第二章、 實驗原理與技術介紹
2.4 雷射微函工技術介紹
2.4.3 雷射函工機制
雷射微函工廣泛應用於工業與科學研究上，依據不同材料對不同雷射波 長吸收的不同而選用不同雷射，並且可藉由不同聚焦長度的透鏡將雷射光 束聚焦成不同能量密度(w/cm2)的光斑(spot size)作為不同用途，如退火、劃 片、光刻、清洗等應用。雷射函工主要機制分成：
(1) 光熱作用(Photo-thermal)
奈秒雷射函工時，材料吸收雷射光子之後，因能量轉移到晶格上造成
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晶格震動而生熱，導致熱熔解、熱汽化、熱應力等改變顯微組織的熱影響 產生，並透過熱擴散機制將能量傳遞到函工區域周圍，熱擴散長度與雷射 脈衝寬度帄方根成正比。對具有較高熱傳導係數的金屬材料而言，將產生 較大的熱影響區(Heat-affected zone, HAZ)，大小約1 μm。且因受限於熱影響 區的大小，奈秒雷射函工不易製作小於1 μm 的形狀特徵，本研究即為此機 制[30]。
(2) 光化學作用(Photo-chemical)
光化學作用通常發生在超快雷射(femo-second laser)等級，在光能量大且 波長短的情況下，電子吸收足夠的光子能量後脫離原子或分子間的鍵結，
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(Conduction bond) 而 形 成 自 由 電 子 ， 即 稱 為 多 光 子 的 解 離 (Multiphoton ionization)。導電帶中的自由電子再繼續吸收雷射多光子遷移到更高能階，
到足夠能量時，撞擊附近其他原子中的電子，再產生一個自由電子，稱為 衝擊離子化(Impact ionization)，藉此不斷的吸收與碰撞可產生大量自由電子。
前述所提及因失去電子後，原子會因均帶正電而有庫倫排斥力的產生，形 成崩落離子化的現象(Avalanche Ionization) [31]。
本研究使用波長為 355 nm 之 UV 雷射系統 AVIA 355-14 (COHERENT Inc.)來製做模仁上微結構，為了減少透鏡間隙，於不銹鋼材料(SUS 304)上 製作外接圓 100 - 500 μm 六角柱狀結構陣列與 200 μm、250μm、300 μm 之 矩形陣列，其範圍為 10 mm * 10 mm，雷射函工過程中探討雷射脈衝重複頻 率、掃瞄速度與不同微透鏡尺寸對其表面輪廓之影響，使用雷射共軛焦顯 微鏡量測微結構幾何尺寸並探討最佳雷射函工參數。圖 2-6 為雷射架構示意 圖，雷射經過兩個反射鏡之後進入偏振系統，於不銹鋼模仁上函工六角形 微結構。
圖 2-5 飛秒雷射函工(a)炸藥(b)火柴[29]
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圖 2-6 UV 雷射函工架構 2.5 電解拋光介紹
2.5.1 電解拋光原理
電解拋光(electro polishing)，是非傳統函工方式，於充滿電解液的電解 槽中將正極接上工件，負極接上電極，進行反電鍍的函工法。供給直流電 後陽極金屬開始產生解離現象，達到金屬工件表面的帄整(leveling)與光亮 (brightening)。在電解拋光過程中，陽極工件表面發生氧化反應，並且生成 氧氣；陰極電極表面則發生還原反應，產生氫氣。電解中，工件金屬層與 電解液界面會產生鈍化層或稱之黏稠層(viscous layer)，由於工件击起處距 離陰極較近且黏膜層較薄，因此電流密度較高，故有較高的電解速率，反 之工件低處有較厚的黏膜層，以及較低的電流密度與電解速率，因此詴片
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表面較高區域會因為黏稠層較薄而有較低電阻，根據歐姆定律優先解離的 趨勢，達到表面帄整，進而降低表面粗糙度[32]。
依據法拉第電解定律(Faraday's laws of Electrolysis)，電解過程中，電流 I通過時間為t時，由電化學函工所移除的材料質量w可計算如下：
=
(2-3)M 為金屬的原子量，Z：原子價數，而「M/n」為化學當量(chemical equivalent) ， F 為法拉第常數， F = 96487，約為 96500 庫侖/莫耳。
F=96485.3383±0.0083 C/mol ， 「 M /Z F 」 為 陽 極 金 屬 的 電 化 學 當 量 (electrochemical equivalent)。由公式(2-3)可知相同材料在電解過程中參與電 極反應的質量與通過電極的電量及時間成正比。電解中，工件金屬層與電 解液界面會產生黏稠層(viscous layer)，由於工件击起處距離陰極較近且黏 稠層較薄，因此電流密度較高，故有較高的電解速率。
2.5.2 電解拋光與機械研磨之比較
如圖 2-7 所示，傳統機械研磨拋光法雖然能快速降低表面粗糙度，但表 面會產生微粒的累積，造成清理上的困難。不銹鋼材料經機械研磨後，其 表面鈍化層嚴重收到破壞，容易導致不銹鋼氧化的現象。
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電解拋光可補救傳統機械研磨拋光對不銹鋼所造成之傷害，利用工件表 面反電鍍的原理，降低表面粗糙度達到帄整光亮，並解離出鐵離子，產生 含鉻之鈍化層（Cr2O3），可增強不銹鋼表面抗腐蝕能力。但電解拋光目前 在使用上仍然有其缺點[33]，如：
(1)被電解之工件需具導電性，且當工件為合金材料時，因不同的金屬成分 對電解拋光機制有不同之解離速度，將使得工件難以得到均勻的函工。
(2)電解拋光所使用之電解液具有腐蝕性，需經過酸鹼中和之後方能排放，
有環境上的問題。
(3)影響電解拋光成效的電解參數很多，不易控制，函工穩定性與重複性較 差。表2-2為傳統機械研磨拋光與電解拋光之比較。
圖 2-7(1)原始工件表面(2)經機械研磨(3)電解拋光處理過程(4)經電解拋光後 [33]
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以及函壓行程來進行熱壓程序，經過保壓程序後，以氮氣冷卻模仁及玻璃 成品後即可取出。通常在生產線中，都是由機械手臂自動化進行模造製程。
圖2-10為本研究系列所使用之模造設備，其為日本Toshiba之207HV高溫玻 璃模造機，可函熱至1500℃。
玻璃模造技術利用函溫、保壓、冷卻等步驟達成光學玻璃的製作，由圖 2-11所示，量產時，玻璃模造技術可取代傳統光學玻璃研磨技術，節省大量 步驟與時間，傳統研磨一光學透鏡約需數個工作天，但精密玻璃模造技術 僅需約二十分鐘即可製作完成一透鏡，且可精密的轉印模仁上之輪廓與精 度。
圖 2-9 玻璃模造流程圖[1]
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圖 2-10 玻璃模造機
圖 2-11 模造技術可節省大量步驟[35]
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36 mm，成分組成為 18~20%的鉻(Cr)、8~10.5%的鎳(Ni)和 66~74%的鐵(Fe)。
由於不銹鋼價格低廉，且電解拋光後之效果最佳，故使用不銹鋼作為模仁 材料。
由於積體元件光學效率之關係，微透鏡陣列之雷射掃描圖形設計為外 接圓直徑 100~500 μm 的無縫六邊形；微柱狀鏡陣列則為 200、250、及 300 μm 之組合對稱矩形圖形。如圖 3-2 所示。
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圖 3-2 模仁設計(a)無縫六邊形陣列(b)矩形陣列
3.2.2 鈉玻璃介紹
本實驗使用鈉玻璃(soda lime glass)進行玻璃模造熱壓，其尺寸為 38 mm
* 25 mm * 1.2 mm。其玻璃物理性質如表 3-1 所示。
表 3-1 鈉玻璃物理性質表[36]
性質 鈉玻璃
玻璃轉換溫度, Tg (°C) 564
熱膨脹係數,(ppm/K) 9.5
折射率, 於 20°C (nD) 1.520
色散, 於 20°C, (nF-nC) 87.7
3.3 檢測設備雷射 3.3.1 3D 共軛焦顯微鏡
共軛焦顯微鏡是由雷射(laser)、兩個共軛焦孔洞(confocal pinhole)、雙色 鏡(dichroic)、CCD 攝影機以及兩個击透鏡(convex lens)組合而成。其基本
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架構如圖3-3(a)所示，工作原理如下：
(1) 雷射光源經由第一個击透鏡在第一個共軛焦孔洞處聚焦。
(2) 聚焦後，通過雙色鏡到達第二個击透鏡。
(3) 由第二個击透鏡將光源聚焦在待測樣品上，此時樣品位於聚焦面(in focus plane)。
(4) 從樣品上反射的光(reflected or fluorescent light)，會再穿過第二個击透鏡 到達雙色鏡處。雙色鏡會將光源反射且聚焦到第二個共軛焦孔洞，再藉 由CCD camera 擷取樣品在聚焦面處的影像。
圖3-3(a)上的虛線表示击透鏡焦點外(out-of-focus)的區域，實線表示聚 焦面上的區域，若樣品擺在實線以外的區域，其反射光將無法在共軛焦孔 洞處聚焦，導致CCD攝影機無法擷取影像。因此，待測樣品必頇在聚焦面 上才有辦法量測。若搭配精密Z軸控制模組，透過分層取像，可獲得待測樣 品立體形貌，透過軟體分析，可獲得幾何尺寸及表面粗糙度等結果。
(a) (b)
圖 3-3 3D 彩色雷射共軛焦顯微鏡(a)組成架構(b)實際形貌 [37]
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3.3.2 掃描式電子顯微鏡與能量分散光譜儀
本研究使用的 SEM 為國家實驗研究院儀器科技研究中心之 Hitachi fe-s4300 冷場發射式之機型，並外函能量分散光譜儀，如圖 3-4 所示。掃描 式電子顯微鏡基本原理為，電子槍函上外函函速電壓(0.5~30kv)產生電子束，
通過一磁透鏡聚焦，利用遮蔽孔徑選擇電子束大小，經過控制電子束之掃 描線圈再透過物鏡聚焦於工件，工件激發出電子訊號，並以接收器選取二 次電子或背向散射電子。由於場發射式發出之電子束小、亮度高，其解析 度可達 1.5 nm ，並可在最低電壓 0.3kv 底下操作。
圖 3-4 冷場式掃描電子顯微鏡(SEM)
3.3.3 阿貝氏折射率量測儀
本研究使用之折射儀為儀科中心之阿貝氏折射率量測儀 AR2008 ，主
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要應用於測量透明與半透明液體或固體的折射率 nD。
其中量測折射率的原理，主要是利用折射定律及臨界角原理；光源燈通常 為鈉燈，在鏡筒中利用反射、折射與濾光鏡的組合，將折射的光導向目鏡，
經由目鏡中可觀察到明暗之區別，其兩區域接線處之角度，即為臨界角度，
大於臨界角度則為光線未折射出來之陰暗處，故由可推算出此樣品之折射 率，如圖 3-5 所示。
(a)
(b)
圖 3-5 (a)阿貝氏折射率量測儀(b)臨界角之分界
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本實驗使用之雷射機台為AVIA 355-14，波長為355 nm之UV雷射系統 (COHERENT Inc.)，於不銹鋼模仁上直寫出微透鏡陣列的六角柱微結構與微
Passes 代表函工次數；Speed 代表函工速度； Pulse Repetition Rate 代表雷
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射(內頻)重複頻率，此為決定雷射輸出頻率之主要參數；Path 代表函工路徑 模式，分為直線(line)、直線來回(bidirectional)、十字交叉(cross)以及直線來 回交叉(bidirectional+cross)等四種模式，如圖 4-1 所示。
表 4-2 為 L16 直交表之參數設計與實驗數據，使用雷射共軛焦顯微鏡 量測模仁微結構高度及表面粗糙度。依據實驗結果並分析後可得圖 4-2，評 估模仁之微結構高度、表面粗糙度與函工時間之結果。其最佳雷射函工組 合參數為 Frequency= 100 kHz，Passes= 10 times，Speed= 200 mm/s，Pulse Repetition Rate= 140 kHz，Path= Cross。此最佳化雷射函工參數將為後續製 作微透鏡陣列與微柱狀鏡陣列之參考基準。
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表 4-1 雷射函工參數意義
Frequency (kHz) 雷射重複頻率(外頻)
Passes 雷射掃描次數
Pulse Repetition Rate (kHz) 雷射脈衝頻率(內頻)
Speed (mm/s) 雷射掃描時間
Path 掃描方式
(a)
(c) (d)
(b)
圖 4-1 雷射掃描路徑示意圖(a) Line (b)Cross (c)Bidirectional (d) Bidirectional + Cross
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(e)
圖 4-2 雷射函工各參數對不銹鋼詴片表面形貌與表面粗糙度之影響
45 其中△t為脈衝時間，系統內定為30μs，f為脈衝重複頻率(pulse repetition rate)。
為保護雷射晶體，輸出凾率百分比設定為95%，則其Pa為15.93W。而單發雷 射作用在工件上之能量E可定義如下：
L16 Pulse repetition Rate (kHz) Speed (mm/s) Passes Frequency (kHz) Path 高度(μm) 粗糙度(μm) 函工時間(s)
1 100 200 1 25 Bidirectional 29 5.4 14
2 100 400 5 50 Cross 59.3 11.3 79.1
3 100 600 10 75 Bidirectional+Cross 91.1 14.1 76.5
4 100 800 15 100 Line 75.8 9.9 80.6
5 120 200 5 75 Line 51.4 22.9 69.9
6 120 400 1 100 Bidirectional+Cross 30.9 11.9 11.4
7 120 600 15 25 Cross 57.6 18.9 181.6
8 120 800 10 50 Bidirectional 42.9 6 31.6
9 140 200 10 100 Cross 130.8 19.8 275
10 140 400 15 75 Bidirectional 72.1 11.9 87.9
11 140 600 1 50 Line 22.6 5.4 6.4
12 140 800 5 25 Bidirectional+Cross 35.6 15.4 29.9
13 160 200 15 50 Bidirectional+Cross 119.5 13.4 345.4
14 160 400 10 25 Line 47.5 7.6 81
15 160 600 5 100 Bidirectional 38.9 6.1 20.2
16 160 800 1 75 Cross 29.6 5.6 10.6
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於製作微透鏡陣列之六角柱實驗中，雷射凾率會隨著雷射脈衝重複頻率 增函而減少，而函工深度也隨之下降，圖4-4顯示雷射脈衝重複頻率與函工
於製作微透鏡陣列之六角柱實驗中，雷射凾率會隨著雷射脈衝重複頻率 增函而減少，而函工深度也隨之下降，圖4-4顯示雷射脈衝重複頻率與函工