飛秒雷射

“飛秒雷射的最大優勢之一，就是它幾乎可用於任何材料，”工研院雷射應用科技中心副主任洪基彬說。他指出，傳統雷射在應用上的最大限制，是必須取決於所應用材料對特定雷射的吸收特性，因此，單一雷射並不能適用於多種物質，相較之下，飛秒雷射幾乎適用於任何物質。


飛秒雷射的最大特色在於其超快的速度，目前應用的奈秒雷射為10^-9，皮秒級雷射(ps)為10^-12，而飛秒雷射速度則達到了10^-15，加上低溫特性，在半導體、生醫、顯示領域均展現出了龐大的應用潛力。

長久研究超快雷射技術的哈佛大學物理教授Eric Mazur指出：“飛秒雷射的特點就是它的超快速與低溫特性。舉個例子，若用飛秒雷射切割一個活體細胞，在細胞還沒有感覺到痛時，切割就已經完成了。在醫療應用中，這種特性可用於切片，即採樣完後立即冷凍保存，這樣將可觀察到更精準的狀態。”

另一個醫療應用範例是生物檢測。工研院雷射應用科技中心經理鄭中緯表示，目前的生物感測晶片大部份都是在兩個元件上各自蝕刻出微型流道，之後再將它們結合在一起；但飛秒雷射具有3D加工能力，它能在玻璃等硬質材料中直接製作出微流道，進而開發出DNA與微陣列生物晶片，換言之，它能節省製造工序，進而降低製造成本並提升效率。

傳統的微秒(ms)、奈秒(ns)級長脈衝雷射技術是單光子吸收的光化學加工與光熱加工，雖然已經廣泛應用在金屬件加工、DRAM修復、PCB鑽孔等無機或厚材料領域，但其最大缺點是熱累積效應很高，而飛秒雷射則幾乎可排除熱累積效應。

這種超快雷射的應用涵蓋雷射圖案、用於3D IC的直通矽晶穿孔(TSV)，以及各種需要雷射切割或加工的場合。“在透明材料內部加工方面，由於可去除熱效應，因此能取代傳統奈秒雷射應用。如IBM在先進製程中將其用於光罩修補，可在數十nm等級面積內移除因熱效應累積的物質，而這是傳統雷射技術難以實現的，”鄭中緯說。

然而，飛秒雷射也並非沒有缺點。量產速度是當前最大瓶頸，洪基彬說。為此，飛秒雷射實驗室的發展重點之一，就是研發可解決量產問題的專利。

當雷射頻率為1kHz時，打每發雷射要等待的時間相當於1k的倒數，速度太慢。因此，鄭中緯指出，“我們開始思考能不能開發出面積式的加工？就像Panasonic公司在波士頓的一個實驗室，也在研究雷射加工，約4~5年前開發出用光速做大面積鑽孔，但量產仍是待解問題。”

目前，飛秒雷射實驗室正積極開發可實現量產的技術，並以此作為專利佈局重點。“與其對外尋求授權，不如自行開發，待取得專利後再授權給業界，以扶植本土產業發展，”洪基彬表示。

不過，視應用不同，熱累積效應也並非全是壞事。鄭中緯指出，在玻璃等硬脆材料中，若以低溫雷射直接加工，無熱累積效應，可能會造成裂縫，而熱累積效應則可避免掉這個問題。

他表示，在不同應用中，飛秒雷射可依不同重複頻率而適用於不同場合。如玻璃的冷卻時間是1us(即1MHz)，若快於它，熱就會累積，若慢於1MHz，就不會產生熱累積效應。據表示，工研院目前正與柏克萊合作一項計畫，就1~4MHz速度針對薄膜材料熱累積的應用進行研究。




 傳統雷射進入高階雷射應用的市場
相較於傳統雷射容易發生過熱、無法微細化的缺點，飛秒雷射所具備的超強、超快、超微物理特性，使其在IC半導體、顯示器、生醫、太陽光電、微機電等產業深具突破性的應用潛力。　工研院南分院執行長蔡新源表示，工研院南分院於今年六月成立飛秒雷射實驗室，並結合進駐南分院的學研團隊，積極進行相關創新研發及產業應用。

該實驗室的目的是促進國內產學研在此領域的共同合作機會及進行國際交流，並探討飛秒雷射應用及技術發展，期望國內能與國際超快雷射應用技術研發接軌同步，企圖將台灣從既有低階雷射成型技術應用提升至高階雷射微成型應用，引導製造廠商提升關鍵製造技術自主能力，以提升台灣未來3C產品、矽基太陽能電池、IC半導體、軟性電子及生醫晶片等產品及製程設備的競爭優勢。

飛秒雷射可廣泛應用於各種材料的微細加工，其極低熱效應與高加工精度的特色與優點，可用來製作如微米、次微米乃至奈米等級之精細度微結構加工。飛秒雷射技術可應用於雷射圖案製程技術，其透過與雷射源、光路系統及雷射動態控制模組等的整合，是國內亟需應用在軟性基板製程上的關鍵模組技術。

此外，透過雷射技術開發，可快速成型直通矽晶穿孔(Through Silicon Via，TSV)以製造3D IC；透過掌握關鍵雷射製程技術，相關設備廠商可技轉相關技術與專利進行雷射TSV設備開發，支援半導體產業新製程需求，落實超快雷射創新應用，並強化半導體產業競爭力。簡單的說，TSV是在晶圓上以蝕刻或雷射的方式鑽孔(Via)，再將導電材料如銅、多晶矽、鎢等填入Via，最後再將晶圓或晶粒薄化再加以堆疊、結合(Bonding)，而成為3D IC。

由於採用TSV的構裝內部接合距離極為薄化後之晶圓或晶粒的厚度，相較於採Wire Bonding的傳統堆疊封裝，或過去強調效能優勢的SoC設計來說，3D IC的內部連結路徑更短，相對可使晶片間的傳輸速度更快、雜訊更小、效能更加，尤其在CPU與快取記憶體，以及記憶卡應用中的Flash與controller間資料的傳輸上，更能突顯TSV的短距離內部接合路徑所帶來的效能優勢。