飛秒雷射製作金屬玻璃微奈米轉印精密模具應用分析｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	許育豪 Yu-Hao Hsu
論文名稱：	飛秒雷射製作金屬玻璃微奈米轉印精密模具應用分析 Applications and analyses of precise nanoimprint mold of metallic glass fabricated by femtosecond laser
指導教授：	鄭正元 Jeng-Ywan Jeng
口試委員:	鄭逸琳 Yih-Lin Cheng 黃忠偉 Jong-Woei Whang 洪基彬 Ji-BinHorng
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工程學院 - 機械工程系 Department of Mechanical Engineering
論文出版年：	2011
畢業學年度：	99
語文別：	中文
論文頁數：	98
中文關鍵詞：	飛秒雷射、精密轉印模具、金屬玻璃、熱壓微奈米轉印
外文關鍵詞：	Femtosecond laser, Precise mold, Metallic glass, Nanoimprint
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飛秒雷射具有超短脈衝及光能量密度極高的特性，別於一般長脈衝雷射以光熱加工，飛秒雷射以光化學剝離機制加工，光子能量直接打斷材料鍵結，造成材料電漿離子化而移除；此特性使飛秒雷射具有加工熱影響區小、加工尺寸精密度高、極少微裂縫、重鑄層等特點。精密耐久模具為現代消費電子產品在大量生產製造所必需；金屬玻璃具高硬度及耐磨耗特性，可取代傳統易耗損之鎳模具，但由於金屬玻璃之強韌性使其加工不易。
本研究利用飛秒雷射之加工特性，製作金屬玻璃微奈米轉印之精密模具。嘗試使用不同雷射加工參數(能量功率、脈衝次數、掃描速度等)的變化對照其材料加工後狀況及尺寸，觀察其結構的變化及現象進而找出相對關係；並找出可製作最小結構之加工參數。後期研究為參考其分析結果，在金屬玻璃材料上製作出微奈米結構，透過熱壓式微奈米轉印技術，在高分子材料上壓印出設計之微奈米結構。以原理和加工結果配合，探討其可行性並證明飛秒雷射加工之特性及優點。期望未來可應用於半導體、生醫技術、微機電系統及微奈米製造技術。

Femtosecond laser is characterized with ultra-short pulse and high fluence. And with the unique mechanism of photochemical peeling, which is distinct from long-pulsed laser, femtosecond laser has advantages of small heat-affected zone, high precision, and recast layer. Nowadays, precise and durable moldings are necessary for mass productions of consumer electronics. With the high hardness and durability, metallic glass can ideally replace nickel moldings that tend to wear out. Nevertheless, metallic glass is difficult to manufacture due to its toughness.

This study utilizes femtosecond laser to manufacture nano-imprint moldings with metallic glass. With the adjustments and the results of specific working parameters, such as fluence, pulse and scanning speed, the correlation between effects and sizes on materials can be concluded in order to manufacture the minimum structures. After testing the best parameters, micro/nano structures on metallic glass have been fabricated and then used to imprint polymer. The results have successfully shown advantages of femtosecond laser. And it is promising to apply to semiconductor industry, biomedical engineering, MEMS and micro/nano machining.

中文摘要  ........................................I
    英文摘要  .................................. II
    誌謝  ......................................III
    目錄  .......................................IV
    圖索引  ...................................VIII
    表索引  ................................... XII
第一章	 緒論
    1.1 前言  ...................................1
    1.2 研究動機與目的  .........................2
    1.3 研究方法  ...............................3
    1.4 論文架構  ...............................5
第二章	 文獻回顧
    2.1雷射加工介紹  ............................7
    2.2雷射加工特性與用途  ......................7
    2.3傳統長脈衝雷射與超短脈衝雷射  ............9
         2.3.1 傳統長脈衝雷射  ..................9
         2.3.2 超短脈衝雷射  ...................10
    2.4飛秒雷射發展與產生原理  .................11
         2.4.1 鎖模雷射振盪器  .................12
         2.4.2 脈衝雷射放大器系統  .............15
    2.5飛秒雷射加工及材料移除機制  .............16
         2.5.1 材料內部能量傳遞過程  ...........16
         2.5.2 飛秒雷射之雙溫度模型  ...........18
         2.5.3 飛秒雷射加工材料剝離機制  .......19
    2.6飛秒雷射發展與文獻回顧  .................20
    2.7金屬玻璃  ...............................23
         2.7.1 金屬玻璃材料之發展  .............24
         2.7.2 金屬玻璃特性  ...................26
         2.7.3 金屬玻璃製造方法  ...............28
    2.8微奈米轉印技術介紹  .....................29
         2.8.1 熱壓式微奈米轉印  ...............30
第三章 實驗儀器介紹及參數規劃
    3.1飛秒雷射實驗系統  .......................32
    3.2雷射機台參數規劃  .......................34
         3.2.1 雷射能量與功率  .................35
         3.2.2 雷射重複率及掃描速度  ...........36
         3.2.3 雷射波長  .......................37
         3.2.4 雷射聚焦位置  ...................38
         3.2.5 光學顯微聚焦物鏡  ...............39
    3.3實驗材料選用  ...........................42
         3.3.1 金屬玻璃  .......................42
    3.4檢測儀器設備介紹  .......................44
        3.4.1 超音波洗淨器  ....................44
        3.4.2 慢速切割機  ......................45
        3.4.3 光學顯微鏡  ......................46
        3.4.4 掃描式電子顯微鏡  ................47
        3.4.5 熱壓轉印機台  ....................49
第四章 飛秒雷射製作金屬玻璃熱壓模具之加工研究
    4.1金屬玻璃實驗參數測試  ...................52
        4.1.1 雷射功率和速度與切口寬度之關係  ..52
        4.1.2 不同聚焦物鏡對加工之影響  ........55
        4.1.3 金屬玻璃材料之破壞閥值  ..........58
        4.1.4 雷射功率和掃描速度與深度之關係  ..66
        4.1.5 掃描次數與深度、切口寬度及粗糙度之關係
            ....................................70
    4.2飛秒雷射製作金屬玻璃熱壓轉印模具  .......77
        4.2.1 轉印圖案設計  ....................77
       4.2.2 熱壓轉印金屬玻璃模仁製作  .........79
       4.2.3 金屬玻璃模仁製作結果  .............80
   4.3微奈米熱壓轉印實驗  ......................83
       4.3.1 熱壓材料選用  .....................83
       4.3.2 熱壓轉印實驗  .....................84
    4.4 微奈米熱壓轉印結果分析  ................89
第五章 結論與未來工作
   5.1 結論  ...................................92
   5.2 未來工作及展望  .........................93

                                

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