一、引言

　　自1960年第一臺激光器問世以來，激光的研究及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。其高相干性在高精密測量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、信息存儲及通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光的高方向性和高亮度可廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)。隨著激光器件、新型受激輻射光源，以及相應(yīng)工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近20年來，激光制造技術(shù)已滲入到諸多高新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，并開始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工業(yè)。

　　1987年美國科學(xué)家提出了微機電系統(tǒng)(MEMS)發(fā)展計劃，這標(biāo)志著人類對微機械的研究進(jìn)入到一個新的時代。目前，應(yīng)用于微機械的制造技術(shù)主要有半導(dǎo)體加工技術(shù)、微光刻電鑄模造(LIGA)工藝、超精密機械加工技術(shù)以及特種微加工技術(shù)等。其中，特種微加工方法是通過加工能量的直接作用，實現(xiàn)小至逐個分子或原子的去除加工。特種加工是利用電能、熱能、光能、聲能、化學(xué)能等能量形式進(jìn)行加工的，常用的方法有：電火花加工、超聲波加工、電子束加工、離子束加工、電解加工等等。近年來發(fā)展起來一種可實現(xiàn)微小加工的新方法：光成型法，包括立體光刻工藝、光掩膜層工藝等。其中利用激光進(jìn)行微加工顯示出巨大的應(yīng)用潛力和誘人的發(fā)展前景。

　　為適應(yīng)21世紀(jì)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿足微觀制造的需要，研究和開發(fā)高性能激光源勢在必行。作為激光加工的一個分支，激光微加工在過去十年被廣泛關(guān)注。其中原因之一是由于更加有效的激光源不斷涌現(xiàn)。比如具有非常高峰值功率和超短脈沖固體激光，有很高光束質(zhì)量的二極泵浦的Nd:YAG激光器等。另外一個原因是有了更為精確、高速的數(shù)控操作平臺。但一個更為重要的原因是不斷涌現(xiàn)的工業(yè)需求。在微電子加工中，半導(dǎo)體層的穿孔、寄存器的剪切和電路修復(fù)都用到激光微加工技術(shù)。激光微加工一般所指加工尺寸在幾個到幾百微米的工藝過程。激光脈沖的寬度在飛秒（fs）到納秒（ns）之間。激光波長從遠(yuǎn)紅外到X射線的很寬波段范圍。目前主要應(yīng)用于微電子、微機械和微光學(xué)加工三大領(lǐng)域。隨著激光微加工技術(shù)的發(fā)展和成熟，將在更廣的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。

　　二、激光微加工技術(shù)的主要應(yīng)用

　　隨著電子產(chǎn)品朝著便攜式、小型化的方向發(fā)展，單位體積信息的提高（高密度）和單位時間處理速度的提高（高速化）對微電子封裝技術(shù)提出不斷增長的新需求。例如現(xiàn)代手機和數(shù)碼相機每平方厘米安裝大約為1200條互連線。提高芯片封裝水平的關(guān)鍵之處就是在不同層面的線路之間保留微型過孔的存在，這樣通過微型過孔不僅提供了表面安裝器件與下面信號面板之間的高速連接，而且有效地減小了封裝面積。

　　另一方面，隨著近年來全球手機、數(shù)碼相機和筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品向輕、薄、短、小的趨勢發(fā)展，印制線路板（PCB）逐步呈現(xiàn)出以高密度互連技術(shù)為主體的積層化、多功能化特征。為了有效地保證各層間的電氣連接以及外部器件的固定，過孔（via）已成為多層PCB的重要組成部分之一。目前鉆孔的費用通常占PCB制板費用的30%-40%。在高速、高密度的PCB設(shè)計時，設(shè)計者總是希望過孔越小越好，這樣板上不僅可以留有更多的布線空間。而且過孔越小，越適合用于高速電路。傳統(tǒng)的機械鉆孔最小的尺寸僅為100μm，這顯然已不能滿足要求，代而取之的是一種新型的激光微型過孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工業(yè)上可獲得過孔直徑達(dá)到在30-40μm的小孔或用UV激光加工10μm左右的小孔。

　　激光微加工技術(shù)在設(shè)備制造業(yè)、汽車以及航空精密制造業(yè)和各種微細(xì)加工業(yè)中可用激光進(jìn)行切割、鉆孔、雕刻、劃線、熱滲透、焊接等，如20多微米大小的噴墨打印機的噴墨口的加工。利用諸如微壓型、打磨拋光等激光表面處理技術(shù)來加工多種微型光學(xué)元件，也可通過諸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化來改變組織結(jié)構(gòu)，然后，通過調(diào)和外部機械力，再在軟化階段依靠等離子體輔助進(jìn)行微成形來加工微光學(xué)元件。

　　常用激光微加工技術(shù)

　　激光微加工技術(shù)具有非接觸、有選擇性加工、熱影響區(qū)域小、高精度與高重復(fù)率、高的零件尺寸與形狀的加工柔性等優(yōu)點。實際上，激光微加工技術(shù)最大的特點是“直寫”加工，簡化了工藝，實現(xiàn)了微型機械的快速成型制造。此外，該方法沒有諸如腐蝕等方法帶來的環(huán)境污染問題，可謂“綠色制造”。在微機械制造中采用的激光微加工技術(shù)有兩類：

　　1)材料去除微加工技術(shù)，如激光直寫微加工、激光LIGA等；

　　2)材料堆積微加工技術(shù)，如激光微細(xì)立體光刻、激光輔助沉積、激光選區(qū)燒結(jié)等。

　　2.1激光直寫技術(shù)

　　準(zhǔn)分子激光波長短、聚焦光斑直徑小、功率密度高，非常適合于微加工和半導(dǎo)體材料加工。在準(zhǔn)分子激光微加工系統(tǒng)中，大多采用掩膜投影加工，也可以不用掩膜，直接利用聚焦光斑刻蝕工件，將準(zhǔn)分子激光技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，綜合激光光束掃描與X-Y工作臺的相對運動以及Z方向的微進(jìn)給，可以直接在基體材料上掃描刻寫出微細(xì)圖形，或加工出三維微細(xì)結(jié)構(gòu)。目前采用準(zhǔn)分子激光直寫方式可加工出線寬為數(shù)微米的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)。另外，利用準(zhǔn)分子激光采取類似快速成型(RP)制造技術(shù)，采用逐層掃描的方式進(jìn)行三維微加工的研究也已取得較好結(jié)果。

　　2.2激光LIGA技術(shù)

　　它采用準(zhǔn)分子激光深層刻蝕代替載射線光刻，從而避開了高精密的載射線掩膜制作、套刻對準(zhǔn)等技術(shù)難題，同時激光光源的經(jīng)濟性和使用的廣泛性大大優(yōu)于同步輻射載光源，從而大大降低LIGA工藝的制造成本，使LIGA技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。盡管激光LIGA技術(shù)在加工微構(gòu)件高徑比方面比載射線差，但對于一般的微構(gòu)件加工完全可以接受。此外，激光LIGA工藝不像載射線光刻需要化學(xué)腐蝕顯影，而是“直寫”刻蝕，不存在化學(xué)腐蝕的橫向浸潤腐蝕影響，因而加工邊緣陡直，精度高，光刻性能優(yōu)于同步載射線光刻。

　　2.3激光微立體光刻(mSL)技術(shù)

　　它是立體光刻(SLA)工藝這一先進(jìn)的快速成型技術(shù)應(yīng)用到微制造領(lǐng)域中衍生出來的一種加工技術(shù)，因其加工的高精度與微型化，故稱為微立體光刻(Microstere-olithography或mSL)。同其他微加工技術(shù)相比，微立體光刻技術(shù)最大的特點是不受微型器件或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形狀的限制，可以加工包含自由曲面在內(nèi)的任意三維結(jié)構(gòu)，并且可以將不同的微部件一次成型，省去微裝配環(huán)節(jié)，如圖2所示。此外，該技術(shù)還有加工時間短、成本低、加工過程自動化等優(yōu)點，為微機械批量化生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。該技術(shù)的局限性在于兩方面：

　　精度較低，目前基于快速成型的微加工技術(shù)的最高水平方向的精度在1mm左右，而垂直方向大約為3mm，顯然這一精度無法同基于集成電路的硅微加工工藝相比。

　　使用材料受到一定的限制，目前的樹脂材料在電性能、機械性能、熱性能方面與硅材料相比有一定差距。近年來，激光微立體光刻技術(shù)得到了大力研究與開發(fā)。在提高精度與效率方面有如下發(fā)展方向：

　　1)以面曝光代替點曝光，從而進(jìn)一步縮短加工時間，提高生產(chǎn)效率；

　　2)在材料方面，研究開發(fā)出更高分辨率的光固化樹脂，如已研制出的雙光近紅外光聚合樹脂為高精度制造奠定了良好基礎(chǔ)；

　　3)在工藝方面，研究開發(fā)無需任何支撐結(jié)構(gòu)或犧牲層的工藝以及與平面微加工工藝的集成，從而進(jìn)一步簡化工藝，提高加工精度與生產(chǎn)柔性。

　　2.4激光輔助氣相沉積(LCVD)技術(shù)在化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝

　　固化微成型的兩種零件中，固態(tài)物質(zhì)從氣相通過化學(xué)反應(yīng)沉積在基片表面上。用激光輔助化學(xué)氣相沉積來制作三維微結(jié)構(gòu)，是將聚焦激光微光束通過定域加熱基片，啟動并維持CVD過程，在沉積過程中通過移動基片或激光束，將固體結(jié)構(gòu)以很高的分辨率沉積塑型。塑造幾何形狀時不受平面投影和平面掃描的局限，能制作出復(fù)雜幾何形狀的立體微結(jié)構(gòu)。以特定方式運動工件臺并使激光焦斑運動速度始終與晶體生長速度相同，即可做出所需的微結(jié)構(gòu)。

　　2.5激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLS)

　　它是快速成型技術(shù)的一種，具有可加工材料范圍廣且可制作任意復(fù)雜三維形狀的獨特優(yōu)勢。目前，人們嘗試用SLS工藝進(jìn)行微機械的制造。在SLS工藝中，首先在計算機上完成符合需要的三維CAD模型，再用分層軟件對其進(jìn)行分層得到各層截面，采用自動控制技術(shù)，使激光有選擇地?zé)Y(jié)出與計算機內(nèi)零件截面相對應(yīng)部分的粉末，使粉末經(jīng)燒結(jié)融化冷卻凝固成型。完成一層燒結(jié)后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，且兩層之間燒結(jié)相連。如此層層燒結(jié)、堆積，結(jié)果燒結(jié)部分恰好是與CAD原型一致的實體，而未燒結(jié)部分則是松散粉末，可以起到支撐的作用，并在最后很容易清理掉。燒結(jié)系統(tǒng)的精度受以下因素的影響：激光功率、激光焦斑直徑、掃描速度、粉末顆粒直徑、粉末的各向異性以及燒結(jié)過程中的溫度控制等。用SLS工藝進(jìn)行三維成形，還可以在一個微結(jié)構(gòu)內(nèi)集成多種材料完成一定的功能。

　　其他激光微加工技術(shù)

　　脈沖激光刻蝕成型是激光技術(shù)的一個新的研究領(lǐng)域，它采用短波長的倍頻激光或皮秒、飛秒激光結(jié)合高精度數(shù)控機床，刻蝕加工各種材料。用短脈沖在這些材料表面刻蝕，再將材料去除，其表面形成的微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比用長脈沖加工高得多。2001年德國HEIDELBERGINSTRUMENTS采用三倍頻(波長354.7nm)，獲得最小可達(dá)5mm的聚焦光斑，最小可加工特征尺寸為10mm，精度為1mm。圖5為脈沖激光刻蝕在WC/Co上加工的三維形狀。激光焦斑直徑5mm，x，y方向進(jìn)給5mm。每層去除1.3mm，平均表面粗糙度為0.16mm。激光微切割成形，原理上與激光刻蝕相同，也是采用倍頻或飛秒激光為光源，對光束精細(xì)聚焦，精確控制能量的輸入，熱影響小，進(jìn)行微細(xì)去除切割成形。

　　三、超短脈沖激光在微加工技術(shù)的最新進(jìn)展

　　CO2激光和YAG激光是連續(xù)和長脈沖激光，主要靠聚焦形成高能量密度，從而在局部產(chǎn)生高溫來燒蝕材料，基本上屬于熱加工范疇，加工精度有限。準(zhǔn)分子激光則依靠其短波長(紫外)與材料進(jìn)行光化學(xué)相互作用，其特征尺度可達(dá)到微米量級，但準(zhǔn)分子激光器所需的氣體是腐蝕性的，難以操控，而且，高強紫外激光對加工系統(tǒng)的光學(xué)元件容易造成損傷，其應(yīng)用因而受到限制。隨著對激光領(lǐng)域的深入研究，激光脈沖的時域?qū)挾缺粔嚎s得越來越短，從納秒(10-9s)量級到了皮秒(10-12s)量級直至飛秒(10-l5s)量級。

　　飛秒脈沖激光具有以下兩個特點：(1)脈沖持續(xù)時間短。飛秒脈沖的持續(xù)時間可以短至幾個飛秒，而光在1fs內(nèi)僅僅傳播0.3μm，比大多數(shù)細(xì)胞的直徑還要短；(2)峰值功率極高。飛秒激光將脈沖能量集中在幾個至幾百個飛秒的極短時間內(nèi)，因此其峰值功率很高。例如，將lμJ的能量集中在幾個飛秒時間內(nèi)并會聚成10μm的光斑，其光功率密度可達(dá)到1018W／cm2，將其換算成電場強度則為2×1012V/m，為氫原子中庫侖場強(5×1011V／m)的4倍，這就有可能將電子從原子中直接剝離出來。

　　從激光與透明材料的相互作用機理來看，脈沖寬度從連續(xù)激光到幾十皮秒，損傷機制為雪崩電離過程，依賴與初始的電子密度，而材料中的初始電子密度由于材料中雜質(zhì)分布的不均勻而變化很大。因此，損傷閾值變化也很大。對長脈沖激光損傷閾值定義為可引起損傷幾率為50％的激光能流密度，即長脈沖激光損傷閾值是一個統(tǒng)計值。超短脈沖激光的場強極高，束縛電子可以同時吸收n個光子直接從束縛能級躍遷到自由能級。超短脈沖激光引起的損傷雖然也是雪崩電離過程，但其電子由多光子電離過程產(chǎn)生，不再依賴于材料中的初始電子密度，因此，損傷閾值是精確值。脈沖激光的損傷閾值是隨脈沖寬度下降而明顯減小，到了皮秒量級，下降速率變緩，到飛秒量級時已基本不變。

　　另外，由于超短脈沖激光的損傷閾值很精確，因此將激光的能量控制在正好等于或略高于損傷閾值，則只有高于損傷閾值的部分產(chǎn)生燒蝕，可進(jìn)行低于衍射極限的亞微米加工。飛秒激光可產(chǎn)生超高光強、具有精確且較低的損傷閾值，很小的熱影響區(qū)、幾乎可精密加工所有種類材料，并且，加工精度極高，可進(jìn)行亞微米尺寸的精密加工。

　　激光微加工生產(chǎn)效率高，成本低，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。飛秒激光以其獨特的脈沖持續(xù)時間短、峰值功率高等優(yōu)越性能正在打破以往傳統(tǒng)的激光加工方法，開創(chuàng)了材料超精細(xì)、無熱損傷和3D空間加工和處理的新領(lǐng)域。飛秒激光加工技術(shù)應(yīng)用包括微電子學(xué)、光子晶體器件、高信息傳輸速度（1Tbit/s）的光纖通訊器件、微機械加工、新型三維光存儲器、以及微細(xì)醫(yī)療器件制作和細(xì)胞生物工程技術(shù)等方面具有廣泛應(yīng)用前景�？梢灶A(yù)言，激光微制造技術(shù)必將以其無可替代的優(yōu)勢成為21世紀(jì)迅速發(fā)展的一項高新技術(shù)。

　　結(jié)束語

　　在工業(yè)化時代，世界各國均以制造出大型機器而自豪；在信息化時代，各先進(jìn)工業(yè)國家，均致力于微觀物質(zhì)的研究，并制造越來越小的機械；而進(jìn)入納米科技時代，為了適應(yīng)國防、航空航天、醫(yī)學(xué)和生物工程等方面的發(fā)展，微加工是當(dāng)今制造業(yè)最為活躍的研究方向之一，微機械技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為一個國家綜合實力的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。激光微加工技術(shù)在微加工技術(shù)中越來越顯示出其獨特的優(yōu)越性，具有廣闊的發(fā)展前景，我國必須開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光微制造技術(shù)，才能在未來的高科技領(lǐng)域占有一席之地。