侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

超快光纤激光器引领新型微加工潮流

2009-01-07 11:42
退思
关注

    尽管固体激光器在微加工领域将继续发挥作用,但是目前高重复率、高峰值功率的超快光纤激光器在众多新兴应用中正得到人们越来越多的重视。

 

    作者:Gail overton

 

    在精密微加工、透明材料显示、电信甚至是硅和薄膜太阳能技术中的划线、打标和制备纳米图案等应用中,超快光纤激光器正逐步取代固体激光器。激光“ 材料加工”一般指的是宏观尺度的切割和焊接应用(如汽车焊接、大块玻璃切割和金属切割等)。与“材料加工”不同,激光“微加工”指的是在微米级甚至更小尺度上进行的微电子和半导体加工,需要使用高功率的皮秒、飞秒固体激光器或光纤激光器。尽管固体激光器在微加工领域将继续发挥作用,但光纤激光器提供的高重复率(从几百kHz到MHz)、高峰值功率和合适的脉冲能量具有提高激光烧蚀、金属切除和修正效率的能力,可以满足众多新兴应用的需求,因此微加工领域正在给予超快光纤激光器越来越多的重视。


    飞秒激光器最早的、也是最有名的应用是IntraLase公司首创的在激光辅助角膜原位磨镶术中切削角膜瓣(LASIK治疗),手术中使用了重复率较低(10kHz)的二极管泵浦固体Nd:YAG激光器。2007年,德国Carl Zeiss Meditec医疗技术公司宣布,其与美国IMRA公司合作开发了VisuMax系统,用于屈光手术应用,系统中采用了改进的光纤激光器技术。

 

    硅微机械加工


    VisuMax系统采用IMRA公司的FCPA-µJewel激光器,该激光器在大纤芯镱光纤放大器中使用了啁啾脉冲放大(CPA)技术,以提供微焦量级的1µ激光,平均输出功率为1~3W,重复率为100kHz~5MHz,且都没有水冷。IMRA公司的业务发展总监Kiyomi Monro介绍:“我们的平台输出功率可以从用于眼外科的0.5W升级到10W,这意味着我们可以从医疗和低功率应用扩展到为固体硬盘驱动器和闪存切割薄硅片,获得的芯片强度与机械加工相当,而且不需要激光切片的后续处理。”


    Monro还表示:“在演示了晶圆切割后的芯片强度大于使用紫外光切割的两倍后,我们便与领先的半导体公司合作开发硅晶圆切片机。当脉冲宽度达到500fs时,材料的相互作用就不是热作用了。热作用会降低芯片的强度并引起其他一些问题,而超短脉冲加工的优点是没有热相互作用。”

 

    划线、打标和烧蚀


    目前,业界有两种不同的方法在推动着用于微机械加工的超快激光器的发展。其中一种是由一直以来使用固体激光器的大公司领导的,比如相干公司和 Newport所属的光谱物理公司;而另外一种是由一些相对较小的专注于开发全光纤方案的公司所推动的,比如IMRA公司和英国南安普顿的Fianium 公司。

 

 

图1: 光纤激光器可以用于脉冲激光沉积,从而在硅基质上制备光滑的氧化锆薄膜。皮秒脉冲可以在室温下制备非晶膜,其高重复率可以在保证镀膜质量的同时,提高生长速度。生长速度与其他脉冲汽相沉积法相当,大约为每秒几纳米。

 

    Fianium公司侧重于超快激光器的应用,但没有使用CPA方法,而是采用了全光纤的主振荡功率放大器(MOPA)对皮秒脉冲进行直接放大。 Fianium公司业务发展副总裁John Clowes介绍:“我们努力使激光器尽可能简单,并尽可能使其保持稳定,依靠先进的光纤放大技术保持较小的非线性,可以提高输出功率和脉冲能量。许多微加工应用,包括打标、划线和脉冲激光沉积,都需要非常小的脉冲能量(最高为20礘),但却需要较高的重复率和平均功率(几个MHz和高达50W)以提高产量(见图1)。我们已经开发了高效的光纤放大器,能够输出10~20ps的脉冲,并具有10~20礘的脉冲能量,而且没有使用啁啾脉冲放大技术。放大后的脉冲可以被有效地压缩到亚皮秒水平,并具有数个毫焦的脉冲能量,这可应用于一些细分应用比如LASIK手术,而皮秒系统是不能应用于此手术的。”

 

 

图2: 532nm的混合型皮秒光纤激光器,可以利用冲击法在硅片上打出高纵横比的孔。

 

    超快光纤激光器用于提供种子振荡器和低能量(最高20µJ)光源,其应用范围包括划线、高级打标、脉冲激光沉积以及医疗和屈光手术。此外,高强度、高光束质量和大功率的光纤激光器非常适合于高效的数瓦谐波产生。高重复率(高达数百MHz)、准连续绿光(532nm)和紫外光(355nm和 266nm)光源已应用于制造业,如清理焊缝、聚合物加工、打标和半导体晶圆检测等。然而纯光纤超快激光器面临的主要挑战是:在皮秒范围内将能量提高到 100礘以满足高能量应用的要求,如钻孔、切片和切割。

 

    更高脉冲能量的应用


    从热作用的角度来说,“超短”的定义并不限于飞秒脉冲。对于更长的纳秒脉冲,材料是通过热“蒸发”掉或移除掉。但对于皮秒以及更快的脉冲,本质上是多光子吸收打断了材料中的化学键,是一种冷烧蚀过程;实际上,皮秒红外脉冲提供的空间分辨率与纳秒紫外激光相当。为了满足在金属和陶瓷材料以及硅加工中对激光器耐用性的不断增长的要求,一些公司开始采用固体/光纤混合方法来输出高峰值功率和高平均功率的皮秒脉冲。


    相干公司推出了混合设计激光器Talisker(可以获得1064nm、532nm和355nm波长),它采用了一个锁模光纤激光器作为振荡器,其输出通过自由空间放大器放大,可输出脉冲的脉宽为15ps,脉冲能量为100礘,重复率可达到200kHz。相干公司的技术市场总监 Matthias Schulze介绍:“在过去的10年间,微加工领域的研究人员确定了超快激光器的最佳位置——脉冲能量、脉冲重复率和其他参数的特定结合,可以很好地满足一系列微加工应用的需求。我们已经在此方向进行了仔细研究,使客户在超快光纤激光器的坚固性和精确性、以及利用自由空间放大产生的更高脉冲能量方面获益。”


    相干公司已经探讨了Talisker在硅通孔技术(silicon-through-via,STV)钻孔方面的应用,包括冲击法(激光光斑尺寸与硅通孔尺寸相同)和打眼法(小的光斑尺寸沿着一个圆环扫描切出一个孔)(见图2)。实验结果显示,可获得的孔的深度随光斑尺寸增加而显著降低,获得更深通孔的关键是使用约为10祄的小光斑。使用这种尺寸的光斑,获得的孔的深度可达200祄,宽度为5~15µm,钻孔仅需10个脉冲能量低于25µJ的脉冲,钻孔速度可达每秒1500~1800个。

 

    薄膜去除与加工


    Newport所属的光谱物理公司在德国慕尼黑Laser2007光电展上展示了其混合型皮秒激光器Pantera,用以满足切割、烧蚀或制备薄膜的应用需求。Newport公司光纤激光器事业集团市场与业务发展部经理Michael Kauf介绍:“纳秒激光在烧蚀金属时经常会产生残渣的液滴,这些液滴或者粘到小孔的边缘或者产生一个弹坑或者落回去熔在金属表面,因此会降低金属的表面质量。相比较而言,使用类似于Pantera激光器的皮秒加工,只产生非常小的残渣,而这些小残渣可以很容易被清除掉。”
Pantera由一个传统的振荡器和光纤放大器组成,其50W的红外(IR)输出光可以被转换成30W的绿光和12W的紫外光。在这些功率水平,典型的应用包括挠性印刷电路板和芯片堆叠(die stacking)中的电介质和绝缘材料的切割。应用实例包括使用扫描光学元件把光束引导到加工件上,以1m/s的速度切割75祄厚的聚酰亚胺。因为在这种厚度上切割没有任何热损伤痕迹,因此切割25祄厚的聚酰亚胺时,切割速度可以提高到4m/s。其他的应用包括在平板显示和薄膜太阳能电池上融化和制备透明的氧化物导体。虽然可以利用纳秒激光器制备这些薄膜,但使产量受限的原因是脉冲重复率而不是激光功率。


    当Pantera以80MHz重复率输出12W的355nm激光时,其紫外光功率可以实现每秒数米的高速加工。例如,Pantera可以在玻璃基质上以25m/s的加工速度精确去除1祄厚的氧化铟锡(ITO)层,而且不会对基质造成损坏(见图3)。

 

 

图3: 混合型超快紫外光纤激光器能以25m/s的加工速度去除1祄厚的氧化铟锡(ITO)层。样品显示,直线壁上没有脉冲重叠的痕迹,而这经常明显出现在使用纳秒激光器的情形下,线的底部是平的,并没有对玻璃基质造成损害。

 

    相干公司的Talisker也已被评估用于去除薄膜,比如ITO以及塑料和玻璃基质上数十纳米厚的金属薄膜,用于生成射频卡和一次性医疗传感器的图案。一台工作在1064nm、脉冲能量为1礘的Talisker激光器,用20祄的聚焦光斑可以成功地以3m/s的扫描速度从玻璃基质上去除20nm厚的铝膜,而且不会对下面的基质产生影响。Schulze表示:“脉冲能量决定了可以钻孔、切割和划线的最大深度,超高重复率和低脉冲能量的激光器可以切割薄材料,但不能处理较厚的材料。兆赫兹运行的超快激光器必须经常降低到千赫兹工作,以配合使用的扫描检流计,否则一旦进行切割,激光就会驻留在基质上并且产生热量。”

 

    新兴应用


    相干公司也评估了他们的混合型皮秒激光器在微流控芯片(片上实验室)中的应用,以及制造下一代由聚交酯和其他相似的聚合物材料构成的支架,以保证其光滑的表面,防止在支架表面形成划痕而无法达到保持血管通畅的目的。


    勿庸置疑,不管是皮秒激光器还是飞秒激光器,它们的许多应用还没有被开发出来。Schulze表示:“超快光纤激光器无疑将会对微加工甚至未来的纳米加工应用产生更加重要的影响,目前我们挖掘出的只是这些激光器应用的很小一部分。”(曾聪)

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号