激光加工的原理及特点

激光加工的原理及特点

激光加工也称激光束加工(Laser Beam Machining)，LBM；就是将具有足够能量的激光束聚焦后照射到所加工材料的适当部位，在极短的时间内，光能转变为热能，被照部位迅速升温，材料发生汽化、熔化、金相组织变化以及产生相当大的热应力，从而实现工件材料被去除、连接、改性或分离等的加工技术。

(1)激光加工原理

1)激光产生原理

激光是20世纪60年代出现的一种新型光源——激光器发出的光。激光一词的本意是受激辐射放大的光。1960年美国休斯研究实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器， 1961年9月中国科学院长春光学精密机械研究所制成了我国第一台激光器。此后，在激光器的研制、激光技术的应用以及激光理论方面都取得了巨大进展，并带动了一些新兴学科的发展，如全息光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等，激光还与信息产业密切相关。

①光与物质的相互作用

光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。

原子由原子核和绕原子核做公转运动的电子组成。原子的内能就是电子绕原子核转动的动能和电子被原子核吸引的位能之和。如果由于外界的作用，使电子与原子核的距离增大或缩小，则原子的内能也随之增大或缩小。只有电子在最靠近原子核的轨道上运动才是最稳定的，人们把这时原子所处的能级状态称为基态。当外界传给原子一定的能量时(如用光照射原子)，原子的内能增加，外层电子的轨道半径扩大，被激发到高能级，称为激发态或高能态。微观粒子都有其特有的一套能级。任何时刻，一个粒子只能处于某一个能级，如图5.1所示。

图5.1　微观粒子能级示意图

当原子与光相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射一个光子。光子的能量值为此两能级间的能量差Δ E，频率为Δ E/h(h为普朗克常量)。

处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到与此能量相适应的较高能级上去的过程称为受激吸收。处在高能级上的粒子，即使没有外界的作用，也会以一定的概率自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出能量是Δ E光子的过程称为自发辐射。1917年爱因斯坦指出，除自发辐射之外，当频率为ν＝Δ E/h的光子入射时，粒子也会以一定的概率，迅速地从较高能级跃迁到较低能级，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向等都相同的光子，这个过程称为受激辐射。

②激光的产生

受激辐射使光子数增加，而受激吸收使光子数减少。处于平衡状态的物质，其较低能级的粒子数必大于较高能级的粒子数，在普通情况下被光射入时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，不会产生激光。

因此，要想产生激光应使受激辐射占优势，即必须使处在高能级的粒子数大于处在低能级的粒子数，此种分布正好与平衡态时的物质粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。任何工作物质，在适当的激励条件下可在特定的高低能级间实现粒子数反转。

处于粒子数反转状态的物质，其大量粒子处在高能级上，当有一个频率Δ E/h的光子入射时，处于高能级的粒子将被激励从而产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子继续激励高能级上其他粒子，产生4个特征相同的光子。如此进行下去，原来的光信号就被放大了，这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就是激光。如图5.2所示为激光产生过程示意图。

图5.2　激光产生过程示意图

2)激光的特点

普通光源发出的光是向各个方向辐射并随着传播距离的增加而衰减。激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具有不同于普通光的一系列性质。

①方向性好

激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条直线上传播。良好的方向性使激光是射得最远的光，该性质被广泛应用于测距、通信、定位方面。

②亮度高

一般光源发光是向很大的角度范围内辐射，而激光的辐射范围在1×10^－3rad(0.06° )左右，即使普通光源与激光光源的辐射功率相同，激光的亮度也可达到普通光源的上百万倍。1962年人类第一次从地球上发出激光束射向月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红，故能见到月球上有一红色光斑。

激光的高亮度在激光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮度的激光引发热核反应。

③单色性好

光的颜色取决于光的波长，通常把亮度为最大亮度一半的两个波长间的宽度定义为这条光谱线的宽度，谱线宽度越小，光的单色性越好。

可见光部分的颜色有7种，每种颜色的谱线宽度为40～50 nm，激光的单色性远远好于普通光源，如氦-氖激光器输出的红色激光谱线宽度只有10^－8nm。

激光良好的单色性使激光在测量上优势极为明显。

④相干性好

当激光束分成两束进行叠加时，产生的干涉条纹非常清晰。

3)激光加工原理

激光加工时，为了达到各种加工要求，激光束与工件表面需要做相对运动，同时光斑尺寸、功率以及能量要求可调。

激光束加工过程大体步骤是:通过光学系统(激光器)产生激光束并照射材料；材料吸收光能；光能转变为热能使材料加热；通过汽化和熔融溅出，使材料去除或破坏等。

当然，不同的加工工艺有不同的加工过程，有的要求激光加热并去除材料，如打孔、切割等；有的要求将材料加热到熔化程度而不要求去除，如焊接加工；有的则要求加热到一定温度使材料产生相变，如热处理等。

①激光束的产生

激光器是激光束加工设备的核心，它能把电能转换成激光束输出。激光束被聚焦成尺寸与光波波长相近的极小光斑，其功率密度可达10⁷～10¹¹W/cm²，温度可达10 000℃，将材料在瞬间(10^－3s)熔化和蒸发，工件表面不断吸收激光能量，凹坑处的金属蒸汽迅速膨胀，压力猛然增大，熔融物被产生的强烈冲击波喷溅出去。

②激光能的吸收

激光束照射到材料表面时，一部分被材料表面反射，另一部分透入材料内被材料吸收，对材料起加热作用。

不同材料对于不同波长光波的吸收与反射有着很大的差别。常用吸收率描述材料在激光束加工过程中激光的透入程度。材料的吸收率与其表面的反射率有关，如果反射率为R，则吸收率为A＝l－R。大多数金属的反射率为70%～95%。

一般来说，导电率高、表面粗糙度低的材料反射率较高，因此吸收率低；而表面粗糙或人为涂黑的表面，在加工过程中因表面升温、加热会形成液相或气相等，有利于提高材料对光能的吸收，故吸收率较高。

③材料的加热

材料的加热是光能转换成热能的过程。金属材料和非金属材料受激光照射，其加热机理有着本质的区别。

金属材料吸收激光时存在浅肤效应，即在被照射金属材料厚度为0.01～0.1 μm的范围内才会产生光的吸收。

金属材料加热过程，首先是自由电子受热后动能增加，并在很短时间内(10^－11～10^－10s)与晶格碰撞，电子的能量转化为晶格的热振动能，引起材料温度升高；然后按热传导的机理向各个方向传播，使材料表面及内部各加热点的温度改变。

而非金属材料的导热性一般很小，在激光的照射下，其加热不是依靠自由电子。当激光波长较长时，光能可直接被材料的晶格吸收而使热振荡加剧；当激光波长较短时，光能激励原子壳层上的电子，这种激励通过碰撞而传播到晶格上，使光能转换成为热能。

④材料的汽化、熔融

在足够功率密度的激光束照射下，被加工材料表面达到熔化和汽化温度，从而使材料汽化蒸发或熔融溅出。

材料的汽化、熔融过程与激光功率密度有关，当激光功率密度过高时，材料在表面上汽化，而不是在深处熔化。如果功率密度过低，则能量就会扩散分布、受热体积增大，这时焦点处材料在表面上熔化，而且深度较小。材料汽化量的多少取决于激光功率密度的大小，随着激光功率密度的提高，材料表面逐渐达到汽化温度。

对于金属材料来说，由于激光进入材料的深度很小，在光斑中央，材料表面温度迅速提高，在极小的区域内材料达到熔点和沸点而被破坏。这种局部去除材料的效应可用于打孔等方面。

当采用脉冲激光照射材料时，第一个脉冲被材料表面吸收，表面上先产生熔化区，接着产生汽化区。当下一个脉冲来临时，材料表层熔化区吸收的能量致使较里层材料的温度比表面汽化温度更高，材料内部汽化压力增大，促使熔化区熔融的材料外喷。

因此，一般情况下，材料以蒸发和熔融两种状态被去除。当功率密度更高而脉宽更窄时，汽化能量在极短的时间内被多次传递给材料，使局部区域产生过热现象，从而引起爆炸性的汽化，此时材料完全以汽化的形式被去除而几乎不出现熔融状态。

与金属材料相比，非金属材料在激光照射下的破坏形式有着本质的区别，不同非金属材料之间的破坏形式差别也很大。

一般情况下，非金属材料的反射率比金属低得多，因而进入非金属材料内部的激光能量就比金属材料多。

对于有机非金属材料，其熔点或软化点一般较低，有些有机材料由于吸收了光能，内部分子振荡十分激烈，以致使通过聚合作用形成的巨分子又起解聚作用。部分材料迅速汽化，激光切割有机玻璃就是这种情况。有些有机材料，如硬塑料和木材、皮革等天然材料，在激光加工中会形成高分子沉积和加工位置边缘炭化。

而对于无机非金属材料，如陶瓷、玻璃等，在激光的照射下几乎能吸收激光的全部能量。但由于其导热性很差，加热区很窄，沿着光束的轨迹产生很高的热应力，导致材料破碎且无法控制。但对于膨胀系数很小的石英材料，可以进行激光切割和焊接加工。

(2)激光加工特点

①激光束加工属非接触加工，无明显机械力，也无工具损耗，工件不变形，加工速度快，热影响区小，可实现高精度加工，易实现自动化。

②因功率密度非常高，故不受材料限制，几乎可加工任何金属与非金属材料。

③激光加工可通过惰性气体、空气或透明介质对工件进行加工，如可通过玻璃对隔离室内的工件进行加工或对真空管内的工件进行焊接。

④激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调节，常用于精密细微加工，最高加工精度可达1 μm，表面粗糙度R_a值可达0.4～0.1。

⑤能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大优势。

5.2.2　激光加工的基本设备

(1)激光加工基本设备

激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统及机械系统4大部分。

①激光器是激光加工的重要设备，它把电能转变成光能，产生激光束。

②激光器电源具有为激光器提供所需要的能量及控制功能。

③光学系统包括激光聚焦系统和观察瞄准系统等，后者能观察和调整激光束的焦点位置，并将加工位置显示在投影仪上。

④机械系统主要包括床身、工作台及机电控制系统等。

(2)常用激光器

目前，常用的激光器按激活介质的种类可分为固体激光器和气体激光器。按激光器的工作方式，可大致分为连续激光器和脉冲激光器。用于激光加工的固体激光器通常是掺钕钇铝石榴石激光器(简称Nd:YAG激光器)、钕玻璃激光器和红宝石激光器等，气体激光器通常是CO₂激光器和准分子激光器。

1)固体激光器

固体激光器一般采用光激励，能量转化环节较多。光的激励能量大部分转换为热能，故效率低。为了避免固体介质过热，固体激光器通常多采用脉冲工作方式，并用合适的冷却装置，较少采用连续工作方式。

由于固体激光器的工作物质尺寸比较小，因而其结构比较紧凑。如图5.3所示为固体激光器的结构示意图，包括工作物质、光泵、玻璃套管和滤光液、冷却水、聚光器以及谐振腔等部分。

图5.3　固体激光器结构示意图

1—全反射镜；2—工作物质；3—玻璃套管；4—部分反射镜；5—聚光镜；6—氙灯；7—电源

光泵一般采用氙灯或氪灯，用于为工作物质提供光能。

聚光器的作用是把光泵发出的光能聚集在工作物质上。常用的聚光器有如图5.4所示的多种形式，如圆球形(见图5.4(a))、圆柱形(见图5.4(b))、椭圆柱形(见图5.4(c))、紧包裹形(见图5.4(d))等。其中，圆柱形加工制造方便，用得较多；椭圆柱形聚光效果较好，也常被采用。

图5.4　不同种类的聚光器

1—聚光器；2—工作物质；3—缸灯

滤光液和玻璃套管是为了滤去光泵发出的紫外线成分，因为这些紫外线成分对于钕玻璃和掺钕钇铝石榴石都是十分有害的，它会使激光器的效率显著下降，常用的滤光液是重铬酸钾溶液。

谐振腔由两块反射镜组成。其作用是使激光沿轴向来回反射共振，用于加强和改善激光的输出。

用于激光热加工的固体激光器主要有红宝石激光器、钕玻璃激光器和Nd:YAG激光器3种。

红宝石激光器的输出波长是0.694 3 μm，其工作材料是在刚玉(Al₂O₃)中加入0.05%的Cr^3＋，易于获得相干性好的单模输出，稳定性好。红宝石激光器可用于脉冲微型焊接。

钕玻璃激光器是在玻璃基质中掺入一定比例的氧化钕(Nd₂O₃)制成的，最大掺杂浓度达2%，激活离子是钕离子。其吸收光谱和荧光谱线宽度比较宽，是YAG的50倍，故钕玻璃激光在脉冲工作状态时，可得到大于5 000 J的输出脉冲，脉宽为3 ms；在锁模脉冲输出时，峰值功率可达10²¹W/cm²以上。

Nd:YAG激光器是在钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂)基体中掺入氧化钕制成的，激活离子也是钕离子，输出波长为1.06 μm。Nd:YAG激光器具有荧光谱线窄，量子效率高，导热性好等优点，是3种固体激光器中唯一能够实现连续运转的激光器，也是激光热加工中常用的一种固体激光器。

2)气体激光器

气体激光器一般采用电激励，效率高、寿命长、连续输出功率大，广泛应用于切割、焊接、热处理等加工。常用于材料加工的气体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器和准分子激光器等。

①二氧化碳激光器

二氧化碳激光器是以二氧化碳气体为工作物质的分子激光器，连续输出功率可达10 kW，输出最强的激光波长为10.6 μm。

为了提高激光器的输出功率，二氧化碳激光器一般都加进氮(N₂)、氦(He)、氙(Xe)等辅助气体和水蒸气。

图5.5　二氧化碳激光器结构示意图

二氧化碳激光器的一般结构主要包括放电管、谐振腔、冷却系统和激励电源等部分，如图5.5所示。放电管一般用硬质玻璃管做成，直径约几厘米，长度可从几十厘米至数十米。二氧化碳气体激光器的输出功率与放电管长度成正比，通常每米长的管子，其输出功率平均可达40～50 W。为缩短空间长度，长的放电管可做成折叠式，折叠段之间用全反射镜来连接光路，如图5.5(b)所示。

二氧化碳气体激光器的谐振腔多采用平凹腔，一般总以凹面镜作为全反射镜，而以平面镜作输出端反射镜。

二氧化碳激光器的激励电源可用射频电源、直流电源、交流电源及脉冲电源等，其中交流电源用得最为广泛。二氧化碳激光器一般都用冷阴极，常用电极材料有镍、钼和铝。由于镍发射电子的性能较好，溅射较小，而且在适当温度时还有使CO还原成CO₂分子的催化作用，有利于保持功率稳定和延长寿命，因此是目前最常用的电极材料。

②氩离子激光器

氩离子激光器是惰性气体氩(Ar)通过气体放电，使氩原子电离并激发，实现离子数反转而产生激光，其结构示意图如图5.6所示。氩离子激光器发出的谱线很多，最强的是波长为0.514 5 μm的绿光和波长为0.488 0 μm的蓝光。因为其工作能级离基态较远，所以能量转换效率低，一般仅0.05%左右。通常采用直流放电，放电电流为10～100 A。功率小于1 W时，放电管可用石英管；功率较高时，为承受高温而用氧化铍(BeO)或石墨环作放电管。在放电管外加一适当的轴向磁场，可使输出功率增加1～2倍。由于氩离子激光器波长短，发散角小，故可用于精密微细加工，如用于激光存储光盘基板蚀刻制造等。

图5.6　氩离子激光器

③准分子激光器

所谓准分子(Excimer)，是指一种只在激发态才能暂时结合成不稳定分子，而在正常的基态会迅速离解的不稳定缔合物。准分子激光的波长极短，聚焦光斑直径可达微米级，光束能量密度可达10⁸～10¹⁰W/cm²。与利用热效应的CO²，YAG等激光相比，准分子激光基本属于冷光源，从而在微细加工方面极具发展潜力。

准分子激光器是一种高压脉冲式气体激光器，其激活介质通常是多种不同混合气体构成的准分子系统，构成激光器的准分子系统的混合气体有多种类型，这些气体在泵浦作用下反应而形成受激分子态即准分子。目前，实用化激光器中多采用双原子稀有气体R₂倡和稀有气体卤化物RX倡(其中，R表示稀有气体原子，X表示卤素原子，倡表示准分子)，工作压力分别为几兆帕和几百千帕。在稀有气体卤化物RX准分子系统中除了占比例很小的用于形成准分子的气体以外，主要成分为Ne，He或Ar构成的稀释或缓冲气体，占整个混合气体的88%～99%，主要用于传递能量，并不参与发光。准分子激光器的激射波长完全取决于构成准分子系统的混合气体种类。

如图5.7所示为典型准分子激光器结构与工作原理。准分子激光器有一根充有激活气体的管子，泵浦系统通过它对气体进行激励。一方面，由于激活气体在运行时要逐渐变质，视气体种类和具体条件的不同，只能激射10⁶～10⁸次，因此，激光器均设有气体更换系统或净化处理系统。另一方面，为了提高激光脉冲重复率和输出功率，大多数准分子激光器将部分激活气体存储在激光区域之外的储气室中，并可通过循环系统流动。激光谐振腔设计成密封形式，长度在1 m以下，标准结构为一稳定的共振腔，由于增益高，这种腔能产生相当强的激射光束。

图5.7　典型准分子激光器主要结构与工作原理

准分子激光器能量转移的详细动力学过程是很复杂的。将能量沉积到激活气体中的方法主要有电子束泵浦、放电泵浦、微波泵浦、质子束与光泵浦等。其中，最为常用的方法是放电泵浦，它虽然转换效率略低，但简单可靠，且可实现较高的激光脉冲重复率。电子束泵浦虽然电子能量转换成激光能量的效率高达5%，但电子束发生器较为复杂和昂贵，且自身效率较低，使总的电-光转换效率反而比放电泵浦更低，又不能在稍高的重复率下工作，但电子束泵浦可获得高达104 J的激光脉冲能量。微波泵浦的主要特点是可获得数百纳秒至微秒量级的宽脉冲激光，然而转换效率更低，目前仅达0.1%左右，且只能得到毫瓦级的激光输出。

5.2.3　激光加工工艺及应用

(1)激光打孔

用透镜将激光能量聚焦到工件表面的微小区域上，可使物质迅速汽化而成微孔。利用激光几乎可在任何材料上加工微细孔，目前已广泛应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化纤喷丝板喷丝孔、钟表及仪表中的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等方面。脉冲打孔还常用于微电子技术中，如在IC电路的芯片上或靠近芯片处打小孔，这些孔是用其他方法难以实现的。

激光打孔的效率极高，适合于自动化连续加工，加工的孔径可小于0.01 mm，深径比可达到50∶1以上。例如，加工钟表行业红宝石轴承上的直径为矱0.12～矱0.18 mm、深0.6～1.2 mm的小孔，采用自动传送装置每分钟可完成数十个宝石轴承孔的加工。在矱100 mm的不锈钢喷丝板上加工10 000多个矱0.06 mm的小孔，采用数控激光加工，不到半天即可完成。

激光打孔的成型过程是材料在激光热源照射下产生的一系列热物理现象综合的结果，与激光束的特性和材料的热物理性质有关，主要受以下因素的影响:

1)输出功率与照射时间

激光的输出功率大、照射时间长时，工件所获得的激光能量也大。激光的照射时间一般为几分之一秒到几毫秒。当激光能量一定时，照射时间太长会使热量传散到非加工区，时间太短则因功率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，都会使能量的使用效率降低。

2)焦距与发散角

发散角小的激光束，经短焦距的聚焦物镜以后，在焦面上可获得更小的光斑及更高的功率密度。焦面上的光斑直径小，所打的孔也小，而且由于功率密度大，激光束对工件的穿透力也大，打出的孔不仅深，而且锥度小。

3)焦点位置

焦点位置对于孔的形状和深度都有很大影响，如图5.8所示。当焦点位置很低时(见图5.8(a))，透过工件表面的光斑面积很大，这不仅会产生很大的喇叭口，而且由于能量密度减小而影响加工深度。由图5.8(a)往图5.8(c)焦点逐步提高，孔深也增加，但如果焦点太高，同样会分散能量密度而无法加工下去。一般激光的实际焦点以在工件的表面或略微低于工件表面为宜。

4)光斑内的能量分布

激光束经聚焦后光斑内各部分的光强度是不同的。在基模光束聚焦的情况下，焦点的中心强度最大，离中心越远，光强度越小，能量是以焦点为轴心对称分布的，这种光束加工出的孔是正圆形的。当激光束不是基模输出时，其能量分布就不是对称的，打出的孔也必然是不对称的。激光在焦点附近的光强度分布与工作物质的光学均匀性以及谐振腔调整精度直接有关。如果对孔的正圆度要求特别高，就必须在激光器中加上限制振荡的措施，使它仅能在基模振荡。

图5.8　焦点位置与孔的剖面形状

5)激光的多次照射

用激光照射一次，加工的深度大约是孔径的5倍，而且锥度较大。如果用激光多次照射，其深度可大大增加，锥度可减小，而孔径几乎不变。但是孔的深度并不与照射次数成正比，而是加工到一定深度后，由于孔内壁的反射、透射以及激光的散射或吸收以及抛出力减小、排屑困难等原因，使孔的前端的能量密度不断减小，加工量逐渐减小，会导致无法继续加工。

6)工件材料

由于各种工件材料的吸收光谱不同，经透镜聚焦到工件上的激光能量不可能全部被吸收，而有相当一部分能量将被反射或透射而散失掉，其吸收效率与工件材料的吸收光谱及激光波长有关。对于高反射率和透射率的工件应作适当预处理，如打毛、黑化等，以增大其对激光的吸收效率。

如表5.1所示为用YAG激光进行打孔加工时的工艺参数。

表5.1　YAG激光打孔工艺参数

(2)激光切割

激光切割的原理与激光打孔基本相同。所不同的是，工件与激光束之间需要相对移动，通过控制两者的相对运动，即可切割出不同形状和尺寸的窄缝与工件。

激光切割大都采用重复频率较高的脉冲激光器或连续输出的激光器。但连续输出的激光束会因热传导而使切割效率降低，同时热影响层也较深。因此，在精密机械加工中，一般都采用高重复频率的脉冲激光器。YAG激光器输出的激光已成功地应用于半导体划片，重复频率为5～20 Hz，划片速度为10～30 mm/s，宽度为0.06 mm，成品率达99%以上，比金刚石划片优越得多，可将1 cm²的硅片切割成几十个集成电路块或几百个晶体管管芯。同时，YAG激光器还可用于化学纤维喷丝头的异形孔切割加工、精密零件的窄缝切割与划线以及雕刻等。激光切割可分为汽化切割、熔化切割和氧助燃切割等，其中以氧助燃切割应用最广。大量的生产实践表明，切割金属材料时，采用同轴吹氧工艺，可大大提高切割速度，而且表面粗糙度也将明显改善。切割布匹、纸张、木材等易燃材料时，则采用同轴吹保护气体(二氧化碳、氮气等)，能防止烧焦和缩小切缝。由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲击和压力，故适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料。再加上激光光斑小、切缝窄，且便于自动控制，故更适宜于对细小部件进行各种精密切割。目前，应用激光切割技术几乎可完成各种材料的切割加工，如金属、合金、半导体、皮革、纸张、木材及布料等。

如表5.2和表5.3所示为采用CO₂激光器切割金属和非金属时的工艺参数。

表5.2　CO₂激光切割金属工艺参数

表5.3　CO₂激光切割非金属工艺参数

(3)其他激光加工

1)激光焊接

与激光打孔、激光切割类似，激光焊接也是将激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料相互作用，使材料内部局部熔化(这一点与激光打孔、切割时的蒸发不同)实现焊接的。激光焊接可分为脉冲激光焊接和连续激光焊接等；激光焊接按其热力学机制，又可分为激光热传导焊接和激光深穿透焊接等。

激光焊接与常规焊接方法相比具有以下特点:

①激光功率密度高，可对高熔点、难熔金属或两种不同金属材料进行焊接，对金属件板、丝，以及玻璃、硬质合金等材料的焊接都很出色。

②聚焦光斑小，加热速度＇快，作用时间短，热影响区小，热变形可忽略。

③脉冲激光焊接属于非接触焊接，无机械应力和机械变形，不受电磁场的影响，能透过透光物质对密封器内工件进行焊接。

④激光焊接装置容易与计算机联机，能精确定位，实现自动焊接。

激光焊接在微电子元件和集成电路中有很多应用，如微型电路(包括IC电路)元件的引线焊接和密封焊接等。

2)激光退火

激光退火是激光技术在半导体微细加工领域中的一种重要应用。所谓激光退火，就是用功率密度很高的激光束照射半导体表面，使其损伤区达到合适的温度，从而实现消除损伤的目的。根据激光工作方式不同，激光退火分为脉冲激光退火和连续激光退火两种。

与热退火相比，激光退火具有以下特点:

①激光退火操作简便，可在空气环境中进行，不需要真空系统，与超大规模集成电路(VL-SI)工艺兼容性大。

②激光退火的时间极短，表面层不易沾污，而且易于获得高浓度的浅掺杂层。由于VLSI集成度的不断提高，在减小器件横间尺寸的同时，也需要相应地减小其纵向尺寸。激光退火适合于超浅结工艺加工，正好满足了这一要求。

③对表面加热可高度定域。激光退火只有退火相关区域才受到高温冲击，其余区域都处于低温甚至室温状态，因此几乎不产生变形，可提高VLSI的成品率。

④可提高器件性能。激光退火可使掺杂浓度超过固溶度，可做成超浅结，还可使掺杂原子的电激活率近于100%，这些都对器件性能的改进大有好处。

⑤可以提高集成密度、成品率和可靠性。如果采用微米甚至亚微米焦斑直径的激光束扫描，实现计算机控制的定域退火，就可更加精密、灵活地达到微电子和光电子器件制造的严格要求，使集成密度与器件性能都得以提高。

用脉冲激光对注入离子的薄膜多晶硅进行激光退火，可按要求精确控制杂质扩散，排除多晶硅热退火中出现的品粒界隙导致的远距离扩散的困扰，加上形成结的时候膜衬底不遭受高温冲击，激光退火对一些多晶硅薄膜器件的研制有特殊的应用价值。

激光退火还可用来清除衬底近表层由工艺过程引入的缺陷，由于掺杂浓度可超过平衡溶解度，薄层电阻可相应降低，这在一些半导体器件的研制中有明显的应用价值。

利用激光退火技术，只需常规的真空沉积设备在单晶硅基片上做成非晶硅淀积膜，然后再用脉冲激光退火，就可使非晶硅再生长转变成为单晶硅的外延膜。

此外，利用激光的加工技术还包括激光曝光、激光辅助沉积、准分子激光直写、激光冲击硬化法及激光清洗等。