激光(束)加工(Laser Bean Machining)

物是人非

1 何谓光
我们通常所谓的光，是指由紫外线，可见光，以至红外线等所组成。波长较紫外线短的称为X线，γ线，而波长较红外线长的称为电波。所有这些的总称，一般称为电磁波。所以光是电磁波的一部份。
! d0 _) ?* Z: [: _2 i3 `; H2 何谓激光
激光之英文原名为Light Amplification by Simulated Emission of Radiation，简称为LASER，其中文意义为藉由电磁波之受激发射所产生之光放大，是近代科学研究中相当重要的发明。
激光具有高功率密度高单色性，高指向性及高相干性等四大优点，故普及应用于研发医疗、通讯、信息、及工业等领域，可知激光不仅能造福人类，而且可以提升相关产业之整体发展。
3 激光的发射原理
9 K% ?/ |6 X. U* H  ?/ w4 B. A在微观世界（量子力学的世界），个别之原子或分子所具有能量（动能＋位能）（如图1所示）仅能处于一系列不连续且分立的稳定状态，其中能量最低的状态称为基态（低能状态）。

图1 微观粒子的能阶
虽然微观粒子一般处于最低能量的基态，但若有能量（热、光、电子）由外部加入于基态的微观粒子时，微观粒子会被激发，而移至高能量状态（激态）。然而此激发状态并不安定，随后会有移至低能量状态的趋向。例如，进行E1→E0转移时，会多余出E1→E0的能量。此多余的能量（E1→E0）会转变成hv（h：蒲朗克常数，v：光的频率），也就是所谓的光量子或光子（并不是全部均转换为光，也可能变成热能）。
7 u# o" h/ `7 g; H位于高能阶之原子，因光的受激而掉落至基态，因而发射出更强的光。此即激光发射之基本原理。激光不管是行进方向或相位均整齐一致。这些观念最初是由爱因斯坦所提出。（如图2）
, b- M1 M. H+ i, I0 j
图2 受激发射过程
光虽然由少数的激态原子受激而发射出来，但却为存在于基态之大部份原子所吸收，因此受激发射之比例必须高于吸收之比例才能使激光发射。也就是说高能阶之原子（分子）数要较位于低能阶之原子（分子）数（反转分布）多。（如图3）一般而言此反转分布若能恒常地进行的话，则可产生连续振荡的激光（例如He－Ne，氩，二氧化碳气体等激光）。又若此反转分布仅能瞬间实现的话，就成为脉冲振荡的激光（例如：红宝石、YAG、玻璃、氮、色素等激光）。激励至激态的动作称为『抽运』，一般是利用放电、光、电子束、电流、激光等来进行。但实际上，为能得到高强度的光，必须利用设置于两侧之光镜将激光发射媒体夹于其间，使受激发射于此二片之光镜间往复地进行（共振器），产生出强光后才发射至外部。

' Q- f: n7 G' ]1 ?2 }4 r' R' U图3 反转分布与定常数分布
4 激光加工的特色
$ M4 Y7 o! p' w0 Y(1) 如同电子束加工一样，加工功率密度达107 w/㎝2 以上，可加工钻石及超硬合金等硬脆材料，热应变及材料变质微小。
6 J1 n/ t' V0 C8 y* h(2) 电射光平行性良好，其点径在理论上可集束成1μm以下，温度高达10000℃以上，可进行非常微细的热熔化（Melting）及气化（Vaporization）加工，不会影响邻近区域材料的机械与热磁性质。
(3) 非接触加工，不会污染材料且不会造成夹具之磨耗与破损，容易自动化加工。
(4) 可经由透明体加工。
(5) 不需真空，不必防护X光，因而装置较简便，而且作业性良好。
( |5 f6 [* |% k; }1 @(6) 适选加工条件，可进行金属材料之微小孔径加工、精密熔接、精密切割及表面处理超合金合成，真空溅射及真空镀膜等。
+ N; n3 N" D9 C1 O5 p  z(7) 除了加工金属工件外，亦可加工木材、陶瓷、塑料、纸等非金属材料。
! r$ H- R0 C* f4 L( i  D5 激光之种类，特征与应用例

注：(A)单色性 (B)同调性 (C)聚旋光性
+ e) w% {# L& |* W' V/ y- \0 }6 激光之应用领域
9 e2 c4 c" Q, I: I(1)测量 (a)直线基准(b)测距装置(c)划线
- w9 p: d: M5 `* G( t& J4 q(2)量测 (a)精密的长度测定(b)激光雷达(c)都卜勒流速计(d)缺陷侦测(e)平面度测
(3)通信 光纤电缆通信
% |, K  F% p0 l. B0 ^' _(4)信息处理 (a)光内存(b)光计算尺(c)打印机(d)显示器(e)激光盘
/ }( e, K. Y. n4 n(5)医疗 (a)激光手术刀(b)眼睛检查治疗(c)皮肤的治疗(d)癌治疗
(6)能量 (a)核融合(b)电浆诊断
(7)加工 (a)钻孔(b)切割(c)焊接(d)热处理等
如图所示:

0 W" z' r0 }  l3 v) s, r1 G  u7 准分子激光加工
" u: v% {9 o# N8 I7 ?(1)何谓准分子激光
准分子电射的英文为Excimer Laser，Excimer为Excited Dimer 英文的前半部字符所组成，其中文意义为被激发的双原子气体。
# ]& _) W$ U$ [准分子激光的气体组成为惰性气体原子，如He、Ne、Ar、Kr等与化学性质较活泼的卤素(halogen)原子，如F、Cl、Br等，相混合后以放电激发出高功率的紫外光。
(2)准分子激光之特性
准分子激光输出紫外光，其光子能量（Photon energy）波长为（157nm~351nm)，以短波长直接破坏激光照射处的化学键，即工件吸收短波长的准分子激光后，将材料内部的键结直接打断而完全破坏，与传统激光的熔化、气化加工不同。
大部份工作材料的吸收深度为数百埃（Angstrom 10-10m）因此每一脉冲（pulse）移除深度μm以下的工件材料表层，而多余的激光能量被移除的工件材料带走，热影响区较小，所以准分子激光加工可视为冷加工。
" s& O+ H/ b2 }5 c7 g1 `, A: j& ?: v(3)重要的准分子激光的种类及其波长
气体种类 波长（nm）
F2 157
( S6 U6 V6 w! L0 YArF 193
+ y; ^+ m' {  b0 W; ]! Y0 I: yKrCl 222
, T5 L* f5 R$ ^5 R, x/ u, G" B6 kKrF 248
1 c% J8 q" u) ?* \- ^XeCl 308
+ p3 M( T/ n1 T, T, W- [XeF 351
6 X8 }! F, F( x2 d(4)准分子激光之应用
# q; `, i2 C8 l' G1 b- R8 Z9 Y" z准分子激光在1970年代就已研发成功，目前已广泛地应用在科学研究与工业应用方面，如钻孔、标记（marking）、表面处理、激光化学气相沉积（C.V.D），物理气相沉积（P.V.D），磁头与光学镜片和硅晶圆的清洁等方面，目前准分子激光又是微机电系统（MEMS）相关微制造技术（LIGA）(Lithography + Electroforming + Micro molding 光蚀刻 + 电铸 + 微成型的组合制程)制程中的替代性光源，以光刻术制造微组件。
: f5 l, t; X. _5 c/ a2 q内存IC内部的线径与所使用的波长有0.7的比例关系，例如波长248nm的KrF准分子激光便可以制造0.18μ m线径的内存IC。
' m$ `+ \+ u' r半导体工业若想要往深次微米，甚至奈米级的制程发展，那么波长较短的紫外光激光甚至超紫外光激光被应用的机率会更大，然而制造微结构组件的紫外光激光通常都是准分子激光，其价格相当昂贵，因此许多研究人员希望藉由晶体倍频技术产生价格较便宜的紫外光激光。
利用非线性光学（Nonlinear Optics）晶体将固态激光加以倍频，以得到紫外光激光的研究目前相当热门。
日本三菱电机于1998年研发出倍频紫外光固态激光，采用红外光半导体激光做为激发光源，经过倍频晶体两次倍频后产生266nm的紫外光，其功率为20W，为目前业界最高水平。
新力（Sony）公司也于1998年发展出超紫外光激光，系将波长532nm绿光激光经过晶体倍频后产生波长266nm的超紫外光，使用寿命达到5000小时。
8 激光清扫法（Laser Broom Technique）
$ K0 K" {' ]7 L目前的化学溶液清洗法无法完全去除0.25μm，0.18μm制程以下所产生余留在芯片表面上的微粒。激光清扫技术的原理是利用波长248nm的准分子激光照射，待清洗芯片之表面，并加入适当的反应气体，则污染物会与气体发生光化学反应（Photo Chemical Reaction），进而生成中间产物而挥发掉。
% _% ~; ~! k* ^1 G+ Y4 z5 g& m9 激光三角测距技术
- F8 d6 y. k% g% @/ J0 @& y+ [# {激光三角测距原理（如图所示）乃是藉由投影点光源至待测物表面及三角关系以计算出待测物与光源的距离，待测物在B1时，其表面上的散射或反射光在位移检测器上成像C1，同理，当待测物在B2时，成像为C2由C1-C2间的距离可以推测位移量D。目前这种方法常用在精密模具业或半导体电子业之IC，SMT电路板检测。
9 k" _/ [% ^7 z: X5 u8 a+ R- j
6 L- j2 D, }; t; ?% ~# m  {激光三角测距法
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