激光微技术

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1 引言1987 年美国科学家提出了微机电系统(MEMS)发展计划，这标志着人类对微机械的研究进入到一个新的时代。目前，应用于微机械的制造技术主要有半导体加工技术、微光刻电铸模造(LIGA)工艺、超精密机械加工技术以及特种微加工技术等。其中，特种微加工方法是通过加工能量的直接作用，实现小至逐个分子或原子的去除加工。特种加工是利用电能、热能、光能、声能、化学能等能量形式进行加工的，常用的方法有：电火花加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工、电解加工等等。近年来发展起来一种可实现微小加工的新方法：光成型法，包括立体光刻工艺、光掩膜层工艺等。其中利用激光进行微加工显示出巨大的应用潜力和诱人的发展前景。2 常用激光微加工技术激光微加工技术具有非接触、有选择性加工、热影响区域小、高精度与高重复率、高的零件尺寸与形状的加工柔性等优点[1]。实际上，激光微加工技术最大的特点是“直写”加工，简化了工艺，实现了微型机械的快速成型制造。此外，该方法没有诸如腐蚀等方法带来的环境污染问题，可谓“绿色制造”。在微机械制造中采用的激光微加工技术有两类：1)材料去除微加工技术，如激光直写微加工、激光LIGA 等；2)材料堆积微加工技术，如激光微细立体光刻、激光辅助沉积、激光选区烧结等。2.1 激光直写技术准分子激光波长短、聚焦光斑直径小、功率密度高，非常适合于微加工和半导体材料加工。在准分子激光微加工系统中，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蚀工件，将准分子激光技术与数控技术相结合，综合激光光束扫描与X-Y 工作台的相对运动以及Z 方向的微进给，可以直接在基体材料上扫描刻写出微细图形，或加工出三维微细结构[2]。图1 为准分子激光加工出来的微型齿轮，最小齿轮直径为50mm。目前采用准分子激光直写方式可加工出线宽为数微米的高深宽比微细结构。另外，利用准分子激光采取类似快速成型(RP)制造技术，采用逐层扫描的方式进行三维微加工的研究也已取得较好结果[3]。2.2 激光LIGA 技术它采用准分子激光深层刻蚀代替载射线光刻，从而避开了高精密的载射线掩膜制作、套刻对准等技术难题，同时激光光源的经济性和使用的广泛性大大优于同步辐射载光源，从而大大降低 LIGA 工艺的制造成本，使LIGA技术得以广泛应用。尽管激光LIGA 技术在加工微构件高径比方面比载射线差，但对于一般的微构件加工完全可以接受。此外，激光LIGA 工艺不像载射线光刻需要化学腐蚀显影，而是“直写”刻蚀，不存在化学腐蚀的横向浸润腐蚀影响，因而加工边缘陡直，精度高，光刻性能优于同步载射线光刻[4]。2.3 激光微立体光刻(mSL)技术它是立体光刻(SLA)工艺这一先进的快速成型技术应用到微制造领域中衍生出来的一种加工技术，因其加工的高精度与微型化，故称为微立体光刻(Microstere-olithography 或mSL)[5]。同其他微加工技术相比，微立体光刻技术最大的特点是不受微型器件或系统结构形状的限制，可以加工包含自由曲面在内的任意三维结构，并且可以将不同的微部件一次成型，省去微装配环节，如图2所示。此外，该技术还有加工时间短、成本低、加工过程自动化等优点，为微机械批量化生产创造了有利条件。该技术的局限性在于两方面：1) 精度较低，目前基于快速成型的微加工技术的最高水平方向的精度在1mm 左右，而垂直方向大约为3mm，显然这一精度无法同基于集成电路的硅微加工工艺相比。2) 使用材料受到一定的限制，目前的树脂材料在电性能、机械性能、热性能方面与硅材料相比有一定差距。近年来，激光微立体光刻技术得到了大力研究与开发。在提高精度与效率方面有如下发展方向：1) 以面曝光代替点曝光，从而进一步缩短加工时间，提高生产效率；2) 在材料方面，研究开发出更高分辨率的光固化树脂，如已研制出的双光近红外光聚合树脂为高精度制造奠定了良好基础；3) 在工艺方面，研究开发无需任何支撑结构或牺牲层的工艺以及与平面微加工工艺的集成，从而进一步简化工艺，提高加工精度与生产柔性。2.4 激光辅助气相沉积(LCVD)技术在化学气相沉积(CVD)工艺图1 采用准分子激光加工的微型齿轮图2 (a) 两种微零件一次固化成型原理示意图；(b) 固化微成型的两种零件中，固态物质从气相通过化学反应沉积在基片表面上。用激光辅助化学气相沉积来制作三维微结构，是将聚焦激光微光束通过定域加热基片，启动并维持CVD 过程，在沉积过程中通过移动基片或激光束，将固体结构以很高的分辨率沉积塑型。塑造几何形状时不受平面投影和平面扫描的局限，能制作出复杂几何形状的立体微结构。如图3 所示的生长过程中，以特定方式运动工件台并使激光焦斑运动速度始终与晶体生长速度相同，即可做出所需的微结构。2.5 激光选区烧结技术(SLS)它是快速成型技术的一种，具有可加工材料范围广且可制作任意复杂三维形状的独特优势。目前，人们尝试用SLS 工艺进行微机械的制造[6]。在SLS 工艺中，首先在计算机上完成符合需要的三维CAD模型，再用分层软件对其进行分层得到各层截面，采用自动控制技术，使激光有选择地烧结出与计算机内零件截面相对应部分的粉末，使粉末经烧结融化冷却凝固成型。完成一层烧结后再进行下一层烧结，且两层之间烧结相连。如此层层烧结、堆积，结果烧结部分恰好是与CAD 原型一致的实体，而未烧结部分则是松散粉末，可以起到支撑的作用，并在最后很容易清理掉。图4 为SLS烧结金属粉末成形的微型汉字(旁边为一火柴头)。烧结系统的精度受以下因素的影响：激光功率、激光焦斑直径、扫描速度、粉末颗粒直径、粉末的各向异性以及烧结过程中的温度控制等。用SLS 工艺进行三维成形，还可以在一个微结构内集成多种材料完成一定的功能。3 其他激光微加工技术脉冲激光刻蚀成型是激光技术的一个新的研究领域，它采用短波长的倍频激光或皮秒、飞秒激光结合高精度数控机床，刻蚀加工各种材料。用短脉冲在这些材料表面刻蚀，再将材料去除，其表面形成的微结构的质量比用长脉冲加工高得多。2001 年德国HEIDELBERG INSTRUMENTS 图3 LCVD 法的微弹簧制造示意图(a)及制造的硼弹簧图4 SLS 烧结的微型汉字（旁边为一火柴头）图5 激光刻蚀出的三维形状的电镜照片，材料：WC/Co 130mm 深27 采用三倍频(波长354.7nm)，获得最小可达5mm 的聚焦光斑，最小可加工特征尺寸为10mm，精度为1mm。图5 为脉冲激光刻蚀在WC/Co 上加工的三维形状。图5(b)为局部放大图，可以看到表面刻蚀的微坑，激光焦斑直径5mm，x，y 方向进给5mm。每层去除1.3mm，平均表面粗糙度为0.16mm。激光微切割成形，原理上与激光刻蚀相同，也是采用倍频或飞秒激光为光源，对光束精细聚焦，精确控制能量的输入，热影响小，进行微细去除切割成形。图6所示为用飞秒激光在微细钛金属管上的切割微成型件，图7、图8 为德国Lambda Physik 利用三倍频激光进行微切割成形的事例[7∼9]。由于具有一些独特的性质，双光子激光微成型加工技术近年来在微技术领域越来越受到关注[10，11]。双光子激光微成型的特点主要表现在：1) 信噪比高，由瑞利—拉曼散射导致的背景干扰可以忽略；2) 避免使用复杂的紫外波段的物镜和紫外光学元件；3)红外激光具有相对较深的传播距离，使得双光子激发共焦激光扫描荧光显微镜可对浑浊的样品表面以下较深(>200mm)处进行成像；4) 双光子激发过程被紧紧局限在焦点附近的很小区域(体积数量级为l3)，如此小的有效作用体积使双光子具备极其优越的空间分辨率。自从日本科学家S.Kawata 等于2001 年8 月在《Nature》上发表了利用双光子激光制作的长10mm、高7mm 的公牛模型以来，双光子激光微成型技术成为世界广泛关注的激光微技术。中国科技大学采用这种方法成功制作出了直径30mm 的齿轮，如图9 所示。4 结束语在工业化时代，世界各国均以制造出大型机器而自豪；在信息化时代，各先进工业国家，均致力于微观物质的研究，并制造越来越小的机械；而进入纳米科技时代，为了适应国防、航空航天、医学和生物工程等方面的发展，微加工是当今制造业最为活跃的研究方向之一，微机械技术的发展水平已经成为一个国家综合实力的衡量标准之一。激光微加工技术在微加工技术中越来越显示出其独特的优越性，具有广阔的发展前景，我国必须开发具有自主知识产权的激光微制造技术，才能在未来的高科技领域占有一席之地。