文/Yuji Imamiya，Satoru Akama，Yoshihito Fujita，Haruhiko Niitani；三菱重工

近年來，隨著電子產(chǎn)品越來越小，包括電子部件和印刷電路板在內(nèi)的這類裝置中使用的各種部件，也已經(jīng)小型化并且越來越復(fù)雜。因此，對包括鉆孔在內(nèi)的超精密加工的進一步小型化和提高質(zhì)量的需求，正不斷增長。作為滿足這種需求的一種手段，利用短脈沖、短波長激光的加工方法已經(jīng)引起關(guān)注。使用諸如皮秒脈沖激光的短脈沖激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)沒有熱效應(yīng)的冷燒蝕，從而獲得質(zhì)量優(yōu)異的高精度加工。

此外，使用短波長激光器可以使激光束的聚焦光斑直徑更小，從而實現(xiàn)更精細的微加工。如圖1所示，目前用于微加工的常見短脈沖激光器包括Nd：YAG激光器（波長1064nm）、通過Nd：YAG激光器的二次諧波產(chǎn)生的綠光激光器（波長532nm）、以及通過Nd：YAG激光器的三次諧波產(chǎn)生的紫外（UV）激光器（波長355nm）。另一方面，由四次諧波產(chǎn)生的深紫外（DUV）激光器（波長266nm），由于其處理困難而未被廣泛使用，作為微加工系統(tǒng)幾乎沒有實際成就。^[1]然而，短波長使得聚焦激光光斑直徑在照射點更小，從而可以實現(xiàn)更精細的鉆孔。此外，DUV激光能被各種材料高度吸收，并且具有很高的光能量，其將有望應(yīng)用于加工傳統(tǒng)方法難以加工的材料。

三菱重工機床有限公司（MAT）已經(jīng)向市場推出了配有皮秒綠光激光器的“ABLASER”激光微加工系統(tǒng)。^[2]此外，公司還開發(fā)了使用皮秒DUV激光器的光學(xué)系統(tǒng)和加工技術(shù)，以實現(xiàn)更高質(zhì)量的更精細鉆孔。本文將闡述皮秒DUV激光器的基本加工特性，以及利用ABLASER實現(xiàn)的超精密鉆孔應(yīng)用。

圖1：不同波長的各種類型激光束。

DUV激光光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其加工特性

（1）DUV激光器的光學(xué)激光聚焦系統(tǒng)

在激光微加工中，激光束被聚焦并照射在目標工件的表面上，利用光的能量，可以去除目標工件加工所產(chǎn)生的碎屑。在照射時，當聚焦光斑直徑較小時，需要去除碎片的區(qū)域也變小，這提高了微加工的質(zhì)量。有多種手段可以實現(xiàn)更小的聚焦光斑直徑，例如利用短波長激光器，在聚焦之前擴大光斑直徑并縮短焦距。然而，當激光的波長處于紫外波段時，玻璃材料對激光的吸收增加。因此，需要減輕透鏡等光學(xué)元件材料的應(yīng)變。在其他方法中，會聚角較大，其可能導(dǎo)致孔在激光入口和出口之間尺寸的間隙，并減小焦深，從而限制鉆孔加工所產(chǎn)生的孔的形狀。

新開發(fā)的光學(xué)激光聚焦系統(tǒng)采用DUV激光器，提供更小直徑的會聚光。因此，通過預(yù)先測試用于光學(xué)元件的玻璃對DUV激光束的耐久性，同時選擇最佳玻璃材料并設(shè)定適當?shù)募す庹丈鋸姸�，可以確保透鏡的耐久性。此外，通過優(yōu)化焦距和透鏡形狀，使會聚角最小化并實現(xiàn)長焦深，而聚焦激光光斑直徑保持非常小。

（2）DUV激光聚焦光斑直徑的評價

圖2：DUV激光聚焦激光光斑直徑測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

基于上述研究，三菱重工創(chuàng)建了用于DUV激光的原型光學(xué)激光聚焦系統(tǒng)，以便通過測量聚焦光斑直徑和能量分布來確認預(yù)期的微加工水平。圖2給出了光斑直徑測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。從DUV激光振蕩器發(fā)射的光束，通過全反射鏡傳播，模擬要安裝的激光加工裝置和通過聚焦透鏡會聚的光束傳輸路徑。

圖3給出了由CCD相機測量儀器測量的焦點處的能量分布。能量分布與預(yù)期的高斯分布大致一致，這是非常理想的結(jié)果，測量的光斑直徑為5.7μm。另一方面，根據(jù)理論公式計算的設(shè)計直徑為5.5μm，與測量值基本一致。與利用MAT公司的傳統(tǒng)綠光激光器的ABLASER所獲得的光斑直徑相比，DUV激光束的光斑直徑大約是綠光激光器光斑直徑的一半，從而可以預(yù)期更精細的鉆孔。此外，焦點處的橢圓度為0.998，這也證實了可以期望高精度的鉆孔。

圖3：焦點處的能量分布。聚焦的DUV激光光斑直徑為5.7μm，能量分布產(chǎn)生與高斯分布一致的理想曲線。

（3）DUV激光束對各種材料制造速率的檢驗

需要獲得DUV激光束和綠光激光束（波長515nm）針對各種不同材料的鉆孔速度，以便比較和評估它們的特性。在類似于聚焦光斑直徑測量系統(tǒng)的一個光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，不同的材料被放置在焦點位置（見圖2）。表1中列出的材料分別用聚焦的DUV或綠光激光束，僅照射1個脈沖，以便測量鉆孔形成的孔的深度，這項測量是通過基恩士公司的3D激光掃描共聚焦顯微鏡（VK-X150/160）實現(xiàn)的。由于鉆孔后孔的橫截面是坑狀，根據(jù)孔中心的最大深度進行測量。使用不同的脈沖能量水平進行加工和測量，從而獲得每種材料的鉆孔速度。

表1：DUV和綠光激光束單脈沖輻照測試的材料

圖4中顯示了測量結(jié)果。圖4中的縱軸表示加工深度，橫軸表示照射激光束的能量強度。如圖3所示，在照射范圍內(nèi)能量分布不均勻。因此，使用中心附近的能量值來計算強度。

通過比較DUV激光束和綠光激光束的鉆孔速度，確定了用它們加工每種材料時的顯著差異。圖5給出了由兩種激光器鉆出的孔的圖像和橫截面圖。單晶碳化硅晶圓（SiC）是一種化合物半導(dǎo)體材料，具有較高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，基于化學(xué)作用的精密SiC加工和制造都非常困難。因此，人們迫切期望基于激光的精密加工能夠處理這種材料。但由于帶隙大，因此具有更高光能量的短波長激光束更適合加工這種材料。在該實驗結(jié)果中，綠光激光束的鉆孔速度相當?shù)�，并且材料在激光照射范圍�?nèi)會發(fā)生熔化。

相比之下，具有高能量的DUV激光束實現(xiàn)了相對較高的鉆孔速度，并且鉆出的孔的橫截面近似于高斯分布，因此，有望在超細鉆孔中實現(xiàn)精密加工。DUV激光束能成功地在硼硅酸鹽玻璃上鉆出清晰的孔。綠光激光束大部分穿透材料，導(dǎo)致加工非常困難，加工速度非常慢。

使用DUV激光，確認鉆出的孔在工件表面上具有非常少的熔化，其中幾乎觀察不到被移除碎屑的再次附著。因此，可以假定產(chǎn)生了理想的燒蝕現(xiàn)象，進而可以實現(xiàn)高質(zhì)量的超細鉆孔。

當加工不銹鋼材料時，DUV激光束能比綠光激光束獲得更高的加工速度。此外，在用綠光激光束加工聚苯二甲酸乙二醇酯材料（一種高分子材料）時，會產(chǎn)生氣泡，這表明材料發(fā)生了熔化。相反，使用DUV激光束加工這種高分子材料，只產(chǎn)生較少熱效應(yīng)，并且加工速度足夠快。

因此，經(jīng)過對多種材料的加工對比，證實了DUV激光相比于綠光激光束的優(yōu)越性，并且還可以估計最佳脈沖輸出，獲得針對每種材料所需的加工深度。因此，DUV激光束將有望改進很多材料的加工質(zhì)量和，優(yōu)化產(chǎn)品性能。

圖4：每種材料的加工深度與DUV和綠光激光能量強度的關(guān)系。縱軸和橫軸采用歸一化值。所有圖表使用統(tǒng)一的比例。

圖5：利用單脈沖對每種材料鉆孔的圖像及其橫截面視圖。所有圖像和橫截面使用統(tǒng)一的比例。

ABLASER利用DUV激光進行實際加工

使用配備有DUV激光光學(xué)系統(tǒng)的“ABLASER”激光微加工系統(tǒng)進行鉆孔測試。 MAT已經(jīng)向市場提供ABLASER系統(tǒng)。為了實現(xiàn)高質(zhì)量的鉆孔，ABLASER采用螺旋鉆孔方法，激光束的路徑可以高精度旋轉(zhuǎn)和調(diào)整，如圖6所示。此外，一款獨特的光學(xué)頭允許控制激光束的入射角和旋轉(zhuǎn)直徑，如圖7所示，從而能夠?qū)崿F(xiàn)任何孔徑和橫截面形狀。

圖6：螺旋鉆孔方法。以任意調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)直徑高速旋轉(zhuǎn)激光束進行鉆孔，光束為短脈沖激光。

圖7：由ABLASER控制激光入射角。通過控制激光束的入射角，鉆孔加工可以實現(xiàn)諸如直孔、錐形孔和倒錐形孔的任意截面。

根據(jù)上述單脈沖照射試驗獲得的加工特性，可以根據(jù)對不銹鋼和單晶SiC晶圓的鉆孔要求，確定激光照射條件。在不銹鋼板（厚度0.2mm）上鉆出直徑20μm的孔，在板的正面和背面，孔的圓度都非常好，孔的邊緣光滑，沒有碎屑。在SiC晶圓（厚度0.1mm）上鉆出直徑10μm的孔，從圖8中給出的鉆孔結(jié)果顯示，在SiC上鉆出的孔達到了預(yù)期，因為SiC晶圓非常難加工。從圖中看到，鉆孔后邊緣部分的質(zhì)量非常高，這表明鉆孔過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)非常小。

如上所述，由于利用DUV激光束、集聚光系統(tǒng)的優(yōu)化和光束軌跡的精確控制，成功實現(xiàn)了直徑為20μm或10μm、高寬比為10的高質(zhì)量鉆孔，而這樣的孔用傳統(tǒng)方法是很難實現(xiàn)的。未來，還將通過優(yōu)化加工條件使用DUV激光對其他介電材料、半導(dǎo)體和金屬材料實施鉆孔、切割和狹縫彎曲等加工，進一步展示DUV激光在微加工領(lǐng)域的超級適用性。

圖8：利用DUV激光器在單晶SiC晶圓上鉆孔的SEM圖像。晶圓厚度為0.1mm，鉆孔直徑為10μm。

結(jié)論

為了滿足更加精密的激光微加工需求，MAT公司已經(jīng)開發(fā)了利用短脈沖DUV激光的光學(xué)系統(tǒng)，其中MAT公司證實可以實現(xiàn)微聚焦激光光斑直徑，同時保持所需的焦深。此外，利用這種新的光學(xué)系統(tǒng)，還能確定各種不同材料的加工特性。

另外，MAT公司將該光學(xué)系統(tǒng)安裝在由其制造并銷售的“ABLASER”激光微加工系統(tǒng)中，實現(xiàn)了直徑最小為10μm、縱橫比最大為10的超細鉆孔。

參考文獻

1. Ikeda, N. et al., Diode-Pumped Solid-State Ultraviolet Laser Micro Processing System, Mitsubishi Heavy

Industries, Ltd. Technical Review Vol. 40 Extra No. 2 (2003)

2. Nakagawa, K. et al., Microdrilling Technology using Short Pulsed-laser, Mitsubishi Heavy Industries

Technical Review Vol. 52 No. 3 (2015)