專利名稱：一種對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光鍍層處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)， 在控制鍍層的厚度和鍍線的寬窄尺度有著高自由度的調(diào)控，可以獲得精細(xì)的鍍層質(zhì)量。本發(fā)明適用于激光電鍍、激光化學(xué)鍍、激光刻蝕、激光微融覆的處理過(guò)程。
背景技術(shù)：
由于激光具有高能量密度、高單色性以及良好的相干性、方向性等許多無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，使其在表面處理技術(shù)中的應(yīng)用越來(lái)越引人注目。在金屬、半導(dǎo)體和高聚物上進(jìn)行激光誘導(dǎo)鍍層處理近年來(lái)引起了人們的極大注意，這種工藝在微電子電路的制作及修復(fù)中有廣闊的應(yīng)用前景。
普通鍍層處理發(fā)生在整個(gè)電極基體上，鍍層處理速度慢，難以形成復(fù)雜和精細(xì)的圖案。激光誘導(dǎo)鍍層處理與其相比具有明顯的優(yōu)越性。首先，激光的控制能力強(qiáng)。激光誘導(dǎo)反應(yīng)只發(fā)生在光照區(qū)，能實(shí)現(xiàn)金屬在非金屬上勿需掩模、微米量級(jí)的直接局域鍍覆，進(jìn)行無(wú)屏蔽描圖，簡(jiǎn)化工藝并節(jié)約大量貴重金屬。其次，激光誘導(dǎo)鍍層處理可獲得較高的金屬沉積速度，鍍層生長(zhǎng)速率可提高三個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)，激光鍍層處理還可改善沉積層的質(zhì)量，其沉積層表面更加平整，顆粒大小均勻、規(guī)則，分布致密。激光照射使得金屬晶核的形成速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其生產(chǎn)速度，從而其形成的晶粒較細(xì)；激光照射產(chǎn)生的高溫有助于金屬原子的表面擴(kuò)散過(guò)程，使鍍層原子有著較為整齊的排列。
激光鍍層處理以其高耐熱、高電導(dǎo)和易焊接等優(yōu)良性能得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。對(duì)于形狀復(fù)雜、寬度可調(diào)的電路設(shè)計(jì)、電路修復(fù)和在微電子連接器部件上的局部沉積， 激光誘導(dǎo)鍍層處理可發(fā)揮的作用越來(lái)越大。
激光鍍層處理的過(guò)程實(shí)際上就是金屬顆粒的形成過(guò)程，其生長(zhǎng)規(guī)律和形貌依賴于各種工藝參數(shù)，如與激光功率、掃描速率、照射時(shí)間、光斑直徑、溶液的成分及濃度、襯底的表面處理等工藝參數(shù)和試驗(yàn)條件有關(guān)。激光照射能提高成核的速度，使結(jié)晶顆粒細(xì)小致密。 激光產(chǎn)生的熱效應(yīng)也起局部清潔基體表面的作用，因此在難鍍的基體上能得到結(jié)合緊密的鍍層。
本發(fā)明采用的激光鍍層處理系統(tǒng)使用了不同的激光脈沖，兩脈沖之間有固定的延時(shí)，從而主脈沖形成的鍍層產(chǎn)物能夠吸收從脈沖的能量，這樣得到的就是一個(gè)經(jīng)過(guò)修正的激光鍍層加工過(guò)程，該過(guò)程比傳統(tǒng)的激光鍍層處理(采用連續(xù)激光和單個(gè)脈沖激光)效率更高，可以獲得精細(xì)的鍍層質(zhì)量，在控制鍍層的厚度和鍍線的寬窄尺度，有著高自由度的調(diào)控。不同激光脈沖之間有延時(shí)使鍍層處理材料可以充分吸收激光的熱效應(yīng)，提高鍍層處理的可控度和精度。本發(fā)明脈沖加工方式要求激光脈沖有不同的到達(dá)時(shí)間，脈沖之間的時(shí)間延遲非常重要。進(jìn)一步，不同脈沖也可具有不同的工作波長(zhǎng)。此外，不同脈沖的選擇和優(yōu)化必須針對(duì)鍍層材料的特性，這決定了激光脈沖被鍍層材料最終的吸收效率。發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光鍍層的精細(xì)加工。
( 二 )技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，包括
第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2，用于提供進(jìn)行激光電鍍的第一激光脈沖和第二激光脈沖；
第一衰減器3和第二衰減器4，用于調(diào)整第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2的輸出功率，防止損傷鍍層處理材料；
第一電子快門5和第二電子快門6，用于分別控制第一激光脈沖與第二激光脈沖的通斷和照射時(shí)間；
第一擴(kuò)束鏡7和第二擴(kuò)束鏡8，用于分別擴(kuò)展第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器 2的激光束直徑，減小激光束的發(fā)散角；
反射鏡9和合束器10，該反射鏡9通過(guò)合束器10將第一激光脈沖與第二激光脈沖匯為一路激光光束；
CXD實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)11，用于實(shí)時(shí)觀測(cè)待處理樣品基底15 ；
光學(xué)振鏡12,用于移動(dòng)激光光束的位置,控制激光光束的掃描速度；
聚焦物鏡13和反射鏡14，聚焦物鏡13通過(guò)反射鏡14將激光光束聚焦在待處理樣品基底15的表面；
電解池16,用于放置電解液,待處理樣品基底15放置在電解池16中并與三維移動(dòng)臺(tái)17連接；
三維移動(dòng)臺(tái)17，用于放置并調(diào)整待處理樣品基底15的位置；和
延遲控制器18，連接于第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2，控制第一脈沖激光器I發(fā)射的第一激光脈沖與第二激光脈沖激光器2發(fā)射的第二脈沖之間具有一個(gè)時(shí)間延遲。
上述方案中，所述第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2均連接于延遲控制器18， 第一激光脈沖和第二激光脈沖的脈沖寬度、波長(zhǎng)均是相同或不相同，第一激光脈沖和第二激光脈沖的重復(fù)頻率相同或者成固定的比例關(guān)系。該第一激光脈沖和第二激光脈沖的波長(zhǎng)范圍從100nm-2ym，重復(fù)頻率從ΙΗζ-ΙΟΟΜΗζ，脈沖寬度從毫秒到飛秒。
上述方案中，該第一激光脈沖與第二激光脈沖匯成的激光光束依次經(jīng)過(guò)光學(xué)振鏡 12和聚焦物鏡13，并被反射鏡14反射至待處理樣品基底15上。
上述方案中，所述延遲控制器18通過(guò)電調(diào)制或光調(diào)制的方式控制第一脈沖激光器I發(fā)射的第一激光脈沖與第二脈沖激光器2發(fā)射的第二激光脈沖之間具有一個(gè)時(shí)間延遲。
上述方案中，所述電調(diào)制是通過(guò)用電信號(hào)給第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器 2不用時(shí)間延遲觸發(fā)信號(hào)，使第一激光脈沖和第二激光脈沖之間有一定的時(shí)間延遲。
上述方案中，所述光調(diào)制是通過(guò)改變第一激光脈沖和第二激光脈沖之間的光程差，從而實(shí)現(xiàn)第一激光脈沖和第二激光脈沖之間有一定的時(shí)間延遲。
上述方案中，所述第一激光脈沖和第二激光脈沖之間的時(shí)間延遲小于第一脈沖激光器發(fā)射脈沖間隔的1/2。
上述方案中，所述第一衰減器3和第二衰減器4調(diào)整第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2的輸出功率，將焦點(diǎn)處的峰值功率控制在105W/cm2到109W/cm2。
上述方案中，所述光學(xué)振鏡12將激光光束的掃描速度控制在O到lOcm/s范圍內(nèi)， 移動(dòng)范圍控制在IOnm-IOOcm的范圍內(nèi)。
上述方案中，所述第一電子快門5和第二電子快門6分別控制第一激光脈沖與第二激光脈沖的通斷和照射時(shí)間從I μ s到100s。
上述方案中，所述電解池用來(lái)盛放電解液，電解液中含有用來(lái)做鍍層處理的材料， 并將其附著在待處理樣品基底15上，適用于激光電鍍和激光刻蝕。
上述方案中，所述電解池用來(lái)盛放化學(xué)鍍液，化學(xué)鍍液中含有用來(lái)做鍍層處理的材料，并將其附著在待處理樣品基底15上，適用于激光化學(xué)鍍。
上述方案中，所述電解池用來(lái)盛放電子漿料，電子漿料含有用來(lái)做鍍層處理的材料，并將其附著在待處理樣品基底15上，適用于激光微融覆。
上述方案中，該系統(tǒng)還包括脈沖電鍍電源，用于為電解池的正極和負(fù)極提供電壓。
上述方案中，采用分束器19代替發(fā)射第二激光脈沖的第二脈沖激光器2。
(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
I、傳統(tǒng)激光鍍層處理技術(shù)照射到目標(biāo)材料的激光能量，采用連續(xù)波或者單個(gè)脈沖，本發(fā)明提供的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，則精密的將激光能量在時(shí)間上和空間上分成不同的脈沖，為精密控制鍍層生長(zhǎng)提供了多自由度的控制手段，具有高的電鍍速度和高的空間分辨率。
2、本發(fā)明提供的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，由于采用不同激光脈沖互相匹配， 可使鍍層生長(zhǎng)效率和鍍層材料流動(dòng)狀況的得到更佳的改善，相應(yīng)地減少了鍍層處理的作用時(shí)間，就使鍍層周圍聚集的熱能可控。熱能的過(guò)量沉積會(huì)導(dǎo)致冶金學(xué)方面的變化，如顆粒生長(zhǎng)導(dǎo)致的鍍層或鍍線不均勻，鍍層過(guò)厚等問(wèn)題。本發(fā)明可較好的解決這一問(wèn)題。
3、本發(fā)明提供的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，可通過(guò)不同激光脈沖之間匹配相宜的參數(shù)條件，如時(shí)間延遲量、波長(zhǎng)、脈寬及重復(fù)頻率，優(yōu)化激光脈沖與鍍層材料的熱吸收，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光鍍層處理的高效精細(xì)加工。
4、比起傳統(tǒng)方式采用的連續(xù)激光和單個(gè)脈沖激光，本發(fā)明提供的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，采用的脈沖匹配激光鍍層處理方法可獲得比傳統(tǒng)方式更快的加工速度，同時(shí)具有高的加工質(zhì)量。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)的示意圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)的示意圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例采用光調(diào)制方式的時(shí)延控制器的原理圖。
圖4 (a)是單脈沖的時(shí)間發(fā)生序列；
圖4(b)是第一激光脈沖與第二激光脈沖的時(shí)間發(fā)生序列；
圖5(a)是單脈沖的能量分布；
圖5(b)是第一激光脈沖與第二激光脈沖的能量疊加分布。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
下面將參照附圖結(jié)合本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。在下面的說(shuō)明中，提供許多具體的細(xì)節(jié)例如對(duì)光學(xué)元件的說(shuō)明以便于對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的全面了解。然而，本發(fā)明不僅適用于一個(gè)或多個(gè)具體的描述，且適用于其他參數(shù)和材料等。說(shuō)明書下文中所列舉的實(shí)施例是示意性的而非限制性的。
激光器輸出的激光束經(jīng)透鏡聚焦后投射到陰極表面，在陰極附近的微小區(qū)域里形成極高的光功率密度。受光照的陰極材料吸收激光能量后，使電解液陰極界面附近的局部微小區(qū)域里的溫度驟然升高，產(chǎn)生陡峭的溫度梯度并在電解液中引起強(qiáng)烈對(duì)流，從而攪拌了溶液。溫升和攪拌造成局部區(qū)域里離子遷移率增加，陰極還原反應(yīng)增強(qiáng)和平衡電位正向漂移，造成局部范圍里電化學(xué)反應(yīng)大大增強(qiáng)，導(dǎo)致在陰極表面局部受光照區(qū)域沉積過(guò)程的劇烈加速。這種對(duì)激光引發(fā)的鍍層處理增強(qiáng)效應(yīng)的理論解釋稱為激光鍍層處理的熱模型。
激光誘導(dǎo)鍍層處理的沉積質(zhì)量和速率的影響因素較多，主要的因素有激光功率、 照射時(shí)間、溶液的成分和濃度、襯底的前處理和選擇等。
由于本發(fā)明采用了主脈沖和從脈沖兩種不同的激光脈沖，主脈沖和從脈沖之間有固定的延時(shí)，從而主脈沖形成的鍍層產(chǎn)物能夠吸收從脈沖的能量，這樣得到的就是一個(gè)經(jīng)過(guò)修正的激光鍍層加工過(guò)程，該過(guò)程比傳統(tǒng)的激光鍍層處理效率更高，可以獲得精細(xì)的鍍層質(zhì)量，在控制鍍層的厚度和鍍線的寬窄尺度，有著高自由度的調(diào)控。主脈沖和從脈沖之間有延時(shí)使鍍層處理材料可以充分吸收激光的熱效應(yīng)，提高鍍層處理的可控度和精度。本發(fā)明脈沖加工方式要求激光脈沖有不同的到達(dá)時(shí)間，脈沖之間的時(shí)間延遲非常重要。
進(jìn)一步，不同脈沖也可具有不同的工作波長(zhǎng)。激光脈沖包含不同波長(zhǎng)的工作方式為，第一脈沖的第一波長(zhǎng)使部分鍍層材料從溶液中析出，第二脈沖的第二波長(zhǎng)進(jìn)一步提高熱效應(yīng)，對(duì)第一脈沖進(jìn)行輔助處理，這樣就能夠很好地加工通常僅對(duì)第一脈沖敏感的材料， 而且加工所需的輸入功率大大降低，加工速度得到提高，加工質(zhì)量也更好。此外，不同脈沖的選擇和優(yōu)化必須針對(duì)鍍層材料的特性，這決定了激光脈沖被鍍層材料最終的吸收效率。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖I給出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2、第一衰減器3和第二衰減器4、第一電子快門5和第二電子快門6、第一擴(kuò)束鏡7和第二擴(kuò)束鏡8、反射鏡9、合束器10、CXD實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)11、光學(xué)振鏡12、聚焦物鏡13、反射鏡14，待處理樣品基底15、電解池16、三維移動(dòng)臺(tái) 17和延遲控制器18。
第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2連接延遲控制器18，第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2可選擇不同的參數(shù)，如波長(zhǎng)、脈寬、輸出功率等，重復(fù)頻率需保持一致，或者成固定的比例關(guān)系。延遲控制器18通過(guò)電調(diào)制的方式控制第一脈沖激光器I發(fā)射的第一脈沖與第二脈沖激光器2發(fā)射的第二脈沖之間具有一個(gè)時(shí)間延遲，該時(shí)間延遲小于第一脈沖激光器I發(fā)射脈沖間隔的1/2。第一衰減器3和第二衰減器4可進(jìn)一步調(diào)整第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2的輸出功率，防止損傷鍍層處理材料。第一電子快門5和第二電子快門6可分別控制第一脈沖與第二脈沖的通斷和照射時(shí)間；第一擴(kuò)束鏡7和第二擴(kuò)束鏡8分別擴(kuò)展第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2的激光束直徑，減小激光束的發(fā)散角。反射鏡9通過(guò)合束器10將第一脈沖與第二脈沖匯為一路激光光束，該激光光束依次經(jīng)過(guò)光學(xué)振鏡12和聚焦物鏡13,并被反射鏡14反射至待處理樣品基底15上。光學(xué)振鏡12 可在電腦控制下移動(dòng)激光光束的位置，控制激光光束的掃描速度。聚焦物鏡13通過(guò)反射鏡 14將激光光束聚焦在待處理樣品基底15的表面。待處理樣品基底15放置在電解池16中并與三維移動(dòng)臺(tái)17連接，三維移動(dòng)臺(tái)17用來(lái)放置并調(diào)整鍍層處理基底的位置。CXD實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)11實(shí)時(shí)觀測(cè)加工的鍍層樣品。
其中，所述延遲控制器18通過(guò)電調(diào)制或光調(diào)制的方式控制第一脈沖激光器I發(fā)射的第一激光脈沖與第二脈沖激光器2發(fā)射的第二激光脈沖之間具有一個(gè)時(shí)間延遲。所述電調(diào)制是通過(guò)用電信號(hào)給第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2不用時(shí)間延遲觸發(fā)信號(hào)，使第一激光脈沖和第二激光脈沖之間有一定的時(shí)間延遲。所述光調(diào)制是通過(guò)改變第一激光脈沖和第二激光脈沖之間的光程差，從而實(shí)現(xiàn)第一激光脈沖和第二激光脈沖之間有一定的時(shí)間延遲。所述第一激光脈沖和第二激光脈沖之間的時(shí)間延遲小于第一脈沖激光器發(fā)射脈沖間隔的1/2。第一激光脈沖和第二激光脈沖的重復(fù)頻率需保持一致，或者成固定的比例關(guān)系，才能保持固定的時(shí)間延遲。
第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2，用于提供第一激光脈沖與第二激光脈沖； 波長(zhǎng)范圍從IOOnmjym,重復(fù)頻率從ΙΗζ-ΙΟΟΜΗζ，脈沖的寬度從毫秒到飛秒，輸出平均功率在lmW-50W范圍。第一激光脈沖和第二激光脈沖的波長(zhǎng)必須選擇在鍍層處理的基底能吸收而溶液不吸收的波段。所述第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2均連接于延遲控制器 18，第一激光脈沖和第二激光脈沖的脈沖寬度、波長(zhǎng)均是相同或不相同，第一激光脈沖和第二激光脈沖的重復(fù)頻率相同或者成固定的比例關(guān)系。該第一激光脈沖和第二激光脈沖的波長(zhǎng)范圍從100nm-2 μ m,重復(fù)頻率從ΙΗζ-ΙΟΟΜΗζ，脈沖寬度從毫秒到飛秒。該第一激光脈沖與第二激光脈沖匯成的激光光束依次經(jīng)過(guò)光學(xué)振鏡12和聚焦物鏡13，并被反射鏡14反射至待處理樣品基底15上。
所述第一衰減器3和第二衰減器4調(diào)整第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2的輸出功率，將焦點(diǎn)處的峰值功率控制在105W/cm2到109W/cm2。所述光學(xué)振鏡12將激光光束的掃描速度控制在O到10cm/s范圍內(nèi)，移動(dòng)范圍控制在IOnm-IOOcm的范圍內(nèi)。所述第一電子快門5和第二電子快門6分別控制第一激光脈沖與第二激光脈沖的通斷和照射時(shí)間從 I μ s 至Ij 100s。
所述電解池用來(lái)盛放電解液，電解液中含有用來(lái)做鍍層處理的材料，并將其附著在待處理樣品基底15上，適用于激光電鍍和激光刻蝕。所述電解池用來(lái)盛放化學(xué)鍍液，化學(xué)鍍液中含有用來(lái)做鍍層處理的材料，并將其附著在待處理樣品基底15上，適用于激光化學(xué)鍍。所述電解池用來(lái)盛放電子漿料，電子漿料含有用來(lái)做鍍層處理的材料，并將其附著在待處理樣品基底15上，適用于激光微融覆。
針對(duì)圖I所示的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)的示意圖，下面詳細(xì)描述對(duì)圖I所示的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的過(guò)程。
I)打開第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2電源，第一激光脈沖和第二激光脈沖的波長(zhǎng)須選擇待處理樣品基底15能吸收而溶液不吸收的波段。輸出平均功率在lmW-50W 范圍內(nèi)，波長(zhǎng)在IOOnm到2um范圍內(nèi)，脈寬從毫秒到飛秒，重復(fù)頻率從IHz到IOOMHz。
2)調(diào)節(jié)第一激光脈沖和第二激光脈沖的時(shí)間延遲，時(shí)間延遲小于第一脈沖激光器 I發(fā)射第一激光脈沖間隔的1/2。第一激光脈沖和第二激光脈沖的重復(fù)頻率需保持一致，或者成固定的比例關(guān)系，才能保持固定的時(shí)間延遲。
3)調(diào)節(jié)第一擴(kuò)束鏡7和第二擴(kuò)束鏡8、反射鏡9、合束器10、(XD實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)11、 聚焦物鏡13和反射鏡14等，操縱移動(dòng)光學(xué)振鏡12和三維移動(dòng)臺(tái)17，使第一脈沖與第二脈沖匯合成的激光光束聚焦在待鍍層處理的加工基底表面的同一處。由于采用不同激光脈沖的熱效應(yīng)疊加，選擇性地在基底表面直接進(jìn)行無(wú)掩膜的鍍層處理，選擇熱傳導(dǎo)性稍差的材料要比熱傳導(dǎo)性好的材料有優(yōu)勢(shì)，吸收不同時(shí)間到達(dá)的脈沖局部上升溫度差更高，反應(yīng)速度更快，效果更明顯，但要注意材料的損傷閾值。
4)通過(guò)第一衰減器3和第二衰減器4將焦點(diǎn)處的峰值功率控制在105W/cm2到 109ff/cm2,使激光能量小于材料的損傷閾值和電解液的汽化閾值。
5)通過(guò)光學(xué)振鏡12控制激光掃描速度從O到lOcm/s，激光光束在IOnm-IOOcm 的范圍內(nèi)移動(dòng)；第一電子快門5和第二電子快門6控制激光脈沖通斷及照射時(shí)間I μ S到 100s，進(jìn)行有多激光脈沖直寫鍍層處理。
圖2給出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)與圖I中的系統(tǒng)不同之處為采用分束器19代替了發(fā)射第二脈沖的第二脈沖激光器 2，并且延遲控制器18采用光學(xué)調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲，其實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示，而圖I 中的延遲控制器18是采用電調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲。圖2所示實(shí)施例中其他結(jié)構(gòu)與圖 I中的均相同。
圖3中光調(diào)制時(shí)間延遲器由兩對(duì)垂直放置的反射鏡構(gòu)成，調(diào)節(jié)兩對(duì)反射鏡的距離，可達(dá)到控制時(shí)間延遲的目的。電調(diào)制時(shí)間延遲器的主控振蕩器按觸發(fā)方式工作，分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖，產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的電信號(hào)控制激光器輸出。
圖4比較了(a)傳統(tǒng)方式單脈沖的時(shí)間發(fā)生序列和(b)本發(fā)明的多脈沖加工方式第一激光脈沖與第二激光脈沖的發(fā)生序列，可以看到多脈沖的加工方式提供了修正的激光鍍層加工過(guò)程，在控制鍍層的厚度和鍍線的寬窄尺度，有著高自由度的調(diào)控。圖5顯示了(a)傳統(tǒng)方式中單脈沖的能量分布，以及(b)本發(fā)明的多脈沖加工方式中，第一激光脈沖與第二激光脈沖的能量疊加分布，可以看到多脈沖的加工方式在一個(gè)周期內(nèi)的能量分布更為集中，比傳統(tǒng)的激光鍍層處理效率更高。
本發(fā)明提供的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的方法是基于本發(fā)明提供的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。
實(shí)施例I
實(shí)施例I是結(jié)合圖I對(duì)本發(fā)明提供的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明的。
第一脈沖激光器I為調(diào)Q的YAG倍頻激光器輸出的激光束波長(zhǎng)為532nm，平均功率為350mW，脈寬為100ns，聚焦后光斑直徑為500um，工作頻率200KHz ;第二脈沖激光器2為調(diào)Q的YAG倍頻激光器輸出的激光束波長(zhǎng)為355nm，平均功率為200mW，脈寬為50ns，聚焦后光斑直徑為300um，工作頻率200KHz。
第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2連接延遲控制器18，延遲控制器18通過(guò)電調(diào)制的方式控制第一脈沖激光器I發(fā)射的第一脈沖與第二脈沖激光器2發(fā)射的第二脈沖之間具有一個(gè)時(shí)間延遲，該時(shí)間延遲為100ns。第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2可選擇不同的參數(shù)，如波長(zhǎng)、脈寬、輸出功率等。第一衰減器3和第二衰減器4可進(jìn)一步調(diào)整第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2的輸出功率，防止損傷鍍層處理材料。第一電子快門5和第二電子快門6可分別控制第一脈沖與第二脈沖的通斷和照射時(shí)間；第一擴(kuò)束鏡7 和第二擴(kuò)束鏡8分別擴(kuò)展第一脈沖激光器I和第二脈沖激光器2的激光束直徑，減小激光束的發(fā)散角。反射鏡9通過(guò)合束器10將第一脈沖與第二脈沖匯為一路激光光束，該激光光束依次經(jīng)過(guò)光學(xué)振鏡12和聚焦物鏡13，并被反射鏡14反射至待處理樣品基底15上。光學(xué)振鏡12可在電腦控制下移動(dòng)激光光束的位置，控制激光光束的掃描速度，使激光光束在 IOnm-IOOcm的范圍內(nèi)移動(dòng)。
聚焦物鏡13通過(guò)反射鏡14將激光光束聚焦在待處理樣品基底15的表面。待處理樣品基底15放置在電解池16中并與三維移動(dòng)臺(tái)17連接。電解池16側(cè)方為通光窗口， 待處理樣品基底15固定在三維移動(dòng)臺(tái)17上。在電解池16的陰極和陽(yáng)極之間施加直流電壓，由直流穩(wěn)壓電源供電。激光光束經(jīng)過(guò)聚焦后照射在陰極上，陰極為預(yù)鍍有鎳薄膜的玻璃基片，陽(yáng)極為金屬鉬片。電解液為硫酸銅水溶液，對(duì)532nm激光有良好透明性。三維移動(dòng)臺(tái) 17用來(lái)放置或移動(dòng)鍍層處理基底，在IOnm-IOOcm范圍內(nèi)移動(dòng)。CXD實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)11實(shí)時(shí)觀測(cè)加工的鍍層樣品。
實(shí)施例2
實(shí)施例2是結(jié)合圖2對(duì)本發(fā)明提供的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明的。
第一脈沖激光器I為調(diào)Q的YAG倍頻激光器輸出的激光束波長(zhǎng)為532nm，平均功率為350mW，脈寬為50ns，聚焦后光斑直徑為500um，工作頻率200kHz。采用分束器19分出第二束激光，利用空間光學(xué)時(shí)間延遲器，調(diào)整圖3中兩對(duì)反射鏡的相對(duì)位置，使第一激光脈沖和第二激光脈沖之間的間隔為100ns。其他操作步驟同實(shí)施例I
本發(fā)明提供對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光鍍層的精細(xì)加工。激光鍍層處理可以精確控制的激光精細(xì)加工方法及系統(tǒng)。通過(guò)利用與待加工的材料的吸收特性匹配的脈沖和波長(zhǎng)的激光束實(shí)現(xiàn)材料對(duì)激光熱效應(yīng)的充分吸收，取得理想的鍍層處理結(jié)果。
由于采用不同激光脈沖的熱效應(yīng)疊加，選擇性地在基底表面直接進(jìn)行無(wú)掩膜的鍍層處理，選擇熱傳導(dǎo)性稍差的材料要比熱傳導(dǎo)性好的材料有優(yōu)勢(shì)，吸收不同時(shí)間到達(dá)的脈沖局部上升溫度差更高，反應(yīng)速度更快，效果更明顯，但要注意材料的損傷閾值。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，包括 第一脈沖激光器(I)和第二脈沖激光器(2)，用于提供進(jìn)行激光電鍍的第一激光脈沖和第二激光脈沖； 第一衰減器(3)和第二衰減器(4)，用于調(diào)整第一脈沖激光器(I)和第二脈沖激光器(2)的輸出功率，防止損傷鍍層處理材料； 第一電子快門(5)和第二電子快門￠)，用于分別控制第一激光脈沖與第二激光脈沖的通斷和照射時(shí)間； 第一擴(kuò)束鏡(7)和第二擴(kuò)束鏡(8)，用于分別擴(kuò)展第一脈沖激光器(I)和第 二脈沖激光器(2)的激光束直徑，減小激光束的發(fā)散角； 反射鏡(9)和合束器(10)，該反射鏡(9)通過(guò)合束器(10)將第一激光脈沖與第二激光脈沖匯為一路激光光束； CCD實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)(11)，用于實(shí)時(shí)觀測(cè)待處理樣品基底(15)； 光學(xué)振鏡(12),用于移動(dòng)激光光束的位置,控制激光光束的掃描速度； 聚焦物鏡(13)和反射鏡(14)，聚焦物鏡(13)通過(guò)反射鏡(14)將激光光束聚焦在待處理樣品基底(15)的表面； 電解池(16)，用于放置電解液，待處理樣品基底(15)放置在電解池16中并與三維移動(dòng)臺(tái)(17)連接； 三維移動(dòng)臺(tái)(17)，用于放置并調(diào)整待處理樣品基底(15)的位置；和延遲控制器(18)，連接于第一脈沖激光器(I)和第二脈沖激光器(2)，控制第一脈沖激光器(I)發(fā)射的第一激光脈沖與第二激光脈沖激光器(2)發(fā)射的第二脈沖之間具有一個(gè)時(shí)間延遲。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一脈沖激光器(I)和第二脈沖激光器(2)均連接于延遲控制器(18)，第一激光脈沖和第二激光脈沖的脈沖寬度、波長(zhǎng)均是相同或不相同，第一激光脈沖和第二激光脈沖的重復(fù)頻率相同或者成固定的比例關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，該第一激光脈沖和第二激光脈沖的波長(zhǎng)范圍從100nm-2 μ m,重復(fù)頻率從ΙΗζ-ΙΟΟΜΗζ，脈沖寬度從毫秒到飛秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，該第一激光脈沖與第二激光脈沖匯成的激光光束依次經(jīng)過(guò)光學(xué)振鏡(12)和聚焦物鏡(13)，并被反射鏡(14)反射至待處理樣品基底(15)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述延遲控制器(18)通過(guò)電調(diào)制或光調(diào)制的方式控制第一脈沖激光器(I)發(fā)射的第一激光脈沖與第二脈沖激光器(2)發(fā)射的第二激光脈沖之間具有一個(gè)時(shí)間延遲。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述電調(diào)制是通過(guò)用電信號(hào)給第一脈沖激光器(I)和第二脈沖激光器(2)不用時(shí)間延遲觸發(fā)信號(hào)，使第一激光脈沖和第二激光脈沖之間有一定的時(shí)間延遲。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述光調(diào)制是通過(guò)改變第一激光脈沖和第二激光脈沖之間的光程差，從而實(shí)現(xiàn)第一激光脈沖和第二激光脈沖之間有一定的時(shí)間延遲。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一激光脈沖和第二激光脈沖之間的時(shí)間延遲小于第一脈沖激光器發(fā)射脈沖間隔的1/2。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一衰減器(3)和第二衰減器(4)調(diào)整第一脈沖激光器(I)和第二脈沖激光器(2)的輸出功率，將焦點(diǎn)處的峰值功率控制在105W/cm2到109W/cm2。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)振鏡(12)將激光光束的掃描速度控制在O到lOcm/s范圍內(nèi)，移動(dòng)范圍控制在IOnm-IOOcm的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電子快門(5)和第二電子快門(6)分別控制第一激光脈沖與第二激光脈沖的通斷和照射時(shí)間從I μ s 至Ij 100s。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述電解池用來(lái)盛放電解液，電解液中含有用來(lái)做鍍層處理的材料，并將其附著在待處理樣品基底(15)上，適用于激光電鍍和激光刻蝕。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述電解池用來(lái)盛放化學(xué)鍍液，化學(xué)鍍液中含有用來(lái)做鍍層處理的材料，并將其附著在待處理樣品基底(15)上,適用于激光化學(xué)鍍。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述電解池用來(lái)盛放電子漿料，電子漿料含有用來(lái)做鍍層處理的材料，并將其附著在待處理樣品基底(15)上，適用于激光微融覆。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括 脈沖電鍍電源，用于為電解池的正極和負(fù)極提供電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求I至15中任一項(xiàng)所述的對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，其特征在于，采用分束器(19)代替發(fā)射第二激光脈沖的第二脈沖激光器(2)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對(duì)激光鍍層進(jìn)行處理的系統(tǒng)，包括第一脈沖激光器(1)和第二脈沖激光器(2)、第一衰減器(3)和第二衰減器(4)、第一電子快門(5)和第二電子快門(6)、第一擴(kuò)束鏡(7)和第二擴(kuò)束鏡(8)、反射鏡(9)、合束器(10)、CCD實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)(11)、光學(xué)振鏡(12)、聚焦物鏡(13)、反射鏡(14)，待處理樣品基底(15)、電解池(16)、三維移動(dòng)臺(tái)(17)和延遲控制器(18)。本發(fā)明通過(guò)利用與待加工的材料的吸收特性匹配的脈沖和波長(zhǎng)的激光束實(shí)現(xiàn)材料對(duì)激光熱效應(yīng)的充分吸收，取得理想的鍍層處理結(jié)果。本發(fā)明適用于激光電鍍、激光化學(xué)鍍、激光刻蝕、激光微融覆的處理過(guò)程。
文檔編號(hào)C23C24/10GK102925938SQ20121034236
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者林學(xué)春, 楊盈瑩, 趙樹森, 于海娟 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所