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射所產生之光放大，是近代科學研究中相當重要的發明。 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點，故普及應用于研發醫療、通訊、信息、及工業等領域，可知激光不僅能造福人類，而且可以提升相關產業之整體發展。 3 激光的發射原理 在微觀世界（量子力學的世界），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且分立的穩定狀態，其中能量最低的狀態稱為基態（低能狀態）。 （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，但若有能量（熱、光、電子）由外部加入于基態的微觀粒子時，微觀粒子會被激發，而移至高能量狀態（激態）。然而此激發狀態并不安定，隨后會有移至低能量狀態的趨向。例如，進行E1→E0轉移時，會多余出E1→E0的能量。此多余的能量（E1→E0）會轉變成hv（h：蒲朗克常數，v：光的頻率），也就是所謂的光量子或光子（并不是全部均轉換為光，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，因而發射出更強的光。此即激光發射之基本原理。激光不管是行進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 受激發射過程光雖然由少數的激態原子受激而發射出來，但卻為存在于基態之大部份原子所吸收，因此受激發射之比例必須高于吸收之比例才能使激光發射。也就是說高能階之原子（分子）數要較位于低能階之原子（分子）數（反轉分布）多。（如圖三）一般而言此反轉分布若能恒常地進行的話，則可產生連續振蕩的激光（例如He－Ne，氬，二氧化碳氣體等激光）。又若此反轉分布僅能瞬間實現的話，就成為脈沖振蕩的激光（例如：紅寶石、YAG、玻璃、氮、色素等激光）。激勵至激態的動作稱為『抽運』，一般是利用放電、光、電子束、電流、激光等來進行。但實際上，為能得到高強度的光，必須利用設置于兩側之光鏡將激光發射媒體夾于其間，使受激發射于此二片之光鏡間往復地進行（共振器），產生出強光后才發射至外部。 圖三 反轉分布與定常數分布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107 w/㎝2 以上，可加工鉆石及超硬合金等硬脆材料，熱應變及材料變質微? ? (2) 電射光平行性良好，其點徑在理論上可集束成1μm以下，溫度高達10000℃以上，可進行非常微細的熱熔化（Melting）及氣化（Vaporization）加工，不會影響鄰近區域材料的機械與熱磁性質。 (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) 可經由透明體加工。 (5) 不需真空，不必防護X光，因而裝置較簡便，而且作業性良好。 (6) 適選加工條件，可進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，特征與應用例 注：(A)單色性 (B)同調性 (C)聚旋光性6激光之應用領域 (1)測量 (a)直線基準(b)測距裝置(c)劃線 (2)量測 (a)精密的長度測定(b)激光雷達(c)都卜勒流速計(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)光內存(b)光計算尺(c)打印機(d)顯示器(e)激光盤 (5)醫療 (a)激光手術刀(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準分子激光加工 (1)何謂準分子激光 準分子電射的英文為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的雙原子氣體。 準分子激光的氣體組成為惰性氣體原子，如He、Ne、Ar、Kr等與化學性質較活潑的鹵素(halogen)原子，如F、Cl、Br等，相混合后以放電激發出高功率的紫外光。 (2)準分子激光之特性 準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鍵，即工件吸收短波長的準分子激光后，將材料內部的鍵結直接打斷而完全破壞，與傳統激光的熔化、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，熱影響區較小，所以準分子激光加工可視為冷加工。 (3)重要的準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)準分子激光之應用 準分子激光在1970年代就已研發成功，目前已廣泛地應用在科學研究與工業應用方面，如鉆孔、標記（marking）、表面處理、激光化學氣相沉積（C.V.D），物理氣相沉積（P.V.D），磁頭與光學鏡片和硅晶圓的清潔等方面，目前準分子激光又是微機電系統（MEMS）相關微制造技術（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，以光刻術制造微組件。 內存IC內部的線徑與所使用的波長有0.7的比例關系，例如波長248nm的KrF準分子激光便可以制造0.18μ m線徑的內存IC。 半導體工業若想要往深次微米，甚至奈米級的制程發展，那么波長較短的紫外光激光甚至超紫外光激光被應用的機率會更大，然而制造微結構組件的紫外光激光通常都是準分子激光，其價格相當昂貴，因此許多研究人員希望藉由晶體倍頻技術產生價格較便宜的紫外光激光。 利用非線性光學（Nonlinear Optics）晶體將固態激光加以倍頻，以得到紫外光激光的研究目前相當熱門。 日本三菱電機于1998年研發出倍頻紫外光固態激光，采用紅外光半導體激光做為激發光源，經過倍頻晶體兩次倍頻后產生266nm的紫外光，其功率為20W，為目前業界最高水平。 新力（Sony）公司也于1998年發展出超紫外光激光，系將波長532nm綠光激光經過晶體倍頻后產生波長266nm的超紫外光，使用壽命達到5000小時。 8 激光清掃法（Laser Broom Technique） 目前的化學溶液清洗法無法完全去除0.25μm，0.18μm制程以下所產生余留在芯片表面上的微粒。激光清掃技術的原理是利用波長248nm的準分子激光照射，待清洗芯片之表面，并加入適當的反應氣體，則污染物會與氣體發生光化學反應（Photo Chemical Reaction），進而生成中間產物而揮發掉。 9 激光三角測距技術 激光三角測距原理（如圖所示）乃是藉由投影點光源至待測物表面及三角關系以計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或半導體電子業之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（日本精密工學會） 4. 準分子激光加工特性與加工機規格王述宜（1997.12 機械月刊） 5. 激光之發生及其應用陳建銘（1998.9 金屬工業） 6. 1998年激光與其它光電應用產業及技術動態調查 （1999年國科會及光電科技工業協進會）