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自主雷射源:探尋適合台灣的路
專訪工研院雷射與積層製造科技中心曹芳海執行長
自主雷射源:探尋適合台灣的路
從 1960 年 5 月 16 日人類獲得第一束雷射以來,雷射科技已應用到通訊、醫療、汽車、航太、影像播放、資料儲存等領域,「超穩」、「超亮」、「超強」、「超短」、「超紫」等極限雷射工程也成為更進一步的先端科技發展趨勢。 而如何銜接各項極限雷射的研究成果,找出具發展利基的雷射應用,進而能創造產業商機,並持續改進人們的生活,則是工研院號召成立「國產自主雷射源產業大聯盟」積極思考和落實的方向。

在工研院雷射與積層製造科技中心的曹芳海執行長,談到全球雷射應用市場持續快速成長眼睛炯炯有神,且工業應用已經是雷射最大的應用領域。台灣是全球重要的生產製造國,每年進口雷射相關設備超過 200 億元,其中從美國、德國或日本進口的雷射光源就佔 30 %,如何找出台灣製造、又質佳價美的雷射源,將是產業與商機發展的必要,甚至是原本偏重大量製造的台灣產業,走向少量、多樣、高價等生產模式的契機。

以從 7 奈米半導體製程開始,就備受矚目的極紫外線微影(Extreme ultraviolet lithography,EUVL)技術來說,不僅是各國半導體大廠繼續朝 3 奈米、甚至 2 奈米前進的利器,由艾司摩爾(ASML)獨家生產,一台要價超過 30 億元的 EUV 光刻機,無疑是少量高價的生產典範。 EUV 光刻機是使用雷射兩次轟擊由液滴發生器(droplet generator)產生的鍚液滴(tin droplet),當鍚液滴第一次被雷射轟擊,液滴變成較扁平的狀態;第二次轟擊的時候,再激發出電漿雷射,並同步誘發產生 13.5 奈米的最佳波長光束,收集鏡捕獲電漿向所有方向發出的 EUV 輻射,聚焦後最終轉移至光刻系統並曝光晶圓。

曹執行長指出,運用雷射衝擊不同材質的靶,同樣也能產生極紫外、甚至軟 X 光光源,除運用在半導體製程上的光刻系統外,由於 EUV 光還能運用在個位數奈米等級的檢測,成為進一步朝商品化發展的不錯目標。

在 2019 年科技部遴選「未來科技突破獎」的名單中,清華大學光電工程研究所陳明彰副教授等人組成研究團隊,發表的「緊聚焦架構下高次諧波光源產生之最佳化系統及方法」,就是一項能顯著地提升高能 EUV 光源亮度的創新突破,更在和美、中、西等國際團隊合作,成功創造體積小卻更亮、更短脈衝的 EUV 光源。曹執行長表示,老師們從實作驗證了學理上的可行性,而雷射與積層製造科技中心、量測中心和「國產自主雷射源產業大聯盟」則可和老師共同合作,從要進入實際商品生產的角度,協助台灣產業界掌握可能發展的商機。

另外,通常用來產生EUV 光源的超快脈衝雷射,由於發出的脈衝雷射時間非常短,但瞬間能量是非常強,能夠僅僅只作用於目標物質的幾個原子,而不導致周圍物質出現升溫或熔化的現象,在醫學應用上,可以用於矯正視力、檢測和精確剝除等,其中又以醫美領域最為人熟知。脈衝雷射在醫美領域已經算是成熟的應用,相較於人們大量使用 3C 產品,未來人口結構也將進入老年化,眼睛疾病治療將是相當值得重視的方向,台灣有這方面的產業與醫療技術基礎,目前全球的市場發展也仍有空間,用來治療眼睛疾病的雷射光源,也是值得掌握的項目。

至於在雷射加工這個傳統的雷射應用領域,曹執行長指出,以往用在加工的雷射設備,通常都控制在一定的波長下,可以良好處理某些材料,對於其它材料就效果欠佳。因此在單一雷射設備下,若能至少具備二個以上相差較大的波長,讓原本也許只能處理二、三種材料加工,變成可以處理七、八種以上的材料,大幅增加雷射加工時的彈性和效率,也是相當值得重視的發展目標。

目前工研院已開發出獨有超短脈衝光纖雷射,峰值功率可達 6 萬瓦等級,可調製脈衝寬度及重複率,能一機多用於鋁打黑、金屬彩雕、深雕、非金屬及電路板雕刻,已導入產線智慧生產履歷應用,希望以利基功能協助使用廠商保持市場領先地位。

但曹執行長也提醒,掌握具未來發展前景和獨特利基的雷射光源,就如同在製造車輛的過程中,擁有許多不同的引擎技術,但最後完成一部車輛,還是需要許多其它零組件的相互配合。未來不僅希望開發自主並具利基的雷射光源,也可引進國際大廠強項,串接機械設備及服務,拓展台灣雷射應用。例如,因應5G與高效能運算先進製程商機,工研院與機械公會日前即與全世界最大雷射源供應商德國創浦集團 (TRUMPF)簽約,將在工研院六甲院區攜手打造「台灣半導體與電子產業先進雷射應用服務中心」。德國創浦集團是艾司摩爾EUV設備雷射源的供應夥伴,在雷射源及工具機的產值皆為全球前三大,未來藉由創浦帶來先進雷射技術、機械公會帶來設備廠與客戶,結合工研院雷射團隊的光路、控制及系統整合能力,可望帶起整體技術服務能量,建構完整的產業鏈,共同朝高技術、高附加價值等經營模式努力。