Selv om ultrahurtige lasere har eksistert i flere tiår, har industrielle applikasjoner vokst raskt de siste to tiårene. I 2019 var markedsverdien av ultrahurtigelasermaterialeprosesseringsarbeidet var omtrent 460 millioner dollar, med en sammensatt årlig vekstrate på 13 %. Bruksområder der ultrahurtige lasere har blitt brukt til å behandle industrielle materialer inkluderer fabrikasjon og reparasjon av fotomasker i halvlederindustrien, samt silisiumdicing, glassskjæring/-rissing og fjerning av (indiumtinnoksid) ITO-film i forbrukerelektronikk som mobiltelefoner og nettbrett, stempleteksturering for bilindustrien, produksjon av koronarstent og produksjon av mikrofluidiske enheter for medisinsk industri.
01 Fotomaskeproduksjon og -reparasjon i halvlederindustrien
Ultrahurtige lasere ble brukt i en av de tidligste industrielle applikasjonene innen materialbehandling. IBM rapporterte om bruken av femtosekundlaserablasjon i fotomaskeproduksjon på 1990-tallet. Sammenlignet med nanosekundlaserablasjon, som kan produsere metallsprut og glassskader, viser femtosekundlasermasker ingen metallsprut, ingen glassskader osv. Fordelene. Denne metoden brukes til å produsere integrerte kretser (IC-er). Produksjon av en IC-brikke kan kreve opptil 30 masker og koste > $100 000. Femtosekundlaserprosessering kan behandle linjer og punkter under 150 nm.
Figur 1. Produksjon og reparasjon av fotomasker
Figur 2. Optimaliseringsresultater av forskjellige maskemønstre for ekstrem ultrafiolett litografi
02 Silisiumskjæring i halvlederindustrien
Silisiumskiver-dicing er en standard produksjonsprosess i halvlederindustrien og utføres vanligvis ved hjelp av mekanisk dicing. Disse skjærehjulene utvikler ofte mikrosprekker og er vanskelige å skjære tynne (f.eks. tykkelse < 150 μm) wafere med. Laserskjæring av silisiumskiver har blitt brukt i halvlederindustrien i mange år, spesielt for tynne wafere (100–200 μm), og utføres i flere trinn: laserrilling, etterfulgt av mekanisk separasjon eller skjult skjæring (dvs. infrarød laserstråle inne i silisiumristingen) etterfulgt av mekanisk båndseparasjon. Nanosekundpulslaseren kan behandle 15 wafere per time, og pikosekundlaseren kan behandle 23 wafere per time, med høyere kvalitet.
03 Glasskjæring/-skjæring i forbrukselektronikkindustrien
Berøringsskjermer og beskyttelsesglass for mobiltelefoner og bærbare datamaskiner blir tynnere, og noen geometriske former er buede. Dette gjør tradisjonell mekanisk skjæring vanskeligere. Typiske lasere gir vanligvis dårlig skjærekvalitet, spesielt når disse glassskjermene er stablet i 3–4 lag, og det øverste 700 μm tykke beskyttelsesglasset er herdet, som kan knuse ved lokalisert belastning. Ultrahurtige lasere har vist seg å kunne skjære disse glassene med bedre kantstyrke. For skjæring av store flatskjermer kan femtosekundlaseren fokuseres på baksiden av glassplaten, og ripe opp innsiden av glasset uten å skade frontflaten. Glasset kan deretter knuses ved hjelp av mekaniske eller termiske metoder langs det ripede mønsteret.
Figur 3. Ultrahurtig pikosekunderlaserskjæring av spesialformet glass
04 Stempelteksturer i bilindustrien
Lette bilmotorer er laget av aluminiumslegeringer, som ikke er like slitesterke som støpejern. Studier har funnet at femtosekundlaserbehandling av bilstempler kan redusere friksjon med opptil 25 % fordi rusk og olje kan lagres effektivt.
Figur 4. Femtosekundlaserbehandling av bilmotorstempler for å forbedre motorens ytelse
05 Produksjon av koronarstenter i medisinsk industri
Millioner av koronarstenter implanteres i kroppens koronararterier for å åpne en kanal for blodets strømning inn i ellers koagulerte kar, noe som redder millioner av liv hvert år. Koronarstenter er vanligvis laget av metallnett (f.eks. rustfritt stål, nikkel-titan-formminnelegering eller mer nylig kobolt-kromlegering) med en stiverbredde på omtrent 100 μm. Sammenlignet med langpulslaserskjæring er fordelene ved å bruke ultrahurtige lasere til å skjære braketter høy skjærekvalitet, bedre overflatefinish og mindre rusk, noe som reduserer kostnadene for etterbehandling.
06 Produksjon av mikrofluidiske enheter for medisinsk industri
Mikrofluidiske enheter brukes ofte i medisinsk industri for testing og diagnose av sykdommer. Disse produseres vanligvis ved mikrosprøytestøping av individuelle deler og deretter liming ved hjelp av liming eller sveising. Ultrahurtig laserfabrikasjon av mikrofluidiske enheter har fordelen av å produsere 3D-mikrokanaler i transparente materialer som glass uten behov for tilkoblinger. Én metode er ultrahurtig laserfabrikasjon inne i et bulkglass etterfulgt av våtkjemisk etsing, og en annen er femtosekund laserablasjon inne i glass eller plast i destillert vann for å fjerne rusk. En annen tilnærming er å maskinere kanaler inn i glassoverflaten og forsegle dem med et glassdeksel via femtosekund lasersveising.
Figur 6. Femtosekundlaserindusert selektiv etsing for å fremstille mikrofluidiske kanaler inne i glassmaterialer.
07 Mikroboring av injektordyse
Femtosekundlaser-mikrohullmaskinering har erstattet mikro-EDM hos mange selskaper i markedet for høytrykksinjektorer på grunn av større fleksibilitet i å endre strømningshullprofiler og kortere maskineringstider. Muligheten til å automatisk kontrollere fokusposisjonen og hellingen på strålen gjennom et presesserende skannehode har ført til design av blenderåpningsprofiler (f.eks. tønne, flare, konvergens, divergens) som kan fremme forstøvning eller penetrasjon i forbrenningskammeret. Boretiden avhenger av ablasjonsvolumet, med en boretykkelse på 0,2–0,5 mm og en hulldiameter på 0,12–0,25 mm, noe som gjør denne teknikken ti ganger raskere enn mikro-EDM. Mikroboring utføres i tre trinn, inkludert grovfresing og finbearbeiding av gjennomgående pilothull. Argon brukes som hjelpegass for å beskytte borehullet mot oksidasjon og for å skjerme det endelige plasmaet i de innledende trinnene.
Figur 7. Femtosekundlaser med høy presisjonsprosessering av invertert konhull for dieselmotorinjektor
08 Ultrarask laserteksturering
I de senere årene har mikromaskinering gradvis blitt et fokusområde for forskere for å forbedre maskineringsnøyaktigheten, redusere materialskader og øke prosesseringseffektiviteten. Ultrahurtig laser har en rekke prosesseringsfordeler, som lav skade og høy presisjon, noe som har blitt fokus for å fremme utviklingen av prosesseringsteknologi. Samtidig kan ultrahurtige lasere virke på en rekke materialer, og laserbehandling av materialskader er også en viktig forskningsretning. Ultrahurtig laser brukes til å ablatere materialer. Når laserens energitetthet er høyere enn materialets ablasjonsterskel, vil overflaten av det ablaterte materialet vise en mikronanostruktur med visse egenskaper. Forskning viser at denne spesielle overflatestrukturen er et vanlig fenomen som oppstår når man laserbehandler materialer. Fremstilling av overflatemikronanostrukturer kan forbedre materialets egenskaper og også muliggjøre utvikling av nye materialer. Dette gjør fremstilling av overflatemikronanostrukturer med ultrahurtig laser til en teknisk metode med viktig utviklingsbetydning. For tiden kan forskning på ultrahurtig laseroverflateteksturering for metallmaterialer forbedre fuktingsegenskapene til metalloverflaten, forbedre overflatefriksjon og slitasjeegenskaper, forbedre beleggadhesjon og retningsbestemt proliferasjon og adhesjon av celler.
Figur 8. Superhydrofobe egenskaper til laserpreparert silisiumoverflate
Som en banebrytende prosesseringsteknologi har ultrahurtig laserprosessering egenskapene til en liten varmepåvirket sone, ikke-lineær prosess for interaksjon med materialer og prosessering med høy oppløsning utover diffraksjonsgrensen. Den kan realisere mikro-nanoprosessering av ulike materialer med høy kvalitet og høy presisjon, samt fabrikasjon av tredimensjonal mikro-nanostruktur. Laserproduksjon av spesielle materialer, komplekse strukturer og spesielle enheter åpner nye veier for mikro-nanoproduksjon. For tiden har femtosekundlaser blitt mye brukt i mange banebrytende vitenskapelige felt: femtosekundlaser kan brukes til å forberede ulike optiske enheter, for eksempel mikrolinsematriser, bioniske sammensatte øyne, optiske bølgeledere og metasurfacetter. Ved å bruke sin høye presisjon, høye oppløsning og tredimensjonale prosesseringsmuligheter kan femtosekundlaser forberede eller integrere mikrofluidiske og optofluidiske brikker som mikrovarmerkomponenter og tredimensjonale mikrofluidiske kanaler. I tillegg kan femtosekundlaser også fremstille forskjellige typer overflatemikronanostrukturer for å oppnå antirefleksjon, antirefleksjon, superhydrofob, anti-ising og andre funksjoner. Ikke bare det, femtosekundlaser har også blitt brukt innen biomedisin, og viser enestående ytelse innen felt som biologiske mikrostenter, cellekultursubstrater og biologisk mikroskopisk avbildning. Brede anvendelsesmuligheter. For tiden utvides anvendelsesområdene for femtosekundlaserprosessering år for år. I tillegg til de ovennevnte mikrooptikk, mikrofluidikk, multifunksjonelle mikronanostrukturer og biomedisinske ingeniørapplikasjoner, spiller den også en stor rolle i noen nye felt, som metasurface-forberedelse, mikronanoproduksjon og flerdimensjonal optisk informasjonslagring, etc.
Publisert: 17. april 2024
