文/LFWC

玻璃是一種關(guān)鍵的工業(yè)材料，全球玻璃市場(chǎng)總體規(guī)模不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到約700億美元，這主要得益于手機(jī)/電腦、顯示、光伏、汽車、建筑等多個(gè)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)玻璃產(chǎn)品的需求不斷增長(zhǎng)。

市場(chǎng)對(duì)玻璃產(chǎn)品需求增長(zhǎng)的同時(shí)，必然伴隨著對(duì)玻璃加工需求的增長(zhǎng)，包括玻璃的切割、鉆孔、打標(biāo)甚至焊接，而這些加工恰恰為飛秒激光技術(shù)提供了大顯身手的廣闊舞臺(tái)。

飛秒激光的脈沖持續(xù)時(shí)間極短（10-15s量級(jí)），在與材料相互作用中幾乎不產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)，從而獲得質(zhì)量卓越的“冷加工”。飛秒激光可以加工各種材料，特別是對(duì)于玻璃等傳統(tǒng)的加工方法難以加工的硬脆性材料，飛秒激光技術(shù)的不斷創(chuàng)新，為這類材料加工提供了一種高精度、高質(zhì)量的解決方案。

創(chuàng)新的飛秒脈沖串加工模式

飛秒激光雖然能夠通過(guò)超短脈沖的冷加工方式，實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的加工質(zhì)量，但是飛秒激光加工的最大挑戰(zhàn)之一是加工速度慢，無(wú)法滿足工業(yè)化大生產(chǎn)的加工吞吐量要求。

為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高速度加工，業(yè)界研究出了“脈沖串加工模式”（burst mode），即將高能脈沖分成多個(gè)較小的脈沖，這些小脈沖以MHz和GHz范圍內(nèi)的脈沖串重復(fù)運(yùn)行。大量實(shí)踐已經(jīng)驗(yàn)證，這種方法非常適用于玻璃等材料的微加工應(yīng)用，在保證高加工質(zhì)量的同時(shí)，還能大幅提升加工吞吐量。

EKSPLA的FemtoLux 30飛秒激光系統(tǒng)使用有源光纖環(huán)路（AFL）技術(shù)，能夠產(chǎn)生MHz、GHz以及MHz+GHz模式的脈沖串，并且每個(gè)脈沖串中的脈沖數(shù)量可調(diào)范圍為2-1100個(gè)。此外，AFL技術(shù)還能對(duì)脈沖串幅度精確控制，具備極高的應(yīng)用靈活性。

圖1：FemtoLux 30不同的GHz脈沖串操作模式：（a）短GHz脈沖串，（b）長(zhǎng)GHz脈沖串，（c）MHz+GHz混合脈沖串。（圖片來(lái)源：EKSPLA）

玻璃銑削（milling）

為了克服飛秒激光加工玻璃在吞吐量方面的限制，可以采用GHz脈沖串模式，將高能脈沖分割成多個(gè)子脈沖，來(lái)提高加工過(guò)程的吞吐量。

要充分利用可用的激光功率，是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)榉浅８叩膯蚊}沖能量和高重復(fù)頻率很可能導(dǎo)致加工缺陷，從而影響工藝質(zhì)量。為了充分利用可用功率又保證加工質(zhì)量，可以使用FemtoLux 30的GHz脈沖串模式，每個(gè)脈沖串中包含70個(gè)子脈沖，子脈沖的重復(fù)頻率為2GHz。與單脈沖模式相比，該加工過(guò)程的吞吐量增加了7倍。玻璃銑削的加工示例如圖2所示。

圖2：利用飛秒激光的GHz 脈沖串模式對(duì)各種玻璃進(jìn)行銑削加工。（圖片來(lái)源：FTMC）

自下而上的玻璃鉆孔

傳統(tǒng)的激光鉆孔方法難以實(shí)現(xiàn)高深寬比的幾何鉆孔形狀，因?yàn)闊�蝕的碎屑會(huì)在燒蝕區(qū)域內(nèi)積聚，阻礙了進(jìn)一步的材料去除，導(dǎo)致燒蝕深度飽和。采用自下而上鉆孔的方式，將激光束聚焦在樣品的底部，這樣可以從樣品背面去除所有燒蝕產(chǎn)生的碎屑，不會(huì)在加工區(qū)形成碎屑積聚，從而在玻璃中實(shí)現(xiàn)高深寬比的幾何形狀。

將FemtoLux 30的GHz脈沖串功能與自下而上的鉆孔工藝相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)高工藝吞吐量。通過(guò)精確靈活地控制脈沖串中的脈沖能量和脈沖數(shù)量，可以精確控制玻璃中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。利用正確的參數(shù)，材料去除過(guò)程將轉(zhuǎn)換到激光誘導(dǎo)材料斷裂，玻璃以顆粒形式被去除。

在該案例中，在FemtoLux 30的GHz脈沖串中使用25個(gè)脈沖，可以實(shí)現(xiàn)600mm3/min的材料去除率。這種自下而上的鉆孔方式不僅在高生產(chǎn)率方面表現(xiàn)出色，而且提供了形成深度達(dá)到數(shù)十毫米的各種零錐度孔和通道的能力。加工示例如圖3所示。

圖3：在玻璃上進(jìn)行自下而上的鉆孔/銑削加工。（圖片來(lái)源：FTMC）

薄玻璃基板加工

加工厚度小于0.5mm的薄玻璃基板，由于其易碎性以及在過(guò)度熱負(fù)荷下易開裂等原因，加工過(guò)程中面臨重大挑戰(zhàn)。飛秒激光器是加工薄玻璃基板的理想選擇，因?yàn)樗�的超短脈沖持續(xù)時(shí)間可以最大限度地減少熱積累，從而產(chǎn)生卓越的加工質(zhì)量。

EKSPLA的FemtoLux 30激光器在加工薄玻璃方面具有很強(qiáng)得優(yōu)勢(shì)。它可以靈活的選擇加工參數(shù)，可以對(duì)各種玻璃類型進(jìn)行工藝優(yōu)化，得到最優(yōu)加工參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)最小碎裂和無(wú)裂紋的薄玻璃基板加工。加工示例如圖4所示。

圖4：在薄硼硅玻璃上鉆300μm孔（左）及其掃描電鏡圖（右）。

飛秒激光誘導(dǎo)選擇性蝕刻

飛秒激光誘導(dǎo)選擇性蝕刻需要兩個(gè)加工步驟，首先利用聚焦的飛秒激光脈沖進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)改性，然后再進(jìn)行化學(xué)蝕刻，選擇性地去除激光改性過(guò)的區(qū)域。該加工技術(shù)能夠在透明材料中實(shí)現(xiàn)精確的無(wú)錐度3D微加工，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百納米范圍內(nèi)的表面粗糙度，并具有在晶圓級(jí)尺度上的操控能力。

FemtoLux系列激光器非常適合這一加工過(guò)程。例如，用熔融石英制造了一種可移動(dòng)的雙穩(wěn)開關(guān)，其臂寬為20µm。此外，在熔融石英玻璃襯底上制備了各種直徑的零錐度玻璃通孔。這些樣品證明了飛秒激光誘導(dǎo)選擇性蝕刻技術(shù)的靈活性，其應(yīng)用范圍包括微機(jī)械、半導(dǎo)體等領(lǐng)域。加工示例如圖5所示。

圖5：FemtoLux系列激光器用于玻璃的飛秒激光誘導(dǎo)選擇性刻蝕。

加工玻璃通孔（TGV）

在玻璃基板上形成高深寬比的通孔（TGV），正成為一個(gè)越來(lái)越重要的課題，特別是在半導(dǎo)體領(lǐng)域。在飛秒激光器的幫助下，可以在玻璃中形成低錐度和高深寬比的通孔，并且具有低碎裂、無(wú)裂紋的光滑孔內(nèi)壁。

FemtoLux 30以GHz脈沖串模式運(yùn)行，能以沖擊鉆孔的方式在玻璃基板上實(shí)現(xiàn)高深寬比的通孔。通過(guò)將單個(gè)脈沖的高能量細(xì)分到50個(gè)小脈沖串中，可以實(shí)現(xiàn)深寬比達(dá)80：1甚至更高的通孔，通過(guò)精細(xì)控制脈沖串中的脈沖數(shù)量和能量等參數(shù)，孔深的控制精度可達(dá)0.1μm。這種工藝適用于AN100、BK7、BF33、D263、EXG和soda-lime等不同玻璃材料。加工示例如圖6所示。

圖6：利用GHz飛秒激光脈沖串在玻璃上加工高深寬比的通孔。

另外，也可以利用FemtoLux 30的MHz+GHz脈沖串模式，結(jié)合自下而上的銑削工藝制造通孔。這種方式能形成零錐孔，并且能提高工藝吞吐量，已經(jīng)證明能在BF33和D263玻璃中形成直徑200μm的通孔（見圖3a）。

貝塞爾光束玻璃切割

貝塞爾激光光束是實(shí)現(xiàn)無(wú)切口玻璃切割的有效方法之一。通過(guò)貝塞爾光束產(chǎn)生高峰值功率密度的光束，在玻璃內(nèi)部聚焦，瞬間氣化該區(qū)域材料形成一個(gè)氣化帶，迅速向上下表面擴(kuò)散形成裂孔，隨后通過(guò)機(jī)械或熱分離等方法進(jìn)行玻璃分離，從而產(chǎn)生光滑的側(cè)壁，并且只需要一次激光掃描，因此可以實(shí)現(xiàn)非常高的切割速度。

FemtoLux 30在MHz脈沖串模式下工作，與貝塞爾光束相結(jié)合，已經(jīng)證明能夠非常有效地切割厚度為1~4.8mm的鈉鈣玻璃。該方法以最小的表面碎屑產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量切割。對(duì)于4.8mm厚的玻璃，切割速度為80mm/s時(shí)，切割后的側(cè)壁粗糙度低于0.5µm。另外，也對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行了切割，切割速度達(dá)300mm/s，側(cè)壁光滑。加工示例如圖7所示。

圖7：飛秒脈沖串結(jié)合貝塞爾光束切割玻璃和藍(lán)寶石，均獲得了光滑的切割面。

小結(jié)

EKSPLA的FemtoLux 30飛秒激光器提供的靈活的MHz、GHz以及MHz+GHz組合的靈活的脈沖串配置加工模式，為玻璃等傳統(tǒng)方法難以加工的硬脆性材料，提供了一種新的加工工具，不僅能提供卓越的加工質(zhì)量，同時(shí)還能大大提升加工吞吐量。

另外，F(xiàn)emtoLux 30還采用了創(chuàng)新性的冷卻方式，它使用一個(gè)帶有制冷劑的密封系統(tǒng)有效冷卻激光器，摒棄了傳統(tǒng)的水冷方法。這消除了容易發(fā)生故障的水泵，不但節(jié)省了空間，還減少了系統(tǒng)維護(hù)工作。這些創(chuàng)新使得Femto Lux 30不僅高度可靠，而且更易于安裝和操作，增加了其在工業(yè)微加工應(yīng)用中的吸引力。