Nykyään ultranopea laser (femtosekunnin ja pikosekunnin pulssinleveys) on tärkeä osa teollisuuden tuotantoprosessia. Laadukkaan ei-termisen materiaalinkäsittelykyvyn ansiosta yhdessä laserteknologian, prosessikehityksen, säteen ohjauksen ja siirron edistymisen kanssa se laajentaa edelleen ultranopean laserin sovellusaluetta teollisuusmarkkinoilla. Tulojen ja tuotoksien välisen tasapainon ylläpitämiseksi on kuitenkin täytettävä samanaikaisesti seuraavat ehdot: ensinnäkin on osoitettava sen tekninen toteutettavuus teollisessa prosessoinnissa; koska ultranopean laserin ja aineen vuorovaikutus on ainutlaatuinen, tästä prosessista on oltava hieno tieteellinen ymmärrys; toiseksi teollisen tuotannon tuottavuudella on varmistettava, että loppukäyttäjä voidaan tuoda sijoitukseen, joka vastaa tuloja, mikä on omiaan edistämään säteen ohjauksen ja siirron edistymistä potentiaalisen käsittelynopeuden täysimääräisen hyödyntämiseksi.
Kulutuselektroniikan ala tarjoaa selvästi eniten todisteita. Matkapuhelimet, mikroprosessorit, näytöt ja muistisirut ovat erittäin monimutkaisia komponentteja, jotka koostuvat suuresta määrästä erilaisia materiaaleja, erittäin pienikokoinen ja erittäin pieni paksuus monikerroksisia materiaaleja. Joten tarvitsemme edistynyttä, erittäin tarkkaa käsittelykapasiteettia ja taloudellisesti toteutettavissa olevaa massatuotantokapasiteettia. Tässä' esimerkki siitä, miksi meidän on kehitettävä prosessointia, lasertekniikkaa ja uutta säteensiirtotekniikkaa samanaikaisesti vastaamaan nykyisiin ja tuleviin haasteisiin.
Litteiden näyttöjen tekeminen matkapuhelimille, tablet-laitteille tai televisioille on nykyään yksi monimutkaisimmista tekniikoista, ja sillä on samanlaisia tai suurempia vaikeuksia kuin 1960 -ohjelman Apollo-ohjelmalla. Eri tuotantovaiheisiin liittyy suuri joukko erilaisia materiaaleja, joilla on mikrotason sivutarkkuus ja kymmenien nanometrien paksuus. Koko prosessin vaikeuden takia ei ole yllättävää, että teollista tuottavuutta (niiden tuotteiden osuus, jotka voivat läpäistä tiukan laatutestauksen) pidetään salaisuutena ja haasteena. Keskeinen rajoitus on huonojen kohtien esiintyminen paneelissa, mikä haittaa näytön kaupallistamista. Muutaman viime vuoden aikana on kehitetty useita erilaisia korjaustekniikoita, joihin sisältyy yleensä moniaallonpituiset nanosekunnin laserit. Esimerkiksi, kirkas pikseli korjataan hartsistamalla hiilellä tai leikkaamalla ohutkalvotransistorin, joka ohjaa pikseliä, elektrodit (kuva 1).
Kuva 1: ohutkalvotransistorielektrodileikkaus, leikkausleveys 1. 9 μm.
Nykyinen tekniikka on saavuttanut rajansa. Teräväpiirtonäytön tarkkuuden edistymisen takia pikselien koosta tulee pienempi ja siihen liittyvä nanosekunnin laserkäsittelyn lämpövaikutus rajoittaa korjauksen laatua. Lisäksi uusissa näyttötekniikoissa, mukaan lukien orgaaniset valoa emittoivat diodit (OLED) ja aktiivisen matriisin valoa emittoivat diodit (AMOLED), on käytetty laajasti orgaanisia ja polymeerimateriaaleja, jotka ovat erittäin herkkiä lämmitykselle ja ovat siten yhteensopimattomia lämpökäsittelyn kanssa. Koska pulssin kesto on hyvin lyhyt, ultranopea laser on erittäin sopiva ei-termiselle mikromikroinnille eikä tuota lämpöä. Niitä käytetään laajalti edistyneessä näytönkorjausprosessissa, joka edistää uuden sukupolven kompaktaisten nopeajen moniaallonpituisten ultranopeiden laserien kehittämistä.
Jotkut teolliset prosessit ovat alkaneet käyttää erittäin tarkkaa, erittäin nopeaa laserkäsittelyä. Tähän sisältyy selektiivinen ablaatio, joka on yleensä tarkka 30 nm / pulssi, ja erittäin tarkka ohutkalvotransistorielektrodileikkaus, jonka leikkausleveys on pienempi kuin 2 μM. Näiden prosessien on kehitettävä edistyneitä ja joustava säteen muotoiluteknologia tasaisen yläpalkin saamiseksi ja sen tasaisen läpäisyn varmistamiseksi sekä näytteen muotoilemiseksi niin pieneltä kuin 2 × 2 μm.
Toisessa esimerkissä puolijohdepiirit muuttuvat yhä monimutkaisemmiksi, ja ne vaativat enemmän toimintoja integroitavaksi pienempiin kokoihin. Siksi nykyinen kiekko koostuu monista kerroksista erilaisia materiaaleja, kuten matalan dielektrisyyden vakioaineita, jotka soveltuvat nopeaan toimintaan. Tärkeä prosessi puolijohdeteollisuudessa on kiekkojen leikkaaminen ja erottaminen, ts. Kiekon leikkaaminen erillisiksi siruiksi (kuva 2). Perinteisesti timanttisahaa käytetään, mutta nykyinen tekniikka on saavuttanut rajan. Haurauden, paksuuden ja niiden materiaalikerrosten lukumäärän vuoksi, joiden dielektrisyysvakio on alhainen, kielteisten vaikutusten, kuten halkeaman ja delaminoitumisen, todennäköisyys kasvaa.
Kuva 2: puolijohdekiekkojen leikkaaminen ja paloittelu.
Vaikka UV-nanosekunnin laserkäsittelyn käyttöä edistetään, nanosekunnin laserkäsittelyn lämpövaikutus rajoittaa edelleen suuresti käsittelytulosten laatua. Toisaalta ultranopeat laserit osoittavat kyvyn prosessoida piitä ja korkealaatuisia monikerroksisia materiaaleja. Viime aikoihin asti ultranopean laserin keskimääräinen tehorajoitus on edelleen suuri ongelma, joka rajoittaa vakavasti tuotannon kokonaistehokkuutta. Nykyään erittäin luotettavan teollisuuden femtosekunnin laserin teho on välillä 50-100w, mikä tekee sen tuotantokapasiteetista vastaamaan teollisuuden vaatimuksia.
Erittäin nopea laser on tärkeä osa edistynyttä mikromatsausprosessia, jolla on tärkeä tehtävä laadunvalvonnassa ja mittauksessa. Rudolph-tekniikat lanseerasi hiljattain uuden puolijohdeteollisuuden työkalun läpinäkymättömien kalvojen paksuuden mittaamiseksi. Järjestelmä perustuu akustisiin mittauksiin erittäin lyhyellä laserilla generoidulla ultra lyhyt pulssilla. Ultraääniimpulssin heijastusaika kunkin kerroksen pinnalla mitataan erittäin tarkalla pumpun havaitsemistekniikalla.
Suurtehoisten ja luotettavien laserjärjestelmien ulkonäkö on parantanut huomattavasti laserprosessointia ja laadunvalvontaa. Tarkemmin sanoen ultranopeat laserit, joiden keskimääräinen teho on 50 - 200 W, voivat parantaa tuotannon tehokkuutta ja tuottavuutta, laajentaen siten niiden käyttöä uusilla aloilla. Tällaisen suuren tehon laserin säteilyohjaus ja siirto eivät kuitenkaan ole helppoja. Voiton tuottamiseksi on välttämätöntä saavuttaa käsittelynopeus 100 M / s säilyttäen samalla mikronitason paikannustarkkuus. Nykyisen sukupolven galvanometriskannerit ovat saavuttaneet rajan ja uusia menetelmiä tarvitaan.
ESI-yritys on käynnistänyt hybridikäsittelyjärjestelmän, joka yhdistää galvanometrin ja akustisen optiikan. Suoritettaessa suurempaa käsittelynopeutta skannaavan galvanometrin hitaus tarkoittaa suoritusviivettä, kuten terävää käännöstä, joten käsitelty rakenne ei ole sama kuin suunniteltu muoto. Akustooptiset modulaattorit osoittavat kuitenkin erittäin herkän vasteen, mutta hyvin pienellä alueella. Galvanometrin liikkeen ja akustisen optiikan taipuman yhdistelmällä voidaan saavuttaa tarkka synkronointi ja ylittää tämä rajoitus. Tämä tekniikka on erityisen hyödyllinen toisiinsa kytkettyjen digitaalisten piirien graafisessa valmistuksessa, koska ne ovat yhä integroitumassa ja vaativat siksi lisääntynyttä johdotuksen tiheyttä.
Tutkijat Japanista'DISKOyritys käyttää samaa laseria suorittamaan sekä mikromahdollisuuksia että prosessinohjausta yhdistäen nämä kaksi.
Tässä tapauksessa ultranopeaa laseraa käytetään poraamaan sokea reikä kaksikerroksiselle alustalle. Yläkerros on 80 μm paksu läpinäkyvä materiaali ja alempi kerros on 20 μm paksu metallikalvo. Laserimpulssien lukumäärän tarkka säätämiseksi siten, että ablaatioalue rajoittuu läpinäkyvään substraattiin, on tarpeen käyttää spektrianalysaattoria plasmaemission seuraamiseen, ts. Käyttämällä laserin indusoimaa hajotusspektroskopia (LIBS) -tekniikkaa .
Kuva 3: kagome-kuidun ytimen muoto.
Koska plasmaemissioilla on ainutlaatuinen emissiospektri poistettujen atomityyppien mukaan, se pystyy havaitsemaan ajoissa ja tarkasti, kun läpinäkyvä kerros on täysin poistettu. Toinen menetelmä on, että monikulmukanneri voi saavuttaa skannausnopeuden yli 100 m / s. Tällainen yksittäinen peili voi pyöriä suurella nopeudella ja voi korvata kokonaan alhaisen hitauspeilin, joka voi heijastaa palkkia vain X- ja Y-suunnassa. Jos pulssilaserin ja monikerroksisen peilin pyöriminen voidaan synkronoida tarkasti, vain yksi piste jokaisella pinnalla voi vaikuttaa näytteen käsittelyyn. Tässä tapauksessa mikromahdollisuuden prosessi on enemmän kuin digitaalinen prosessi, toisin sanoen laser on ohjattava kytkeytymään päälle ja pois päältä vaaditun grafiikan tuottamiseksi. Ihanteellisten tulosten saamiseksi on välttämätöntä saavuttaa erittäin tarkka synkronointi laserin ja skannerin välillä, ja moniradiopeilin valmistustarkkuus on erittäin korkea, ja käsittely on suunniteltava huolellisesti. Sveitsin Bernin ammattikorkeakoulun yliopiston neuenschwanderin professori, yhteistyössä amplitudistien è MES: n ja Nextscan-yrityksen kanssa, on toteuttanut nopean pintamikromallinnuksen mikronisijainnin tarkkuudella 500 kHz: n ultranopealla laserilla.
Lisää innovaatioita säteen leviämisessä on edelleen töissä. Kuituoptiset siirtojärjestelmät tekevät laserjalostusteollisuudesta uuden ilmeen, ja teollisuusluokan ultranopea laser voi silti hyötyä tästä vasta viime aikoina. Pienen kuidun ytimen säteilyrajoituksen ja erittäin nopean pulssin erittäin korkean piikin intensiteetin takia syntyy vakava epälineaarinen vaikutus, joka lopulta johtaa kuidun hajoamiseen. Tästä rajoituksesta pääsemiseksi on kehitetty onttoja mikrorakennekuituja, mutta ytimen halkaisija on rajoitettu muutamaan mikroniin, mikä on liian pieni käytännölliseen käyttöön. Ontto, suurten moodien kagome-mikrorakennekuitujen kehittäminen tasoittaa tietä suuren energian ja suuren tehon femtosekunnin lasersäteen kuidunsiirtoon. Tämä erityinen ontto kuituydin, jolla on pyöreä sisäinen kehruupyörä, rajoittaa lasermoodia estämästä sitä vuorovaikutuksessa kuidun mikrorakenteen kanssa ja yhdistää matalan epälineaarisuuden, suuren moodin kenttäalueen ja joustavan hajautetun ohjauksen. Yhteistyössä ranskalaisen Glo photonicsin kanssa amplitudi Syst è MES on kyennyt lähettämään milliJoule-tason pulsseja useiden metrien etäisyydelle varmistaen samalla, että pulssin kesto on alle 500 fs. Toisessa fotoniikkatyökaluilla tehdyssä kokeessa voidaan lähettää pulssilaseria, jonka keskimääräinen teho on 100 W, ja pulssikompressio, joka on pienempi kuin 100 fs, voidaan toteuttaa. Muut ryhmät ja laservalmistajat käyttävät nopeasti myös kagome-kuitua joustavien siirtojärjestelmien kehittämiseen (kuten kuvassa 4). Voimme odottaa perusteellisempia muutoksia ultranopeassa laserkäsittelytekniikassa lähivuosina.
Kehittäessään edelleen lyhytaalipulssisen laserin ja aineen vuorovaikutusperiaatetta ja kehittämällä tekniikkaa säteenohjaus- ja siirtojärjestelmässä, ultranopea laser on tullut jokapäiväiseen elämäämme. Edistyneimmän teollisen prosessoinnin kautta se muuttaa tapaa, jolla tarkastelemme asioita, kommunikoimme ja työskentelemme. Se on avain tulevaisuuden monimutkaisempien kulutuselektroniikkalaitteiden valmistukselle.