יישומים תעשייתיים לייצור מיקרו-ננו-לייזר אולטרה-מהיר

למרות שליזרים אולטרה-מהירים קיימים כבר עשרות שנים, יישומים תעשייתיים צמחו במהירות בשני העשורים האחרונים. בשנת 2019, שווי השוק של לייזרים אולטרה-מהיריםחומר לייזרהיקף העיבוד הסתכם בכ-460 מיליון דולר, עם קצב צמיחה שנתי מצטבר של 13%. תחומי יישום בהם לייזרים אולטרה-מהירים שימשו בהצלחה לעיבוד חומרים תעשייתיים כוללים ייצור ותיקון פוטומסכות בתעשיית המוליכים למחצה, כמו גם חיתוך סיליקון, חיתוך/שרבוט זכוכית והסרת סרט ITO (תחמוצת אינדיום בדיל) באלקטרוניקה צרכנית כגון טלפונים ניידים וטאבלטים, מרקם בוכנה לתעשיית הרכב, ייצור סטנטים כליליים וייצור התקני מיקרופלואידיקה לתעשייה הרפואית.

01 ייצור ותיקון פוטומסכות בתעשיית המוליכים למחצה

לייזרים אולטרה-מהירים שימשו באחד היישומים התעשייתיים המוקדמים ביותר בעיבוד חומרים. IBM דיווחה על יישום של אבלציה בלייזר פמטו-שנייה בייצור פוטו-מסכות בשנות ה-90. בהשוואה לאבלציה בלייזר ננו-שנייה, שיכולה לייצר התזות מתכת ונזק לזכוכית, מסכות לייזר פמטו-שנייה אינן מראות התזות מתכת, אינן נזק לזכוכית וכו'. היתרונות. שיטה זו משמשת לייצור מעגלים משולבים (ICs). ייצור שבב IC עשוי לדרוש עד 30 מסכות ולעלות מעל 100,000 דולר. עיבוד לייזר פמטו-שנייה יכול לעבד קווים ונקודות מתחת ל-150 ננומטר.

איור 1. ייצור ותיקון פוטומסכה

איור 2. תוצאות אופטימיזציה של תבניות מסיכה שונות עבור ליתוגרפיה אולטרה סגולה קיצונית

02 חיתוך סיליקון בתעשיית המוליכים למחצה

חיתוך פרוסות סיליקון הוא תהליך ייצור סטנדרטי בתעשיית המוליכים למחצה ומבוצע בדרך כלל באמצעות חיתוך מכני. גלגלי חיתוך אלה מפתחים לעיתים קרובות סדקים מיקרוסקופיים וקשה לחתוך פרוסות דקות (למשל, עובי < 150 מיקרומטר). חיתוך פרוסות סיליקון בלייזר משמש בתעשיית המוליכים למחצה במשך שנים רבות, במיוחד עבור פרוסות דקות (100-200 מיקרומטר), ומבוצע במספר שלבים: חריצת לייזר, ולאחר מכן הפרדה מכנית או חיתוך סמוי (כלומר, קרן לייזר אינפרא אדום בתוך חריטה של ​​הסיליקון) ולאחר מכן הפרדת סרט מכנית. לייזר פולס ננו-שנייה יכול לעבד 15 פרוסות לשעה, ולייזר פיקו-שנייה יכול לעבד 23 פרוסות לשעה, באיכות גבוהה יותר.

03 חיתוך/חריטה של ​​זכוכית בתעשיית האלקטרוניקה המתכלה

מסכי מגע ומשקפי מגן לטלפונים ניידים ולמחשבים ניידים הולכים ודקים יותר, וחלק מהצורות הגיאומטריות מעוקלות. עובדה זו מקשה על חיתוך מכני מסורתי. לייזרים אופייניים בדרך כלל מייצרים איכות חיתוך ירודה, במיוחד כאשר צגי זכוכית אלה מוערמים ב-3-4 שכבות והזכוכית המגן העליונה בעובי 700 מיקרון מחוסמת, אשר עלולה להישבר תחת לחץ מקומי. לייזרים אולטרה-מהירים הוכחו כמסוגלים לחתוך זכוכיתות אלה עם חוזק קצה טוב יותר. עבור חיתוך של צגים שטוחים גדולים, ניתן למקד את לייזר הפמטו-שנייה על המשטח האחורי של יריעת הזכוכית, ולגרד את פנים הזכוכית מבלי לפגוע במשטח הקדמי. לאחר מכן ניתן לשבור את הזכוכית באמצעות אמצעים מכניים או תרמיים לאורך התבנית החרוטה.

איור 3. חיתוך זכוכית בצורת מיוחדת בלייזר אולטרה-מהיר בפיקו-שניות

04 טקסטורות בוכנה בתעשיית הרכב

מנועי מכוניות קלים עשויים מסגסוגות אלומיניום, שאינן עמידות בפני שחיקה כמו ברזל יצוק. מחקרים מצאו כי עיבוד לייזר פמטו-שניות של מרקמי בוכנות של מכוניות יכול להפחית את החיכוך עד 25% מכיוון שניתן לאחסן ביעילות פסולת ושמן.

איור 4. עיבוד לייזר פמטו-שניות של בוכנות מנוע רכב לשיפור ביצועי המנוע

05 ייצור סטנטים כליליים בתעשייה הרפואית

מיליוני סטנטים כליליים מושתלים בעורקים הכליליים של הגוף כדי לפתוח תעלה לזרימת דם לכלי דם קרישיים, ובכך להציל מיליוני חיים מדי שנה. סטנטים כליליים עשויים בדרך כלל מרשת תיל מתכתית (למשל, נירוסטה, סגסוגת זיכרון צורה ניקל-טיטניום, או לאחרונה סגסוגת קובלט-כרום) ברוחב תמוכה של כ-100 מיקרון. בהשוואה לחיתוך לייזר בפולסים ארוכים, היתרונות של שימוש בלייזרים אולטרה-מהירים לחיתוך סוגריים הם איכות חיתוך גבוהה, גימור פני שטח טוב יותר ופחות פסולת, מה שמפחית את עלויות העיבוד שלאחר העיבוד.

06 ייצור מכשירי מיקרופלואידיקה לתעשייה הרפואית

התקנים מיקרופלואידיים משמשים בדרך כלל בתעשייה הרפואית לבדיקות ואבחון מחלות. אלה מיוצרים בדרך כלל על ידי הזרקת מיקרו של חלקים בודדים ולאחר מכן הדבקה באמצעות הדבקה או ריתוך. ייצור לייזר אולטרה-מהיר של התקנים מיקרופלואידיים טומן בחובו את היתרון של ייצור מיקרו-תעלות תלת-ממדיות בתוך חומרים שקופים כמו זכוכית ללא צורך בחיבורים. שיטה אחת היא ייצור לייזר אולטרה-מהיר בתוך זכוכית בתפזורת ולאחר מכן איכול כימי רטוב, ושיטה נוספת היא אבלציה בלייזר פמטו-שנייה בתוך זכוכית או פלסטיק במים מזוקקים להסרת פסולת. גישה נוספת היא לעבד תעלות לתוך משטח הזכוכית ולאטום אותן עם כיסוי זכוכית באמצעות ריתוך בלייזר פמטו-שנייה.

איור 6. איכול סלקטיבי המושרה על ידי לייזר פמטו-שנייה להכנת תעלות מיקרופלואידיות בתוך חומרי זכוכית

07 קידוח מיקרו של פיה מזרק

עיבוד שבבי של חורי מיקרו בלייזר פמטו-שנייה החליף את תהליך המיקרו-EDM בחברות רבות בשוק מזרקי הלחץ הגבוה עקב גמישות רבה יותר בשינוי פרופילי חורי הזרימה וזמני עיבוד קצרים יותר. היכולת לשלוט אוטומטית במיקום המיקוד ובהטיה של הקרן באמצעות ראש סריקה מקדים הובילה לתכנון פרופילי צמצם (למשל, חבית, התרחבות, התכנסות, סטייה) שיכולים לקדם האטומיזציה או חדירה לתא הבעירה. זמן הקידוח תלוי בנפח האבלציה, עם עובי קידוח של 0.2 - 0.5 מ"מ וקוטר חור של 0.12 - 0.25 מ"מ, מה שהופך טכניקה זו למהירה פי עשרה ממיקרו-EDM. קידוח מיקרו מתבצע בשלושה שלבים, כולל חיתוך גס וגימור של חורי פיילוט. ארגון משמש כגז עזר להגנה על הקידוח מפני חמצון ולהגנה על הפלזמה הסופית בשלבים הראשוניים.

איור 7. עיבוד מדויק של חור התחדדות הפוך בלייזר פמטו-שניות עבור מזרק מנוע דיזל

08 טקסטורות לייזר מהירות במיוחד

בשנים האחרונות, במטרה לשפר את דיוק העיבוד השבבי, להפחית נזקי חומרים ולהגביר את יעילות העיבוד, תחום המיקרו-עיבוד הפך בהדרגה למוקד מחקר עבור חוקרים. ללייזר אולטרה-מהיר יתרונות עיבוד שונים כגון נזק נמוך ודיוק גבוה, אשר הפכו למוקד קידום פיתוח טכנולוגיית עיבוד. במקביל, לייזרים אולטרה-מהירים יכולים לפעול על מגוון חומרים, ועיבוד נזקי חומרים בלייזר הוא גם כיוון מחקר מרכזי. לייזר אולטרה-מהיר משמש לאבלציה של חומרים. כאשר צפיפות האנרגיה של הלייזר גבוהה מסף האבלציה של החומר, פני השטח של החומר האבלציה יראו מבנה מיקרו-ננו בעל מאפיינים מסוימים. מחקרים מראים שמבנה פני השטח המיוחד הזה הוא תופעה נפוצה המתרחשת בעת עיבוד חומרים בלייזר. הכנת מבני מיקרו-ננו על פני השטח יכולה לשפר את תכונות החומר עצמו וגם לאפשר פיתוח של חומרים חדשים. זה הופך את הכנת מבני מיקרו-ננו על פני השטח באמצעות לייזר אולטרה-מהיר לשיטה טכנית בעלת משמעות פיתוחית חשובה. נכון לעכשיו, עבור חומרי מתכת, מחקר על מרקם פני שטח בלייזר אולטרה-מהיר יכול לשפר את תכונות הרטבה של פני המתכת, לשפר את תכונות החיכוך והבלאי של פני השטח, לשפר את הידבקות הציפוי, ואת התפשטות והידבקות כיוונית של תאים.

איור 8. תכונות סופר-הידרופוביות של משטח סיליקון שהוכן בלייזר

כטכנולוגיית עיבוד חדשנית, לעיבוד לייזר אולטרה-מהיר יש מאפיינים של אזור מושפע חום קטן, תהליך אינטראקציה לא ליניארי עם חומרים ועיבוד ברזולוציה גבוהה מעבר לגבול הדיפרקציה. הוא יכול לממש עיבוד מיקרו-ננו באיכות גבוהה ובדיוק גבוה של חומרים שונים, וייצור מבני מיקרו-ננו תלת-ממדיים. ייצור לייזר של חומרים מיוחדים, מבנים מורכבים ומכשירים מיוחדים פותח דרכים חדשות לייצור מיקרו-ננו. כיום, לייזר פמטו-שנייה נמצא בשימוש נרחב בתחומים מדעיים מתקדמים רבים: ניתן להשתמש בלייזר פמטו-שנייה להכנת מגוון מכשירי אופטיים, כגון מערכי מיקרו-עדשות, עיניים מורכבות ביוניות, מוליכי גל אופטיים ומטא-משטחים; באמצעות דיוק גבוה, רזולוציה גבוהה ויכולות עיבוד תלת-ממדיות, לייזר פמטו-שנייה יכול להכין או לשלב שבבים מיקרו-פלואידיים ואופטו-פלואידיים כגון רכיבי מיקרו-מחממים ותעלות מיקרו-פלואידיות תלת-ממדיות. בנוסף, לייזר פמטו-שנייה יכול גם להכין סוגים שונים של מיקרו-ננו-מבנים על פני השטח כדי להשיג פונקציות של נוגד השתקפות, נוגד השתקפות, סופר-הידרופוביות, נוגד קרח ועוד; לא רק זאת, לייזר פמטו-שנייה יושם גם בתחום הביו-רפואה, ומציג ביצועים יוצאי דופן בתחומים כמו מיקרו-סטנטים ביולוגיים, מצעים לתרבית תאים והדמיה מיקרוסקופית ביולוגית. אפשרויות יישום רחבות. כיום, תחומי היישום של עיבוד לייזר פמטו-שנייה מתרחבים משנה לשנה. בנוסף למיקרו-אופטיקה, מיקרופלואידיקה, מיקרו-ננו-מבנים רב-תפקודיים ויישומי הנדסה ביו-רפואית שהוזכרו לעיל, הוא ממלא גם תפקיד עצום בכמה תחומים מתפתחים, כגון הכנת מטא-משטחים, ייצור מיקרו-ננו ואחסון מידע אופטי רב-ממדי וכו'.