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歷史雜誌

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雷射超精密微奈米結構加工技術介紹

作者 張天立羅紹維姚中翰周大鑫蘇志杰蔡宏營林宏彝

刊登日期:2008/09/01

摘要

雷射加工技術廣泛應用於結構製造中,包括鑽孔、切割與退火,不但突破傳統刀具式的接觸破壞影響,還能消除殘留應力與接觸角度的問題。然而利用能量束雖然可直接加工任何材料,但其加工之結構大小仍無法突破聚焦尺度限制,再者,經由熱加工機制容易使材料受熱擴散影響,而造成精度不足與表面形貌改變。現階段超快雷射系統已發展完善,特色是利用其非線性光子吸收機制,將有效打斷材料間之化學鍵結,直接以離子化做為加工機制,突破傳統雷射加工技術在熱影響之限制,更能於聚焦點之內進行加工,因而達到奈米等級之加工尺寸。超快雷射加工製造技術不僅能製作平面二維結構,更能搭配特殊加工製程,於透明材料內製作複雜的三維結構,成為可廣泛應用於半導體、生醫、光電與能源等不同領域之微奈米元件、裝置和產品的製造技術。

Abstract

The laser machining technology for structure fabrication applications include drilling, cutting and annealing that are different from CNC machining due to non-contact effect for the materials. The laser machining is used to solve the problems of residual stress and contact angle treatment. At the same time, its energy beam can be directly used in any materials. However, the limitation of fabricated structures still need to be overcome some problems such as the spot size and heat effect in the fabricated process. Recently, the pulse duration of ultra-fast laser is developed that the behavior of non-linear photon absorption is effective in cutting the chemical bond between the material and the other material. The heat affected zone on material surface can be ignored for this directly ionized machining. And then, the fabricated structures can be reduced the scale size within the laser spot size. With this technique, the repeatable structures between the microscaled to the nanoscaled sizes are successfully fabricated. The ultra-fast laser machining provides wide-range and exciting new possibilities in fabricated 2-dimensional and 3-dimensional micro/ nanostructures for semiconductor, biotechnology, medicine, electronics, optics and energy industries.

前言

伴隨奈米科技與微小化技術興起,微奈米加工技術的發展越來越受到重視,如何突破傳統加工在結構大小上的侷限,達到更高精度的需求,一直是重要的研究議題。現今的 CNC 超精密車削雖可以達到數十微米的加工尺度,但是其破壞機制仍屬於傳統機械以接觸式的加工方式,由於受刀具尺度、材料的受力與磨擦熱等因素影響,造成加工精度無法達到奈米級的結構。為了突破上述接觸式加工的瓶頸,利用能量束的非接觸加工方式因而發展出來,這些方式大致包括超音波的聲能加工、電能加工、熱能加工、化學反應加工與光能加工等方式,其中,又以雷射的光能加工最常被應用在工業精密製造領域。

雷射依據其輸出形態與脈衝長度,可分為超快雷射與一般傳統長脈衝或連續波形式,而傳統雷射又可依據其介質型態、輸出形式和功率等分類,而各種雷射各有各的特性與用途[1],茲將其整理如表一所示。一般奈秒(10-9 s)雷射對材料以熱破壞為主,物質吸收雷射能量受熱,經過固態、液態及氣態的轉變,材料被雷射衝擊出洞口,造成使用雷射加工的孔洞周圍非常容易出現毛邊的現象,另外加上材料被噴濺出來於表面形成的堆積物,大大降低了結構精度。而目前發展中的短波長雷射,以準分子雷射(Excimer Laser)而言,已經能達到加工過程中,同時包含部分熱破壞與部分光解破壞,其主要影響來自於脈衝長度與材料對光子吸收力的差別。

先進的超快(10-12~10-15 s)雷射,由於其脈衝時間超短,不同於傳統熱破壞改以光解機制為主來進行材料移除,直接打斷原子與分子間的化學鍵,換句話說,超快雷射與材料作用瞬間,由於多光子吸收作用或穿隧解離作用,產生了許多自由電子。這些自由電子若能繼續吸收超快雷射瞬間釋放能量的話,將產生衝擊離子化,造成電子本身能量超越激發態所需的能量,而產生更多的自由電子。此時材料內的自由電子數量非常多,有些則能輕易脫離材料表面。當帶負電的電子離開材料表面後,材料本身的正離子與正離子產生相斥作用,而庫倫作用力即由此而生,在材料加工中稱之為庫倫爆炸(Coulomb Explosion)。由於上述機制所產生時間相當短,因此在雷射能量傳遞給材料的過程中,電子溫度能夠瞬間上升,但卻來不及將熱傳遞給電子就已經汽化,此過程稱為 Two-Temperature Model。由於材料先受到離子化後溢出,而未經高溫熔解與汽化過程,因此加工完成後,可得到完整平穩的表面。

雷射加工技術,突破傳統機械車、削、銑、鑽和刨等,以刀具進行材料破壞的力學機制,利用非接觸式雷射光能加工,直接對欲加工區域之材料進行直接加熱、破裂、氣化或離子化,無須經過其他媒介,是最直接且簡單的加工方式,而在近期受到產業界的青睞。本文將會詳細介紹超快雷射於微奈米結構成形的技術與應用。

 

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