В наши дни свръхбързият лазер (фемтосекунда и пикосекунда импулсна ширина) е важна част от производствения производствен процес. Благодарение на своята висококачествена способност за обработка на нетермични материали, съчетана с напредъка в лазерната технология, развитието на процесите, контрола на лъчите и предаването, той допълнително разширява обхвата на приложение на ултра бърз лазер на индустриалния пазар. За да се поддържа балансът между входната и изходната продукция обаче, трябва да бъдат изпълнени едновременно следните условия: първо, необходимо е да се докаже техническата му приложимост в процеса на промишлена преработка; тъй като взаимодействието между свръхбързият лазер и материята е уникално, е необходимо да се постигне фино научно разбиране на този процес; второ, производителността на промишленото производство трябва да гарантира, че крайният потребител може да бъде приведен с инвестицията, съответстваща на приходите, което е длъжно да насърчи напредъка в контрола и предаването на лъчите, за да се използва пълноценно потенциалната скорост на обработка.
Полето на потребителската електроника ясно дава най-много доказателства. Мобилните телефони, микропроцесорите, дисплеите и чиповете за памет са изключително сложни компоненти, които са съставени от голям брой различни материали, много малък размер и много малка дебелина на многослойни материали. Така че се нуждаем от напреднал, високо прецизен капацитет за обработка и икономически осъществим капацитет за масово производство. Ето&# {{}}; пример за това, защо трябва да разработваме технология за обработка, лазер и нова технология за предаване на лъчи едновременно, за да отговорим на настоящите и бъдещите предизвикателства.
Изработката на плосък дисплей за мобилни телефони, таблети или телевизори е една от най-сложните технологии днес, със сходни или по-големи затруднения в сравнение с програмата Apollo на 1960 s. Различните производствени стъпки включват голям брой различни материали, които имат странична разделителна способност на нивото на микрона и дебелината на десетки нанометри. Поради трудността на целия процес, не е изненадващо, че индустриалната производителност (съотношението на продуктите, които могат да преминат строги тестове за качество) се счита за тайна и предизвикателство. Ключово ограничение е наличието на лоши петна на панела, което ще попречи на комерсиализацията на екрана. През последните няколко години са разработени няколко различни технологии за ремонт, обикновено включващи многовълнови наносекундни лазери. Например светлият пиксел се поправя чрез лазерно карбонизиране или изрязване на електродите на тънкослоен транзистор, който управлява пиксела (Фигура 1).
Фигура 1: тънкослоен транзисторен електрод за рязане, широчина на рязане 1. 9 μm.
Настоящата технология достигна своите граници. Поради напредъка в разделителната способност на екрана с висока разделителна способност, размерът на пикселите става все по-малък и по-малък, а топлинният ефект от наносекундната лазерна обработка, свързан с него, ограничава качеството на ремонта. Освен това новите дисплейни технологии, включително органични светодиоди (OLED) и активни матрични светодиоди (AMOLED), широко използват органични и полимерни материали, които са силно чувствителни към нагряване и по този начин несъвместими с термичната обработка. Тъй като продължителността на импулса е много кратка, ултрабързият лазер е много подходящ за нетермична микромашина и няма да генерира топлина. Те са широко използвани в областта на усъвършенстваната обработка на поправка на екрана, която насърчава развитието на ново поколение компактни високоскоростни многовълнови ултрабързи лазери.
Някои промишлени процеси започнаха да използват ултрабърза лазерна обработка с висока точност. Това включва селективна аблация, която обикновено е точна до 30 nm / импулс, и високо прецизно тънкослойно транзисторно рязане на електрод с широчина на рязане по-малка от 2 μ M. Тези процеси трябва да се развият напреднали и гъвкава технология за оформяне на гредата, за да се получи греда с плосък връх и да се осигури равномерното й предаване, както и да се оформи пробата с размер, по-малък от 2 × 2 μm.
В друг пример полупроводниковите вериги стават все по-сложни и изискват повече функции да бъдат интегрирани в по-малки размери. Следователно настоящата вафла е съставена от много слоеве от различни материали, като например ниско диелектрични константни материали, подходящи за бърза работа. Важен процес в производството на полупроводници е рязането и разделянето на вафли, тоест разрязването на вафла на отделни чипове (Фигура 2). Традиционно се използва диамантен трион, но настоящата технология достигна лимита. Поради крехкостта, дебелината и броя на слоевете на материалите с ниска диелектрична константа, вероятността от отрицателни ефекти като напукване и разслояване се увеличава.
Фигура 2: полупроводниково рязане и изрязване на вафли.
Въпреки че се насърчава използването на UV наносекундна лазерна обработка, топлинният ефект от лазерната обработка на наносекунда все още значително ограничава качеството на резултатите от обработката. От друга страна, ултрабързите лазери показват способността да обработват силиций и висококачествени многослойни материали. Доскоро средното ограничаване на мощността на свръхбързият лазер все още е основен проблем, който сериозно ограничава общата ефективност на производството. Днес мощността на индустриалния фемтосекунден лазер с висока надеждност е между 50-100w, което прави неговия производствен капацитет да съответства на индустриалните изисквания.
Свръхбързият лазер е важна част от усъвършенствания микромашинен процес, който играе важна роля в контрола и измерването на качеството. Технологиите Rudolph наскоро пуснаха нов инструмент за производството на полупроводници за измерване на дебелината на непрозрачните филми. Системата се основава на акустично измерване, като се използва много кратък лазерно генериран ултракоротков импулс. Времето за отразяване на ултразвуковия импулс върху повърхността на всеки слой се измерва с помощта на високо прецизна технология за откриване на помпата.
Появата на лазерна система с висока мощност и висока надеждност значително подобри лазерната обработка и контрол на качеството. По-конкретно, ултра бързите лазери със средна мощност от 50 до 200 W могат да подобрят производствената ефективност и производителността, като по този начин разширят приложението си в нови области. Управлението на лъча и предаването на такъв мощен лазер обаче не е лесно. За да се реализират печалби, е необходимо да се постигне скорост на обработка 100 M / s, като същевременно се поддържа точността на позициониране на нивото на микрона. Настоящото поколение скенери за галванометри достигна лимита и са необходими нови методи.
Компанията ESI пусна хибридна система за обработка, съчетаваща галванометър и акустооптична технология. При работа с по-висока скорост на обработка, инерцията на сканиращия галванометър означава забавяне на изпълнението, като рязък завой, така че обработената структура няма да бъде същата като проектираната форма. Акустооптичните модулатори обаче показват много чувствителна реакция, но в много малък диапазон. Комбинацията от движение на галванометър и акустооптично отклонение може да постигне точна синхронизация и да преодолее това ограничение. Тази технология е особено полезна при производството на графика на взаимосвързани цифрови схеми, защото те стават все по-интегрирани и поради това изискват повишена плътност на окабеляването.
Изследователи от Япония' sDISCOкомпанията използва един и същ лазер за извършване на микромашиниране и контрол на процесите, като по този начин комбинира двете.
В този случай се използва ултрабърз лазер за пробиване на сляп отвор върху двуслоен субстрат. Горният слой е прозрачен материал с дебелина 80 µm, а долният - метален филм с дебелина 20 μ m. За да се контролира прецизно броят на лазерните импулси, така че обхватът на аблация да бъде ограничен до прозрачния субстрат, е необходимо да се използва спектрален анализатор за наблюдение на плазменото излъчване, тоест с помощта на лазерно-индуцирана разрушаваща спектроскопия (LIBS) технология ,
Фигура 3: форма на сърцевината от кагоме влакна.
Тъй като плазмената емисия има уникален емисионен спектър в зависимост от типа на атомите, които са отвлечени, той може своевременно и точно да открие, когато прозрачният слой е напълно отвлечен. Друг метод е, че многоъгълният скенер може да постигне скорост на сканиране над 100 m / s. Този вид единично огледало може да се върти с висока скорост и може напълно да замени огледалото с ниска инерция, което може да отразява лъча само в посока X и Y. Ако въртенето на импулсния лазер и полиедричното огледало може да бъде точно синхронизирано, само една точка на всяка повърхност може да повлияе на обработката на пробата. В този случай процесът на микромашиниране е по-скоро като дигитален процес, тоест лазерът трябва да бъде контролиран, за да се включва и изключва за получаване на необходимата графика. За да се получат идеални резултати, е необходимо да се постигне много прецизна синхронизация между лазера и скенера, а точността на производство на полиедричното огледало е много висока и обработката трябва да бъде внимателно проектирана. В сътрудничество с amplitudesyst è MES и компания Nextscan в Белгия, професорът победи neuenschwander от университета в Приложните науки на Берн в Швейцария реализира високоскоростно микро моделиране на повърхността с точност на позициониране с микрони с помощта на 500 kHz ултрабърз лазер.
Още иновации в разпространението на лъчите все още са в процес на работа. Системата за оптично предаване на влакна превръща индустрията за лазерна обработка в нов вид, а ултрабързият лазер в индустриалния клас все още не може да се възползва от това доскоро. Поради ограничението на лъча на малкото влакнесто ядро и много високата пикова интензивност на свръхбързия импулс, ще се получи сериозният нелинеен ефект, който в крайна сметка ще доведе до разграждане на влакната. За да се отървем от това ограничение, е разработена куха микроструктурна нишка, но диаметърът на сърцевината е ограничен до няколко микрона, което е твърде малко за практическо приложение. Разработването на кухи микрофигурални влакна с голяма форма на кагоме прокарва пътя за влакнопредаване на високоенергиен и високо мощен фемтосекунден лазерен лъч. Тази специална куха влакнеста сърцевина с формата на кръгло вътрешно въртящо се колело ограничава лазерния режим, предотвратява взаимодействието му с микроструктурата на влакната и съчетава ниска нелинейност, голяма област на полето и гъвкаво децентрализирано управление. Чрез сътрудничество с Glo photonics във Франция, амплитудата Syst è MES успя да предава импулси на ниво milliJoule за разстояние от няколко метра, като същевременно гарантира, че продължителността на импулса е по-малка от 500 fs. В друг експеримент с инструменти за фотоника може да се предава импулсен лазер със средна мощност 100 W и компресиране на импулс по-малко от 100 fs. Други екипи и производители на лазер също бързо използват kagome fiber за разработване на гъвкави системи за предаване (както е показано на фигура 4). Можем да очакваме по-задълбочени промени в свръхбързата технология за лазерна обработка през следващите няколко години.
С по-нататъшното развитие на принципа на взаимодействие между късоимпулсен лазер и материя и развитието на технологията в системата за управление и предаване на лъчите, ултрабързият лазер навлиза в ежедневието ни. Чрез най-модерния процес на индустриална обработка, той променя начина, по който гледаме на нещата, общуваме и работим. Това ще бъде ключът към успешното производство на по-сложно потребителско електронно оборудване в бъдеще.