अल्ट्राफास्ट लेजर माइक्रो-नैनो निर्माण-औद्योगिक अनुप्रयोगहरू

यद्यपि अल्ट्राफास्ट लेजरहरू दशकौंदेखि छन्, औद्योगिक अनुप्रयोगहरू विगत दुई दशकहरूमा द्रुत रूपमा बढेका छन्। 2019 मा, अल्ट्राफास्ट को बजार मूल्यलेजर सामग्रीप्रशोधन लगभग US$460 मिलियन थियो, 13% को कम्पाउन्ड वार्षिक वृद्धि दर संग। औद्योगिक सामग्रीहरू प्रशोधन गर्न अल्ट्राफास्ट लेजरहरू सफलतापूर्वक प्रयोग गरिएका अनुप्रयोग क्षेत्रहरूमा सेमीकन्डक्टर उद्योगमा फोटोमास्क निर्माण र मर्मतका साथै सिलिकन डाइसिङ, गिलास काट्ने/स्क्राइबिङ र (इन्डियम टिन अक्साइड) मोबाइल फोन र ट्याब्लेट जस्ता उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्समा आईटीओ फिल्म हटाउने समावेश छन्। , अटोमोटिभ उद्योगको लागि पिस्टन बनावट, कोरोनरी स्टेन्ट निर्माण र चिकित्सा उद्योगको लागि माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण निर्माण।

01 सेमीकन्डक्टर उद्योगमा फोटोमास्क निर्माण र मर्मत

अल्ट्राफास्ट लेजरहरू सामग्री प्रशोधनमा प्रारम्भिक औद्योगिक अनुप्रयोगहरू मध्ये एकमा प्रयोग गरिएको थियो। IBM ले 1990s मा फोटोमास्क उत्पादन मा femtosecond लेजर एब्लेशन को आवेदन रिपोर्ट गर्यो। नानोसेकेन्ड लेजर एब्लेशनको तुलनामा, जसले मेटल स्प्याटर र गिलासको क्षति उत्पन्न गर्न सक्छ, फेमटोसेकेन्ड लेजर मास्कले कुनै मेटल स्प्याटर, कुनै गिलास नोक्सान, आदि फाइदाहरू देखाउँदैन। यो विधि एकीकृत सर्किट (आईसी) उत्पादन गर्न प्रयोग गरिन्छ। एक IC चिप उत्पादन गर्न 30 मास्क र लागत> $100,000 आवश्यक हुन सक्छ। Femtosecond लेजर प्रशोधनले 150nm तल रेखाहरू र बिन्दुहरू प्रशोधन गर्न सक्छ।

चित्र १. फोटोमास्क निर्माण र मर्मत

चित्र 2. चरम पराबैंगनी लिथोग्राफीको लागि विभिन्न मास्क ढाँचाहरूको अनुकूलन परिणामहरू

02 अर्धचालक उद्योगमा सिलिकन काटन

सिलिकन वेफर डाइसिङ अर्धचालक उद्योगमा एक मानक निर्माण प्रक्रिया हो र सामान्यतया मेकानिकल डाइसिङ प्रयोग गरी गरिन्छ। यी काट्ने पाङ्ग्राहरूले प्रायः माइक्रोक्र्याकहरू विकास गर्छन् र पातलो (जस्तै मोटाई <150 μm) वेफरहरू काट्न गाह्रो हुन्छ। सिलिकन वेफर्सको लेजर काट्ने धेरै वर्षदेखि सेमीकन्डक्टर उद्योगमा प्रयोग हुँदै आएको छ, विशेष गरी पातलो वेफर्स (100-200μm) को लागि, र धेरै चरणहरूमा गरिन्छ: लेजर ग्रुभिङ, त्यसपछि मेकानिकल सेपरेसन वा स्टेल्थ काट्ने (अर्थात इन्फ्रारेड लेजर बीम भित्र। सिलिकन स्क्राइबिङ) पछि मेकानिकल टेप विभाजन। नानोसेकेन्ड पल्स लेजरले प्रतिघण्टा १५ वेफरहरू प्रशोधन गर्न सक्छ, र पिकोसेकेन्ड लेजरले उच्च गुणस्तरका साथ प्रतिघण्टा २३ वेफरहरू प्रशोधन गर्न सक्छ।

03 उपभोगयोग्य इलेक्ट्रोनिक्स उद्योगमा गिलास काट्ने/स्क्राइबिङ

मोबाइल फोन र ल्यापटपहरूका लागि टच स्क्रिन र सुरक्षात्मक चश्माहरू पातलो हुँदै गइरहेका छन् र केही ज्यामितीय आकारहरू घुमाइएका छन्। यसले परम्परागत मेकानिकल काटनलाई अझ गाह्रो बनाउँछ। विशिष्ट लेजरहरूले सामान्यतया खराब कट गुणस्तर उत्पादन गर्दछ, विशेष गरी जब यी गिलास डिस्प्लेहरू 3-4 तहहरू स्ट्याक गरिएका हुन्छन् र शीर्ष 700 μm बाक्लो सुरक्षात्मक गिलास टेम्पर्ड हुन्छ, जुन स्थानीय तनावले तोड्न सक्छ। अल्ट्राफास्ट लेजरहरूले यी चश्माहरूलाई राम्रो किनारा बलको साथ काट्न सक्षम भएको देखाइएको छ। ठूलो फ्ल्याट प्यानल काट्नको लागि, फेमटोसेकेन्ड लेजरलाई अगाडिको सतहलाई नोक्सान नगरी गिलासको भित्री भाग स्क्र्याच गर्दै, गिलास पानाको पछाडिको सतहमा केन्द्रित गर्न सकिन्छ। गिलास त्यसपछि स्कोर गरिएको ढाँचामा मेकानिकल वा थर्मल माध्यमहरू प्रयोग गरेर भाँच्न सकिन्छ।

चित्र ३. पिकोसेकेन्ड अल्ट्राफास्ट लेजर गिलास विशेष आकारको काट्ने

04 मोटर वाहन उद्योग मा पिस्टन बनावट

हल्का तौलका कार इन्जिनहरू एल्युमिनियम मिश्रबाट बनेका हुन्छन्, जुन कास्ट आइरन जत्तिकै पहिरन-प्रतिरोधी हुँदैनन्। अध्ययनले पत्ता लगाएको छ कि कार पिस्टन बनावटको फेमटोसेकेन्ड लेजर प्रशोधनले 25% सम्म घर्षण कम गर्न सक्छ किनभने मलबे र तेललाई प्रभावकारी रूपमा भण्डारण गर्न सकिन्छ।

चित्र ४. इन्जिन कार्यसम्पादन सुधार गर्न अटोमोबाइल इन्जिन पिस्टनको फेमटोसेकेन्ड लेजर प्रशोधन

05 चिकित्सा उद्योगमा कोरोनरी स्टेन्ट निर्माण

लाखौं कोरोनरी स्टेन्टहरू शरीरको कोरोनरी धमनीहरूमा प्रत्यारोपण गरिन्छ अन्यथा जमेको नसाहरूमा रगत प्रवाह गर्नको लागि एक च्यानल खोल्न, प्रत्येक वर्ष लाखौं जीवन बचाउँछ। कोरोनरी स्टेन्टहरू सामान्यतया धातुबाट बनाइन्छ (जस्तै, स्टेनलेस स्टील, निकल-टाइटेनियम आकार मेमोरी मिश्र धातु, वा हालसालै कोबाल्ट-क्रोमियम मिश्र धातु) लगभग 100 μm को स्ट्रट चौडाइको तार जाल। लामो पल्स लेजर कटिङको तुलनामा, कोष्ठहरू काट्न अल्ट्राफास्ट लेजरहरू प्रयोग गर्ने फाइदाहरू उच्च कट गुणस्तर, राम्रो सतह फिनिश, र कम मलबे हुन्, जसले पोस्ट-प्रोसेसिङ लागत घटाउँछ।

चिकित्सा उद्योगको लागि 06 माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण निर्माण

माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणहरू सामान्यतया चिकित्सा उद्योगमा रोग परीक्षण र निदानको लागि प्रयोग गरिन्छ। यी सामान्यतया व्यक्तिगत भागहरूको माइक्रो-इंजेक्शन मोल्डिंग र त्यसपछि ग्लुइंग वा वेल्डिंग प्रयोग गरेर बन्धन द्वारा निर्मित हुन्छन्। माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणहरूको अल्ट्राफास्ट लेजर निर्माणमा जडानको आवश्यकता बिना नै गिलास जस्ता पारदर्शी सामग्री भित्र थ्रीडी माइक्रो च्यानलहरू उत्पादन गर्ने फाइदा छ। एउटा विधि भनेको बल्क गिलास भित्र अल्ट्राफास्ट लेजर फ्याब्रिकेसन हो जसमा भिजेको रासायनिक नक्काशी हुन्छ, र अर्को भनेको फोहोर हटाउनको लागि गिलास वा प्लास्टिकको डिस्टिल्ड वाटरमा फेमटोसेकेन्ड लेजर एब्लेशन हो। अर्को दृष्टिकोण भनेको मेशिन च्यानलहरूलाई गिलासको सतहमा राख्नु हो र तिनीहरूलाई फेमटोसेकेन्ड लेजर वेल्डिंग मार्फत गिलासको आवरणले बन्द गर्नुहोस्।

चित्र 6. गिलास सामग्री भित्र माइक्रोफ्लुइडिक च्यानलहरू तयार गर्न फेमटोसेकेन्ड लेजर-प्रेरित चयनात्मक नक्काशी

07 इन्जेक्टर नोजलको माइक्रो ड्रिलिङ

Femtosecond लेजर माइक्रोहोल मेशिनिङले फ्लो होल प्रोफाइलहरू र छोटो मेसिनिङ समय परिवर्तन गर्नमा अधिक लचिलोपनको कारण उच्च-दबाव इन्जेक्टर बजारमा धेरै कम्पनीहरूमा माइक्रो-EDM प्रतिस्थापन गरेको छ। प्रिसेसिङ स्क्यान हेड मार्फत बीमको फोकस स्थिति र झुकावलाई स्वचालित रूपमा नियन्त्रण गर्ने क्षमताले एपर्चर प्रोफाइलहरू (जस्तै, ब्यारेल, फ्लेयर, कन्भर्जेन्स, विचलन) को डिजाइनमा निम्त्याएको छ जसले दहन कक्षमा परमाणुकरण वा प्रवेशलाई बढावा दिन सक्छ। ड्रिलिङ समय 0.2 - 0.5 मिमी को ड्रिल मोटाई र 0.12 - 0.25 मिमी को प्वाल व्यास संग, यो प्रविधि माइक्रो-EDM भन्दा दस गुणा छिटो बनाउँदै, पृथक मात्रा मा निर्भर गर्दछ। माइक्रोड्रिलिंग तीन चरणहरूमा गरिन्छ, जसमा रफिङ र थ्रु-पाइलट प्वालहरू समाप्त हुन्छ। बोरहोललाई अक्सिडेशनबाट जोगाउन र प्रारम्भिक चरणहरूमा अन्तिम प्लाज्मालाई जोगाउन अर्गनलाई सहायक ग्यासको रूपमा प्रयोग गरिन्छ।

चित्र 7. डिजेल इन्जिन इन्जेक्टरको लागि उल्टो टेपर होलको फेमटोसेकेन्ड लेजर उच्च-परिशुद्धता प्रशोधन

08 अल्ट्रा-फास्ट लेजर बनावट

हालका वर्षहरूमा, मेशिन शुद्धता सुधार गर्न, सामग्री क्षति कम गर्न, र प्रशोधन दक्षता वृद्धि गर्न, micromachining को क्षेत्र बिस्तारै अनुसन्धानकर्ताहरूको ध्यान केन्द्रित भएको छ। अल्ट्राफास्ट लेजरसँग विभिन्न प्रशोधन फाइदाहरू छन् जस्तै कम क्षति र उच्च परिशुद्धता, जुन प्रशोधन प्रविधिको विकासलाई बढावा दिने फोकस भएको छ। एकै समयमा, अल्ट्राफास्ट लेजरहरूले विभिन्न प्रकारका सामग्रीहरूमा कार्य गर्न सक्छन्, र लेजर प्रशोधन सामग्री क्षति पनि एक प्रमुख अनुसन्धान दिशा हो। अल्ट्राफास्ट लेजर सामग्री घटाउन प्रयोग गरिन्छ। जब लेजरको ऊर्जा घनत्व सामग्रीको पृथक थ्रेसहोल्ड भन्दा बढी हुन्छ, पृथक सामग्रीको सतहले निश्चित विशेषताहरूसँग माइक्रो-नानो संरचना देखाउनेछ। अनुसन्धानले देखाउँछ कि यो विशेष सतह संरचना एक सामान्य घटना हो जुन लेजर प्रशोधन सामग्री हुँदा हुन्छ। सतह माइक्रो-नानो संरचनाहरूको तयारीले सामग्रीको गुणहरू सुधार गर्न सक्छ र नयाँ सामग्रीको विकासलाई सक्षम बनाउँछ। यसले अल्ट्राफास्ट लेजरद्वारा सतह माइक्रो-नानो संरचनाहरूको तयारीलाई महत्त्वपूर्ण विकास महत्त्वको प्राविधिक विधि बनाउँछ। हाल, धातु सामग्रीहरूको लागि, अल्ट्राफास्ट लेजर सतह बनावटमा अनुसन्धानले धातुको सतह भिजाउने गुणहरू सुधार गर्न, सतहको घर्षण र पहिरन गुणहरू सुधार गर्न, कोटिंग आसंजन, र दिशात्मक प्रसार र कोशिकाहरूको आसंजन बढाउन सक्छ।

चित्र 8. लेजर-तयार सिलिकन सतह को सुपरहाइड्रोफोबिक गुण

अत्याधुनिक प्रशोधन प्रविधिको रूपमा, अल्ट्राफास्ट लेजर प्रशोधनमा सानो ताप-प्रभावित क्षेत्र, सामग्रीसँग अन्तर्क्रियाको गैर-रैखिक प्रक्रिया, र विवर्तन सीमाभन्दा पर उच्च-रिजोल्युसन प्रशोधन गर्ने विशेषताहरू छन्। यसले विभिन्न सामग्रीहरूको उच्च-गुणस्तर र उच्च-परिशुद्धता माइक्रो-नानो प्रशोधन महसुस गर्न सक्छ। र त्रि-आयामी माइक्रो-नैनो संरचना निर्माण। विशेष सामग्री, जटिल संरचना र विशेष उपकरणहरूको लेजर निर्माण हासिल गर्नाले माइक्रो-नानो निर्माणको लागि नयाँ बाटोहरू खोल्छ। वर्तमानमा, फेमटोसेकेन्ड लेजर धेरै अत्याधुनिक वैज्ञानिक क्षेत्रहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको छ: फेमटोसेकेन्ड लेजर विभिन्न अप्टिकल उपकरणहरू, जस्तै माइक्रोलेन्स एरेहरू, बायोनिक कम्पाउन्ड आँखाहरू, अप्टिकल वेभगाइडहरू र मेटासर्फेसहरू तयार गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ। यसको उच्च परिशुद्धता, उच्च रिजोल्युसन र तीन-आयामी प्रशोधन क्षमताहरू प्रयोग गरेर, फेमटोसेकेन्ड लेजरले माइक्रोफ्लुइडिक र ओप्टोफ्लुइडिक चिपहरू जस्तै माइक्रोहीटर कम्पोनेन्टहरू र त्रि-आयामी माइक्रोफ्लुइडिक च्यानलहरू तयार वा एकीकृत गर्न सक्छ; थप रूपमा, फेमटोसेकेन्ड लेजरले एन्टि-रिफ्लेक्शन, एन्टि-रिफ्लेक्शन, सुपर-हाइड्रोफोबिक, एन्टि-आइसिङ र अन्य कार्यहरू प्राप्त गर्न विभिन्न प्रकारका सतह माइक्रो-नानोस्ट्रक्चरहरू पनि तयार गर्न सक्छ; त्यति मात्र होइन, बायोमेडिसिनको क्षेत्रमा पनि फेमटोसेकेन्ड लेजर लागू गरिएको छ, जैविक सूक्ष्म स्टेन्ट, सेल कल्चर सब्सट्रेट र जैविक माइक्रोस्कोपिक इमेजिङ जस्ता क्षेत्रमा उत्कृष्ट प्रदर्शन देखाउँदै। व्यापक आवेदन सम्भावनाहरू। वर्तमानमा, femtosecond लेजर प्रशोधन को आवेदन क्षेत्रहरु वर्ष द्वारा वर्ष विस्तार हुँदैछ। माथि उल्लिखित माइक्रो-अप्टिक्स, माइक्रोफ्लुइडिक्स, बहु-कार्यात्मक माइक्रो-नानोस्ट्रक्चर र बायोमेडिकल इन्जिनियरिङ अनुप्रयोगहरूको अतिरिक्त, यसले मेटासर्फेस तयारी जस्ता केही उदीयमान क्षेत्रहरूमा पनि ठूलो भूमिका खेल्छ। , माइक्रो-नानो निर्माण र बहु-आयामी अप्टिकल जानकारी भण्डारण, आदि।