一、前言
自從1960年第一臺鐳射出現以來，鐳射的研究和應用在各個領域得到了飛速的發展。它在高精度測量、材料結構分析、資訊儲存與通訊等方面得到了廣泛的應用。高向性、高光度鐳射可廣泛用於加工製造業。近20年來，隨著鐳射裝置、新型受激輻射光源及相關工藝的不斷創新與最佳化，鐳射製造技術已滲透到許多高科技領域和產業，並開始替代或改造一些傳統加工產業。
1987年，美國科學家提出了微型機電系統(MEMS)開發計劃，標誌著人類微機械研究進入了一個新紀元。微機械製造技術主要包括半導體加工技術、微光刻電鑄模工藝、超精密機械加工技術和特殊微加工技術。這些微細加工方法中，從小到小，從小到小，都是透過能量處理的直接作用。特種加工是以電能、熱能、光能、聲能、化學能等形式進行的。常見的加工方法有：電火花、超聲、電子束、離子束、電解等。近幾年來，發展了一種新型的微細加工技術：包括立體光刻技術、光掩膜技術等。用鐳射進行微細加工具有很大的應用潛力和誘人的發展前景。
為了適應21世紀高新技術產業化，滿足微細製造的需要，研製高效能的鐳射源。近十年來，鐳射微細加工技術作為鐳射加工技術的一個分支受到廣泛關注。原因之一是越來越多的高效率鐳射器出現。比如，具有極高峰功率和超短脈衝的固態鐳射、高光束質量的二極泵Nd:YAG鐳射器等。二是數控操作平臺速度快，精度高。但是，一個更為重要的原因是工業需求的持續增長。適用於微電子加工、半導體穿孔、暫存器剪下、電路修理的鐳射微加工技術。通常鐳射微加工是指數至數百微米的加工過程。光束的寬度是飛秒(fs)和納秒(ns)之間。從遠紅外線到X射線的寬頻範圍。當前三大領域主要應用於微電子、微機械、微光學加工。伴隨著鐳射微細加工技術的不斷成熟，必將在更廣泛的領域得到推廣和應用。
二、鐳射微細加工的應用：
由於電子產品越來越輕便、小型化，由於單位體積資訊(高密度)和單位時間處理速度(高速)的增加，對微電子封裝技術的新需求也在增加。舉例來說，現代的手機和數碼相機的互連距離大約為1200根。改進封裝工藝的關鍵是在不同層間留有微孔，既能實現表面安裝裝置與下方信號板的高速連線，又能有效地減小封裝面積。
另外，隨著近幾年全球手機、數碼相機、手提電腦等行動式電子產品趨向於向輕、細、短、小的方向發展，印刷電路板(PCB)逐漸出現了積層多功能特性，主要是高密度互連技術。孔板(via)是多層PCB中的一個重要部件，其有效效能已經成為多層PCB的一個重要部件。現在，打孔成本一般佔PCB板成本的30%-40%。對於高速、高密度的PCB設計，設計者總是希望孔洞越小越好，這樣不僅可以留下更多的佈線空間。過孔越小，越適合高速電路。常規機鑽的最小尺寸僅為100μm，顯然無法滿足要求，而採用鐳射微孔加工新方法。當前，CO2鐳射器可在工業上獲得直徑30-40微米的微孔，也可透過紫外鐳射切割機加工出10微米的微孔。
它可以應用於裝置、汽車、航空精密製造及各種微加工行業的切削、鑽、雕、標、熱滲透、焊等。例如對20微米以上噴墨印表機進行噴墨處理。採用微壓力、拋光等激光表面處理技術對各種微光學元件進行加工，或用鐳射填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶態改變其組織結構，再透過機械力的調和，軟化階段的等離子體輔助微工微光學元件。
鐳射微細加工常用工藝：
該技術具有非接觸、選擇性加工、熱影響範圍小、精度高、重複頻率高、零件尺寸和形狀高等優點。其實鐳射微加工技術最大的特點就是直寫加工，簡化工藝，實現微電腦的快速成型製造。此外，此法不會產生腐蝕等環境汙染問題，可謂綠色製造。鐳射微細加工技術被應用於微機械製造中：
1)鐳射直寫微加工、鐳射LIGA及其它材料的微加工；
2)鐳射微立體光刻、鐳射輔助沉積、鐳射選區燒結等材料堆積微加工技術。
2.1鐳射直寫技術。
準分子鐳射波長，聚焦光斑直徑小，功率密度高，非常適用於微加工和半導體材料的加工。大多數的準分子鐳射微細加工系統都是透過膜片投影加工的，也可以直接利用聚焦光斑刻蝕件，把準分子鐳射技術與數控技術相結合。利用X-Y平臺的相對運動和Z方向的微進給，可以直接掃描刻在基體材料上或加工三維微細結構。當前，準分子鐳射直寫技術可加工高深寬比微、線寬數微細結構。在此基礎上，利用準分子鐳射結合類似的快速成形(RP)製造技術，對分層掃描三維微加工進行了研究。
2.2鐳射LIGA工藝。
用準分子鐳射深蝕替代載射光刻，解決了高精度載射線掩膜片製作、套刻對準等技術難題。與此同時，鐳射光源在LIGA技術上的應用也遠遠優於同步輻射載光源，大大降低了LIGA技術的製造成本。雖然鐳射LIGA技術在高徑比加工微構件的高徑比上有很大差異，但它完全可以接受微構件的加工。另外，鐳射LIGA技術無需化學腐蝕顯影，而直接刻蝕，不受化學腐蝕的橫向滲透和腐蝕。所以，加工邊陡、精度高、光刻效能好於同步載射光刻。
2.3鐳射微立體光刻技術。
該技術是一種應用於微製造領域的先進快速成型技術，並將其應用到三維光刻技術中。微細三維光刻技術因其高精度的微細加工而被稱為微細三維光刻。相對於其它微細加工技術，微立體光刻技術的最大特點是不受微裝置或系統結構形狀的限制。該系統可加工任意三維結構，包括自由曲面，可一次形成不同的微部件，節約了微裝配環節。另外，該工藝具有處理時間短、成本低、工藝自動化等優點，為微型計算機的大規模生產創造了有利條件。這種方法有兩個侷限。
精度較低：
基於快速成形的微細加工技術，目前最大水平精度在1mm左右，垂直方向在3mm左右。很明顯，這種精度不能與基於積體電路的矽微加工技術相比較。
其使用受到一定程度的限制，現有的樹脂材料在電效能、機械效能、熱學效能等方面都與矽材料存在著差距。近幾年來，我國大力研究開發了鐳射微立體光刻。關於提高精確度和效率的發展方向如下：
1)採用面片曝光代替點曝光，進一步縮短加工時間，提高生產效率；
2)材料方面，研製了解析度較高的光固化樹脂，例如雙光近紅外聚合樹脂，為高精度製造奠定了良好的基礎；
3)在工藝方面，研究開發無支承或犧牲層的工藝，並與平面微加工技術相結合，進一步簡化工藝，提高加工精度和生產靈活性。
利用鐳射輔助氣相澱積(LCVD)(LCVD)是一種鐳射輔助的方法。
該固形件在固化微成型過程中，透過氣相化學反應沉積於襯底表面。該三維顯微結構利用鐳射輔助化學氣相沉積，在一定範圍內加熱基體，啟動和維持CVD過程，使沉積基板或鐳射束形成固體結構。造型中，沒有平面投影和平面掃描的限制，能夠生成複雜幾何形狀的三維微結構。用一種特殊的方式移動工件臺，使得光束的速度總是和晶體一樣快，這樣就形成了期望的微觀結構。
2.5鐳射選區燒結工藝(SLS)
這是一種快速成形技術，具有廣泛可加工材料範圍和製造任何複雜三維形狀的獨特優點。現在，人們在用SLS技術製造微型機械。SLS系統實現時，先在計算機上完成所需的三維CAD模型，再利用層次化軟體分層獲取各個層段，利用自動控制技術，使鐳射選擇性地燒結與計算機零件截面相對應的粉體，透過燒結、熔化、冷卻和凝固。在下一層燒結完成後，兩層燒結連線。所以，燒結部分和CAD原型是一致的，而未燒成的部分是鬆散的粉末，可以作為支撐，最終容易清潔。燒結機的精度主要取決於燒結機的功率、焦徑、掃描速度、粉體粒徑、粉體各向異性、燒結溫度等因素。利用SLS工藝進行三維造型，也可以把各種材料整合在一個微結構中，完成某種功能。
其他鐳射微加工工藝
本文介紹了脈衝鐳射刻蝕成形技術的最新進展。利用短波長倍頻鐳射或皮秒、飛秒鐳射與高精度數控機床，對各種材料進行刻蝕。短脈衝對這些材料表面進行腐蝕，然後除去材料，其表面形成的微觀結構質量遠遠高於長脈衝加工。2001年，德國HEIDELBERGINSTRUMENTS於2001年使用三倍頻(波長354.7nm)獲得5mm的聚焦光斑，加工尺寸為10mm，精度1mm。在x、y方向上的鐳射焦斑直徑5毫米。其表面平均粗糙度為0.16毫米，表面粗糙度為0.16毫米。與鐳射刻蝕原理相同的鐳射微切割成形，還採用倍頻或飛秒鐳射作為光源，聚焦光束精確控制能量輸入，熱影響小，精密切割成型。
微細加工技術在超短脈衝鐳射方面的最新發展
二氧化碳。YAG鐳射是一種連續的。長脈衝鐳射，主要依靠焦點形成高能密度，導致區域性高溫燒蝕材料，基本屬於熱加工類別，加工精度有限。準分子鐳射透過短波紫外光作用，可以對材料進行光化處理，特徵尺度可達微米級，但準分子鐳射對氣體的腐蝕非常嚴重，且難以控制，且紫外強鐳射易損壞，且應用範圍有限。隨著鐳射領域的深入研究，脈衝在時間上逐漸變小，從納秒(10-9s)到皮秒(10-12s)再到飛秒(10-l5s)。
飛秒脈衝鐳射主要有兩個特點：(1)脈衝寬度短。飛秒脈衝的持續時間短至幾個飛秒，而在1fs內僅能傳播0.3微米，比大部分細胞直徑短；2)峰值功率極高。飛秒鐳射把脈衝能量集中在幾至幾百個飛秒的極短時間內，所以它的峰值功率是很高的。舉例來說，把lμJ的能量集中在幾個飛秒內，聚整合10微米的光點，其光功率密度可以達到1018W/cm2，轉化為2×1012V/m/m。它是氫氣原子的庫侖場強度(5×1011V/m)的4倍，它有可能直接從原子上除去電子。
從鐳射與透光材料的作用機理來看，材料的損傷機制是雪崩電離過程，由初始電子密度決定，材料中雜質分佈不均勻，材料中初始電子密度變化很大。結果表明，損傷閾值有較大變化。長脈衝鐳射損傷閾值是鐳射能量流50%，即長脈衝鐳射損傷閾值是統計值。超短脈衝鐳射有很強的場強度，束縛電子能對n個光子進行吸收，並且直接由束縛能級躍升到自由能級。超短脈衝鐳射損傷過程雖然屬於雪崩電離過程，但是它的電子是透過多光子電離過程產生的，不再依賴於材料中的原始電子密度。所以損傷閾值是準確的。當脈寬減小時，脈衝鐳射的損傷閾值明顯減小。當達到皮秒級別時，下落速度減慢，飛秒量級基本不變。
此外，由於超短脈衝鐳射具有較高的損傷閾值，使得其能量在等於或略高於損傷閾值，如果是部分燒蝕，則可以將其降低到衍射極限的亞微米加工。飛秒鐳射能產生超高的光強，精確的損傷閾值，低的熱影響範圍，幾乎可以精確的加工各種材料。並且具有極高的加工精度，能夠精確地加工亞微米尺寸。
鐳射器是一種高效、低成本、穩定可靠的加工質量，具有良好的經濟效益。由於飛秒鐳射獨特的短脈寬和高峰功率特性，飛秒鐳射突破了傳統的鐳射加工方法，開創了超細、無熱損、三維空間加工的新領域。飛秒鐳射加工技術主要應用於微電子、光子晶體器件、光纖通訊器件(1Tbit/s)、微細加工、三維光儲存、微醫療器件生產、細胞生物工程技術等。可見，鐳射微製造技術將以其不可替代的優點，成為21世紀飛速發展的高科技。
最後：
工業革命時代，世界各國以生產大機器為榮；在資訊時代，先進工業國家致力於微物質的研究，製造更小的機器；在奈米技術時代，為適應國防、航空航天、醫療、生物等領域的發展，微加工已經成為當前製造業中最活躍的研究方向之一，微機械技術的發展水平已經成為一個國家綜合實力的標誌。在微細加工技術方面，鐳射微細加工技術表現出了獨特的優勢，有著廣闊的發展前景。為了在未來的高科技領域佔據一席之地，中國必須發展具有自主智慧財產權的鐳射微製造技術。
