應用范圍日益擴大準分子激光器

1、    應用范圍日益擴大準分子激光器準分子激光器具有獨特的材料加工特性，這一特性使得其應用范圍日益擴大。與其他氣體激光器不同，準分子激光器在應用方面的數(shù)目和種類不斷的增多。這是因為，準分子激光器所獨有的特性和性能，這使得準分子激光器能滿足很多的材料加工的需要。其獨有的特性也使得它很好的被用于新興的技術(shù)中。目前，主要有兩個方面應用：1)材料的切除2)光學材料的加工，尤其是打孔，劃線，微加工，和其他方面的加工，在這些加工中，其特征尺寸縮小且準分子激光器具有獨特的材料加工特性，這一特性使得其應用范圍日益擴大。與其他氣體激光器不同，準分子激光器在應用方面的數(shù)目和

2、種類不斷的增多。這是因為，準分子激光器所獨有的特性和性能，這使得準分子激光器能滿足很多的材料加工的需要。其獨有的特性也使得它很好的被用于新興的技術(shù)中。目前，主要有兩個方面應用：1) 材料的切除 2)光學材料的加工，尤其是打孔，劃線，微加工，和其他方面的加工，在這些加工中，其特征尺寸縮小且超出了機械加工的范圍。準分子材料切除的本質(zhì)是光燒蝕，它幾乎沒有熱影響區(qū)域，而且使用準分子時，切口干凈而且輪廓分明。這些特點使得它十分適合進行亞微米范圍的微加工。此外，短波長的紫外(UV)準分子輻射很容易被許多材料所吸收，使得它不論對硬質(zhì)材料(如,硅和陶瓷)還是對軟質(zhì)聚合物都能進行有效加工。紫外準分子激光波長的范

3、圍較廣，這意味著，基本上對于任何需要加工的材料都能夠找到合適的波長。大型的多模平頂準分子光束讓大面積圖案制作所需的光束整形和掩膜技術(shù)成為可能，使得加工效率更高，且能得到復雜的三維圖案。目前，準分子激光器有三個主要的用途：LASIK眼科手術(shù)，平板顯示器退火，和半導體微光刻。不過，準分子市場的其他部分也是很重要的，包括了許多不同的加工和行業(yè)，從對眼鏡打標到加工柴油機汽缸套，到電子工業(yè)中的打孔都使用了該技術(shù)。然而，這“三大”主要的應用有專門的模型，這些模型被優(yōu)化以滿足行業(yè)中已很好確立的性能參數(shù)，在大量不同的應用中對激光條件有著廣泛且多樣的要求。這是因為對于一個給定的材料和波長，要進行有效的材料加工就

4、需要在主要的準分子激光性能，脈沖能量(對加工對象的影響)，和重復頻率之間得到正確的平衡。選擇能量還是重復頻率？起初，大部分工業(yè)準分子激光器的主要特點是：合適的重復頻率處(幾百Hz)，激光脈沖能量很高(幾百個mJ)；或者是高重復頻率(100 Hz-2 Hz)而能量為幾個mJ。但是，平板顯示器制造中低溫多晶硅(LTPS)退火技術(shù)的成熟推進了高重復頻率(達300Hz)、高脈沖能量(>1 J)激光器的發(fā)展，這些技術(shù)目前也被用在微加工應用中。例如，可以直接對薄膜進行圖案處理，這主要用于電子工業(yè)。另一個重要的方向是節(jié)約成本的“迷你”準分子激光器的開發(fā)和不斷進步，該激光器提供的激光能量約為10 mJ，

5、重復頻率最大值為幾百個Hz或者更大，光束高度僅為9-10 mm，整個裝置很小?，F(xiàn)在，這些激光器運行起來十分劃算，因為其主要進步在于電極(管)的壽命長，整體效率高，補充氣體的間隔時間長。此外，這些激光器使用的氣體量更小，并且可以使用小直徑的光束傳輸裝置。獨特的性能準分子激光器輸出的矩形光束其最大的尺寸可以達到幾個厘米。這一特性，與準分子激光器的高脈沖能量和低重復頻率相結(jié)合，使得準分子激光器很適合與光掩膜技術(shù)結(jié)合在大范圍內(nèi)加工得到大量重復的圖案(如圖1)。與此相反，由許多固態(tài)激光器得到的光束通常被聚焦成小光斑，并用振鏡進行掃描。這個技術(shù)被稱為直接寫入法(如圖2)，直接寫入法具有的點狀的本質(zhì)讓它具有

6、特有的應用范圍，比如，圓晶的劃線和晶粒的切割。然而，直接寫入式微加工其劣勢在于，它無法以固定的深度來去除較大面積的材料，因為小光束的逐行掃描會留下刻痕。 圖1. 準分子激光器結(jié)合光掩膜可以有效的進行重復性操作，比如對多個小孔進行并行加工。 圖2. 通常，準分子激光器與光掩膜結(jié)合使用，而其他激光器類型使用的是直接寫入過程；然而，迷你型準分子激光器使用了準分子激光光源，讓直接寫入技術(shù)更為實用。另一個主要的優(yōu)勢是準分子激光器特有的波長范圍。比如，準分子可以在深紫外范圍(193 nm和157 nm)運行，這個波段在同樣級別的功率和能量上對于固態(tài)激光器是少見的。低脈沖能量，高重復頻率

7、的準分子激光所具備的柔性使其可用于直接寫入加工過程，在一些情況下，使用準分子激光器來進行直接寫入更為合適。它能夠進行這樣的操作部分取決于光束利用因子 (BUF)。BUF是使用的能量除以總的可用能量。比如，一個具有幾百毫焦能量的光束被用于只需要低于幾個毫焦能量的情況，即這里BUF很低，加工也不經(jīng)濟合理。這些高能量激光器通常運行在低重復頻率(幾百Hz) 的情況，所以整個加工過程也很慢。然而，能量較低的迷你型準分子激光器改變了這種情況。比如，JPSA公司已經(jīng)建成了幾個系統(tǒng)，這些系統(tǒng)中，高重復頻率的光束是利用了一個掩膜調(diào)換設(shè)備來傳輸?shù)?。機動化的掩膜調(diào)換設(shè)備包括了幾個簡單的光掩膜(有正方形，三角形和不同直徑的圓形，以及其他形狀，如圖3) 。這與CNC(全自動型注射針)研磨系統(tǒng)相類似，該系統(tǒng)配有自動的工具調(diào)換裝置。在這種情況下，一個小型準分子激光器的BUF比其他較大的準分子激光器要高得多。此外，準分子與DPSS(二極管泵浦固體激光器)相比，它還具有面積大，能量高的特點，而且它具有平頂光束，所以使用掩膜調(diào)換裝置，其外形可以通過成像而擴大。 圖3. 圖示為直接寫入式準分子激光器系統(tǒng)，它帶有自動調(diào)換掩膜裝置，這類似于CNC機器帶有工具更換裝置