I dag er ultrasnabb laser (femtosekund og pikosekund pulsbredde) en viktig del av den industrielle produksjonsprosessen. I kraft av sin høykvalitets prosesseringsevne av ikke-termisk materiale, kombinert med fremdriften innen laserteknologi, prosessutvikling, strålekontroll og overføring, utvider den anvendelsesområdet for ultra-hurtig laser i det industrielle markedet. For å opprettholde balansen mellom input og output, må følgende betingelser imidlertid oppfylles samtidig: For det første er det nødvendig å bevise at det er teknisk mulig i den industrielle prosessprosessen; fordi samspillet mellom ultrasnelle laser og materie er unikt, er det nødvendig å ha en fin vitenskapelig forståelse av denne prosessen; For det andre må produktiviteten til industriell produksjon sikre at sluttbrukeren kan bringes med investeringen samsvarende med inntektene, noe som er bundet til å fremme fremdriften innen bjelkkontroll og overføring for å utnytte den potensielle prosesseringshastigheten fullt ut.
Feltet med forbrukerelektronikk gir klart mest bevis. Mobiltelefoner, mikroprosessorer, skjermer og minnebrikker er ekstremt komplekse komponenter, som er sammensatt av et stort antall forskjellige materialer, en veldig liten størrelse og en veldig liten tykkelse på flerlagsmaterialer. Så vi trenger avansert prosessorkapasitet med høy presisjon og økonomisk mulig masseproduksjonskapasitet. Her er' s et eksempel på hvorfor vi trenger å utvikle prosessering, laserteknologi og ny stråleoverføringsteknologi samtidig for å møte dagens og fremtidige utfordringer.
Å lage flatskjerm for mobiltelefoner, nettbrett eller TV er en av de mest komplekse teknologiene i dag, med lignende eller større vanskeligheter enn Apollo-programmet fra 1960 s. Ulike produksjonstrinn involverer et stort antall forskjellige materialer, som har den laterale oppløsningen av mikronivået og tykkelsen på titalls nanometer. På grunn av vanskeligheten med hele prosessen er det ikke overraskende at industriell produktivitet (andelen produkter som kan bestå streng kvalitetstesting) blir sett på som en hemmelighet og en utfordring. En viktig begrensning er eksistensen av dårlige flekker på panelet, noe som vil hindre kommersialiseringen av skjermen. I løpet av de siste årene har flere forskjellige reparasjonsteknologier blitt utviklet, som vanligvis involverer multi-bølgelengde nanosekundlasere. For eksempel blir en lys pixel reparert ved laserkarbonisering eller kapping av elektrodene til en tynnfilmtransistor som styrer pikslen (figur 1).
Figur 1: tynnfilm-transistorelektrodekutting, skjærebredde på 1. 9 um.
Nåværende teknologi har nådd sine grenser. På grunn av fremgangen i oppløsningen av HD-skjermen, blir størrelsen på piksler mindre og mindre, og den termiske effekten av nanosekund laserbehandling relatert til den begrenser kvaliteten på reparasjonen. I tillegg har nye displayteknologier, inkludert organiske lysemitterende dioder (OLED-er) og aktive matrise-lysemitterende dioder (AMOLED), mye brukt organiske og polymere materialer, som er svært følsomme for oppvarming og dermed uforenlige med varmebehandling. Fordi pulslengden er veldig kort, er den ultrafaste laseren veldig egnet for ikke-termisk mikromaskinering, og vil ikke generere varme. De er mye brukt innen avansert prosessering av skjermreparasjoner, noe som fremmer utviklingen av en ny generasjon av kompakte høyhastighets ultrabølgelengde ultra raske lasere.
Noen industrielle prosesser har begynt å bruke ultra-presis laserbehandling med høy presisjon. Dette inkluderer selektiv ablasjon, som vanligvis er nøyaktig til 30 nm / puls, og tynnfilmstransistorelektrodeskæring med høy presisjon med en skjærebredde på mindre enn 2 μ M. Disse prosessene må utvikle avanserte og fleksibel bjelkeformingsteknologi for å oppnå flat-top-bjelke og sikre ensartet overføring, og for å forme prøven med størrelse så lav som 2 × 2 μm.
I et annet eksempel blir halvlederkretser mer og mer komplekse, og de krever at flere funksjoner skal integreres i mindre størrelser. Derfor er den nåværende skiven sammensatt av mange lag med forskjellige materialer, for eksempel materialer med lav dielektrisk konstant som er egnet for hurtig drift. En viktig prosess i halvlederindustrien er kapping og separering av skiver, det vil si kutte en skive i separate brikker (figur 2). Tradisjonelt brukes diamantsagen, men den nåværende teknologien har nådd grensen. På grunn av sprøheten, tykkelsen og antall lag av materialene med lav dielektrisk konstant, øker sannsynligheten for negative effekter som sprekk og delaminering.
Figur 2: kutting og terning av halvlederwafer.
Selv om bruken av UV-nanosekunder-laserbehandling fremmes, begrenser den termiske effekten av nanosekunder-laserbehandling fremdeles sterkt kvaliteten på behandlingsresultatene. På den annen side viser ultrasnelle lasere muligheten til å behandle silisium og høykvalitetsmaterialer i flere lag. Inntil nylig er den gjennomsnittlige effektbegrensningen for ultrafast laser fremdeles et stort problem, noe som alvorlig begrenser den totale produksjonseffektiviteten. I dag er kraften til industriell femtosekundslaser med høy pålitelighet mellom 50-100w, noe som gjør at produksjonskapasiteten samsvarer med de industrielle kravene.
Den ultrasnelle laseren er en viktig del av den avanserte mikromaskineringsprosessen, som spiller en viktig rolle i kvalitetskontroll og måling. Rudolph teknologier lanserte nylig et nytt verktøy for halvlederindustrien for å måle tykkelsen på ugjennomsiktig film. Systemet er basert på akustisk måling og bruker en veldig kort lasergenerert ultrashort-puls. Refleksjonstiden for ultralydpulsen på overflaten til hvert lag måles ved hjelp av høypresisjonspumpedeteksjonsteknologi.
Utseendet til lasersystem med høy kraft og pålitelighet har forbedret laserbehandlingen og kvalitetskontrollen. Mer spesifikt kan ultrasnelle lasere med en gjennomsnittlig effekt på 50 til 200 W forbedre produksjonseffektiviteten og produktiviteten, og dermed utvide bruken i nye felt. Strålestyringen og overføringen av en slik kraftig laser er imidlertid ikke lett. For å oppnå fortjeneste er det nødvendig å oppnå en prosesseringshastighet på 100 M / s, samtidig som posisjonsnøyaktigheten til mikronivået opprettholdes. Den nåværende generasjonen av galvanometer-skannere har nådd grensen og nye metoder er nødvendige.
ESI-selskapet har lansert et hybrid prosesseringssystem som kombinerer galvanometer og Acoustooptic Technology. Når du arbeider med høyere prosesseringshastighet, betyr tregheten til skannegalvanometeret etterslepet av utførelsen, for eksempel en skarp sving, slik at den behandlede strukturen ikke vil være den samme som den utformede formen. Imidlertid viser akustooptiske modulatorer en veldig følsom respons, men i et veldig lite område. Kombinasjonen av galvanometerbevegelse og akustooptisk avbøyning kan oppnå nøyaktig synkronisering og overvinne denne begrensningen. Denne teknologien er spesielt nyttig i grafikkfremstilling av sammenkoblede digitale kretser fordi de blir mer og mer integrerte og derfor krever økt ledningstetthet.
Forskere fra Japan' sDISCOselskapet bruker samme laser for å utføre både mikromaskinering og prosesskontroll, og dermed kombinere de to.
I dette tilfellet brukes en ultrasnell laser for å bore et blindhull på et dobbeltlagsunderlag. Det øvre laget er 80 μ m tykt gjennomsiktig materiale, og det nedre laget er 20 μm tykk metallfilm. For nøyaktig å kontrollere antall laserpulser, slik at ablasjonsområdet er begrenset til det transparente underlaget, er det nødvendig å bruke en spektrumanalysator for å overvåke plasmautslippet, det vil si ved bruk av laser-indusert nedbrytingsspektroskopi (LIBS) -teknologi .
Figur 3: kjerneform av kagomfiber.
Fordi plasmautslippet har et unikt utslippspektrum i henhold til typen ablaterte atomer, kan det rettidig og nøyaktig oppdage når det transparente laget er fullstendig ablert. En annen metode er at polygonscanneren kan oppnå en skannehastighet på mer enn 100 m / s. Denne typen enkelt speil kan rotere i høy hastighet, og kan erstatte det lavt treghetsspeilet som bare kan reflektere strålen i X- og Y-retning. Hvis rotasjonen av pulslaseren og det poledriske speilet kan synkroniseres nøyaktig, kan bare ett punkt på hver overflate påvirke behandlingen av prøven. I dette tilfellet er mikromaskineringsprosessen mer som en digital prosess, det vil si at laseren må styres for å slå av og på for å produsere den nødvendige grafikken. For å oppnå ideelle resultater er det nødvendig å oppnå en veldig presis synkronisering mellom laseren og skanneren, og produksjonsnøyaktigheten til det poledriske speilet er veldig høyt, og behandlingen må utformes nøye. I samarbeid med amplitudesyst è MES og Nextscan-selskapet i Belgia, slo professor neuenschwander ved Bern University of Applied Sciences University i Sveits realisert høyhastighets overflatemikromodellering med mikronposisjonsnøyaktighet ved å bruke 500 kHz ultrafast laser.
Flere nyvinninger innen bjelkeutbredelse er fremdeles i verkene. Det fiberoptiske transmisjonssystemet gjør laserprosesseringsindustrien et nytt utseende, og den ultraklasse laserindustriklassen kan fortsatt ikke dra nytte av dette før nylig. På grunn av strålebegrensningen av den lille fiberkjernen og den meget høye toppintensiteten til den ultrasnelle pulsen, vil den alvorlige ikke-lineære effekten bli produsert, noe som til slutt vil føre til fibernedbrytning. For å bli kvitt denne begrensningen er det utviklet hule mikrostrukturfiber, men kjernediameteren er begrenset til noen få mikron, som er for liten for praktisk anvendelse. Utviklingen av en hul kagome mikrostrukturfiber i stort modus-område baner vei for fiberoverføring av høyenergi og høyeffekt femtosekund laserstråle. Denne spesielle hule fiberkjernen med formen til et sirkulært indre spinnehjul begrenser lasermodusen og forhindrer den i å samhandle med fibermikrostrukturen og kombinerer lavt ikke-linearitet, feltområde med stor modus og fleksibel desentralisert kontroll. Ved å samarbeide med Glo photonics i Frankrike har amplitude Syst è MES kunnet overføre milliJoule-nivåpulser i en avstand på flere meter, samtidig som pulsvarigheten er mindre enn 500 fs. I et annet eksperiment med fotonikkverktøy kan pulslaser med en gjennomsnittlig effekt på 100 W overføres, og pulskomprimering på mindre enn 100 fs kan realiseres. Andre team og laserprodusenter bruker også raskt kagome fiber for å utvikle fleksible transmisjonssystemer (som vist i figur 4). Vi kan forvente mer dyptgripende endringer i ultrahurtig laserprosesseringsteknologi de neste årene.
Med den videre utviklingen av prinsippet om samhandling mellom kortpuls-laser og materie og utviklingen av teknologi innen strålekontroll og transmisjonssystem, har den ultra raske laseren kommet inn i vårt daglige liv. Gjennom den mest avanserte industrielle prosessprosessen endrer den måten vi ser på ting, kommuniserer og jobber. Det vil være nøkkelen til å produsere mer komplekst elektronisk utstyr for forbrukere i fremtiden.