正如連續波 (CW) 和準連續波 (quasi-CW) 雷射產(chan) 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於(yu) 微細加工，就如同30年前的各種毫秒級與(yu) 後來的奈秒級已經證實脈衝(chong) 雷射提供新的微細加工的能力。目前，有關(guan) 晶圓鑽孔、金屬切割、陶瓷劃線與(yu) 汽車零件、信用卡與(yu) 護照等打標所使用的激光脈衝(chong) 介於(yu) 毫秒與(yu) 奈秒時間區域。微細加工應用領域方麵，雷射較機械工具有著良好的性能，其原因是由於(yu) 雷射具有彈性、可靠度、重複性、易程序化等優(you) 點，而且對加工物也沒有機械強製力或汙染的缺點。

　　皮秒雷射尚未導入之前，加工機製是對靶材施以非常快速局部加熱、融化和汽化為(wei) 原理基礎，例如毛邊 (burrs)、再結晶 (re-crystallization) 及微裂痕 (mcro-cracks)等，會(hui) 無法避免產(chan) 生熱端效應 (thermal side effects)，導致產(chan) 品壽命後期才會(hui) 出現的嚴(yan) 重後果，如圖1兩(liang) 者比較。由於(yu) 皮秒時間長度可以相當於(yu) 物質電子 - 光子鬆弛時間，雷射與(yu) 材料之間的反應不僅(jin) 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崩離的方式進行，再加上簡單的可調倍頻轉換使其輕易的產(chan) 生紫外光，使得所謂的「冷」加工的理想得以實現。

圖1. 奈秒與(yu) 皮秒脈衝(chong) 的鑽孔結果比較

　　最近，因超快雷射變得容易獲得了，所以有更多的工業(ye) 用途，一般所關(guan) 注的是尋求合適能量的皮秒脈衝(chong) ，它可以很快地實現如何避免熱方麵為(wei) 主的影響而達成加工質量的新水凖，如圖2、圖3。超短脈衝(chong) 雷射已成為(wei) 革命性的微製程工具，在最近數年提供給生產(chan) 工程師而成為(wei) 有值價(jia) 的產(chan) 品。其中，德國公司雷射源製造一直是發展工業(ye) 級皮秒雷射係統的先鋒，並且從(cong) 一開始這項技術就已成為(wei) 市場領先者。當超短激光脈衝(chong) 微加工時，材料是沒有任何接觸表麵而能去除材料，因此表麵沒有產(chan) 生應變；沒有耗損加工工具；沒有透過加工工件而汙染工件的危險。最重要的是，超短脈衝(chong) 可改善加工與(yu) 任何熱的影響，如再結晶、毛邊和微裂痕等，其原因是由於(yu) 超短的激光脈衝(chong) 能減緩熱擴散之故。

圖 2.  20 μm厚度銀片內(nei) 15 μm 寬的狹縫

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

　　皮秒脈衝(chong) 對材料是非選擇性的，所以能夠成為(wei) 通用型的加工工具，這事實或許是個(ge) 重大意義(yi) ，原因是利用皮秒脈衝(chong) 進行微加工時並不是依賴吸收過程，而是由形成表麵電漿雲(yun) 團 (plasma cloud) 所構成的。皮秒脈衝(chong) 大電場剝離原子的低質量電子，經庫倫(lun) 爆炸 (coulomb explosion) 後正電荷原子脫離。可能有人會(hui) 爭(zheng) 論的是，在皮秒範圍內(nei) 甚致更短的激光脈衝(chong) 應可進一步增強微加工質量。盡管如此，飛秒雷射 (femtosecond lasers) 明顯地更複雜又容易失效，以及在價(jia) 格方麵高出許多卻僅(jin) 傳(chuan) 遞較低的平均#p#分頁標題#e#功率。皮秒脈衝(chong) 足以觸發電場產(chan) 生的過程，並且唯一在複雜係統中達成短脈衝(chong) 。飛秒脈衝(chong) 的高峯值功率需要更小心的傳(chuan) 遞光束且易產(chan) 生不想要的非線性效應。

　　在皮秒範圍的激光脈衝(chong) 可以擊發出良好的光斑：皮秒脈衝(chong) 能夠被製造成為(wei) 一個(ge) 可靠的、工業(ye) 級的封裝、維持優(you) 越的光束質量及傳(chuan) 遞正確的脈衝(chong) 能量等級。利用超過50W的平均功率，可以達到兆赫 (MHz) 等級的重複頻率 (repetition rates)，有利於(yu) 產(chan) 業(ye) 規模的生產(chan) 量，如圖4。假設能量密度稍微高於(yu) 剝除門坎 (ablation threshold)，大約是 1 J/cm2，任何材料會(hui) 實際顯示出約10 ~ 100 nm 的剝除厚度材料層，該剝除門坎僅(jin) 會(hui) 隨著材料種類輕微變化 (0.1-2 J/cm2)；幾乎與(yu) 波長、脈衝(chong) 長度和其條件無關(guan) 。大部份微細加工應用是專(zhuan) 注於(yu) 表麵結構的刻痕，換言之，為(wei) 了挖出溝槽、輪廓切割、鑽孔、材料層裸露或區域隔離，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；

當使用機械鑽孔/銑削和電子放電加工 (EDM) 產(chan) 生小於(yu) 50 μm 結構時，其可靠度與(yu) 成本經常被誇大。一種具有M2 < 1.5高質量激光束能夠適當地聚焦5 ~ 50 μm光斑尺寸，並可以加工達到接近尺寸的結構。為(wei) 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脈衝(chong) 能量。較高的脈衝(chong) 能量密度未必做得好、做得快：因剝除產(chan) 生的電漿雲(yun) 團反而獲得較高密度且不再從(cong) 表麵分離。更糟的是，可能因熱改變材料和破壞「冷」質量，為(wei) 了「冷」微細加工，一個(ge) 理想的工業(ye) 級皮秒雷射源應該產(chan) 生10 ~ 50 μJ範圍之脈衝(chong) 能量及大約1 MHz的重複頻率 (repetition rate)，如圖5。即使再高的重複頻率，則因先前脈衝(chong) 的電漿雲(yun) 團產(chan) 生遮蔽效應，反而最終會(hui) 減少效率。

圖 5.  利用重複頻率增加去除速率

　　大多數皮秒激光脈衝(chong) 應用是利用其微米級精度的優(you) 勢加工材料。該分辨率取決(jue) 於(yu) 小至2 μm或大至100 μm距焦光斑尺寸。在這個(ge) 焦點之內(nei) ，雷射透過冷剝除技術去除一個(ge) 100 nm的薄碟形材料而沒有在周圍區域加熱。這個(ge) 基本過程可以重複高達每秒200萬(wan) 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(jue) 於(yu) 透過計算器控製引導光束在微米精度下達到10 m/sec。

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1　ulse                                  5 pulses (20 ns separation)

圖6 . 爆發 (burst) 模式增加去除率及表麵質量，例如Si材料

　　最近觀察到利用奈米尺度分離 (爆發模式，burst mode) 數個(ge) 皮秒脈衝(chong) 可以顯著改進剝除率和微加工質量，例如圖6加工於(yu) Si材料的表麵粗糙度比較。爆發 (burst) 在本文的定義(yi) 是指利用奈秒時間區間內(nei) 迅速連續發生脈衝(chong) 。這是關(guan) 鍵技術，因為(wei) 在一個(ge) 較長的間隔時間 (例如奈秒時間) 將不會(hui) 產(chan) 生增加去除率的同樣效果。利用50 W 皮秒雷射操作爆發模式的實驗，可以隨著重複頻率及爆發 (burst) 數量達成剝除率提升，如圖7。在材料上產(chan) 生的低深寬比 (aspect ratio, 深度/直徑) 的應用方麵，例如玻璃可達到至20 ~ 60 mm3/min ，不鏽鋼 (stainless steel) 10 mm3/min ，以及矽 (Si) 30 mm3/min ；有機物 (organics) ，生物材料 (bio material) 達到至 100 mm3/min。總之，爆發模式 (burst mode) 可以實現更低的表麵粗糙度和較高的材料去除率等優(you) 點。

圖 7. 利用爆發 (burst) 模式增加去除速率

　　雖然雷射製造商在最初幾年投入這樣高價(jia) 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(jia) 格和操作的執行成本在最近幾年大幅減少。近四內(nei) 年內(nei) ，每單位光子成已本降低至十分之一，以每個(ge) 構件對應成本為(wei) 基礎，皮秒雷射成為(wei) 非常經濟的選擇，已足以與(yu) 其他加工方式競爭(zheng) ，即使為(wei) 了比奈秒雷射有較合適的功率與(yu) 較高光束質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(jin) 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)或三皇冠鑽石 (TCD)、藍寶石 (sapphire)、玻璃 (glass) 或陶瓷 (ceramics) 等，都能夠於(yu) 20mm3 /min以內(nei) 被剝除，圖 8  為(wei) 陶瓷鑽孔的案例。

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

　　很清楚地，創造高價(jia) 值的薄膜、小體(ti) 積剝除的產(chan) 品新應用以從(cong) 未有過的成長數量正在興(xing) 起中：半導體(ti) 產(chan) 業(ye) (低k材料)、太陽能產(chan) 業(ye) (特別是薄膜技術)、平麵顯示技術(TCO, OLEDs)、鑽石微鑄造 (micro molds)、精確狹縫 (precise apertures) 和電極結構 (electrode structure)、印刷產(chan) 業(ye) (printing industry) 或轉印 (embossing of rolls) 或醫學植入(medical implants) 等大型微結構表麵，即使大型船艦也選用微細加工，微尺度特性提供抗汙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(yu) 鑽孔皆呈現其重要性且大量被應用。除此之外，強化玻璃、矽、藍寶石晶圓和發光二極管等加工也極為(wei) 合適。為(wei) 了供應大尺寸的產(chan) 業(ye) 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於(yu) 1小時的維護時間。而最新生產(chan) 的工業(ye) 型皮秒雷射已經證實有如此的性能。#p#分頁標題#e#

　　從(cong) 工業(ye) 型皮秒雷射市場經分析結果，認為(wei) 未來3至4年內(nei) 會(hui) 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(yu) 增加產(chan) 能，對任何大尺度的產(chan) 業(ye) 使用而言，可靠度和成本將是皮秒雷射擁有者最關(guan) 鍵的指標。