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扎根先进科技 台湾投入超快雷射研发

2008-11-20 14:38
汉水狂客
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    2008年6月,台湾工研院南分院成立了飞秒(fs)雷射实验室,在这个位于南台湾偏远地带的研究中心内,集结约90名研发人员,共同针对超快激光技术进行开发,希望藉此为台湾的微电子、半导体、平面显示器(FPD)、PCB钻孔、医疗乃至于各种需要雷射加工的产业打下基础。


    “飞秒雷射的最大优势之一,就是它几乎可用于任何材料,”工研院雷射应用科技中心副主任洪基彬说。他指出,传统雷射在应用上的最大限制,是必须取决于所应用材料对特定雷射的吸收特性,因此,单一雷射并不能适用于多种物质,相较之下,飞秒雷射几乎适用于任何物质。


    飞秒雷射的最大特色在于其超快的速度,目前应用的奈秒雷射为10-9,皮秒级雷射(ps)为10-12,而飞秒雷射速度则达到了10-15,加上低温特性,在半导体、生医、显示领域均展现出了庞大的应用潜力。


    长久研究超快激光技术的哈佛大学物理教授Eric Mazur指出:“飞秒雷射的特点就是它的超快速与低温特性。举个例子,若用飞秒雷射切割一个活体细胞,在细胞还没有感觉到痛时,切割就已经完成了。在医疗应用中,这种特性可用于切片,即采样完后立即冷冻保存,这样将可观察到更精准的状态。”


    另一个医疗应用范例是生物检测。工研院雷射应用科技中心经理郑中纬表示,目前的生物感测芯片大部份都是在两个组件上各自蚀刻出微型流道,之后再将它们结合在一起;但飞秒雷射具有3D加工能力,它能在玻璃等硬质材料中直接制作出微流道,进而开发出DNA与微数组生物芯片,换言之,它能节省制造工序,进而降低制造成本并提升效率。


    传统的微秒(ms)、奈秒(ns)级长脉冲激光技术是单光子吸收的光化学加工与光热加工,虽然已经广泛应用在金属件加工、DRAM修复、PCB钻孔等无机或厚材料领域,但其最大缺点是热累积效应很高,而飞秒雷射则几乎可排除热累积效应。


    这种超快雷射的应用涵盖雷射图案、用于3D IC的直通硅晶穿孔(TSV),以及各种需要雷射切割或加工的场合。“在透明材料内部加工方面,由于可去除热效应,因此能取代传统奈秒雷射应用。如IBM在先进制程中将其用于光罩修补,可在数十nm等级面积内移除因热效应累积的物质,而这是传统激光技术难以实现的,”郑中纬说。


    然而,飞秒雷射也并非没有缺点。量产速度是当前最大瓶颈,洪基彬说。为此,飞秒雷射实验室的发展重点之一,就是研发可解决量产问题的专利。


    当雷射频率为1kHz时,打每发雷射要等待的时间相当于1k的倒数,速度太慢。因此,郑中纬指出,“我们开始思考能不能开发出面积式的加工?就像Panasonic公司在波士顿的一个实验室,也在研究雷射加工,约4~5年前开发出用光速做大面积钻孔,但量产仍是待解问题。”


    目前,飞秒雷射实验室正积极开发可实现量产的技术,并以此作为专利布局重点。“与其对外寻求授权,不如自行开发,待取得专利后再授权给业界,以扶植本土产业发展,”洪基彬表示。


    不过,视应用不同,热累积效应也并非全是坏事。郑中纬指出,在玻璃等硬脆材料中,若以低温雷射直接加工,无热累积效应,可能会造成裂缝,而热累积效应则可避免掉这个问题。


    他表示,在不同应用中,飞秒雷射可依不同重复频率而适用于不同场合。如玻璃的冷却时间是1us(即1MHz),若快于它,热就会累积,若慢于1MHz,就不会产生热累积效应。据表示,工研院目前正与柏克莱合作一项计划,就1~4MHz速度针对薄膜材料热累积的应用进行研究。

 
    (助编:xiaohu)

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