正如連續(xù)波 (CW) 和準連續(xù)波 (quasi-CW) 雷射產(chǎn)生材料世界的重要變革一樣，皮秒雷射也準備改變微細加工的世界。皮秒雷射被引進使用于微細加工，就如同30年前的各種毫秒級與后來的奈秒級已經(jīng)證實脈沖雷射提供新的微細加工的能力。目前，有關晶圓鉆孔、金屬切割、陶瓷劃線與汽車零件、信用卡與護照等打標所使用的激光脈沖介于毫秒與奈秒時間區(qū)域。微細加工應用領域方面，雷射較機械工具有著良好的性能，其原因是由于雷射具有彈性、可靠度、重復性、易程序化等優(yōu)點，而且對加工物也沒有機械強制力或污染的缺點。

　　皮秒雷射尚未導入之前，加工機制是對靶材施以非?？焖倬植考訜?、融化和汽化為原理基礎，例如毛邊 (burrs)、再結(jié)晶 (re-crystallization) 及微裂痕 (mcro-cracks)等，會無法避免產(chǎn)生熱端效應 (thermal side effects)，導致產(chǎn)品壽命后期才會出現(xiàn)的嚴重后果，如圖1兩者比較。由于皮秒時間長度可以相當于物質(zhì)電子 - 光子松弛時間，雷射與材料之間的反應不僅是熱能交換，而大部份是以原子交換，亦即快速的分子間鍵結(jié)崩離的方式進行，再加上簡單的可調(diào)倍頻轉(zhuǎn)換使其輕易的產(chǎn)生紫外光，使得所謂的「冷」加工的理想得以實現(xiàn)。

圖1. 奈秒與皮秒脈沖的鉆孔結(jié)果比較

　　最近，因超快雷射變得容易獲得了，所以有更多的工業(yè)用途，一般所關注的是尋求合適能量的皮秒脈沖，它可以很快地實現(xiàn)如何避免熱方面為主的影響而達成加工質(zhì)量的新水凖，如圖2、圖3。超短脈沖雷射已成為革命性的微制程工具，在最近數(shù)年提供給生產(chǎn)工程師而成為有值價的產(chǎn)品。其中，德國公司雷射源制造一直是發(fā)展工業(yè)級皮秒雷射系統(tǒng)的先鋒，并且從一開始這項技術就已成為市場領先者。當超短激光脈沖微加工時，材料是沒有任何接觸表面而能去除材料，因此表面沒有產(chǎn)生應變；沒有耗損加工工具；沒有透過加工工件而污染工件的危險。最重要的是，超短脈沖可改善加工與任何熱的影響，如再結(jié)晶、毛邊和微裂痕等，其原因是由于超短的激光脈沖能減緩熱擴散之故。

圖 2.  20 μm厚度銀片內(nèi)15 μm 寬的狹縫

圖3.  利用ps-Laser 1064 nm在玻璃內(nèi)250 μm寬的微通道加工，具有超過 50 mm3/min的去除速率。

　　皮秒脈沖對材料是非選擇性的，所以能夠成為通用型的加工工具，這事實或許是個重大意義，原因是利用皮秒脈沖進行微加工時并不是依賴吸收過程，而是由形成表面電漿云團 (plasma cloud) 所構(gòu)成的。皮秒脈沖大電場剝離原子的低質(zhì)量電子，經(jīng)庫倫爆炸 (coulomb explosion) 后正電荷原子脫離?？赡苡腥藭幷摰氖牵谄っ敕秶鷥?nèi)甚致更短的激光脈沖應可進一步增強微加工質(zhì)量。盡管如此，飛秒雷射 (femtosecond lasers) 明顯地更復雜又容易失效，以及在價格方面高出許多卻僅傳遞較低的平均#p#分頁標題#e#功率。皮秒脈沖足以觸發(fā)電場產(chǎn)生的過程，并且唯一在復雜系統(tǒng)中達成短脈沖。飛秒脈沖的高峯值功率需要更小心的傳遞光束且易產(chǎn)生不想要的非線性效應。

　　在皮秒范圍的激光脈沖可以擊發(fā)出良好的光斑：皮秒脈沖能夠被制造成為一個可靠的、工業(yè)級的封裝、維持優(yōu)越的光束質(zhì)量及傳遞正確的脈沖能量等級。利用超過50W的平均功率，可以達到兆赫 (MHz) 等級的重復頻率 (repetition rates)，有利于產(chǎn)業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)量，如圖4。假設能量密度稍微高于剝除門坎 (ablation threshold)，大約是 1 J/cm2，任何材料會實際顯示出約10 ~ 100 nm 的剝除厚度材料層，該剝除門坎僅會隨著材料種類輕微變化 (0.1-2 J/cm2)；幾乎與波長、脈沖長度和其條件無關。大部份微細加工應用是專注于表面結(jié)構(gòu)的刻痕，換言之，為了挖出溝槽、輪廓切割、鉆孔、材料層裸露或區(qū)域隔離，將材料進行「冷」微細去除。

圖 4.  去除Si 基SiN 層 70 nm厚度 ； 達到至1 million spots/sec，直徑 50 μm；

當使用機械鉆孔/銑削和電子放電加工 (EDM) 產(chǎn)生小于50 μm 結(jié)構(gòu)時，其可靠度與成本經(jīng)常被夸大。一種具有M2 < 1.5高質(zhì)量激光束能夠適當?shù)鼐劢? ~ 50 μm光斑尺寸，并可以加工達到接近尺寸的結(jié)構(gòu)。為了滿足1 J/cm2 剝除門坎準則，典型的距焦光斑25 μm直徑需要約10 μJ脈沖能量。較高的脈沖能量密度未必做得好、做得快：因剝除產(chǎn)生的電漿云團反而獲得較高密度且不再從表面分離。更糟的是，可能因熱改變材料和破壞「冷」質(zhì)量，為了「冷」微細加工，一個理想的工業(yè)級皮秒雷射源應該產(chǎn)生10 ~ 50 μJ范圍之脈沖能量及大約1 MHz的重復頻率 (repetition rate)，如圖5。即使再高的重復頻率，則因先前脈沖的電漿云團產(chǎn)生遮蔽效應，反而最終會減少效率。

圖 5.  利用重復頻率增加去除速率

　　大多數(shù)皮秒激光脈沖應用是利用其微米級精度的優(yōu)勢加工材料。該分辨率取決于小至2 μm或大至100 μm距焦光斑尺寸。在這個焦點之內(nèi)，雷射透過冷剝除技術去除一個 100 nm的薄碟形材料而沒有在周圍區(qū)域加熱。這個基本過程可以重復高達每秒200萬次而去除高達60 mm3/min之速率（用50 W的皮秒雷射），而實際的形狀是取決于透過計算器控制引導光束在微米精度下達到10 m/sec。

#p#分頁標題#e#

1　ulse                                  5 pulses (20 ns separation)

圖6 . 爆發(fā) (burst) 模式增加去除率及表面質(zhì)量，例如Si材料

　　最近觀察到利用奈米尺度分離 (爆發(fā)模式，burst mode) 數(shù)個皮秒脈沖可以顯著改進剝除率和微加工質(zhì)量，例如圖6加工于Si材料的表面粗糙度比較。爆發(fā) (burst) 在本文的定義是指利用奈秒時間區(qū)間內(nèi)迅速連續(xù)發(fā)生脈沖。這是關鍵技術，因為在一個較長的間隔時間 (例如奈秒時間) 將不會產(chǎn)生增加去除率的同樣效果。利用50 W 皮秒雷射操作爆發(fā)模式的實驗，可以隨著重復頻率及爆發(fā) (burst) 數(shù)量達成剝除率提升，如圖7。在材料上產(chǎn)生的低深寬比 (aspect ratio, 深度/直徑) 的應用方面，例如玻璃可達到至20 ~ 60 mm3/min ，不銹鋼 (stainless steel) 10 mm3/min ，以及硅 (Si) 30 mm3/min ；有機物 (organics) ，生物材料 (bio material) 達到至 100 mm3/min?？傊l(fā)模式 (burst mode) 可以實現(xiàn)更低的表面粗糙度和較高的材料去除率等優(yōu)點。

圖 7. 利用爆發(fā) (burst) 模式增加去除速率

　　雖然雷射制造商在最初幾年投入這樣高價的多用途雷射之特殊研究計劃，然而激光技術的進步已使價格和操作的執(zhí)行成本在最近幾年大幅減少。近四內(nèi)年內(nèi)，每單位光子成已本降低至十分之一，以每個構(gòu)件對應成本為基礎，皮秒雷射成為非常經(jīng)濟的選擇，已足以與其他加工方式競爭，即使為了比奈秒雷射有較合適的功率與較高光束質(zhì)量而開始投資皮秒雷射而言，皮秒雷射的擁有者其總成本也僅需大約 $0.29/min，而且任何堅硬或困難加工材料，例如立方氮化硼 (CBN)或三皇冠鉆石 (TCD)、藍寶石 (sapphire)、玻璃 (glass) 或陶瓷 (ceramics) 等，都能夠于 20mm3 /min以內(nèi)被剝除，圖 8  為陶瓷鉆孔的案例。

圖8. 利用ps-Laser 1064 nm， 50 W進行陶瓷鉆孔；直徑:  100 μm ，厚度：1 mm；1 sec / hole

　　很清楚地，創(chuàng)造高價值的薄膜、小體積剝除的產(chǎn)品新應用以從未有過的成長數(shù)量正在興起中：半導體產(chǎn)業(yè) (低k材料)、太陽能產(chǎn)業(yè) (特別是薄膜技術)、平面顯示技術(TCO, OLEDs)、鉆石微鑄造 (micro molds)、精確狹縫 (precise apertures) 和電極結(jié)構(gòu) (electrode structure)、印刷產(chǎn)業(yè) (printing industry) 或轉(zhuǎn)印 (embossing of rolls) 或醫(yī)學植入(medical implants) 等大型微結(jié)構(gòu)表面，即使大型船艦也選用微細加工，微尺度特性提供抗污積垢保護和減少磨擦。甚者，高壓縮汽缸注入噴嘴 (injection nozzles) 和薄型玻璃材料的切割與鉆孔皆呈現(xiàn)其重要性且大量被應用。除此之外，強化玻璃、硅、藍寶石晶圓和發(fā)光二極管等加工也極為合適。為了供應大尺寸的產(chǎn)業(yè)應用，皮秒雷射是需要證明它能夠超過一年的平均失效時間和小于1小時的維護時間。而最新生產(chǎn)的工業(yè)型皮秒雷射已經(jīng)證實有如此的性能。#p#分頁標題#e#

　　從工業(yè)型皮秒雷射市場經(jīng)分析結(jié)果，認為未來3至4年內(nèi)會有成長10倍的趨勢，而且500W功率等級很快就可達成降低成本與增加產(chǎn)能，對任何大尺度的產(chǎn)業(yè)使用而言，可靠度和成本將是皮秒雷射擁有者最關鍵的指標。