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摘 要：157nm激光是近年新发展起来的一种光刻工具。由于157nm激光是波长较短的激光，其光子能量大，可直接应用于超硬的陶瓷和半导体材料的化学结构体。具有产热量小，加工分辨率小的特点，适用于制作精细的二维图形以及三维图形。目前，157nm激光的工艺原理以及工艺研究比较薄弱。本文主要针对157nm激光微加工工艺过程进行探究，并针对其存在的问题做简要的分析。
关键词：157nm激光；微加工；工艺过程
准分子激光主要的结构形态是基态、低能态、以及激发态。基态能级是激光下能级。由于基态为排斥态或者说是弱束缚态，很不稳定。激发态为束缚态，比基态稳定[1]。而准分子激光现已广泛应用到工业领域，如微电子器件的光刻，光纤光栅的植被等。157nm激光是准分子激光在近十年一项重要突破，属于一种新兴的刻蚀工具，并且在部分领域已被应用。157nm激光是波长极短的深紫色激光，且进行微加工时操控难度大。随着激光技术的不断成熟，157nm激光对非金属材料的光刻越来越重要。
1.157nm激光微加工工艺
1.1 157nm激光微加工系统
准分子激光微加工系统可以分为六个部分，如下图所示可知，准分子激光器、控制系统、光路系统、精密微动工作台以及其控制器是主要的组成部分。激光微加工中最主要的组成部分是光路系统，主要作用于光束的处理以及调整，进而控制着光斑的质量和加工分辨率。此外，准分子激光器是由三部分组成，即工作物质、谐振腔、激励源。激光器主要控制激光束的输出特性。而加工精度则由控制系统主导。精密微动工作台及控制器用来控制加工试件的运动，对加工的表面面貌进行控制。激光微加工分为掩膜形式和直写加工方式两大类。其中聚焦直写加工方式主要包括移动工作台的方式、振镜扫描的方式和声光调制器扫描的方式。它能使焦点减小到最小值，并按照一定的预定控制方式，使激光的刻蚀光斑与被加工试件产生相对运动，加工出需要的图像和结构。
1.2 157nm激光微加工神经系统
神经网络系统是由大量简单的处理单元连接而成的复杂网络系统。这些简单的处理单元包括神经元、处理元件、光电元件等它。与传统的专家系统不同，其特有的拓扑结构和处理信息的方法能够解决激光微加工中的一些难题。其具有良好的自主学习能力以及非现映能力。在智能控制、自动识别目标、信号处理等方面被广泛应用。由此可见，建立基于神经网络的157nm激光微加工神经网络，能更好的指导机理研究和微加工刻蚀工艺而在建立激光微加工的神经网络模型时，主要分为层数的选择、输入输出神经元数的确定、隐含层神经元数的确定几个步骤。
2.分析157nm激光微加工对刻蚀的影响因素
2.1 能量密度对微加工的影响
在157nm激光微加工中能量密度是一个极其重要的工艺参数，主要指单位面积上的能量，是影响刻蚀密度重要因素之一[3]。研究表明，不同的材料相应的能量密度阈值也是不同的，能量密度值能影响材料是否有效加工。阈值能量密度的高于入射能量密度材料则不能有效增加；材料的能量密度阈值低于激光能量则就会出现刻蚀现象，刻蚀的微孔边参差不齐，侧壁的陡度较小。刻蚀深度的增加是随着激光能量密度的增大而变化的，因此，每个脉冲下的刻蚀深度也会增加，进而改善刻蚀质量。由此可见，只有激光作用中心区域的刻蚀速率比边缘区域的刻蚀速率高，才能形成锥形孔，从而得到较好的刻蚀质量。而激光能量密度的控制尤为重要，过高或过低都会影响刻蚀质量，因此，激光能量密度控制在刻蚀材料能量密度阈值的2.5-4倍为最佳[4]。
2.2脉冲数对激光加工的影响
利用激光对材料进行加工时，在静止的状态下打孔时，若脉冲频率较低，则加工的微孔质量边缘整齐，底部平整，拐角无倒圆现象，侧壁的垂直度也较大。而157nm激光进行微加工时，主要是以光化学作用机理，其单分子能量高达7.9eV。由于17nm激光的脉宽在20ns，而加工的固体材料的热传导响应时间在皮秒量级，远远低于157nm激光的脉冲时间[5]。因此，在加工过程中，光热作用会对加工材料的造成一定的影响。而随着脉冲频率的不断增加，光热作用也会随着不断增大，导致刻蚀过程中产生的热量不容易散热，因此，微孔质量严重受到影响，如微孔边缘倒圆加剧、底部受热不均匀导致微裂等，而且还会出现底部融孔现象。进而导致区域范围内受到热应力的影响，导致刻蚀质量严重受损。因此，为了保证微加工中微孔质量，使用的脉冲频率应该较低，且控制在一定范围内，避免脉冲频率过低而导致的刻蚀速率减低、加工成本增高。
3.157nm激光微加工自动化编程
3.1自动化编程特点
157n激光的微加工自动化编程是一个应用程序可发利用工具，是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，具有以下几个特点：﹙1﹚可视化编程。程序员利用可视化设计工具，按照整体布局要求，在系统提供的大量界面元素屏幕上直接画出，并根据要求自行调整画面样式，无需编写界面代码，可提高程序设计的效率。﹙2﹚面向对象编程。由于传统的结构化语言编程中代码和数据分离开的，而面向对象编程具有易阅读、易理解、易修改。能重复使用等特点，数据和代码聚合在一起，不必编写建立和描述每个对象的程序代码。﹙3﹚结构化程序设计语言。主要能解释语言程序，并根据机器指令进行翻译。并且能随时随地的调试程序和运用程序。﹙4﹚事件驱动的编程机制。采用事件驱动的编程机制，而事件是由系统与预先设置好的能被对象识别。若发生事件，则可立即停止工作，进入停滞等待状态。系统编写的若干子程序可以根据对用不同的对象的发生来执行某特定的功能。或者是调用通用过程来执行制定的操作，以此提高编程效率。﹙5﹚数据库访问。自动化变成具有强大的数据库，并通过数据控件和可视化数据管理窗口，建立或处理MierosoftAccess格式的数据库，可直接连接操作后台，对网络数据库进行使用。
3.2自动化编程的应用
在157nm激光微加工过程中自动化编程应用过程中，首先要做好激光加工的前序工作，打开软件后直接进入到用户登录界面，输入正确的用户名以及密码，进入到157nm激光微加工的加工方式选择界面。选择好需要的微加工方式后，即进行加工图形设置及自绘图形、图形图像的读取编程处理。然后再设置微加工的工艺参数，进行重合尺寸优化，得出优化的重合尺寸，最后通过点击PRG文件生成按钮，生成用于数控加工的PRG文件，再调入到软件的PROCESS模块。
结语：综上所述，研究157nm激光微加工工艺以及自动化编程具有重要意义。利用157nm激光的光作用对材料作用机理，可以实现激光对各种固体材料的加工，并完成高质量、高速率的质量微加工，具有广泛的应用价值。
关键词：157nm激光；微加工；工艺过程
准分子激光主要的结构形态是基态、低能态、以及激发态。基态能级是激光下能级。由于基态为排斥态或者说是弱束缚态，很不稳定。激发态为束缚态，比基态稳定[1]。而准分子激光现已广泛应用到工业领域，如微电子器件的光刻，光纤光栅的植被等。157nm激光是准分子激光在近十年一项重要突破，属于一种新兴的刻蚀工具，并且在部分领域已被应用。157nm激光是波长极短的深紫色激光，且进行微加工时操控难度大。随着激光技术的不断成熟，157nm激光对非金属材料的光刻越来越重要。
1.157nm激光微加工工艺
1.1 157nm激光微加工系统
准分子激光微加工系统可以分为六个部分，如下图所示可知，准分子激光器、控制系统、光路系统、精密微动工作台以及其控制器是主要的组成部分。激光微加工中最主要的组成部分是光路系统，主要作用于光束的处理以及调整，进而控制着光斑的质量和加工分辨率。此外，准分子激光器是由三部分组成，即工作物质、谐振腔、激励源。激光器主要控制激光束的输出特性。而加工精度则由控制系统主导。精密微动工作台及控制器用来控制加工试件的运动，对加工的表面面貌进行控制。激光微加工分为掩膜形式和直写加工方式两大类。其中聚焦直写加工方式主要包括移动工作台的方式、振镜扫描的方式和声光调制器扫描的方式。它能使焦点减小到最小值，并按照一定的预定控制方式，使激光的刻蚀光斑与被加工试件产生相对运动，加工出需要的图像和结构。
1.2 157nm激光微加工神经系统
神经网络系统是由大量简单的处理单元连接而成的复杂网络系统。这些简单的处理单元包括神经元、处理元件、光电元件等它。与传统的专家系统不同，其特有的拓扑结构和处理信息的方法能够解决激光微加工中的一些难题。其具有良好的自主学习能力以及非现映能力。在智能控制、自动识别目标、信号处理等方面被广泛应用。由此可见，建立基于神经网络的157nm激光微加工神经网络，能更好的指导机理研究和微加工刻蚀工艺而在建立激光微加工的神经网络模型时，主要分为层数的选择、输入输出神经元数的确定、隐含层神经元数的确定几个步骤。
2.分析157nm激光微加工对刻蚀的影响因素
2.1 能量密度对微加工的影响
在157nm激光微加工中能量密度是一个极其重要的工艺参数，主要指单位面积上的能量，是影响刻蚀密度重要因素之一[3]。研究表明，不同的材料相应的能量密度阈值也是不同的，能量密度值能影响材料是否有效加工。阈值能量密度的高于入射能量密度材料则不能有效增加；材料的能量密度阈值低于激光能量则就会出现刻蚀现象，刻蚀的微孔边参差不齐，侧壁的陡度较小。刻蚀深度的增加是随着激光能量密度的增大而变化的，因此，每个脉冲下的刻蚀深度也会增加，进而改善刻蚀质量。由此可见，只有激光作用中心区域的刻蚀速率比边缘区域的刻蚀速率高，才能形成锥形孔，从而得到较好的刻蚀质量。而激光能量密度的控制尤为重要，过高或过低都会影响刻蚀质量，因此，激光能量密度控制在刻蚀材料能量密度阈值的2.5-4倍为最佳[4]。
2.2脉冲数对激光加工的影响
利用激光对材料进行加工时，在静止的状态下打孔时，若脉冲频率较低，则加工的微孔质量边缘整齐，底部平整，拐角无倒圆现象，侧壁的垂直度也较大。而157nm激光进行微加工时，主要是以光化学作用机理，其单分子能量高达7.9eV。由于17nm激光的脉宽在20ns，而加工的固体材料的热传导响应时间在皮秒量级，远远低于157nm激光的脉冲时间[5]。因此，在加工过程中，光热作用会对加工材料的造成一定的影响。而随着脉冲频率的不断增加，光热作用也会随着不断增大，导致刻蚀过程中产生的热量不容易散热，因此，微孔质量严重受到影响，如微孔边缘倒圆加剧、底部受热不均匀导致微裂等，而且还会出现底部融孔现象。进而导致区域范围内受到热应力的影响，导致刻蚀质量严重受损。因此，为了保证微加工中微孔质量，使用的脉冲频率应该较低，且控制在一定范围内，避免脉冲频率过低而导致的刻蚀速率减低、加工成本增高。
3.157nm激光微加工自动化编程
3.1自动化编程特点
157n激光的微加工自动化编程是一个应用程序可发利用工具，是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，具有以下几个特点：﹙1﹚可视化编程。程序员利用可视化设计工具，按照整体布局要求，在系统提供的大量界面元素屏幕上直接画出，并根据要求自行调整画面样式，无需编写界面代码，可提高程序设计的效率。﹙2﹚面向对象编程。由于传统的结构化语言编程中代码和数据分离开的，而面向对象编程具有易阅读、易理解、易修改。能重复使用等特点，数据和代码聚合在一起，不必编写建立和描述每个对象的程序代码。﹙3﹚结构化程序设计语言。主要能解释语言程序，并根据机器指令进行翻译。并且能随时随地的调试程序和运用程序。﹙4﹚事件驱动的编程机制。采用事件驱动的编程机制，而事件是由系统与预先设置好的能被对象识别。若发生事件，则可立即停止工作，进入停滞等待状态。系统编写的若干子程序可以根据对用不同的对象的发生来执行某特定的功能。或者是调用通用过程来执行制定的操作，以此提高编程效率。﹙5﹚数据库访问。自动化变成具有强大的数据库，并通过数据控件和可视化数据管理窗口，建立或处理MierosoftAccess格式的数据库，可直接连接操作后台，对网络数据库进行使用。
3.2自动化编程的应用
在157nm激光微加工过程中自动化编程应用过程中，首先要做好激光加工的前序工作，打开软件后直接进入到用户登录界面，输入正确的用户名以及密码，进入到157nm激光微加工的加工方式选择界面。选择好需要的微加工方式后，即进行加工图形设置及自绘图形、图形图像的读取编程处理。然后再设置微加工的工艺参数，进行重合尺寸优化，得出优化的重合尺寸，最后通过点击PRG文件生成按钮，生成用于数控加工的PRG文件，再调入到软件的PROCESS模块。
结语：综上所述，研究157nm激光微加工工艺以及自动化编程具有重要意义。利用157nm激光的光作用对材料作用机理，可以实现激光对各种固体材料的加工，并完成高质量、高速率的质量微加工，具有广泛的应用价值。