光学零件加工技术

【专家解说】：由于激光具有方向性好，高能量和单色性好等一系列优点，自六十年代问世以来，就受到科研领域的高度重视，推动了诸多领域的迅猛发展，尤其是激光在加工领域中的应用。传统的激光加工机在工业产品中，已得到了广泛应用，近年来在激光微加工方面也受到广泛重视。 激光微加工对生产具有小孔或细小沟槽结构复杂的电子器件、医疗和汽车制品有重大意义。因为这类产品孔的直径和沟槽尺寸越来越小，而这些尺寸的公差越来越严格。只有激光才能满足对微加工零件提出的从1μm到1mm的所有要求。激光加工热作用区域小，可以准确地控制加工范围和深度，保证高的重复性，良好边缘和广泛的通用性[1]。 在微系统制造中，人们广泛采用硅各向异性刻蚀和LIGA(利嗄)技术加工各种微型结构。前者适合加工硅的二维结构和小深宽比的三维结构；后者能够加工精密的三维结构，不仅适用于硅而且也适用于加工金属、塑料和陶瓷。然而这种技术要求的条件比较苛刻，它需要同步辐射X射线源，而且模的制作也很复杂，因此很难普及。还有一点也必须指出，LIGA工艺与IC不兼容，这在一定程度上限制了它的使用。 90年代初发展起来的激光微加工工艺既能加工出较为复杂的微型结构，且所要求的条件又不那么苛刻，在实验室和工厂较容易实现[2]。 激光微加工所涉及的应用领域较宽，本文着重介绍激光束在UV（紫外）波段或532nm和1.06μm段激光微加工的应用,工作状态为脉冲状态,加工应用的范围为微电子和微机械（MEMS）。激光束的其它应用不在本文赘述。 2.脉冲激光直接微加工技术 脉冲激光直接微加工技术是利用高能量激光脉冲对固体直接加工，主要是基于激光烧蚀过程。在烧蚀过程中，固体材料所吸收的激光能量使材料从加工表面喷射出来。激光和固体间的烧蚀作用与固体材料以及脉冲激光参数密切相关。脉冲激光参数主要包括激光的波长、脉冲宽度和脉冲强度。在适宜的条件下，几乎所有的固体材料脉冲激光都能够加工，而且现在经研究已经建立了多种材料的脉冲激光加工参数[3]。 图一(a)所示的是一种常见的准分子激光加工设备的主要结构。激光光束经过一系列器件，包括快门、可调衰减器、光束整形器和归一化器，最后照射到掩模上。在这个结构中，光束整形器改变光束形状，使其近似为正方形，然后归一化器再把光分成许多光束，每束光从不同方向照射掩模（图一(b)）。这不仅提高了光照射的均匀性，同时也引入了离轴元件。离轴光照射可以完成垂直结构甚至钻蚀结构的加工，而使用传统的平面光照射无法加工出这样的结构。在整个系统中一般需要一些辅助设备进行准直，比如CCD视频传感器或独立的非线性显微镜。 脉冲激光直接微加工技术的主要特点之一是能够加工复杂的三维表面轮廓。对不同的掩模进行多次曝光可以加工阶梯式多级结构，而在曝光时间内扫描掩模可以完成连续切削，也可以用半色调掩模直接进行投影烧蚀来完成连续切削[4]。掩模和工件一般都安装在步进马达控制的精密移动平台上，通过计算机实现自动扫描操作。在加工过程中可以改变其它脉冲激光参数，比如激光光通量和重复频率。此外，还可以通过改变数值孔径NA来改变离轴照射的最大视角，见图一(b)，从而可以在恒定的激光光通量条件下加工不同侧壁角度的结构。 图一(a)准分子激光加工设备框图 (b)光学系统图 脉冲激光直接微加工技术的另一个特点是可以加工多种材料[5]，尤其适用于聚合物材料的加工。大多数聚合物在激光的频谱内都有很强的能量吸收，保证了激光与工件间的能量耦合，而相对较低的热传导性又保证了烧蚀过程中的热量扩散和受热影响的区域很小。大多数情况下，可以得到很好的表面光洁度，附加损失(熔化和碎屑)也可达到最小，这是许多其它材料不具备的特性。例如，由于金属的反射率和热传导率较高，用脉冲激光加工具有很高的烧蚀阀值，加工过程中有严重的附加损耗。但是，如果加工对象是沉积在导热性较差的基体表面的金属薄膜时，用脉冲激光就可以得到很好的加工效果。 脉冲激光直接加工MEMS器件中最成功的例子是喷墨打印头的加工[6]。另外，脉冲激光很高的峰值功率和3D结构加工能力也可应用到微流控芯片的加工中。微流控芯片中的主要部件，像微通道、微过滤器、微搅拌器和微反应器都需要3D结构(或至少2.5D)。此外，作为微流控芯片的材料，聚合物比硅基底的材料更适于用脉冲激光进行微加工。 MEMS直接加工的例子最近也有报道，如在硅底上制作双压电晶片微执行器[7]以及多层磁性材料执行器[8]等。另外，飞秒激光微加工技术发展也很快[9]。由于飞秒激光有很高的能量密度，这使得它在MEMS加工中的某些方面具有很好的应用前景，比如利用标准的透明材料与高能量多光子的剧烈作用可以在透光材料上加工微结构。 2.1直接加工 这里所用的术语“直接加工”是用来描述用激光束聚焦点来进行材料加工的过程。这项技术广泛应用于对高精度和小尺寸有要求的微机械加工，包括燃料注入器的钻孔、气体传感器的钻孔、太阳能电池的刻画以及MEMS的原型处理。工件是用检流扫描仪和可移动平台随着光束移动，同时用激光加工，从而得到预期的图案。加工速度通过调节检流扫描仪可达10ms-1 [10]。 图二：（a）用检流扫描仪和X-Y可移动平台的直接加工的示意图 （b）MicrAlater M1000 直接加工的激光器设备 2.2 钻孔 使用在X-Y平台或检流扫描仪上的聚焦激光束的一系列的孔的加工在燃料注入器、气体传感器、微小电路板和探测器卡片的钻孔都有广泛应用。图三显示的就是用来IC（integrated circuit）测试的探测器卡片的一部分。100μm孔是在500μm厚的硅氮化物晶体上用355nm的ND:YAG激光钻孔的。使用AblataCAM软件能将文件直接转化成激光器设备加工过程。利用这项技术能在探测器卡片上加工几乎任何形状的孔。 图三：（a）在硅氮晶体探测器卡片上的用来IC测试的100μm孔 b）在硬质钢上用来燃料注入的孔 发动机对低损耗和更佳的燃料利用率需求，引起对更小的孔和更厚的有壁燃料注入器的深入研究。由于传统EMD技术对于柴油机注入器的钻孔的限制，使得激光加工技术成为下一代柴油机引擎的关键技术。孔的直径为30-100μm公差为±1.5μm，锥角小于0.5度。图三（b）显示的是用Nd:YAG激光器在532nm在柴油机注入器上加工的孔。 2.3太阳能板加工 在1.06μm波上工作的激光器设备，其典型的能量为几十瓦，广泛的应用于薄膜太阳能板的玻璃底层上的精细线性雕合。这种过程和发射技术的结合与BTS能够使太阳能板在高速的情况下能保持非常高的精度和准确率。图四（a）是无定型硅薄膜在双激光系统（1.06μm和532nm）下的加工过程的示意图。IR YAG激光束用来在ITO层上划近似30μm宽的线，接着α－Si的沉积和可见YAG激光束在盘的附近穿过α－Si层来加工50μm直径的相互连接。而ITO层是不受加工过程影响的。接着铝电极层沉积，用可见光YAG激光来加工大概25μm宽的轨迹，来完成板的加工过程。太阳能板的样板的部分加工过程如图四所示。用580nm来加工400mm板的每一层大概需要1分钟。 图四：（a）用双波长激光系统加工的太阳能板 b）在薄膜α－Si太阳能板上的划线和相互连接的照片 3.最新研究动态 3.1用于微加工的UV激光钻孔机械－Meister 1000DF MHI出品了最新DUV266nm激光钻孔机Meister 1000DF，能在所有新的固体UV－YAG振荡器上应用。用Meister 1000DF能在不同材料、不同工作环境下进行高质量的微加工。特点：半导体泵浦固体激光器谐振腔能达到很高的寿命和具有很高的可靠性，高能量密度266nmUV输出,能实现50－200μm直径的微小钻孔,高速和装备了检流扫描仪[11]。 图五：加工应用的样品图 （a）透孔： 直径100μm 聚酰亚胺树脂：厚度25μm （b）透孔：直径100μm 陶瓷：厚度250μm 图六：结构图 3.2 DPSS UV 激光器 高脉冲355nm激光器（LD泵浦 YV04 激光器+ SHG + THG）空气冷却。概要：这种激光器是紧凑和空气冷却类型的高循环脉冲DPSS UV激光器（355nm）。非线性晶体GdYCOB应用于这种激光器（已由大阪大学发明）。因此能获得高光束质量和稳定输出。并且非常容易维护和操作，广泛应用于微加工、精确测量等等[12]。 3.3 DPSS绿色激光器 高脉冲532nm激光器（LD泵浦 YVO4激光器+ SHG) 空气冷却。概要：这种激光器是紧凑和空气冷却类型的高循环脉冲DPSS绿色激光器（532nm）。具有很好的输出稳定性和高光束质量。并且易于维护和操作，能广泛应用于微加工、测量等等。 3.4 DPSS YVO4激光器 高脉冲1064nm激光器（LD泵浦 YVO4激光器）空气冷却。概要：这是一种紧凑、空气冷却以及易于维护的DPSS激光器。用LD泵浦并且用光纤输出。由于在加工过程中有高重复性、热张力等特点，因此能被小型化。所以能广泛应用于高速标刻、激光加工和产生谐波的光源。 4.结 论 从加工材料范围和3D加工灵活性方面，脉冲激光具有特有的加工能力。脉冲激光加工技术和其它微细加工的主流技术相结合可以为MEMS的未来发展提供重要的加工手段。脉冲激光加工技术的主要应用领域有基于功能材料的微驱动器、微流控器件和系统。另外，脉冲激光还具有特有的微部件操控和连接能力，因此，对MEMS的集成和封装技术也将作出巨大的贡献。 参考文献： [1] 耿淑杰, 激光微加工的进展[J]. 激光与红外,1997,27(6):330-332. [2] 张光照，刘焱，微机械加工技术。传感器技术，1997，16（3）：57-60 [3] 李艳宁，唐 洁，饶志军，宋晓辉，胡晓东，傅 星，胡小唐,脉冲激光MEMS加工技术[J].微纳电子技术,2003:159-163. [4] RIZVI N. Microstructuring with excimer lasers[J]. MST News, 1999.1:18-21 [5] GOWER M C. Excimer laser: current and future applications in industry and medicine[A].in: CRAFER RC, OAKLEY PJ. Laser Processing in Manufactuing[M]. Chapman & Hall, 1994. [6] ROMAN C. Excimer lasers drill precise holes with higher yield[J]. Laser Focus World, August 1995. [7] LI J, ANANTHASURESH GK. A quality study on the excimer laser micromachining of electro-thermal-compliant microdevices[J]. Micromech Microeng. 2001,11；39-47 [8] FLEGING W P, et al. Laser micromachining for applications in thin film technology[J]. Applied Surface Science,2000,154-155:633-639 [9] OSTENDORF A. The use if vacuum UV wavelengths and ultrashort pulses for machining of dielectrics[A]. Proc. ICALEO, 2000 Laser Microfabrication Conf[C].2000,A1-10 [10] http://www.exitech.co.uk/pdfFiles/Thin%20Films%20Paper%20HJB%202003.pdf. [11] http://www.mhi.co.jp/kobe/mhikobe-e/products/etc/uvlaser.htm [12] http://www.neoark.co.jp/Eng/eng-PDF/YVO4_355.PDF