｜短脈衝雷射應用技術專輯主編前言

2010年適逢雷射問世五十週年，六月中旬在德國斯圖加特（Stuttgart）舉辦的雷射精密製造研討會LPM 2010研討會中，有講者作雷射歷史回顧時，提及約1957年開始有雷射雛型構想初步討論，1960年誕生第一台雷射，1970年產出較像樣的商品化雷射，1980年初日本政府於全球最先官方投資雷射在工業材料處理，1980年末德國政府開始小額補助工業製造，以創造市場需求及新供應商，全球第一項應用是金屬薄版切割開始於1980年中期，目前已佔全球50%的市場，1990年工業雷射及系統市場與供應商開始成長，當時雷射系統銷售額不到10億美金，2008年則成長到超過60億美金，複合年成長率約10.5%；以雷射與太陽電池等例子來看，一項技術從發明開始到普及化通常約需經過50到60年，而日本與德國通常都能在適當時機切入，因此，台灣應該可以參考德、日進軍高科技選項；目前德、日、美等國在雷射應用已非常普及，包含大工件的巨觀加工（marco processing）及消費性電子產品微細加工（micro processing），鄰近的中國、韓國、新加坡等也積極跨入微細加工領域。

雷射加工或應用中，原本是利用雷射在短時間產生的巨大熱量進行材料熔融，以達到鑽孔、切割、劃線、焊接、成型、剝除等等功用，但在微細加工中尺寸數量屬於微米（μm）等級，巨大雷射能量伴隨的熱效應變成一種問題，諸如火山口現象、龜裂、微裂痕、濺噴等等皆是；這些問題若由原子、電子及晶格的觀點去探索，發現若光與材料間的作用時間快過能量或熱量往外傳的速度，就不太會有熱效應副作用發生，換言之，需能在熱效應發生前就完成加工過程；譬如若雷射作用在材料的脈衝時間快過10 ps （10^-11秒），就能快過能量在晶格傳遞時間，熱效應現象即不易產生；因此，雷射應用中要降低或避免熱效應的關鍵，便是考慮使用短脈衝雷射，一般脈衝時間或寬度在奈秒（10^-9秒）、皮秒（10^-12秒）與飛秒（10^-15秒）等級都統稱短脈衝，嚴格而言，脈衝寬度需快過10 ps方能談低熱效應或無熱效應，但因加工產品規格需求不同，有的業者利用一些製程方式仍能得到客戶認同的熱效應，故奈秒雷射也被廣泛應用於微細加工；基此，本專輯所稱短脈衝雷射應用技術中將包含飛秒、皮秒及奈秒技術成果分享。

雷射脈衝濺鍍技術可以在低溫下沉積各種薄膜包括成分複雜的多元化合物例如超導材料（YBaCuO）或耐磨的類鑽石膜（diamond-like carbon：DLC）...等等，而且沉積膜與靶材的化學劑量比（stoichiometry）幾乎可達一致而備受矚目，若是傳統上使用Excimer或Nd:YAG雷射鍍膜時會因雷射脈衝太長，靶材受熱過久而產生微米級的噴濺物（particulate）沉積於薄膜上，影響薄膜品質；因此，許多避免微米級顆粒產生以改善膜的品質的方式被提出，而超短脈衝雷射則被認為是可以大幅解決此項問題，在「飛秒脈衝雷射濺鍍技術與應用」將介紹飛秒雷射PLD與奈秒雷射PLD的差異，並以ZnO濺鍍沉積的研究成果為分享案例；前述及，傳統雷射加工存在大量的熱效應，周圍材料經高溫冷卻後形成改質區，除了材料特性產生變化外，高溫下晶格擠壓造成殘留應力與破裂等問題，更會降低材料本身強度，使得傳統雷射所製作之微孔，往往在實用上存在許多限制，飛秒雷射有別於傳統長脈衝雷射加工，具有低熱影響區及非線性吸收特性，使雷射剝除區周圍大部分材料能保有本身特性，「飛秒雷射微鑽孔製程技術」則針對在多種硬脆或高韌性材料如矽晶圓、金屬薄板及透明材料之微鑽孔進行技術分析及成果分享，來呈現飛秒雷射的獨特性；近年來皮秒雷射的發展受到極大的重視，這是目前雷射應用除奈秒與飛秒之外廣被討論的議題，與奈秒光纖雷射相比，皮秒光纖雷射對絕大部分材料進行加工，較不會產生熱效應，因此可廣泛應用於電子、光電、生醫等領域，「皮秒光纖雷射與材料加工」將介紹皮秒雷射應用於不同材料的加工實例，以充分瞭解其特性，進而加以應用與開發各種精密加工製程，如TFT LCD壞點修補、LED 晶粒切割、太陽能面板isolation、CIGS及金屬件、PCB切割、鑽孔等應用；為使大家對皮秒雷射能有更深瞭解，除前述應用實例介紹，也將透過「皮秒光纖雷射-設計與製作」說明皮秒光纖雷射之設計與製作，從光纖材料與光纖雷射基本原理開啟，並指出皮秒光纖雷射設計需注意之重點事項，也透過工研院南分院自行開發之皮秒光纖雷射實際案例，深入淺出介紹皮秒光纖雷射系統。

雷射鑽孔應用透過光束處理、分光及工件處理等相關鑽孔策略搭配，可提高雷射鑽孔（熱鑽孔和燒蝕鑽孔）之整體效率和生產率，因此現今在電路板與矽基板之UV雷射鑽孔設備約佔全球市場15~18%，但該型態設備之市場需求比新型的CO₂雷射鑽孔設備需求還高出3倍之多，展望未來更多微型加工需求，UV雷射為當前的競爭似乎提出解決對策，在「紫外光雷射微型加工技術探討-鑽孔應用」中，將分析說明紫外光雷射加工技術在微型鑽孔加工的應用與發展現況，並探討雷射微型加工系統於半導體、太陽能、光學玻璃等各種產業上之應用，尤其矽晶圓片之微通孔製作；在「被動元件之電阻最新雷射製程技術應用」中，針對熱門3C產品如iPod裡頭不可或缺的微薄型被動元件晶片電阻，詳細說明其整個晶片電阻製作流程，及面對尺寸愈來愈微薄下，如何使用雷射發揮最佳效率，克服變形、突出及表面粗度等細微技術問題，使其設備能享譽海內外；薄膜太陽電池在矽薄膜製造方面，目前已有多種沉積微晶矽薄膜技術，而以電漿輔助化學氣相沉積是常用於工業界生產的方式，其中的增強式電漿化學氣相沉積（PECVD）對非晶矽薄膜在長時間照光下，薄膜品質易產生光劣化現象，在「雷射輔助低溫成長微晶矽基薄膜技術」中，闡述如何利用矽甲烷對二氧化碳雷射波長10.6μm具有高吸收效率，在低溫成長環境下經由雷射輔助促使矽甲烷解離成矽氫鍵（Si-H）進而成長具高緻密性及低缺陷品質的微晶矽薄膜，並透過多種檢測方式驗證此技術確實可有效提升太陽電池光電轉換效率。

IC封裝雷射打印製程，以往技術以CO₂ Laser為主，不過隨著科技的進步，要求打印的尺寸愈來愈小，相對的雷射加工光點要求也愈來愈小，遂取而代之需要使用高單價的短波長355nm UV YAG雷射才能達成，而在「CO₂超微光路應用於IC封裝打印系統」中，將介紹如何運用超微CO₂光路系統與其掃描透鏡關鍵零組件搭配，便又能以物美價廉的CO₂ Laser達成將字高縮小成四分之一的規格；雷射振鏡為雷射加工系統的重要關鍵模組之一，其功能為將雷射光定位於目標物上並達成高速掃描，常應用於雷射標印、雷射鑚孔及雷射投影等用途，在「雷射掃描頭製作與開發」中，將有詳細介紹其運作原理、功能特性及應用實例分享；全球消費性電子產品走向「輕、薄、短、小」、便利性高以及可攜化，基於此發展需求，電子產品內部的各種元件面臨尺寸縮小的考驗，針對製程上的瑕疵或雜質顆粒，需要一套自動化線上檢測設備，取代傳統手動調焦及人眼判讀檢查方式，以提昇整體的良率及效率，在「可應用於顯微鏡的光學式自動對焦法」中，將完整介紹目前各種微細物檢測方式及其特色，並將分享其螺旋疊紋對焦法的優異研究成果；近二十年來，RP快速原型技術可以視為製造業的一場寧靜革命，最初以少量多樣式快速提供設計原型而站穩腳步，經過前端CAD方法不斷的改進，新的材料和加工機具紛紛出現，現今產量及品質已非往昔可比，所以業者和研究人員也將之改名為附加製造以突顯其進步。因雷射一日千里的進步，提供製造業一個極佳的加工機具，雷射附加製造的前景可說是方興未艾，在「雷射附加製造技術的發展現況」中，將介紹一般快速製造的流程，現今雷射附加製造的各種應用及其優劣點，並討論未來發展方向，在台灣目前推動的技術與服務雙引擎思維下，相信本文應可提供一種啟發。

總計十一篇論文中，藉皮秒與飛秒的四篇文章，呈現對近乎無熱效應的多光子作用機制應用的妙處；三篇奈秒雷射在矽晶圓、晶片電阻及矽薄膜太陽電池的應用，展現奈秒雷射在3C微電子領域，若能發揮其特色仍具物美價廉的效能；而對於光路、振鏡掃描模組及自動對焦模組在雷射運用過程所扮演的角色，也由其中三篇文章具體點出其關鍵模組的重要性；最後一篇以雷射為製造工具，說明當今雷射躍居附加製造技術的重要性與市場潛力。