V súčasnosti je ultra rýchly laser (šírka femtosekundového a pikosekundového impulzu) dôležitou súčasťou procesu priemyselnej výroby. Vďaka svojej vysokokvalitnej schopnosti spracovania termálneho materiálu v spojení s pokrokom v laserovej technológii, vývojom procesov, riadením lúčov a prenosom ďalej rozširuje rozsah použitia ultra rýchlych laserov na priemyselnom trhu. S cieľom zachovať rovnováhu medzi vstupom a výstupom sa však musia súčasne splniť tieto podmienky: po prvé, je potrebné preukázať svoju technickú uskutočniteľnosť v procese priemyselného spracovania; pretože interakcia medzi ultrarýchlym laserom a hmotou je jedinečná, je potrebné, aby sa tento proces vedel dobre rozumieť; po druhé, produktivita priemyselnej výroby musí zabezpečiť, aby konečný užívateľ mohol získať investíciu zhodnú s príjmami, ktoré sú povinné podporovať pokrok v riadení a prenose lúčov, aby sa v plnej miere využila potenciálna rýchlosť spracovania.
Oblasť spotrebnej elektroniky jednoznačne poskytuje najviac dôkazov. Mobilné telefóny, mikroprocesory, displeje a pamäťové čipy sú mimoriadne zložité súčasti, ktoré sa skladajú z veľkého množstva rôznych materiálov, veľmi malej veľkosti a veľmi malej hrúbky viacvrstvových materiálov. Potrebujeme preto vyspelú, vysokú presnosť spracovania a ekonomicky uskutočniteľnú kapacitu hromadnej výroby. Tu je príklad' prečo potrebujeme súčasne vyvíjať technológie spracovania, laserovú technológiu a novú technológiu prenosu lúčov, aby sme dokázali reagovať na súčasné a budúce výzvy.
Výroba plochých obrazoviek pre mobilné telefóny, tablety alebo televízory je jednou z najkomplexnejších technológií v súčasnosti, s podobnými alebo väčšími problémami ako program Apollo z 1960. Rôzne výrobné kroky zahŕňajú veľké množstvo rôznych materiálov, ktoré majú priečne rozlíšenie na úrovni mikrónov a hrúbku desiatok nanometrov. Vzhľadom na náročnosť celého procesu nie je prekvapujúce, že priemyselná produktivita (podiel výrobkov, ktoré môžu prejsť prísnym testovaním kvality) sa považuje za tajomstvo a výzvu. Kľúčovým obmedzením je existencia zlých miest na paneli, čo bude brániť komercializácii obrazovky. V posledných niekoľkých rokoch bolo vyvinutých niekoľko rôznych opravárskych technológií, zvyčajne zahŕňajúcich nanosekundové lasery s viacerými vlnovými dĺžkami. Napríklad, jasný pixel je opravený laserovým karbonizáciou alebo rezaním elektród tranzistora s tenkým filmom, ktorý riadi pixel (obrázok 1).
Obrázok 1: rezanie elektródami z tenkých vrstiev tranzistorov, šírka rezu 1. 9 μm.
Súčasná technológia dosiahla svoje hranice. V dôsledku pokroku v rozlíšení obrazovky s vysokým rozlíšením sa veľkosť pixelov zmenšuje a zmenšuje a súvisiaci tepelný účinok nanosekundového laserového spracovania obmedzuje kvalitu opravy. Okrem toho nové technológie displeja, vrátane organických diód emitujúcich svetlo (OLED) a aktívnych matíc emitujúcich svetlo (AMOLED), majú široko používané organické a polymérne materiály, ktoré sú vysoko citlivé na zahrievanie, a teda nekompatibilné s tepelným spracovaním. Pretože trvanie impulzu je veľmi krátke, ultra rýchly laser je veľmi vhodný na netermálne mikromachovanie a nebude generovať teplo. Oni sú široko používané v oblasti pokročilého spracovania obrazovky opravy, ktorá podporuje vývoj novej generácie kompaktných vysokorýchlostných multi-vlnové dĺžky ultra rýchle lasery.
Niektoré priemyselné procesy začali používať vysoko presné ultrarýchle laserové spracovanie. Toto zahŕňa selektívnu abláciu, ktorá je zvyčajne presná na 30 nm / impulz, a vysoko presné rezanie tranzistorovými elektródami s tenkou vrstvou filmu so šírkou rezu menšou ako 2 μM. Tieto procesy musia byť vyvinuté pokročilým a flexibilná technológia tvarovania lúčov na získanie plochého lúča a zabezpečenie jeho rovnomerného prenosu a na tvarovanie vzorky s veľkosťou tak malou ako 2 × 2 μm.
V ďalšom príklade sú polovodičové obvody čoraz zložitejšie a vyžadujú si, aby bolo viac funkcií integrovaných do menších veľkostí. Preto je súčasná oblátka zložená z mnohých vrstiev rôznych materiálov, ako sú materiály s nízkou dielektrickou konštantou vhodné na rýchlu prevádzku. Dôležitým procesom v priemysle výroby polovodičov je rezanie a separácia doštičiek, to znamená rezanie doštičiek na samostatné čipy (obrázok 2). Tradične sa používa diamantová píla, ale súčasná technológia dosiahla hranicu. V dôsledku krehkosti, hrúbky a počtu vrstiev materiálov s nízkou dielektrickou konštantou sa zvyšuje pravdepodobnosť negatívnych účinkov, ako sú praskliny a delaminácia.
Obrázok 2: rezanie a kocky polovodičových doštičiek.
Aj keď je podporované použitie UV nanosekundového laserového spracovania, tepelný účinok nanosekundového laserového spracovania stále veľmi obmedzuje kvalitu výsledkov spracovania. Na druhej strane ultrarýchle lasery ukazujú schopnosť spracovávať kremíkové a vysoko kvalitné viacvrstvové materiály. Až donedávna je priemerné obmedzenie výkonu ultrarýchleho lasera stále hlavným problémom, ktorý vážne obmedzuje celkovú efektivitu výroby. Dnes je výkon priemyselného femtosekundového lasera s vysokou spoľahlivosťou medzi 50 - 100 W, vďaka čomu sa jeho výrobná kapacita zhoduje s priemyselnými požiadavkami.
Ultra rýchly laser je dôležitou súčasťou pokročilého procesu mikroobrábania, ktorý hrá dôležitú úlohu pri kontrole a meraní kvality. Technológie Rudolfa nedávno zaviedli nový nástroj pre polovodičový priemysel na meranie hrúbky nepriehľadných filmov. Systém je založený na akustickom meraní pomocou veľmi krátkeho laserom generovaného ultrakrátkeho impulzu. Čas odrazu ultrazvukového impulzu na povrchu každej vrstvy sa meria pomocou technológie detekcie pumpy s vysokou presnosťou.
Vzhľad laserového systému s vysokým výkonom a vysokou spoľahlivosťou výrazne zlepšil laserové spracovanie a kontrolu kvality. Presnejšie povedané, ultrarýchle lasery s priemerným výkonom od 50 do 200 W môžu zvýšiť efektívnosť výroby a produktivitu, čím rozširujú svoje použitie v nových oblastiach. Ovládanie lúča a prenos takého vysokovýkonného lasera však nie sú ľahké. Na dosiahnutie zisku je potrebné dosiahnuť rýchlosť spracovania 100 M / s pri zachovaní presnosti polohovania na úrovni mikrónov. Súčasná generácia galvanometrických snímačov dosiahla hranicu a sú potrebné nové metódy.
Spoločnosť ESI uviedla na trh hybridný systém spracovania kombinujúci galvanometer a akustooptickú technológiu. Keď pracuje pri vyššej rýchlosti spracovania, zotrvačnosť skenovacieho galvanometra znamená oneskorenie vykonania, napríklad ostrý otočenie, takže spracovaná štruktúra nebude rovnaká ako navrhnutý tvar. Akustooptické modulátory však vykazujú veľmi citlivú reakciu, ale vo veľmi malom rozsahu. Kombinácia pohybu galvanometra a akustooptickej výchylky môže dosiahnuť presnú synchronizáciu a prekonať toto obmedzenie. Táto technológia je zvlášť užitočná pri grafickej výrobe vzájomne prepojených digitálnych obvodov, pretože sa stávajú čoraz integrovanejšími, a preto si vyžadujú zvýšenú hustotu zapojenia.
Vedci z Japonska' sDISCOSpoločnosť používa ten istý laser na vykonávanie mikromasahovania a riadenia procesov, čím kombinuje tieto dve.
V tomto prípade sa na vŕtanie slepého otvoru na dvojvrstvový substrát použije ultra rýchly laser. Horná vrstva je priehľadný materiál s hrúbkou 80 μm a spodná vrstva je kovový film s hrúbkou 20 μm. Aby bolo možné presne regulovať počet laserových impulzov, takže rozsah ablácie je obmedzený na priehľadný substrát, je potrebné na sledovanie plazmovej emisie použiť spektrálny analyzátor, to znamená pomocou laserom indukovanej rozkladovej spektroskopie (LIBS). ,
Obrázok 3: tvar jadra kagómového vlákna.
Pretože plazmová emisia má jedinečné emisné spektrum podľa typu ablovaných atómov, môže včas a presne zistiť, kedy je transparentná vrstva úplne ablatovaná. Inou metódou je, že polygónový skener dokáže dosiahnuť rýchlosť skenovania vyššiu ako 100 m / s. Tento druh jednoduchého zrkadla sa môže otáčať vysokou rýchlosťou a môže úplne nahradiť zrkadlo s nízkou zotrvačnosťou, ktoré môže odrážať lúč iba v smere X a Y. Ak sa dá rotácia pulzného lasera a viacstenného zrkadla presne synchronizovať, spracovanie vzorky môže ovplyvniť iba jeden bod na každom povrchu. V tomto prípade je proces mikrovlisovania skôr ako digitálny proces, to znamená, že laser musí byť riadený, aby sa zapínal a vypínal, aby sa vytvorila požadovaná grafika. Aby sa dosiahli ideálne výsledky, je potrebné dosiahnuť veľmi presnú synchronizáciu medzi laserom a skenerom a výrobná presnosť polyhedrálneho zrkadla je veľmi vysoká a spracovanie musí byť starostlivo navrhnuté. V spolupráci s firmou amplitudesyst è MES a Nextscan v Belgicku, profesor porazil neuenschwander z University of Applied Sciences University vo Švajčiarsku, realizoval vysokorýchlostné povrchové mikro modelovanie s presnosťou polohovania mikrónov pomocou ultra rýchlyho lasera 500 kHz.
Stále sa pracuje na ďalších inováciách v šírení lúčov. Systém prenosu optických vlákien robí z odvetvia spracovania laserov nový vzhľad a ultrarýchly laser v priemyselnej triede z toho nemôže mať úžitok až donedávna. V dôsledku obmedzenia lúča jadra s malými vláknami a veľmi vysokej maximálnej intenzity ultra rýchlych impulzov sa vytvorí vážny nelineárny efekt, ktorý nakoniec povedie k degradácii vlákien. Aby sa toto obmedzenie zbavilo, bolo vyvinuté duté vlákno z mikroštruktúry, ale priemer jadra je obmedzený na niekoľko mikrónov, čo je príliš praktické na praktické použitie. Vývoj dutých mikroštruktúrnych vlákien s kagómovou veľkoplošnou oblasťou pripravuje pôdu pre prenos vlákien s vysokou energiou a vysokovýkonným femtosekundovým laserovým lúčom. Toto špeciálne jadro z dutých vlákien s tvarom kruhového vnútorného spriadacieho kolesa obmedzuje laserový režim, ktorý mu bráni v interakcii s mikroštruktúrou vlákna a kombinuje nízku nelinearitu, veľkú plochu poľa a flexibilnú decentralizovanú kontrolu. Spolupráca s firmou Glo photonics vo Francúzsku dokázala amplitúda Syst è MES prenášať pulzy úrovne MilliJoule na vzdialenosť niekoľkých metrov, pričom sa zaistilo, že trvanie impulzov je kratšie ako 500 fs. V ďalšom experimente s fotonickými nástrojmi sa môže prenášať pulzný laser s priemerným výkonom 100 W a môže sa realizovať pulzná kompresia menej ako 100 fs. Ostatné tímy a výrobcovia laserov tiež rýchlo používajú kagómové vlákna na vývoj flexibilných prenosových systémov (ako je znázornené na obrázku 4). V najbližších rokoch môžeme očakávať ďalšie hĺbkové zmeny v technológii ultra rýchleho laserového spracovania.
S ďalším rozvojom princípu interakcie medzi krátko-pulzným laserom a hmotou a vývojom technológie v systéme riadenia a prenosu lúčov vstúpil ultra rýchly laser do nášho každodenného života. Prostredníctvom najpokročilejšieho procesu priemyselného spracovania mení spôsob, akým sa pozeráme na veci, komunikujeme a pracujeme. V budúcnosti bude kľúčom k úspešnej výrobe komplexnejších spotrebných elektronických zariadení.