掩模形貌 校正、掩模产生、集成电路制造和微打标等。 一电子元件的激光微调，诸如电阻器、石 英谐振器、过滤器、薄膜线路的功能微调等。 薄膜的激光沉积； —信息记录，如模拟和数字信息； 一激光退火，合金化及半导体掺杂； 一微焊接、钻孔、切割、划线等； 一激光局部热化学、光化学加工，如化学 汽相沉积，无掩模成形等。 在此仅就在光刻过程中出现的问题和解 决办法加以讨论。为了减少或消除在薄膜上 进行光刻时出现的连续的图形扭曲现象，用 文中第二部分给出的解决办法完全能够克 服。 ３．２ 微机械学 该部分主要介绍一些微型机械零件的加 工过程，如切割、钻孔、热渗透、打标、雕刻、焊 接和硬化等。 得到高质量的激光精密切割成品是相当
微光学（ＭＯ）一利用诸如微压型、打磨抛 光等激光表面处理来加工多种微型光学元 件，也可通过诸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶 瓷的非晶化来改变组织结构，然后，通过调和 外部机械力，再在软化阶段依靠等离子体辅 助进行微成形来加工微光学元件。
激光在上述领域的应用推动了它在许多 新兴的工程方面的应用，例如：信息、通讯、医 药、微型机器人和其他一些集光、电、机械为 一体的微型系统。
孔深＾的增加可通过公式（４）来描述， 但计算孔径ｄ的改变量却相当复杂，这是由 影响孔壁的加热和破裂的诸多因素相互作用 所致。
这首先包括由于材料的熔化而产生的液 态外貌，这种现象发生于表面蒸发温度兀和 熔化温度％之间。
其他一些影响这个过程的主要因素有： （如图２）
一气体凝结物； 一由于光束发散使孔壁直接吸收光能； 一由柱状物引起的光散射； 一发生在蒸气喷口孔壁之间的辐射和对
ｍ一蒸气质量 形一蒸气运动速度
４．为产生最少的液相提供条件，优化激 光寒质量是必要的：
一激光能量特性取决于激光电源参数； 一空间特性取决予激光束秘光学系统参
数；
５．最容易达蓟质量要求静方法魁提供 一维模型工作条件。
２。２对激光源的要求
哪一种激光模式更好，连续波的还是脉 冲重复的？
从能量损耗的观点出发，脉冲重复激光 模式比连续波要好褥多。
ｇ（戈）＝口ｏ（１一Ｒ）ｅ一“；
一将材料加热到熔点咒； 一在吸收熔化潜热厶后熔化； 一加热到蒸发点Ｌ＝死ｌ，叩。； 一在吸收蒸发潜热厶后蒸发（通常是从 液态开始的）； 一以速度％在材料内部蒸发； 一维蒸发模型 蒸发所需能量（忽略热传导）Ｅ为： Ｅ＝力［ｐｃ死＋厶Ｉ＋ｐｃ（ｎ一瓦）＋厶】 （１） 该式中力为热影响区体积，其值为：
加；
一额外的连续作用时间越长，熔化材料 的体积越大，因而孔的尺寸也越大，丽且切割 宽度也随之增加。除此之外，长时闽的连续
工作逐导致形成一个产生氧化物并发生结构 改变的大区域。在此区域里，由予热影响鼷 的加深使孔的表面出现缺陷。
警致徽成形精度不高的其谴原因还有： 一由于激光器模式特征而引起的横向光 束强度分布不均匀； 一光斑边缘模糊不清。
ｎ＝ｈ·ｓ
根据能量密度，式（１）可转化为：
ｑ＝ｈｌｐｃＴｖ＋Ｌｍ＋Ｌｖ）／ｔ
ｔ２、
该式中常取：
ｐｃＬ≈１０３Ｊ／ｃｍ３，
厶Ｉ．≤１０３Ｊ／ｃｍ３，西≥１０４Ｊ／ｃｍ３。 蒸发穿透速度％（假设吸收的能量仅用
于蒸发，不计ｐｃ兀且厶《厶）为％＝ｑ／厶 （３）
一维微成形模型的定性特性： 一孔深＾随着持续工作时间Ｔ及速度
专题聚焦●
摘要：激光微糖善撼术现导产泛摩承委每括精蜜微威黟在内劫材料加工中。深紫外澉光器在用于芯片 荆造亚的光刺领域中精着极为户－－阈的薄馒前景０｜一而＿｜舞秒璐冲激光器为微成形加工开辟了新的发展空 间ｒ。＿１与终统的材料加主穷法相Ｉ】＝■微始加互具有焱多的健点ｉ诸如能处理多种材料，能进行无损分离， 葵有小的燕影响区；最门、钡溅影响凌热变形，：并其有雀．＿：：雄甚至曼雏方向上沿复杂靠断面进行微成形 的可能雀以凌能够实现缺速精确募断ｊ珊通筹缀点蠢＿ ＿