一、引言
自1960年臺(tái)激光器問(wèn)世以來(lái)，激光的研究及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。其高相干性在高精密測(cè)量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、信息存儲(chǔ)及通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光的高方向性和高亮度可廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)。隨著激光器件、新型受激輻射光源，以及相應(yīng)工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近20年來(lái)，激光制造技術(shù)已滲入到諸多高新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，并開(kāi)始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工業(yè)。
1987 年美國(guó)科學(xué)家提出了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)發(fā)展計(jì)劃，這標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)微機(jī)械的研究進(jìn)入到一個(gè)新的時(shí)代。目前，應(yīng)用于微機(jī)械的制造技術(shù)主要有半導(dǎo)體加工技術(shù)、微光刻電鑄模造(LIGA)工藝、超精密機(jī)械加工技術(shù)以及特種微加工技術(shù)等。其中，特種微加工方法是通過(guò)加工能量的直接作用，實(shí)現(xiàn)小至逐個(gè)分子或原子的去除加工。特種加工是利用電能、熱能、光能、聲能、化學(xué)能等能量形式進(jìn)行加工的，常用的方法有：電火花加工、超聲波加工、電子束加工、離子束加工、電解加工等等。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)一種可實(shí)現(xiàn)微小加工的新方法：光成型法，包括立體光刻工藝、光掩膜層工藝等。其中利用激光進(jìn)行微加工顯示出巨大的應(yīng)用潛力和誘人的發(fā)展前景。
為適應(yīng)21世紀(jì)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿(mǎn)足微觀制造的需要，研究和開(kāi)發(fā)高性能激光源勢(shì)在必行。作為激光加工的一個(gè)分支，激光微加工在過(guò)去十年被廣泛關(guān)注。其中原因之一是由于更加有效的激光源不斷涌現(xiàn)。比如具有非常高峰值功率和超短脈沖固體激光，有很高光束質(zhì)量的二極泵浦的Nd:YAG激光器等。另外一個(gè)原因是有了更為、高速的數(shù)控操作平臺(tái)。但一個(gè)更為重要的原因是不斷涌現(xiàn)的工業(yè)需求。在微電子加工中，半導(dǎo)體層的穿孔、寄存器的剪切和電路修復(fù)都用到激光微加工技術(shù)。激光微加工一般所指加工尺寸在幾個(gè)到幾百微米的工藝過(guò)程。激光脈沖的寬度在飛秒（fs）到納秒（ns）之間。激光波長(zhǎng)從遠(yuǎn)紅外到X射線的很寬波段范圍。目前主要應(yīng)用于微電子、微機(jī)械和微光學(xué)加工三大領(lǐng)域。隨著激光微加工技術(shù)的發(fā)展和成熟，將在更廣的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。
二、激光微加工技術(shù)的主要應(yīng)用
隨著電子產(chǎn)品朝著便攜式、小型化的方向發(fā)展，單位體積信息的提高（高密度）和單位時(shí)間處理速度的提高（高速化）對(duì)微電子封裝技術(shù)提出不斷增長(zhǎng)的新需求。例如現(xiàn)代手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)每平方厘米安裝大約為1200條互連線。提高芯片封裝水平的關(guān)鍵之處就是在不同層面的線路之間保留微型過(guò)孔的存在，這樣通過(guò)微型過(guò)孔不僅提供了表面安裝器件與下面信號(hào)面板之間的高速連接，而且有效地減小了封裝面積。
另一方面，隨著近年來(lái)全球手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品向輕、薄、短、小的趨勢(shì)發(fā)展，印制線路板（PCB）逐步呈現(xiàn)出以高密度互連技術(shù)為主體的積層化、多功能化特征。為了有效地保證各層間的電氣連接以及外部器件的固定，過(guò)孔（via）已成為多層PCB的重要組成部分之一。目前鉆孔的費(fèi)用通常占PCB制板費(fèi)用的30%-40%。在高速、高密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者總是希望過(guò)孔越小越好，這樣板上不僅可以留有更多的布線空間。而且過(guò)孔越小，越適合用于高速電路。傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔最小的尺寸僅為100μm，這顯然已不能滿(mǎn)足要求，代而取之的是一種新型的激光微型過(guò)孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工業(yè)上可獲得過(guò)孔直徑達(dá)到在30-40μm的小孔或用UV激光加工10μm 左右的小孔。
激光微加工技術(shù)在設(shè)備制造業(yè)、汽車(chē)以及航空精密制造業(yè)和各種微細(xì)加工業(yè)中可用激光進(jìn)行切割、鉆孔、雕刻、劃線、熱滲透、焊接等，如20多微米大小的噴墨打印機(jī)的噴墨口的加工。利用諸如微壓型、打磨拋光等激光表面處理技術(shù)來(lái)加工多種微型光學(xué)元件，也可通過(guò)諸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化來(lái)改變組織結(jié)構(gòu)，然后，通過(guò)調(diào)和外部機(jī)械力，再在軟化階段依靠等離子體輔助進(jìn)行微成形來(lái)加工微光學(xué)元件。
常用激光微加工技術(shù)
激光微加工技術(shù)具有非接觸、有選擇性加工、熱影響區(qū)域小、高精度與高重復(fù)率、高的零件尺寸與形狀的加工柔性等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上，激光微加工技術(shù)的特點(diǎn)是“直寫(xiě)”加工，簡(jiǎn)化了工藝，實(shí)現(xiàn)了微型機(jī)械的快速成型制造。此外，該方法沒(méi)有諸如腐蝕等方法帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，可謂“綠色制造”。在微機(jī)械制造中采用的激光微加工技術(shù)有兩類(lèi)：
1) 材料去除微加工技術(shù)，如激光直寫(xiě)微加工、激光LIGA 等；
2) 材料堆積微加工技術(shù)，如激光微細(xì)立體光刻、激光輔助沉積、激光選區(qū)燒結(jié)等。
2.1 激光直寫(xiě)技術(shù)
準(zhǔn)分子激光波長(zhǎng)短、聚焦光斑直徑小、功率密度高，非常適合于微加工和半導(dǎo)體材料加工。在準(zhǔn)分子激光微加工系統(tǒng)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蝕工件，將準(zhǔn)分子激光技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，綜合激光光束掃描與X-Y 工作臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及Z 方向的微進(jìn)給，可以直接在基體材料上掃描刻寫(xiě)出微細(xì)圖形，或加工出三維微細(xì)結(jié)構(gòu)。目前采用準(zhǔn)分子激光直寫(xiě)方式可加工出線寬為數(shù)微米的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)。另外，利用準(zhǔn)分子激光采取類(lèi)似快速成型(RP)制造技術(shù)，采用逐層掃描的方式進(jìn)行三維微加工的研究也已取得較好結(jié)果。
2.2 激光LIGA 技術(shù)
它采用準(zhǔn)分子激光深層刻蝕代替載射線光刻，從而避開(kāi)了高精密的載射線掩膜制作、套刻對(duì)準(zhǔn)等技術(shù)難題，同時(shí)激光光源的經(jīng)濟(jì)性和使用的廣泛性大大優(yōu)于同步輻射載光源，從而大大降低 LIGA 工藝的制造成本，使LIGA技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。盡管激光LIGA 技術(shù)在加工微構(gòu)件高徑比方面比載射線差，但對(duì)于一般的微構(gòu)件加工完全可以接受。此外，激光LIGA 工藝不像載射線光刻需要化學(xué)腐蝕顯影，而是“直寫(xiě)”刻蝕，不存在化學(xué)腐蝕的橫向浸潤(rùn)腐蝕影響，因而加工邊緣陡直，精度高，光刻性能優(yōu)于同步載射線光刻。
2.3 激光微立體光刻(mSL)技術(shù)
它是立體光刻(SLA)工藝這一先進(jìn)的快速成型技術(shù)應(yīng)用到微制造領(lǐng)域中衍生出來(lái)的一種加工技術(shù)，因其加工的高精度與微型化，故稱(chēng)為微立體光刻(Microstere-olithography 或mSL)。同其他微加工技術(shù)相比，微立體光刻技術(shù)的特點(diǎn)是不受微型器件或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形狀的限制，可以加工包含自由曲面在內(nèi)的任意三維結(jié)構(gòu)，并且可以將不同的微部件一次成型，省去微裝配環(huán)節(jié)，如圖2所示。此外，該技術(shù)還有加工時(shí)間短、成本低、加工過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，為微機(jī)械批量化生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。該技術(shù)的局限性在于兩方面：
精度較低，目前基于快速成型的微加工技術(shù)的水平方向的精度在1mm 左右，而垂直方向大約為3mm，顯然這一精度無(wú)法同基于集成電路的硅微加工工藝相比。