יישומים תעשייתיים לייצור מיקרו-ננו מהיר במיוחד

למרות שלייזרים מהירים במיוחד קיימים כבר עשרות שנים, יישומים תעשייתיים צמחו במהירות בשני העשורים האחרונים. בשנת 2019, שווי השוק של אולטרה-מהירחומר לייזרהעיבוד היה כ-460 מיליון דולר, עם שיעור צמיחה שנתי מורכב של 13%. אזורי יישומים שבהם נעשה שימוש מוצלח בלייזרים מהירים במיוחד לעיבוד חומרים תעשייתיים כוללים ייצור ותיקון פוטומסכות בתעשיית המוליכים למחצה, כמו גם חיתוך סיליקון, חיתוך/שריטת זכוכית והסרת סרטי ITO (אינדיום בדיל) במכשירי אלקטרוניקה כמו טלפונים ניידים וטאבלטים , טקסטורת בוכנה לתעשיית הרכב, ייצור סטנטים כליליים וייצור מכשירים מיקרופלואידיים לתעשיית הרפואה.

01 ייצור ותיקון Photomask בתעשיית המוליכים למחצה

לייזרים מהירים במיוחד שימשו באחד מהיישומים התעשייתיים המוקדמים ביותר בעיבוד חומרים. IBM דיווחה על היישום של אבלציה בלייזר פמט-שנייה בייצור פוטומסכות בשנות ה-90. בהשוואה לאבלציה של לייזר ננו-שניות, שיכולה לייצר ניתזי מתכת ונזקי זכוכית, מסכות לייזר פמט-שנייה לא מציגות ניתזי מתכת, ללא נזקי זכוכית וכו'. היתרונות. שיטה זו משמשת לייצור מעגלים משולבים (ICs). ייצור שבב IC עשוי לדרוש עד 30 מסכות ולעלות מעל 100,000 דולר. עיבוד לייזר Femtosecond יכול לעבד קווים ונקודות מתחת ל-150nm.

איור 1. ייצור ותיקון Photomask

איור 2. תוצאות אופטימיזציה של דפוסי מסכה שונים עבור ליטוגרפיה אולטרה סגולה קיצונית

02 חיתוך סיליקון בתעשיית המוליכים למחצה

חיתוך פרוסות סיליקון הוא תהליך ייצור סטנדרטי בתעשיית המוליכים למחצה ומתבצע בדרך כלל באמצעות חיתוך מכני. גלגלי חיתוך אלה מפתחים לעתים קרובות סדקים וקשים לחיתוך פרוסות דקות (למשל עובי < 150 מיקרומטר). חיתוך לייזר של פרוסות סיליקון נמצא בשימוש בתעשיית המוליכים למחצה במשך שנים רבות, במיוחד עבור פרוסות דקות (100-200μm), ומתבצע במספר שלבים: חריצים בלייזר, ולאחר מכן הפרדה מכנית או חיתוך חמקמק (כלומר קרן לייזר אינפרא אדום בפנים כתב הסיליקון) ואחריו הפרדת קלטת מכנית. הלייזר הדופק של ננו-שניות יכול לעבד 15 פרוסות בשעה, והלייזר פיקו-שניות יכול לעבד 23 פרוסות בשעה, באיכות גבוהה יותר.

03 חיתוך/שריטת זכוכית בתעשיית האלקטרוניקה המתכלה

מסכי מגע ומשקפי מגן לטלפונים ניידים ומחשבים ניידים הולכים ונעשים דקים וכמה צורות גיאומטריות מעוקלות. זה מקשה על חיתוך מכני מסורתי. לייזרים טיפוסיים מייצרים בדרך כלל איכות חיתוך ירודה, במיוחד כאשר תצוגות זכוכית אלה מוערמות ב-3-4 שכבות והזכוכית המגנה העליונה בעובי 700 מיקרומטר מחוסמת, מה שעלול להישבר עם מתח מקומי. הוכח כי לייזרים מהירים במיוחד מסוגלים לחתוך את המשקפיים הללו עם חוזק קצה טוב יותר. עבור חיתוך פאנל שטוח גדול, ניתן למקד את הלייזר הפמט-שנייה על המשטח האחורי של יריעת הזכוכית, לשרוט את החלק הפנימי של הזכוכית מבלי לפגוע במשטח הקדמי. לאחר מכן ניתן לשבור את הזכוכית באמצעות אמצעים מכניים או תרמיים לאורך התבנית המנוקדת.

איור 3. חיתוך בצורת זכוכית לייזר מהירה במיוחד של Picosecond

04 טקסטורות בוכנה בתעשיית הרכב

מנועי מכוניות קלים עשויים מסגסוגות אלומיניום, שאינן עמידות בפני שחיקה כמו ברזל יצוק. מחקרים מצאו כי עיבוד לייזר פמט שנייה של טקסטורות בוכנה של מכונית יכול להפחית את החיכוך עד 25% מכיוון שניתן לאחסן ביעילות פסולת ושמן.

איור 4. עיבוד לייזר פמט שנייה של בוכנות מנוע רכב לשיפור ביצועי המנוע

05 ייצור סטנטים כליליים בתעשייה הרפואית

מיליוני סטנטים כליליים מושתלים בעורקים הכליליים של הגוף כדי לפתוח ערוץ לזרימת דם לכלי קרישה אחרת, מה שמציל מיליוני חיים מדי שנה. סטנטים כליליים עשויים בדרך כלל מרשת תיל ממתכת (למשל, נירוסטה, סגסוגת זיכרון ניקל-טיטניום, או לאחרונה סגסוגת קובלט-כרום) ברוחב עמוד של כ-100 מיקרומטר. בהשוואה לחיתוך לייזר בדופק ארוך, היתרונות של שימוש בלייזרים מהירים במיוחד לחיתוך סוגריים הם איכות חיתוך גבוהה, גימור משטח טוב יותר ופחות פסולת, מה שמפחית את עלויות העיבוד לאחר העיבוד.

06 ייצור מכשירים מיקרופלואידיים לתעשייה הרפואית

התקנים מיקרופלואידיים נמצאים בשימוש נפוץ בתעשייה הרפואית לצורך בדיקות ואבחון מחלות. אלה מיוצרים בדרך כלל על ידי הזרקת מיקרו של חלקים בודדים ולאחר מכן הדבקה באמצעות הדבקה או ריתוך. לייצור לייזר מהיר במיוחד של מכשירים מיקרופלואידיים יש את היתרון של ייצור מיקרו-ערוצים תלת מימדיים בתוך חומרים שקופים כגון זכוכית ללא צורך בחיבורים. שיטה אחת היא ייצור לייזר מהיר במיוחד בתוך זכוכית בתפזורת ואחריה תחריט כימי רטוב, ושיטה אחרת היא אבלציה בלייזר של פמט שנייה בתוך זכוכית או פלסטיק במים מזוקקים כדי להסיר פסולת. גישה נוספת היא עיבוד תעלות לתוך משטח הזכוכית ולאטום אותם באמצעות כיסוי זכוכית באמצעות ריתוך לייזר פמט שנייה.

איור 6. תחריט סלקטיבי המושרה בלייזר על-ידי Femtosecond להכנת תעלות מיקרו-נוזליות בתוך חומרי זכוכית

07 קידוח מיקרו של פיית מזרק

עיבוד מיקרו-חורים בלייזר Femtosecond החליפה את המיקרו-EDM בחברות רבות בשוק מזרקי הלחץ הגבוה בשל גמישות רבה יותר בשינוי פרופילי חור זרימה וזמני עיבוד קצרים יותר. היכולת לשלוט אוטומטית על מיקום המיקוד והטיית האלומה באמצעות ראש סריקה מקדים הובילה לעיצוב של פרופילי צמצמים (למשל, קנה, התלקחות, התכנסות, סטייה) שיכולים לקדם אטומיזציה או חדירה בתא הבעירה. זמן הקידוח תלוי בנפח האבלציה, עם עובי מקדחה של 0.2 - 0.5 מ"מ וקוטר חור של 0.12 - 0.25 מ"מ, מה שהופך את הטכניקה הזו למהירה פי עשרה ממיקרו-EDM. מיקרו-קידוח מבוצע בשלושה שלבים, כולל חיספוס וגימור של חורים דרך פיילוט. ארגון משמש כגז עזר להגנה על הקידוח מפני חמצון וכדי להגן על הפלזמה הסופית בשלבים הראשונים.

איור 7. עיבוד בלייזר פמט שנייה ברמת דיוק גבוהה של חור מחודד הפוך עבור מזרק מנוע דיזל

08 מרקם לייזר מהיר במיוחד

בשנים האחרונות, על מנת לשפר את דיוק העיבוד, להפחית נזקים חומריים ולהגביר את יעילות העיבוד, תחום המיקרו-עיבוד הפך בהדרגה למוקד של חוקרים. ללייזר אולטרה-מהיר יתרונות עיבוד שונים כמו נזק נמוך ודיוק גבוה, שהפך למוקד קידום פיתוח טכנולוגיית העיבוד. יחד עם זאת, לייזרים מהירים במיוחד יכולים לפעול על מגוון חומרים, וגם נזקי חומרי עיבוד בלייזר הם כיוון מחקרי מרכזי. לייזר מהיר במיוחד משמש להורדת חומרים. כאשר צפיפות האנרגיה של הלייזר גבוהה מסף האבלציה של החומר, פני השטח של החומר המובטל יראו מבנה מיקרו-ננו בעל מאפיינים מסוימים. מחקרים מראים כי מבנה פני השטח המיוחד הזה הוא תופעה שכיחה המתרחשת בעת עיבוד חומרים בלייזר. הכנת מבני מיקרו-ננו פני השטח יכולה לשפר את תכונות החומר עצמו וגם לאפשר פיתוח חומרים חדשים. זה הופך את הכנת מבני מיקרו-ננו פני השטח בלייזר מהיר במיוחד לשיטה טכנית בעלת משמעות פיתוח חשובה. נכון לעכשיו, עבור חומרי מתכת, מחקר על מרקם משטח לייזר מהיר במיוחד יכול לשפר את תכונות הרטבת משטח המתכת, לשפר את תכונות החיכוך והבלאי של פני השטח, לשפר את הידבקות הציפוי, והתפשטות והידבקות כיוונית של תאים.

איור 8. תכונות סופרהידרופוביות של משטח סיליקון שהוכן בלייזר

כטכנולוגיית עיבוד חדשנית, לעיבוד לייזר מהיר במיוחד יש את המאפיינים של אזור קטן מושפע חום, תהליך לא ליניארי של אינטראקציה עם חומרים ועיבוד ברזולוציה גבוהה מעבר לגבול העקיפה. זה יכול לממש עיבוד מיקרו-ננו באיכות גבוהה ובדיוק גבוה של חומרים שונים. וייצור מבנה מיקרו-ננו תלת מימדי. השגת ייצור בלייזר של חומרים מיוחדים, מבנים מורכבים והתקנים מיוחדים פותחת אפיקים חדשים לייצור מיקרו-ננו. נכון להיום, נעשה שימוש נרחב בלייזר פמט-שנייה בתחומים מדעיים חדישים רבים: ניתן להשתמש בלייזר פמט-שניות להכנת מכשירים אופטיים שונים, כגון מערכי מיקרו-עדשות, עיניים מורכבות ביוניות, מוליכי גל אופטיים ומט-שטחים; באמצעות הדיוק הגבוה, הרזולוציה הגבוהה שלו ועם יכולות עיבוד תלת מימדיות, לייזר פמט-שנייה יכול להכין או לשלב שבבים מיקרו-נוזליים ואופטו-פלואידים כגון רכיבי מיקרו-מחמם ותעלות מיקרו-נוזליות תלת-ממדיות; בנוסף, לייזר femtosecond יכול גם להכין סוגים שונים של מיקרו-ננו-מבנים משטחים כדי להשיג פונקציות אנטי-השתקפות, אנטי-השתקפות, סופר הידרופוביות, אנטי-ציפוי ועוד; לא רק זה, לייזר פמט-שנייה יושם גם בתחום הביו-רפואה, המראה ביצועים יוצאי דופן בתחומים כמו מיקרו-סטנטים ביולוגיים, מצעי תרבית תאים והדמיה מיקרוסקופית ביולוגית. סיכויי יישום רחבים. נכון להיום, תחומי היישום של עיבוד לייזר פמט-שנייה מתרחבים משנה לשנה. בנוסף למיקרו-אופטיקה, מיקרו-נוזליות, מיקרו-ננו-מבנים רב-פונקציונליים ויישומי הנדסה ביו-רפואית, היא גם ממלאת תפקיד עצום בכמה תחומים מתפתחים, כגון הכנת מטא-שטח. , ייצור מיקרו-ננו ואחסון מידע אופטי רב מימדי וכו'.