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)關(guān)鍵詞鍵詞 激光 飛秒激光 微加工 引言引言 自上世紀(jì)60年代成功研制第一臺激光器不久 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 1 激光的激光的發(fā)發(fā)生生 1 1 受激受激輻輻射射 自發(fā)輻射 假設(shè)存在于發(fā)光有關(guān)的兩個(gè)能級E1 E2 如果原子已經(jīng)處于高能級E2 它可以自發(fā)地 獨(dú)立地向低能級E1躍遷并發(fā)射一個(gè)光子 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與高能級的原子數(shù)N2成 正比 受激輻射 當(dāng)一個(gè)能量hv E2 E1的光子趨近高能級E2時(shí) 入射的光子誘導(dǎo)高能級原子發(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) 1 2激光工作原理激光工作原理 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 從基態(tài)到激發(fā) 態(tài)經(jīng)亞穩(wěn)能級構(gòu)成三能級激光器 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 2 激光在超微激光在超微細(xì)細(xì)加工方面的加工方面的發(fā)發(fā)展展 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 這是一種對半導(dǎo)體加工和集成光學(xué)加工很有用的 工藝 221 2 NAsp dt dN 221 2 NTvBsp dt dN 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Y A G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1m g c m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 而反向電阻比正向電阻大1 0 4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 的掩模原版 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 尺寸測量中 的自動(dòng)定位 掩模自動(dòng)對準(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 3 飛飛秒激光在材料微加工中的秒激光在材料微加工中的應(yīng)應(yīng)用用 3 1 飛飛秒激光特性及其與材料相互作用機(jī)理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 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 18 W 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 3 2 飛飛秒激光在材料加工中的秒激光在材料加工中的應(yīng)應(yīng)用用舉舉例例 3 2 1金屬材料加工金屬材料加工 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 3 2 2 薄膜材料加工薄膜材料加工 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 3 2 3 透明材料加工透明材料加工 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 可作為透明材料的精密加工工具 可以發(fā)現(xiàn) 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 勢必將大大推 進(jìn)激光加工技術(shù)的發(fā)展 而且會使微電子學(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 飛秒激光將發(fā)揮