В настоящее время сверхбыстрый лазер (ширина фемтосекундного и пикосекундного импульсов) является важной частью процесса промышленного производства. Благодаря своей высококачественной способности к обработке нетепловых материалов в сочетании с прогрессом в области лазерных технологий, разработки процессов, управления лучами и передачи, это еще больше расширяет область применения сверхбыстрого лазера на промышленном рынке. Однако для поддержания баланса между входом и выходом одновременно должны выполняться следующие условия: во-первых, необходимо доказать его техническую осуществимость в процессе промышленной переработки; поскольку взаимодействие сверхбыстрого лазера с веществом уникально, необходимо иметь хорошее научное понимание этого процесса; во-вторых, производительность промышленного производства должна гарантировать, что конечный пользователь может быть привлечен с инвестициями, соответствующими доходам, что должно способствовать прогрессу в управлении пучком и его передаче, чтобы в полной мере использовать потенциальную скорость обработки.
Область бытовой электроники явно дает больше доказательств. Мобильные телефоны, микропроцессоры, дисплеи и микросхемы памяти представляют собой чрезвычайно сложные компоненты, которые состоят из большого количества различных материалов, очень небольшого размера и очень небольшой толщины многослойных материалов. Поэтому нам нужны передовые, высокоточные обрабатывающие мощности и экономически обоснованные возможности массового производства. Здесь' это пример того, почему нам нужно одновременно разрабатывать обработку, лазерную технологию и новую технологию передачи луча для решения текущих и будущих задач.
Создание плоскопанельных дисплеев для мобильных телефонов, планшетов или телевизоров является одной из самых сложных технологий на сегодняшний день, с такими же или большими трудностями, чем программа Apollo из 1960. Различные этапы производства включают большое количество различных материалов, которые имеют поперечное разрешение на уровне микрон и толщину в десятки нанометров. Из-за сложности всего процесса неудивительно, что промышленная производительность (доля продукции, которая может пройти строгие проверки качества) считается секретом и проблемой. Основным ограничением является наличие на панели плохих мест, что будет препятствовать коммерциализации экрана. В последние несколько лет было разработано несколько различных технологий восстановления, обычно с использованием многочастотных наносекундных лазеров. Например, яркий пиксель восстанавливается с помощью лазерной карбонизации или обрезания электродов тонкопленочного транзистора, который управляет пикселем (рисунок 1).
Рисунок 1: резка тонкопленочного транзисторного электрода, ширина резания 1. 9 мкм.
Современные технологии достигли своих пределов. Из-за прогресса в разрешении экрана высокой четкости размер пикселей становится все меньше и меньше, и связанный с этим тепловой эффект лазерной обработки наносекундной длительности ограничивает качество восстановления. Кроме того, в новых технологиях отображения, включая органические светодиоды (OLED) и светодиоды с активной матрицей (AMOLED), широко используются органические и полимерные материалы, которые очень чувствительны к нагреванию и, следовательно, несовместимы с термообработкой. Поскольку длительность импульса очень мала, сверхбыстрый лазер очень подходит для нетепловой микрообработки и не будет генерировать тепло. Они широко используются в области усовершенствованной обработки для восстановления экрана, что способствует разработке нового поколения компактных высокоскоростных многочастотных сверхбыстрых лазеров.
В некоторых промышленных процессах начали использовать высокоточные сверхбыстрые лазерные обработки. Это включает в себя селективную абляцию, которая обычно с точностью до 30 нм / импульс, и высокоточную резку тонкопленочным транзисторным электродом с шириной реза менее 2 µ М. Эти процессы должны развиваться и гибкая технология формирования луча для получения луча с плоским верхом и обеспечения его равномерной передачи, а также для формирования образца с размерами до 2 × 2 мкм.
В другом примере полупроводниковые схемы становятся все более и более сложными, и им требуется больше функций для интеграции в меньшие размеры. Следовательно, текущая пластина состоит из множества слоев различных материалов, таких как материалы с низкой диэлектрической проницаемостью, подходящие для быстрой работы. Важным процессом в производстве полупроводников является разрезание и разделение пластин, то есть разрезание пластин на отдельные микросхемы (рис. 2). Традиционно используется алмазная пила, но современные технологии достигли предела. Из-за хрупкости, толщины и количества слоев материалов с низкой диэлектрической проницаемостью вероятность негативных эффектов, таких как трещины и расслоение, увеличивается.
Рисунок 2: резка и нарезка полупроводниковых пластин.
Хотя использование УФ-наносекундной лазерной обработки поощряется, термический эффект наносекундной лазерной обработки все еще значительно ограничивает качество результатов обработки. С другой стороны, сверхбыстрые лазеры демонстрируют способность обрабатывать кремний и высококачественные многослойные материалы. До недавнего времени ограничение средней мощности сверхбыстрого лазера все еще оставалось серьезной проблемой, которая серьезно ограничивает общую эффективность производства. На сегодняшний день мощность промышленного фемтосекундного лазера с высокой надежностью составляет от 50 до 100 Вт, что позволяет его производственной мощности соответствовать промышленным требованиям.
Сверхбыстрый лазер является важной частью передового процесса микрообработки, который играет важную роль в контроле качества и измерениях. Недавно компания Rudolph Technologies выпустила новый инструмент для полупроводниковой промышленности для измерения толщины непрозрачных пленок. Система основана на акустических измерениях с использованием очень короткого ультракороткого импульса, генерируемого лазером. Время отражения ультразвукового импульса на поверхности каждого слоя измеряется с помощью высокоточной технологии обнаружения накачки.
Появление мощной и высоконадежной лазерной системы значительно улучшило лазерную обработку и контроль качества. В частности, сверхбыстрые лазеры со средней мощностью от 50 до 200 Вт могут повысить производительность и производительность, расширяя их применение в новых областях. Однако управление лучом и пропускание такого мощного лазера не легки. Для получения прибыли необходимо достичь скорости обработки 100 М / с, сохраняя при этом точность позиционирования на уровне микрон. Нынешнее поколение сканеров гальванометров достигло предела, и необходимы новые методы.
Компания ESI запустила гибридную систему обработки, объединяющую гальванометр и акустооптическую технологию. При работе с более высокой скоростью обработки инерция сканирующего гальванометра означает задержку выполнения, такую как резкий поворот, поэтому обрабатываемая структура не будет соответствовать расчетной форме. Однако акустооптические модуляторы показывают очень чувствительный отклик, но в очень небольшом диапазоне. Сочетание движения гальванометра и акустооптического отклонения может обеспечить точную синхронизацию и преодолеть это ограничение. Эта технология особенно полезна в графическом производстве взаимосвязанных цифровых схем, потому что они становятся все более интегрированными и, следовательно, требуют повышенной плотности проводки.
Исследователи из Японии' sДИСКОТЕКАКомпания использует один и тот же лазер для выполнения как микрообработки, так и управления процессом, объединяя их.
В этом случае ультрабыстрый лазер используется для сверления глухого отверстия на двухслойной подложке. Верхний слой представляет собой прозрачный материал толщиной 80 мкм, а нижний слой представляет собой металлическую пленку толщиной 20 мкм. Чтобы точно контролировать количество лазерных импульсов, чтобы диапазон абляции был ограничен прозрачной подложкой, необходимо использовать анализатор спектра для контроля излучения плазмы, то есть с использованием технологии лазерно-индуцированной пробойной спектроскопии (LIBS). ,
Рисунок 3: форма сердцевины из волокна кагоме.
Поскольку эмиссия плазмы имеет уникальный спектр эмиссии в соответствии с типом аблируемых атомов, она может своевременно и точно определять, когда прозрачный слой полностью аблируется. Другой метод заключается в том, что полигональный сканер может достигать скорости сканирования более 100 м / с. Этот вид одиночного зеркала может вращаться с высокой скоростью и может полностью заменить низкоинерционное зеркало, которое может отражать луч только в направлении X и Y. Если вращение импульсного лазера и многогранного зеркала можно точно синхронизировать, только одна точка на каждой поверхности может повлиять на обработку образца. В этом случае процесс микрообработки больше похож на цифровой процесс, то есть необходимо управлять лазером, чтобы включать и выключать его для получения необходимой графики. Чтобы получить идеальные результаты, необходимо добиться очень точной синхронизации между лазером и сканером, а точность изготовления многогранного зеркала очень высока, а обработку необходимо тщательно продумать. Профессор Бейт Нойеншвандер из Университета прикладных наук Берна в Швейцарии реализовал высокоскоростное микромоделирование поверхности с точностью до микрона с помощью сверхбыстрого лазера 500 кГц, в сотрудничестве с компанией амплитуды MES и Nextscan в Бельгии.
Больше инноваций в распространении луча все еще в работе. Волоконно-оптическая система передачи делает индустрию лазерной обработки новым взглядом, и сверхбыстрый лазер промышленного класса до сих пор не может извлечь из этого пользу. Из-за ограничения луча малой сердцевины волокна и очень высокой пиковой интенсивности сверхбыстрого импульса будет получен серьезный нелинейный эффект, который в конечном итоге приведет к деградации волокна. Чтобы избавиться от этого ограничения, было разработано полое микроструктурное волокно, но диаметр сердечника ограничен несколькими микронами, что слишком мало для практического применения. Создание полого микроструктурного волокна с большой площадью модовой области прокладывает путь для передачи волокна мощного и мощного фемтосекундного лазерного луча. Этот специальный полый волокнистый сердечник в форме круглого внутреннего вращающегося колеса ограничивает лазерный режим, предотвращает его взаимодействие с микроструктурой волокна и сочетает в себе низкую нелинейность, большую площадь поля моды и гибкое децентрализованное управление. Сотрудничая с фотоникой Glo во Франции, амплитудная система Syst è MES способна передавать импульсы уровня в миллиджоулях на расстояние в несколько метров, обеспечивая при этом длительность импульса менее 500 фс. В другом эксперименте с фотонными инструментами может быть передан импульсный лазер со средней мощностью 100 Вт, и может быть реализовано сжатие импульсов менее 100 фс. Другие команды и производители лазеров также быстро используют волокна kagome для разработки гибких систем передачи (как показано на рисунке 4). Мы можем ожидать более глубоких изменений в технологии сверхбыстрой лазерной обработки в ближайшие несколько лет.
С дальнейшим развитием принципа взаимодействия между короткоимпульсным лазером и веществом и развитием технологий в системе управления и передачи луча ультрабыстрый лазер вошел в нашу повседневную жизнь. Через самый продвинутый процесс промышленной обработки он меняет наше отношение к вещам, общению и работе. Это будет ключом к успешному производству более сложного потребительского электронного оборудования в будущем.