超快激光器用于消费电子产品加工

如今，超快激光器（飞秒和皮秒脉宽）是工业生产过程中的一个重要组成部分。凭借其高质量的非热材料加工能力，再加上在激光技术、工艺开发、光束控制和传输等方面的进步，从而进一步扩大了超快激光器在工业市场上的应用范围。不过，为了维持投入和产出的平衡，必须同时满足以下条件：首先必需证明其在工业加工过程中的技术可行性，由于超快激光和物质之间的相互作用具有独特性，因而需要对这一过程有一个精细的科学的理解；其次，工业生产的生产率必须确保能给终端用户带来与其投资相匹配的收益，这势必推动在光束控制和传输方面的进步，以充分利用潜在的加工速度。

　　消费电子产品领域显然提供了最多的证据。手机、微处理器、显示器、内存芯片都是极其复杂的组件，由大量的不同材料、尺寸很小、厚度极小的多层材料组成。因而需要先进的、高精密度的加工能力，以及在经济上可行的大批量生产的能力。下面举例说明为什么我们需要同步发展加工、激光技术以及新的光束传输技术，来满足目前以及未来可能出现的挑战。

　　制造手机、平板电脑或电视用的平板显示器是如今最复杂的技术之一，困难程度类似或更甚于二十世纪六十年代的阿波罗计划。不同的生产步骤涉及了大量不同的材料，它们具有微米级的横向分辨率和数十纳米的厚度。由于整个过程都很有难度，将工业生产率（能通过严格的质量检测的产品比例）视为一项机密和挑战也就不足为奇了。一个关键的限制是坏点在面板上的存在，这将阻碍屏幕的商业化。在过去几年中开发了几种不同的修复工艺，通常都涉及多波长纳秒激光器。例如，通过激光碳化或者切割控制像素的薄膜晶体管的电极，来修复一个亮的像素（图1）。

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图1：薄膜晶体管电极切割，切割宽度为1.9μm。（图片由韩国金属和机械研究所提供）

　　当前的技术已经达到极限。因为在高清屏幕的分辨率方面的进步，像素的尺寸变得越来越小，与之相关的纳秒激光器加工的热效应限制了修复的质量。此外，包括有机发光二极管（OLED）和有源矩阵发光二极管（AMOLED）在内的新的显示技术广泛使用了有机和高分子材料，这些材料对加热高度敏感，因而与热处理格格不入。由于脉冲持续时间非常短，所以超快激光实际上很适合非热微加工，也不会产生热。它们在先进的屏幕修复加工领域的应用日益扩大，从而推动了新一代紧凑的高速多波长超快激光器的发展。

　　一些工业加工过程已经开始利用高精度的超快激光加工。这包括选择性烧蚀（通常可以实现精确到30nm/脉冲的烧蚀率），以及高精度薄膜晶体管电极切割，切割宽度小于2μm。这些加工过程需要开发先进灵活的光束整形技术，以获得平顶光束并确保其均匀传输，并能塑形成样品的形状，尺寸低至2×2μm。

　　在另外一个例子中，半导体电路变得越来越复杂，它们要求在更小的尺寸上集成更多的功能。因此，现在的晶片是由许多层的多种材料组成，例如适用于快速运行的低介电常数材料。半导体制造业中的一个重要的过程就是晶圆的划切和分离，即将一个晶圆切割成单独的晶片（如图2）。传统上来说是用金刚石锯的加工方法，但是目前的技术已经达到了极限。由于低介电常数材料的脆性、较低的厚度和较多的层数，发生裂纹和分层剥离等负面影响的几率不断升高。

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图2：半导体晶圆切割和划片。（本图片由Amplitude Systemes提供）

　　尽管紫外纳秒激光加工的使用获得推动，但是纳秒激光加工带来的热效应仍然大大限制了加工结果的质量。另一方面，超快激光展示出在加工硅和高质量多层材料方面的能力。直到最近，超快激光在平均功率方面的限制仍然是一个主要的问题，这严重限制了总的生产效率。如今具备高可靠性的工业级飞秒激光器的功率在50-100W之间，这使其生产能力可以与工业要求相匹配。

　　超快激光是先进的微加工过程的一个重要组成部分，它们在质量控制和测量方面起着重要作用。RudolphTechnologies公司最近为半导体行业推出了一款测量不透明薄膜厚度的新型工具。该系统基于声波测量，使用了一种非常短的激光产生的超短脉冲。这种超声脉冲在各层表面反射的时间是通过高精度的泵浦-探测技术来测量的。

　　在另外一个例子中，法国CAMECA公司可以实现半导体和金属样品的原子级分辨率的3D成像和分析表征。这个惊人的测量过程是基于原子探针层析技术，即使用超快激光器来照射样品的纳米半径尖端（如图3所示）。如果能精细地控制激光的功率，那么就不会出现激光烧蚀，而是发生适度的原子蒸发，然后每个原子被送到位置传感探测器，从而确定该原子来自哪一个位置。同时，利用飞行时间质谱仪来测量原子的质量，从而确定该尖端的组成成分。然后，逐层进行三维重建。该方法在半导体行业用于监控半导体材料的成分和杂质，以及在冶金材料中用于精细控制冶金合金的质量。

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图3：原子探针层析的原理。（本图由CAMECA提供）

　　高功率、高可靠性激光系统的出现使得激光加工以及质量控制大幅提升。更具体地说，平均功率在50到200W的超快激光器能够提高生产效率和生产力，从而扩大其在新领域的应用。然而，如此高功率激光的光束控制和传输却并不容易。要想保本盈利，则需要加工速度达到100m/s，同时保持微米级的定位精度。当前一代的振镜扫描器已经达到了极限，亟待新方法的产生。

　　ESI公司推出了一个结合振镜和声光技术的混合加工系统。当在一个较高的加工速度下操作时，扫描振镜的惯性意味着执行的滞后，例如一个急转弯，所以加工出来的结构不会和设计的形状相同。然而，声光调制器表现出极灵敏的反应性，不过是在非常小的范围。将振镜运动和声光偏转结合起来，能够精确同步，从而克服这一局限性。这种技术在互联数字电路的图形制造中尤其有用，这是因为它们变得越来越集成，因而需要增加布线密度。

　　日本DISCO公司的研究员用相同激光器同时进行微加工和过程控制，从而将两者结合起来。

　　在该案例中，用超快激光器在一个双层基板上进行激光盲孔钻孔，上层是80μm厚的透明材料，下层是20μm厚的金属薄膜。为了精确地控制激光脉冲的数量，以使得烧蚀的范围仅限于透明基板，需要利用光谱分析仪来监测等离子体发射，即利用激光诱导击穿光谱（LIBS）技术。

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图4：Kagome光纤的纤芯形状。（图片由CNRS/Glo Photonics提供)

　　因为根据烧蚀的原子种类，等离子体发射具有独特的发射光谱，因而可以及时并精确地监测到透明层何时完全烧蚀。另外一种方法是，多边形扫描仪可以实现超过100m/s的扫描速度。这种单一的多面镜能进行高速旋转，完全能取代只能在x和y轴方向反射光束的低惯性振镜。如果脉冲激光与多面镜的旋转能精确同步，那么每个面上只有一个点可能会影响到样品的加工。在这种情况下，这种微加工过程更类似一种数字化过程，也就是说，需要控制激光器的开启和关闭来生产需要的图形。为了获得理想的结果，需要在激光器与扫描仪之间实现非常精确的同步，并且多面镜的制作精度要非常高，加工过程也需要精心设计。瑞士Bern University ofApplied Sciences大学的Beat Neuenschwander教授与AmplitudeSystèmes和比利时的NextScan公司合作，利用500 kHz的超快激光器实现了微米级定位精度的高速表面微造型。

　　更多的关于光束传输的创新仍在孕育之中。光纤传输系统让激光加工行业焕然一新，而工业级超快激光器直到最近还仍然不能受益于此。由于小的光纤纤芯的光束限制，再加上超快脉冲具有非常高的峰值强度，因而会产生严重的非线性效应，并最终导致光纤降解。为了摆脱这种限制，人们开发出空心的微结构光纤，不过纤芯直径限制在几个微米，这对于实际应用来说太小了。空心大模场面积Kagome微结构光纤的开发为高能量高功率飞秒激光光束的光纤传输铺平了道路。这种特别的圆内旋轮线形状的空心光纤纤芯限制了激光模式，防止它与光纤微结构相互作用，并将低的非线性、大模场面积和灵活的分散控制结合起来。通过与法国Glo Photonics公司合作，Amplitude Systèmes公司已经可以将毫焦耳量级的脉冲传输几米远的距离，同时还能保证脉冲持续时间低于500fs。在另一个与Photonics Tools公司合作进行的实验中，已经可以传输平均功率为100W的脉冲激光，并且可以实现低于100fs的脉冲压缩。其他团队和激光制造商也迅速利用Kagome光纤开发出灵活的传输系统（如图4），我们可以期待超快激光加工技术在今后几年迎来更深入的变革。

　　随着对短脉冲激光与物质相互作用的原理的进一步深入，以及在光束控制和传输系统方面的技术发展，超快激光器已经走入我们的日常生活。通过深入最先进的工业加工过程，它改变着我们看待事物、交流沟通和工作的方式，它将是未来成功制造更复杂的消费电子设备的关键所在。

刘书楠123	2023-02-02 16:14
路过，学习学习 TlM'g6SQS

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