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应用范围日益扩大准分子激光器

2010-08-09 10:20
瑾年Invader
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  准分子激光器具有独特的材料加工特性,这一特性使得其应用范围日益扩大。

  与其他气体激光器不同,准分子激光器在应用方面的数目和种类不断的增多。这是因为,准分子激光器所独有的特性和性能,这使得准分子激光器能满足很多的材料加工的需要。其独有的特性也使得它很好的被用于新兴的技术中。目前,主要有两个方面应用:1) 材料的切除 2) 光学材料的加工,尤其是打孔,划线,微加工,和其他方面的加工,在这些加工中,其特征尺寸缩小且超出了机械加工的范围。准分子材料切除的本质是光烧蚀,它几乎没有热影响区域,而且使用准分子时,切口干净而且轮廓分明。这些特点使得它十分适合进行亚微米范围的微加工。此外,短波长的紫外(UV)准分子辐射很容易被许多材料所吸收,使得它不论对硬质材料(如,硅和陶瓷)还是对软质聚合物都能进行有效加工。紫外准分子激光波长的范围较广,这意味着,基本上对于任何需要加工的材料都能够找到合适的波长。大型的多模平顶准分子光束让大面积图案制作所需的光束整形和掩膜技术成为可能,使得加工效率更高,且能得到复杂的三维图案。

  目前,准分子激光器有三个主要的用途:LASIK眼科手术,平板显示器退火,和半导体微光刻。不过,准分子市场的其他部分也是很重要的,包括了许多不同的加工和行业,从对眼镜打标到加工柴油机汽缸套,到电子工业中的打孔都使用了该技术。然而,这“三大”主要的应用有专门的模型,这些模型被优化以满足行业中已很好确立的性能参数,在大量不同的应用中对激光条件有着广泛且多样的要求。这是因为对于一个给定的材料和波长,要进行有效的材料加工就需要在主要的准分子激光性能,脉冲能量(对加工对象的影响),和重复频率之间得到正确的平衡。

  选择能量还是重复频率?

  起初,大部分工业准分子激光器的主要特点是:合适的重复频率处(几百Hz),激光脉冲能量很高(几百个mJ);或者是高重复频率(100 Hz-2 Hz)而能量为几个mJ。但是,平板显示器制造中低温多晶硅(LTPS)退火技术的成熟推进了高重复频率(达300 Hz)、高脉冲能量(>1 J)激光器的发展,这些技术目前也被用在微加工应用中。例如,可以直接对薄膜进行图案处理,这主要用于电子工业。

  另一个重要的方向是节约成本的“迷你”准分子激光器的开发和不断进步,该激光器提供的激光能量约为10 mJ,重复频率最大值为几百个Hz或者更大,光束高度仅为9-10 mm,整个装置很小。现在,这些激光器运行起来十分划算,因为其主要进步在于电极(管)的寿命长,整体效率高,补充气体的间隔时间长。此外,这些激光器使用的气体量更小,并且可以使用小直径的光束传输装置。

  独特的性能

  准分子激光器输出的矩形光束其最大的尺寸可以达到几个厘米。这一特性,与准分子激光器的高脉冲能量和低重复频率相结合,使得准分子激光器很适合与光掩膜技术结合在大范围内加工得到大量重复的图案(如图1)。与此相反,由许多固态激光器得到的光束通常被聚焦成小光斑,并用振镜进行扫描。这个技术被称为直接写入法(如图2),直接写入法具有的点状的本质让它具有特有的应用范围,比如,圆晶的划线和晶粒的切割。然而,直接写入式微加工其劣势在于,它无法以固定的深度来去除较大面积的材料,因为小光束的逐行扫描会留下刻痕。


 
图1. 准分子激光器结合光掩膜可以有效的进行重复性操作,
比如对多个小孔进行并行加工。

 图2. 通常,准分子激光器与光掩膜结合使用,而其他激光器类型使用的是直接写入过程;
然而,迷你型准分子激光器使用了准分子激光光源,让直接写入技术更为实用。

  另一个主要的优势是准分子激光器特有的波长范围。比如,准分子可以在深紫外范围(193 nm和157 nm)运行,这个波段在同样级别的功率和能量上对于固态激光器是少见的。

  低脉冲能量,高重复频率的准分子激光所具备的柔性使其可用于直接写入加工过程,在一些情况下,使用准分子激光器来进行直接写入更为合适。它能够进行这样的操作部分取决于光束利用因子 (BUF)。BUF是使用的能量除以总的可用能量。比如,一个具有几百毫焦能量的光束被用于只需要低于几个毫焦能量的情况,即这里BUF很低,加工也不经济合理。这些高能量激光器通常运行在低重复频率(几百Hz) 的情况,所以整个加工过程也很慢。

  然而,能量较低的迷你型准分子激光器改变了这种情况。比如,JPSA公司已经建成了几个系统,这些系统中,高重复频率的光束是利用了一个掩膜调换设备来传输的。机动化的掩膜调换设备包括了几个简单的光掩膜(有正方形,三角形和不同直径的圆形,以及其他形状,如图3) 。这与CNC(全自动型注射针)研磨系统相类似,该系统配有自动的工具调换装置。在这种情况下,一个小型准分子激光器的BUF比其他较大的准分子激光器要高得多。此外,准分子与DPSS(二极管泵浦固体激光器)相比,它还具有面积大,能量高的特点,而且它具有平顶光束,所以使用掩膜调换装置,其外形可以通过成像而扩大。


 
图3. 图示为直接写入式准分子激光器系统,它带有自动调换掩膜装置,
这类似于CNC机器带有工具更换装置。

  三维图形的制作可以利用图形掩膜的旋转在表面产生光滑且复杂的形状。比如,三角形绕它的顶点旋转时可以产生一个“V”型的凹槽。正方形旋转可以得到底边平整的凹槽,而圆形旋转则得到抛物面型的底面结构。

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