1 何謂光

我們通常所謂的光，是指由紫外線，可見光，以至紅外線等所組成。波長較紫外線短的稱為X線，γ線，而波長較紅外線長的稱為電波。所有這些的總稱，一般稱為電磁波。所以光是電磁波的一部份。

2 何謂激光

激光之英文原名為Light Amplification by Simulated Emission of Radiation，簡稱為LASER，其中文意義為藉由電磁波之受激發(fā)射所產(chǎn)生之光放大，是近代科學(xué)研究中相當(dāng)重要的發(fā)明。

激光具有高功率密度高單色性，高指向性及高相干性等四大優(yōu)點(diǎn)，故普及應(yīng)用于研發(fā)醫(yī)療、通訊、信息、及工業(yè)等領(lǐng)域，可知激光不僅能造福人類，而且可以提升相關(guān)產(chǎn)業(yè)之整體發(fā)展。

3 激光的發(fā)射原理

在微觀世界（量子力學(xué)的世界），個別之原子或分子所具有能量（動能＋位能）（如圖一所示）僅能處于一系列不連續(xù)且分立的穩(wěn)定狀態(tài)，其中能量最低的狀態(tài)稱為基態(tài)（低能狀態(tài)）。

（圖一）微觀粒子的能階

雖然微觀粒子一般處于最低能量的基態(tài)，但若有能量（熱、光、電子）由外部加入于基態(tài)的微觀粒子時，微觀粒子會被激發(fā)，而移至高能量狀態(tài)（激態(tài)）。然而此激發(fā)狀態(tài)并不安定，隨后會有移至低能量狀態(tài)的趨向。例如，進(jìn)行E1→E0轉(zhuǎn)移時，會多余出E1→E0的能量。此多余的能量（E1→E0）會轉(zhuǎn)變成hv（h：蒲朗克常數(shù)，v：光的頻率），也就是所謂的光量子或光子（并不是全部均轉(zhuǎn)換為光，也可能變成熱能）。

位于高能階之原子，因光的受激而掉落至基態(tài)，因而發(fā)射出更強(qiáng)的光。此即激光發(fā)射之基本原理。激光不管是行進(jìn)方向或相位均整齊一致。這些觀念最初是由愛因斯坦所提出。（如圖二）

圖2 受激發(fā)射過程

光雖然由少數(shù)的激態(tài)原子受激而發(fā)射出來，但卻為存在于基態(tài)之大部份原子所吸收，因此受激發(fā)射之比例必須高于吸收之比例才能使激光發(fā)射。也就是說高能階之原子（分子）數(shù)要較位于低能階之原子（分子）數(shù)（反轉(zhuǎn)分布）多。（如圖三）一般而言此反轉(zhuǎn)分布若能恒常地進(jìn)行的話，則可產(chǎn)生連續(xù)振蕩的激光（例如He－Ne，氬，二氧化碳?xì)怏w等激光）。又若此反轉(zhuǎn)分布僅能瞬間實(shí)現(xiàn)的話，就成為脈沖振蕩的激光（例如：紅寶石、YAG、玻璃、氮、色素等激光）。激勵至激態(tài)的動作稱為『抽運(yùn)』，一般是利用放電、光、電子束、電流、激光等來進(jìn)行。但實(shí)際上，為能得到高強(qiáng)度的光，必須利用設(shè)置于兩側(cè)之光鏡將激光發(fā)射媒體夾于其間，使受激發(fā)射于此二片之光鏡間往復(fù)地進(jìn)行（共振器），產(chǎn)生出強(qiáng)光后才發(fā)射至外部。

圖三 反轉(zhuǎn)分布與定常數(shù)分布

4 激光加工的特色

(1) 如同電子束加工一樣，加工功率密度達(dá)107 w/㎝2 以上，可加工鉆石及超硬合金等硬脆材料，熱應(yīng)變及材料變質(zhì)微小。
(2) 電射光平行性良好，其點(diǎn)徑在理論上可集束成1μm以下，溫度高達(dá)10000℃以上，可進(jìn)行非常微細(xì)的熱熔化（Melting）及氣化（Vaporization）加工，不會影響鄰近區(qū)域材料的機(jī)械與熱磁性質(zhì)。
(3) 非接觸加工，不會污染材料且不會造成夾具之磨耗與破損，容易自動化加工。
(4) 可經(jīng)由透明體加工。
(5) 不需真空，不必防護(hù)X光，因而裝置較簡便，而且作業(yè)性良好。
(6) 適選加工條件，可進(jìn)行金屬材料之微小孔徑加工、精密熔接、精密切割及表面處理超合金合成，真空濺射及真空鍍膜等。
(7) 除了加工金屬工件外，亦可加工木材、陶瓷、塑料、紙等非金屬材料。

5激光之種類，特征與應(yīng)用例

注：(A)單色性 (B)同調(diào)性 (C)聚旋光性

6激光之應(yīng)用領(lǐng)域

(1)測量 (a)直線基準(zhǔn)(b)測距裝置(c)劃線
(2)量測 (a)精密的長度測定(b)激光雷達(dá)(c)都卜勒流速計(jì)(d)缺陷偵測(e)平面度測
(3)通信 光纖電纜通信
(4)信息處理 (a)光內(nèi)存(b)光計(jì)算尺(c)打印機(jī)(d)顯示器(e)激光盤
(5)醫(yī)療 (a)激光手術(shù)刀(b)眼睛檢查治療(c)皮膚的治療(d)癌治療
(6)能量 (a)核融合(b)電漿診斷
(7)加工 (a)鉆孔(b)切割(c)焊接(d)熱處理等

如圖所示:

7準(zhǔn)分子激光加工

(1)何謂準(zhǔn)分子激光

準(zhǔn)分子電射的英文為Excimer Laser，Excimer為Excited Dimer 英文的前半部字符所組成，其中文意義為被激發(fā)的雙原子氣體。

準(zhǔn)分子激光的氣體組成為惰性氣體原子，如He、Ne、Ar、Kr等與化學(xué)性質(zhì)較活潑的鹵素(halogen)原子，如F、Cl、Br等，相混合后以放電激發(fā)出高功率的紫外光。

(2)準(zhǔn)分子激光之特性

準(zhǔn)分子激光輸出紫外光，其光子能量（Photon energy）波長為（157nm~351nm)，以短波長直接破壞激光照射處的化學(xué)鍵，即工件吸收短波長的準(zhǔn)分子激光后，將材料內(nèi)部的鍵結(jié)直接打斷而完全破壞，與傳統(tǒng)激光的熔化、氣化加工不同。
大部份工作材料的吸收深度為數(shù)百埃（Angstrom 10-10m）因此每一脈沖（pulse）移除深度μm以下的工件材料表層，而多余的激光能量被移除的工件材料帶走，熱影響區(qū)較小，所以準(zhǔn)分子激光加工可視為冷加工。

(3)重要的準(zhǔn)分子激光的種類及其波長

氣體種類 波長（nm）
F2 157
ArF 193
KrCl 222
KrF 248
XeCl 308
XeF 351

(4)準(zhǔn)分子激光之應(yīng)用

準(zhǔn)分子激光在1970年代就已研發(fā)成功，目前已廣泛地應(yīng)用在科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用方面，如鉆孔、標(biāo)記（marking）、表面處理、激光化學(xué)氣相沉積（C.V.D），物理氣相沉積（P.V.D），磁頭與光學(xué)鏡片和硅晶圓的清潔等方面，目前準(zhǔn)分子激光又是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）相關(guān)微制造技術(shù)（LIGA）(Lithography + Electroforming + Micro molding 光蝕刻 + 電鑄 + 微成型的組合制程)制程中的替代性光源，以光刻術(shù)制造微組件。

內(nèi)存IC內(nèi)部的線徑與所使用的波長有0.7的比例關(guān)系，例如波長248nm的KrF準(zhǔn)分子激光便可以制造0.18μ m線徑的內(nèi)存IC。

半導(dǎo)體工業(yè)若想要往深次微米，甚至奈米級的制程發(fā)展，那么波長較短的紫外光激光甚至超紫外光激光被應(yīng)用的機(jī)率會更大，然而制造微結(jié)構(gòu)組件的紫外光激光通常都是準(zhǔn)分子激光，其價格相當(dāng)昂貴，因此許多研究人員希望藉由晶體倍頻技術(shù)產(chǎn)生價格較便宜的紫外光激光。

利用非線性光學(xué)（Nonlinear Optics）晶體將固態(tài)激光加以倍頻，以得到紫外光激光的研究目前相當(dāng)熱門。

日本三菱電機(jī)于1998年研發(fā)出倍頻紫外光固態(tài)激光，采用紅外光半導(dǎo)體激光做為激發(fā)光源，經(jīng)過倍頻晶體兩次倍頻后產(chǎn)生266nm的紫外光，其功率為20W，為目前業(yè)界最高水平。
新力（Sony）公司也于1998年發(fā)展出超紫外光激光，系將波長532nm綠光激光經(jīng)過晶體倍頻后產(chǎn)生波長266nm的超紫外光，使用壽命達(dá)到5000小時。

8 激光清掃法（Laser Broom Technique）

目前的化學(xué)溶液清洗法無法完全去除0.25μm，0.18μm制程以下所產(chǎn)生余留在芯片表面上的微粒。激光清掃技術(shù)的原理是利用波長248nm的準(zhǔn)分子激光照射，待清洗芯片之表面，并加入適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)氣體，則污染物會與氣體發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)（Photo Chemical Reaction），進(jìn)而生成中間產(chǎn)物而揮發(fā)掉。

9 激光三角測距技術(shù)

激光三角測距原理（如圖所示）乃是藉由投影點(diǎn)光源至待測物表面及三角關(guān)系以計(jì)算出待測物與光源的距離，待測物在B1時，其表面上的散射或反射光在位移檢測器上成像C1，同理，當(dāng)待測物在B2時，成像為C2由C1-C2間的距離可以推測位移量D。目前這種方法常用在精密模具業(yè)或半導(dǎo)體電子業(yè)之IC，SMT電路板檢測。

激光三角測距法

Reference：
1. Modern materials and Manufacturing Processes. (高立)
2. Materials and Processes in Manufacturing. （高立）
3. 精密工作便覽（日本精密工學(xué)會）
4. 準(zhǔn)分子激光加工特性與加工機(jī)規(guī)格王述宜（1997.12 機(jī)械月刊）
5. 激光之發(fā)生及其應(yīng)用陳建銘（1998.9 金屬工業(yè)）
6. 1998年激光與其它光電應(yīng)用產(chǎn)業(yè)及技術(shù)動態(tài)調(diào)查 （1999年國科會及光電科技工業(yè)協(xié)進(jìn)會）