Tegenwoordig is ultrasnelle laser (femtoseconde en picoseconde pulsbreedte) een belangrijk onderdeel van het industriële productieproces. Dankzij zijn hoogwaardige niet-thermische materiaalverwerkingscapaciteit, in combinatie met de vooruitgang op het gebied van lasertechnologie, procesontwikkeling, straalregeling en transmissie, breidt het de toepassingsmogelijkheden van ultrasnelle laser in de industriële markt verder uit. Om het evenwicht tussen input en output te behouden, moet echter tegelijkertijd aan de volgende voorwaarden worden voldaan: ten eerste moet de technische haalbaarheid ervan in het industriële verwerkingsproces worden bewezen; omdat de interactie tussen ultrasnelle laser en materie uniek is, is het noodzakelijk om een goed wetenschappelijk begrip van dit proces te hebben; ten tweede moet de productiviteit van de industriële productie ervoor zorgen dat de eindgebruiker kan worden meegenomen met de investering die overeenkomt met de inkomsten, die de vooruitgang in de controle en transmissie van de straal zeker zal bevorderen om de potentiële verwerkingssnelheid volledig te benutten.
Het gebied van consumentenelektronica levert duidelijk het meeste bewijs. Mobiele telefoons, microprocessors, beeldschermen en geheugenchips zijn uiterst complexe componenten, die zijn samengesteld uit een groot aantal verschillende materialen, een zeer klein formaat en een zeer kleine dikte van meerlagige materialen. We hebben dus geavanceerde, uiterst nauwkeurige verwerkingscapaciteit en economisch haalbare massaproductiecapaciteit nodig. Hier' s een voorbeeld van waarom we tegelijkertijd verwerking, lasertechnologie en nieuwe straaltransmissietechnologie moeten ontwikkelen om de huidige en toekomstige uitdagingen aan te gaan.
Het maken van platte beeldschermen voor mobiele telefoons, tablets of televisies is een van de meest complexe technologieën van dit moment, met vergelijkbare of grotere moeilijkheden dan het Apollo-programma van de 1960 s. Verschillende productiestappen hebben betrekking op een groot aantal verschillende materialen, die de laterale resolutie van het micronniveau en de dikte van tientallen nanometers hebben. Vanwege de moeilijkheid van het hele proces is het niet verrassend dat industriële productiviteit (het aandeel van producten dat aan strenge kwaliteitstesten kan voldoen) als een geheim en een uitdaging wordt beschouwd. Een belangrijke beperking is het bestaan van slechte plekken op het paneel, wat de commercialisering van het scherm zal belemmeren. In de afgelopen paar jaar zijn er verschillende reparatietechnologieën ontwikkeld, meestal met nanoseconde-lasers met meerdere golflengten. Zo wordt een heldere pixel hersteld door lasercarbonisatie of het snijden van de elektroden van een dunne-filmtransistor die de pixel aanstuurt (figuur 1).
Figuur 1: dunne film transistor elektrode snijden, snijbreedte van 1. 9 μm.
De huidige technologie heeft haar grenzen bereikt. Vanwege de vooruitgang in de resolutie van het high-definition scherm wordt de grootte van pixels steeds kleiner en het daarmee samenhangende thermische effect van nanoseconde laserverwerking beperkt de kwaliteit van de reparatie. Bovendien hebben nieuwe weergavetechnologieën, waaronder organische lichtgevende dioden (OLED's) en actieve matrix lichtgevende dioden (AMOLED), veel gebruikte organische en polymere materialen gebruikt, die zeer gevoelig zijn voor verwarming en dus onverenigbaar zijn met warmtebehandeling. Omdat de pulsduur erg kort is, is de ultrasnelle laser zeer geschikt voor niet-thermische micromachining en zal geen warmte genereren. Ze worden veel gebruikt op het gebied van geavanceerde schermreparatieverwerking, wat de ontwikkeling bevordert van een nieuwe generatie compacte, ultrasnelle, ultrasnelle lasers met meerdere golflengten.
Sommige industriële processen zijn begonnen met zeer nauwkeurige ultrasnelle laserverwerking. Dit omvat selectieve ablatie, die gewoonlijk nauwkeurig is voor 30 nm / puls, en uiterst nauwkeurig snijden van dunne-filmtransistorelektroden met een snijbreedte van minder dan 2 μ M. Deze processen moeten geavanceerde en flexibele straalvormende technologie om een platte bovenkant te verkrijgen en een gelijkmatige transmissie te garanderen, en om het monster te vormen met een afmeting van slechts 2 × 2 μm.
In een ander voorbeeld worden halfgeleidercircuits steeds complexer en vereisen ze dat meer functies in kleinere afmetingen worden geïntegreerd. Daarom is de huidige wafel samengesteld uit vele lagen van verschillende materialen, zoals materialen met een lage diëlektrische constante die geschikt zijn voor een snelle werking. Een belangrijk proces in de halfgeleiderindustrie is het snijden en scheiden van wafels, dat wil zeggen het snijden van een wafel in afzonderlijke chips (Figuur 2). Traditioneel wordt de diamantzaag gebruikt, maar de huidige technologie heeft de limiet bereikt. Vanwege de brosheid, de dikte en het aantal lagen van de materialen met een lage diëlektrische constante, neemt de kans op negatieve effecten zoals scheuren en delaminering toe.
Figuur 2: halfgeleiderwafel snijden en in blokjes snijden.
Hoewel het gebruik van UV-nanoseconde-laserverwerking wordt bevorderd, beperkt het thermische effect van nanoseconde-laserverwerking de kwaliteit van de verwerkingsresultaten nog steeds aanzienlijk. Aan de andere kant tonen ultrasnelle lasers de mogelijkheid om silicium en hoogwaardige meerlagige materialen te verwerken. Tot voor kort was de gemiddelde vermogensbeperking van ultrasnelle laser nog steeds een groot probleem, wat de totale productie-efficiëntie ernstig beperkt. Tegenwoordig ligt de kracht van industriële femtoseconde laser met een hoge betrouwbaarheid tussen 50-100w, waardoor de productiecapaciteit overeenkomt met de industriële vereisten.
De ultrasnelle laser is een belangrijk onderdeel van het geavanceerde micromachineproces, dat een belangrijke rol speelt bij kwaliteitscontrole en meting. Rudolph Technologies heeft onlangs een nieuwe tool voor de halfgeleiderindustrie gelanceerd om de dikte van ondoorzichtige films te meten. Het systeem is gebaseerd op akoestische metingen met behulp van een zeer korte laser-gegenereerde ultrakorte puls. De reflectietijd van de ultrasone puls op het oppervlak van elke laag wordt gemeten met uiterst nauwkeurige pompdetectietechnologie.
Het uiterlijk van een krachtig en betrouwbaar lasersysteem heeft de laserverwerking en kwaliteitscontrole sterk verbeterd. Meer specifiek kunnen ultrasnelle lasers met een gemiddeld vermogen van 50 tot 200 W de productie-efficiëntie en productiviteit verbeteren, waardoor hun toepassing op nieuwe gebieden wordt uitgebreid. De stralingsregeling en transmissie van een dergelijke krachtige laser zijn echter niet eenvoudig. Om winst te maken, is het nodig om een verwerkingssnelheid van 100 M / s te behalen, terwijl de positioneringsnauwkeurigheid van het micronniveau behouden blijft. De huidige generatie galvanometerscanners heeft de limiet bereikt en er zijn nieuwe methoden nodig.
ESI-bedrijf heeft een hybride verwerkingssysteem gelanceerd dat galvanometer en Acoustooptic-technologie combineert. Bij een hogere verwerkingssnelheid betekent de traagheid van de scangalvanometer de vertraging bij de uitvoering, zoals een scherpe bocht, zodat de verwerkte structuur niet hetzelfde zal zijn als de ontworpen vorm. Acoustooptische modulatoren vertonen echter een zeer gevoelige respons, maar in een zeer klein bereik. De combinatie van galvanometerbeweging en acoustooptische afbuiging kan een nauwkeurige synchronisatie bereiken en deze beperking overwinnen. Deze technologie is vooral nuttig bij de grafische productie van onderling verbonden digitale schakelingen omdat ze steeds meer geïntegreerd worden en daarom een grotere bedradingsdichtheid vereisen.
Onderzoekers uit Japan' sDISCOHet bedrijf gebruikt dezelfde laser om zowel micromachining als procesbeheersing uit te voeren, en combineert zo beide.
In dit geval wordt een ultrasnelle laser gebruikt om een blind gat te boren op een dubbellaagse ondergrond. De bovenste laag is 80 μm dik transparant materiaal en de onderste laag is 20 μ m dik metaalfolie. Om het aantal laserpulsen nauwkeurig te regelen, zodat het ablatiebereik beperkt is tot het transparante substraat, is het nodig om een spectrumanalysator te gebruiken om de plasma-emissie te bewaken, dat wil zeggen met behulp van laser-geïnduceerde afbraakspectroscopie (LIBS) -technologie .
Figuur 3: kernvorm van kagome-vezel.
Omdat de plasma-emissie een uniek emissiespectrum heeft, afhankelijk van het type geaateerde atomen, kan het tijdig en nauwkeurig detecteren wanneer de transparante laag volledig is geablateerd. Een andere methode is dat de polygoonscanner een scansnelheid van meer dan 100 m / s kan halen. Dit soort enkele spiegel kan met hoge snelheid roteren en kan de spiegel met lage traagheid volledig vervangen, die alleen de straal in X- en Y-richting kan reflecteren. Als de rotatie van de pulslaser en de veelvlakspiegel nauwkeurig kan worden gesynchroniseerd, kan slechts één punt op elk oppervlak de verwerking van het monster beïnvloeden. In dit geval lijkt het micromachineproces meer op een digitaal proces, dat wil zeggen dat de laser moet worden bestuurd om in en uit te schakelen om de vereiste afbeeldingen te produceren. Om ideale resultaten te verkrijgen, is het nodig om een zeer nauwkeurige synchronisatie tussen de laser en de scanner te bereiken, en de productienauwkeurigheid van de veelvlakkige spiegel is zeer hoog en de verwerking moet zorgvuldig worden ontworpen. In samenwerking met amplitudesyst è MES en Nextscan-bedrijf in België heeft professor beat neuenschwander van de Bern University of Applied Sciences University in Zwitserland supersnelle oppervlaktemicromodellering met micron-positioneringsnauwkeurigheid gerealiseerd met behulp van 500 ultrasnelle laser.
Meer innovaties in de voortplanting van de straal zijn nog in de maak. Het glasvezeltransmissiesysteem geeft de laserverwerkende industrie een nieuwe look en de ultrasnelle laser van industriële klasse kan hier tot voor kort nog steeds niet van profiteren. Door de bundelbeperking van de kleine vezelkern en de zeer hoge piekintensiteit van de ultrasnelle puls zal het ernstige niet-lineaire effect worden geproduceerd, wat uiteindelijk zal leiden tot afbraak van de vezels. Om van deze beperking af te komen, is holle microstructuurvezel ontwikkeld, maar de kerndiameter is beperkt tot enkele microns, die te klein is voor praktische toepassing. De ontwikkeling van een holle kagome microstructuurvezel met groot werkingsgebied maakt de weg vrij voor de vezeloverdracht van hoge energie en krachtige femtoseconde laserstraal. Deze speciale holle-vezelkern met de vorm van een cirkelvormig intern spinnewiel beperkt de lasermodus, voorkomt dat deze interageert met de microstructuur van de vezel en combineert een lage niet-lineariteit, een groot veldveld en flexibele decentrale besturing. Door samen te werken met Glo photonics in Frankrijk, heeft amplitude Syst è MES pulsen van het milliJoule-niveau over een afstand van enkele meters kunnen verzenden, terwijl de pulsduur korter is dan 500 fs. In een ander experiment met fotonica-instrumenten kan pulslaser met een gemiddeld vermogen van 100 W worden verzonden en kan pulscompressie van minder dan 100 fs worden gerealiseerd. Andere teams en laserfabrikanten gebruiken ook snel kagome-vezels om flexibele transmissiesystemen te ontwikkelen (zoals weergegeven in figuur 4). We kunnen de komende jaren meer diepgaande veranderingen in de ultrasnelle laserverwerkingstechnologie verwachten.
Met de verdere ontwikkeling van het principe van interactie tussen korte-pulslaser en materie en de ontwikkeling van technologie in straalbesturings- en transmissiesysteem, is de ultrasnelle laser ons dagelijks leven binnengekomen. Door het meest geavanceerde industriële verwerkingsproces verandert het de manier waarop we naar dingen kijken, communiceren en werken. Het zal de sleutel zijn om in de toekomst met meer complexe elektronische consumentenapparatuur te produceren.