Tänapäeval on ülikiire laser (femtosekundi ja pikosekundi impulsi laius) tööstusliku tootmisprotsessi oluline osa. Tänu oma kõrgekvaliteedilisele mittetermilisele materjalide töötlemise võimele koos lasertehnoloogia, protsesside arendamise, kiire reguleerimise ja edastamise edusammudega laiendab see ultrakiirlaserite rakendusala veelgi tööstusturul. Sisendi ja väljundi vahelise tasakaalu säilitamiseks peavad üheaegselt olema täidetud järgmised tingimused: esiteks on vaja tõestada selle tehniline teostatavus tööstusliku töötlemise protsessis; kuna ülikiire laseri ja mateeria vastastikmõju on ainulaadne, on vaja sellest protsessist teaduslikke teadmisi; teiseks peab tööstustoodangu tootlikkus tagama selle, et lõpptarbija saab investeeringuga võrdsustatud tuluga, mis kindlasti soodustab kiiride juhtimise ja edastamise edenemist, et kasutada potentsiaalset töötlemiskiirust täielikult ära.
Olulisim tõendusmaterjal on tarbeelektroonika valdkond. Mobiiltelefonid, mikroprotsessorid, kuvarid ja mälukiibid on äärmiselt keerulised komponendid, mis koosnevad paljudest erinevatest materjalidest, väga väikestest mõõtmetest ja väga väikesest paksusest mitmekihilistest materjalidest. Seega vajame arenenud, ülitäpset töötlemisvõimsust ja majanduslikult teostatavat masstootmisvõimsust. Siin on&{39 näide sellest, miks peame praeguste ja tulevaste väljakutsetega toimetulemiseks samaaegselt välja töötama töötlemise, lasertehnoloogia ja uue kiire edastamise tehnoloogia.
Lameekraanide tegemine mobiiltelefonide, tahvelarvutite või telerite jaoks on tänapäeval üks keerukamaid tehnoloogiaid, millel on sarnased või suuremad raskused kui 1960 programmil Apollo. Erinevad tootmisetapid hõlmavad suurt hulka erinevaid materjale, millel on mikroni taseme külgmine eraldusvõime ja kümnete nanomeetrite paksus. Kogu protsessi keerukuse tõttu pole üllatav, et tööstuslikku tootlikkust (toodete osa, mis suudab läbida ranged kvaliteedikontrollid) peetakse saladuseks ja väljakutseks. Peamine piirang on halbade kohtade olemasolu paneelil, mis takistavad ekraani turustamist. Viimase paari aasta jooksul on välja töötatud mitu erinevat parandustehnoloogiat, mis hõlmavad tavaliselt mitme lainepikkusega nanosekundilisi lasereid. Näiteks heledat pikslit parandatakse pikslit juhtiva õhukese filmi transistori elektroodide laser-karboniseerimise või tükeldamise teel (joonis 1).
Joonis 1: õhukese kilega transistori elektroodilõikamine, lõikelaius on 1. 9 μm.
Praegune tehnoloogia on jõudnud oma piiridesse. Kõrglahutusega ekraani eraldusvõime edenemise tõttu muutub pikslite suurus aina väiksemaks ja sellega seotud nanosekundilise lasertöötluse termiline efekt piirab remondi kvaliteeti. Lisaks on uutes kuvaritehnoloogiates, sealhulgas orgaanilised valgusdioodid (OLED) ja aktiivmaatriksvalgust kiirgavad dioodid (AMOLED), laialdaselt kasutatud orgaanilisi ja polümeerseid materjale, mis on kuumutamisele väga tundlikud ja seega termotöötlusega kokkusobimatud. Kuna impulsi kestus on väga lühike, sobib ülikiire laser väga termiliseks mikrotöötluseks ega tekita soojust. Neid kasutatakse laialdaselt täiustatud ekraaniparandustöötluse valdkonnas, mis soodustab uue põlvkonna kompaktsete ülikiirete mitme lainepikkusega ultrakiirlaserite väljatöötamist.
Mõnes tööstuslikus protsessis on hakatud kasutama ülitäpset ülikiiret laseritöötlust. See hõlmab selektiivset ablatsiooni, mille täpsus on tavaliselt 30 nm / impulss, ja ülitäpse õhukese kilega transistori elektroodide lõikamist, mille lõikelaius on väiksem kui 2 μM. Neid protsesse tuleb arendada täiustatud ja painduva valgusvihu kujundamise tehnoloogia lameda ülaosa saamiseks ja selle ühtlase leviku tagamiseks ning proovi kujundamiseks, mille suurus on nii väike kui 2 × 2 μm.
Teises näites muutuvad pooljuhtide ahelad üha keerukamaks ja nende väiksemateks mõõtmeteks integreerimiseks on vaja rohkem funktsioone. Seetõttu koosneb praegune vahvl paljudest erinevate materjalide kihtidest, näiteks madala dielektrilisusega konstantsetest materjalidest, mis sobivad kiireks tööks. Pooljuhtide töötlevas tööstuses on oluline protsess vahvlite lõikamine ja eraldamine, see tähendab vahvli tükeldamine eraldi hakkideks (joonis 2). Traditsiooniliselt kasutatakse teemantsaega, kuid praegune tehnoloogia on jõudnud piirini. Madala dielektrikkonstandiga materjalide rabeduse, paksuse ja kihtide arvu tõttu suureneb selliste negatiivsete mõjude nagu pragunemine ja delamineerimine tõenäosus.
Joonis 2: pooljuhtplaatide lõikamine ja kuubikuteks lõikamine.
Ehkki propageeritakse ultraviolett-nanosekundilise laseriga töötlemise kasutamist, piirab nanosekundi laser-töötlemise termiline efekt töötlemistulemuste kvaliteeti siiski oluliselt. Teisest küljest näitavad ülikiire laserid võime töödelda räni ja kvaliteetseid mitmekihilisi materjale. Kuni viimase ajani on ülikiire laseri keskmise võimsuse piiramine endiselt suur probleem, mis piirab tõsiselt kogu tootmise efektiivsust. Täna on suure töökindlusega tööstusliku femtosekundlaseri võimsus vahemikus 50-100w, mis muudab selle tootmisvõimsuse vastavaks tööstuslikele nõudmistele.
Ülikiire laser on oluline osa täiustatud mikromajandusprotsessist, millel on oluline roll kvaliteedikontrollis ja mõõtmises. Rudolphi tehnoloogiad käivitasid hiljuti pooljuhtide tööstusele uue tööriista, mis võimaldab läbipaistmatute filmide paksust mõõta. Süsteem põhineb akustilisel mõõtmisel, kasutades väga lühikest laseriga genereeritud ultraheli impulssi. Ultraheliimpulsi peegeldumisaega iga kihi pinnal mõõdetakse ülitäpse pumba tuvastamise tehnoloogia abil.
Suure võimsusega ja suure töökindlusega lasersüsteemi välimus on laseritöötlust ja kvaliteedikontrolli märkimisväärselt parandanud. Täpsemalt öeldes saavad ultrakiirlaserid keskmise võimsusega 50 kuni 200 W parandada tootmise efektiivsust ja tootlikkust, laiendades sellega nende rakendusi uutes valdkondades. Sellise suure võimsusega laserkiire reguleerimine ja edastamine pole aga lihtne. Kasumi teenimiseks on vaja saavutada töötlemise kiirus 100 M / s, säilitades samal ajal mikronitaseme positsioneerimistäpsuse. Galvanomeetri skannerite praegune põlvkond on jõudnud piirini ja vaja on uusi meetodeid.
ESI ettevõte on käivitanud hübriidtöötlussüsteemi, mis ühendab galvanomeetri ja akustikuoptilise tehnoloogia. Suurema töötlemiskiirusega töötamisel tähendab skaneeriva galvanomeetri inerts täitmisjärku, näiteks järsku pööret, nii et töödeldud struktuur ei vasta kavandatud kujule. Akustooptilised modulaatorid reageerivad aga väga tundlikult, kuid väga väikeses vahemikus. Galvanomeetri liikumise ja akustooptilise läbipainde kombinatsioon võib saavutada täpse sünkroniseerimise ja sellest piirangust üle saada. See tehnoloogia on eriti kasulik ühendatud digitaalahelate graafilises tootmises, kuna need muutuvad üha integreeritumaks ja vajavad seetõttu suuremat juhtmestiku tihedust.
Jaapani&teadlaste 39 s teadlasedDISKOettevõte kasutab sama laserit nii mikromaterjalide tegemiseks kui ka protsessi juhtimiseks, ühendades need kaks.
Sel juhul kasutatakse ülikiiret laserit pimeauk puurimiseks kahekihilisele aluspinnale. Ülemine kiht on 80 μm paksune läbipaistev materjal ja alumine kiht on 20 μm paksune metallkile. Laserimpulsside arvu täpseks reguleerimiseks, nii et ablatsiooniala oleks piiratud läbipaistva substraadiga, tuleb plasmaemissiooni jälgimiseks kasutada spektrianalüsaatorit, see tähendab, kasutades laseriga indutseeritud lagunemisspektroskoopia (LIBS) tehnoloogiat .
Joonis 3: kagomeekiudude südamiku kuju.
Kuna plasmaemissioonil on ainulaadne emissioonispekter vastavalt alatüüpide kaotamisele, suudab see õigeaegselt ja täpselt tuvastada, millal läbipaistev kiht on täielikult kaotatud. Veel üks meetod on see, et hulknurga skanner võib skannimiskiiruse saavutada üle 100 m / s. Selline üksikpeegel võib pöörduda suurel kiirusel ja võib täielikult asendada madala inertsjõuga peegli, mis peegeldab ainult tala X- ja Y-suunas. Kui impulsilaseri ja polüeedrise peegli pöörlemist saab täpselt sünkroonida, võib proovi töötlemist mõjutada ainult üks punkt igal pinnal. Sellisel juhul sarnaneb mikromaterjalide valmistamise protsess pigem digitaalsele protsessile, see tähendab, et vajaliku graafika saamiseks tuleb laserit sisse ja välja lülitada. Ideaalsete tulemuste saamiseks on vaja saavutada väga täpne sünkroniseerimine laseri ja skanneri vahel ning polüjahukujulise peegli valmistamise täpsus on väga kõrge ja töötlemine tuleb hoolikalt kavandada. Koostöös Belgia amplituudikirjutaja MES ja Nextscan firmaga on Šveitsi Berni Rakenduskõrgkooli ülikooli neuenschwander peksnud ülikiire pinna mikromudeldamise mikronipositsioneerimistäpsusega, kasutades 500 kHz ülikiiret laserit.
Rohkem uuendusi kiirte levimisel on töödes alles. Kiudoptiline edastussüsteem muudab laseritöötlemise tööstuse uue ilme ja tööstusklassi ülikiire laser ei saa sellest veel hiljuti kasu saada. Väikese kiu südamiku kiiruse piiratuse ja ülikiire impulsi väga kõrge tipptugevuse tõttu tekib tõsine mittelineaarne efekt, mis viib lõpuks kiu lagunemiseni. Sellest piiratusest vabanemiseks on välja töötatud õõnes mikrostruktuuriga kiud, kuid südamiku läbimõõt on piiratud mõne mikroniga, mis on praktiliseks kasutamiseks liiga väike. Õõnes suure režiimiga kagome-mikrostruktuuriga kiu arendamine sillutab teed suure energia ja suure võimsusega femtosekundilise laserkiire edastamiseks kiudainetele. See spetsiaalne õõnes kiudude südamik, millel on ümmarguse sisemise ketrusratta kuju, piirab laserrežiimi, mis takistab selle interaktsiooni kiudude mikrostruktuuriga, ja ühendab endas madala mittelineaarsuse, suure režiimi väljapinna ja paindliku detsentraliseeritud juhtimise. Tehes koostööd Prantsusmaal asuva Glo fotonikaga, on amplituud Syst è MES suutnud edastada milliJoule'i impulsse mitme meetri kaugusel, tagades samal ajal, et impulsi kestus on alla 500 fs. Veel ühes fotooniliste tööriistadega tehtud katses on võimalik edastada impulsslaserit keskmise võimsusega 100 W ja impulsi tihendamisega vähem kui 100 fs. Ka teised meeskonnad ja laseritootjad kasutavad paindliku ülekandesüsteemi väljatöötamiseks kiiresti kagome kiudu (nagu näidatud joonisel 4). Järgmise paari aasta jooksul võime oodata ülikiirete laserprotsesside tehnoloogia põhjalikumaid muudatusi.
Lühikese impulsiga laseri ja aine vahelise interaktsiooni põhimõtte edasise arendamise ning kiirgusjuhtimis- ja -ülekandesüsteemi tehnoloogia arenguga on ülikiire laser jõudnud meie igapäevaellu. Kõige arenenuma tööstusliku töötlemise kaudu muudab see asjade vaatamise, suhtlemise ja töötamise viise. See on tulevikus keerukamate tarbeelektroonikaseadmete eduka tootmise võti.