飞秒雷射材料微奈米加工简介.pdf

飛秒雷射材料微奈米加工簡介 Micro/Nano machining with femtosecond laser pulses 撰文　鄭中緯、吳秉翰、沈威志、林岑盈 　飛秒雷射的超快、超強、超微的特性，如雷射脈衝寬度在飛秒 (10-15 秒 ) 等級，材料在此超短脈衝 寬度照射下，透過聚焦方式可在加工區域產生超強功率密度 (peak power density)。飛秒雷射加工機 制有別於長脈衝雷射 (10-9 秒等級 )，具極低熱影響區及非線性多光子吸收 (nonlinear multi-photon absorption) 特性，可實現精度為次波長等級之超微加工能力。本文針對工研院南分院之飛秒雷射微 奈米加工成果作簡介，可了解飛秒雷射在各種材料微奈米成型、表面及內部局部改質之應用。透過 各種先進飛秒雷射系統建置，提供飛秒雷射先進製程測試及開發，協助國內設備商開發先進雷射製 程設備以滿足產品製造商之先進製程要求，以應用於高精密，高附加價值的產品製造上。 前言 射微奈米加工將扮演重要角色。 從 1960 年代發明雷射至今 ，今年剛好滿五十週 從 1990 年代開始 ，國際上開始有研究探討鈦藍 年 ，期間不同型式的雷射源逐漸被開發出來 ，如染 寶石飛秒雷射在材料微細加工之可行性 ，飛秒雷射 料(dye) 、氣體(gas) 、固態(solid state) 、鈦藍寶石 光束透過聚焦方式可產生極高功率密度 ，例如脈衝 (Ti:sapphire) 、及最近的光纖(fiber) 型式 ，其雷射脈 寬度為 100 fs 的飛秒雷射 ，1 mJ 的脈衝能量就可以 衝寬度也逐漸下降 ，從微秒 、奈秒 、飛秒及埃秒 ， 在聚焦光斑直徑為20 µm 的焦點上 ，產生約 1015 如圖 1 所示 。從發明雷射至今 ，其在加工應用場合 W/cm2 等級的功率密度 。如此高的功率密度可以使 一直扮演重要角色 ，如汽車板金之切割 、焊接及材 雷射與材料的交互作用過程產生非線性多光子吸收 料打樣等 ，但隨著半導體 、顯示器 、太陽能電池 、 (nonlinear multi-photon absorption) 效應 ，可在任何材 LED 等產業發展 ，也廣泛應用到微奈米(micro/nano) 料表面及內部實現極低的熱效應及突破光學繞射極 加工 。透過奈秒雷射已可進行材料削除(ablation) 及 限的超精密加工 。文獻[1-4] 為我們團隊整理國內外 微結構製作 ，但國外Photonics2 1 聯盟提出在產品設 飛秒雷射應用於材料加工之研究動態 ，並含有飛秒 計越來越輕薄短小情況下 ，製造技術必須有所突破 ， 雷射與材料作用機制說明 ，有興趣讀者可進一步參 飛秒雷射由於加工熱效應低及精度較佳 ，預期在雷 考 。本文主要透過工研院南分院之飛秒雷射微細加 工實驗成果作介紹 ，如圖 2 所示 ，讓讀者進一步領 Microsecond 圖二　工研院南分院之飛秒雷射微細加工實驗成果 (10-6 s) No burr Nanosecond h t (10-9 s) d i w