正如连续波 (CW) 和准连续波 (quasi-CW) 雷射产生材料世界的重要变革一样，皮秒雷射也准备改变微细加工的世界。皮秒雷射被引进使用于微细加工，就如同30年前的各种毫秒级与后来的奈秒级已经证实脉冲雷射提供新的微细加工的能力。目前，有关晶圆钻孔、金属切割、陶瓷划线与汽车零件、信用卡与护照等打标所使用的激光脉冲介于毫秒与奈秒时间区域。微细加工应用领域方面，雷射较机械工具有着良好的性能，其原因是由于雷射具有弹性、可靠度、重复性、易程序化等优点，而且对加工物也没有机械强制力或污染的缺点。

　　皮秒雷射尚未导入之前，加工机制是对靶材施以非常快速局部加热、融化和汽化为原理基础，例如毛边 (burrs)、再结晶 (re-crystallization) 及微裂痕 (mcro-cracks)等，会无法避免产生热端效应 (thermal side effects)，导致产品寿命后期才会出现的严重后果，如图1两者比较。由于皮秒时间长度可以相当于物质电子 - 光子松弛时间，雷射与材料之间的反应不仅是热能交换，而大部份是以原子交换，亦即快速的分子间键结崩离的方式进行，再加上简单的可调倍频转换使其轻易的产生紫外光，使得所谓的「冷」加工的理想得以实现。

图1. 奈秒与皮秒脉冲的钻孔结果比较

　　最近，因超快雷射变得容易获得了，所以有更多的工业用途，一般所关注的是寻求合适能量的皮秒脉冲，它可以很快地实现如何避免热方面为主的影响而达成加工质量的新水凖，如图2、图3。超短脉冲雷射已成为革命性的微制程工具，在最近数年提供给生产工程师而成为有值价的产品。其中，德国公司雷射源制造一直是发展工业级皮秒雷射系统的先锋，并且从一开始这项技术就已成为市场领先者。当超短激光脉冲微加工时，材料是没有任何接触表面而能去除材料，因此表面没有产生应变；没有耗损加工工具；没有透过加工工件而污染工件的危险。最重要的是，超短脉冲可改善加工与任何热的影响，如再结晶、毛边和微裂痕等，其原因是由于超短的激光脉冲能减缓热扩散之故。

图 2.  20 μm厚度银片内15 μm 宽的狭缝

图3.  利用ps-Laser 1064 nm在玻璃内250 μm宽的微通道加工，具有超过 50 mm3/min的去除速率。

　　皮秒脉冲对材料是非选择性的，所以能够成为通用型的加工工具，这事实或许是个重大意义，原因是利用皮秒脉冲进行微加工时并不是依赖吸收过程，而是由形成表面电浆云团 (plasma cloud) 所构成的。皮秒脉冲大电场剥离原子的低质量电子，经库伦爆炸 (coulomb explosion) 后正电荷原子脱离。可能有人会争论的是，在皮秒范围内甚致更短的激光脉冲应可进一步增强微加工质量。尽管如此，飞秒雷射 (femtosecond lasers) 明显地更复杂又容易失效，以及在价格方面高出许多却仅传递较低的平均#p#分页标题#e#功率。皮秒脉冲足以触发电场产生的过程，并且唯一在复杂系统中达成短脉冲。飞秒脉冲的高峯值功率需要更小心的传递光束且易产生不想要的非线性效应。

　　在皮秒范围的激光脉冲可以击发出良好的光斑：皮秒脉冲能够被制造成为一个可靠的、工业级的封装、维持优越的光束质量及传递正确的脉冲能量等级。利用超过50W的平均功率，可以达到兆赫 (MHz) 等级的重复频率 (repetition rates)，有利于产业规模的生产量，如图4。假设能量密度稍微高于剥除门坎 (ablation threshold)，大约是 1 J/cm2，任何材料会实际显示出约10 ~ 100 nm 的剥除厚度材料层，该剥除门坎仅会随着材料种类轻微变化 (0.1-2 J/cm2)；几乎与波长、脉冲长度和其条件无关。大部份微细加工应用是专注于表面结构的刻痕，换言之，为了挖出沟槽、轮廓切割、钻孔、材料层裸露或区域隔离，将材料进行「冷」微细去除。

图 4.  去除Si 基SiN 层 70 nm厚度 ； 达到至1 million spots/sec，直径 50 μm；

当使用机械钻孔/铣削和电子放电加工 (EDM) 产生小于50 μm 结构时，其可靠度与成本经常被夸大。一种具有M2 < 1.5高质量激光束能够适当地聚焦5 ~ 50 μm光斑尺寸，并可以加工达到接近尺寸的结构。为了满足1 J/cm2 剥除门坎准则，典型的距焦光斑25 μm直径需要约10 μJ脉冲能量。较高的脉冲能量密度未必做得好、做得快：因剥除产生的电浆云团反而获得较高密度且不再从表面分离。更糟的是，可能因热改变材料和破坏「冷」质量，为了「冷」微细加工，一个理想的工业级皮秒雷射源应该产生10 ~ 50 μJ范围之脉冲能量及大约1 MHz的重复频率 (repetition rate)，如图5。即使再高的重复频率，则因先前脉冲的电浆云团产生遮蔽效应，反而最终会减少效率。

图 5.  利用重复频率增加去除速率

　　大多数皮秒激光脉冲应用是利用其微米级精度的优势加工材料。该分辨率取决于小至2 μm或大至100 μm距焦光斑尺寸。在这个焦点之内，雷射透过冷剥除技术去除一个 100 nm的薄碟形材料而没有在周围区域加热。这个基本过程可以重复高达每秒200万次而去除高达60 mm3/min之速率（用50 W的皮秒雷射），而实际的形状是取决于透过计算器控制引导光束在微米精度下达到10 m/sec。

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1　ulse                                  5 pulses (20 ns separation)

图6 . 爆发 (burst) 模式增加去除率及表面质量，例如Si材料

　　最近观察到利用奈米尺度分离 (爆发模式，burst mode) 数个皮秒脉冲可以显着改进剥除率和微加工质量，例如图6加工于Si材料的表面粗糙度比较。爆发 (burst) 在本文的定义是指利用奈秒时间区间内迅速连续发生脉冲。这是关键技术，因为在一个较长的间隔时间 (例如奈秒时间) 将不会产生增加去除率的同样效果。利用50 W 皮秒雷射操作爆发模式的实验，可以随着重复频率及爆发 (burst) 数量达成剥除率提升，如图7。在材料上产生的低深宽比 (aspect ratio, 深度/直径) 的应用方面，例如玻璃可达到至20 ~ 60 mm3/min ，不锈钢 (stainless steel) 10 mm3/min ，以及硅 (Si) 30 mm3/min ；有机物 (organics) ，生物材料 (bio material) 达到至 100 mm3/min。总之，爆发模式 (burst mode) 可以实现更低的表面粗糙度和较高的材料去除率等优点。

图 7. 利用爆发 (burst) 模式增加去除速率

　　虽然雷射制造商在最初几年投入这样高价的多用途雷射之特殊研究计划，然而激光技术的进步已使价格和操作的执行成本在最近几年大幅减少。近四内年内，每单位光子成已本降低至十分之一，以每个构件对应成本为基础，皮秒雷射成为非常经济的选择，已足以与其他加工方式竞争，即使为了比奈秒雷射有较合适的功率与较高光束质量而开始投资皮秒雷射而言，皮秒雷射的拥有者其总成本也仅需大约 $0.29/min，而且任何坚硬或困难加工材料，例如立方氮化硼 (CBN)或三皇冠钻石 (TCD)、蓝宝石 (sapphire)、玻璃 (glass) 或陶瓷 (ceramics) 等，都能够于 20mm3 /min以内被剥除，图 8  为陶瓷钻孔的案例。

图8. 利用ps-Laser 1064 nm， 50 W进行陶瓷钻孔；直径:  100 μm ，厚度：1 mm；1 sec / hole

　　很清楚地，创造高价值的薄膜、小体积剥除的产品新应用以从未有过的成长数量正在兴起中：半导体产业 (低k材料)、太阳能产业 (特别是薄膜技术)、平面显示技术(TCO, OLEDs)、钻石微铸造 (micro molds)、精确狭缝 (precise apertures) 和电极结构 (electrode structure)、印刷产业 (printing industry) 或转印 (embossing of rolls) 或医学植入(medical implants) 等大型微结构表面，即使大型船舰也选用微细加工，微尺度特性提供抗污积垢保护和减少磨擦。甚者，高压缩汽缸注入喷嘴 (injection nozzles) 和薄型玻璃材料的切割与钻孔皆呈现其重要性且大量被应用。除此之外，强化玻璃、硅、蓝宝石晶圆和发光二极管等加工也极为合适。为了供应大尺寸的产业应用，皮秒雷射是需要证明它能够超过一年的平均失效时间和小于1小时的维护时间。而最新生产的工业型皮秒雷射已经证实有如此的性能。#p#分页标题#e#

　　从工业型皮秒雷射市场经分析结果，认为未来3至4年内会有成长10倍的趋势，而且500W功率等级很快就可达成降低成本与增加产能，对任何大尺度的产业使用而言，可靠度和成本将是皮秒雷射拥有者最关键的指标。