ულტრასწრაფი ლაზერული მიკრო-ნანო საწარმოო-სამრეწველო პროგრამები

მიუხედავად იმისა, რომ ულტრასწრაფი ლაზერები ათწლეულების განმავლობაში არსებობს, ინდუსტრიული აპლიკაციები სწრაფად გაიზარდა ბოლო ორი ათწლეულის განმავლობაში. 2019 წელს ულტრაფასტის საბაზრო ღირებულებალაზერული მასალაგადამუშავება იყო დაახლოებით 460 მილიონი აშშ დოლარი, რთული წლიური ზრდის ტემპით 13%. გამოყენების სფეროები, სადაც ულტრასწრაფი ლაზერები წარმატებით იქნა გამოყენებული სამრეწველო მასალების დასამუშავებლად, მოიცავს ფოტონიღბების დამზადებას და შეკეთებას ნახევარგამტარულ ინდუსტრიაში, აგრეთვე სილიკონის ჭრის, შუშის ჭრის/ჩაწერის და (ინდიუმის კალის ოქსიდის) ITO ფირის მოცილებას სამომხმარებლო ელექტრონიკაში, როგორიცაა მობილური ტელეფონები და ტაბლეტები. დგუშის ტექსტურირება საავტომობილო ინდუსტრიისთვის, კორონარული სტენტის წარმოება და მიკროსთხევადი მოწყობილობების წარმოება სამედიცინო ინდუსტრიისთვის.

01 ფოტონიღბის წარმოება და შეკეთება ნახევარგამტარების ინდუსტრიაში

ულტრასწრაფი ლაზერები გამოყენებული იყო მასალების დამუშავების ერთ-ერთ ადრეულ ინდუსტრიაში. IBM იტყობინება 1990-იან წლებში ფემტოწამური ლაზერული აბლაციის გამოყენება ფოტომასკის წარმოებაში. ნანოწამიან ლაზერულ აბლაციასთან შედარებით, რომელსაც შეუძლია ლითონის გაფცქვნა და შუშის დაზიანება გამოიწვიოს, ფემტოწამიანი ლაზერული ნიღბები არ აჩვენებენ ლითონის გაფცქვნას, შუშის დაზიანებას და ა.შ. უპირატესობები. ეს მეთოდი გამოიყენება ინტეგრირებული სქემების (ICs) წარმოებისთვის. IC ჩიპის დამზადებას შეიძლება დასჭირდეს 30-მდე ნიღაბი და ღირებულება > $100,000. ფემტოწამიანი ლაზერული დამუშავება შეუძლია ხაზების და წერტილების დამუშავებას 150 ნმ-ზე ქვემოთ.

სურათი 1. ფოტონიღბის დამზადება და შეკეთება

სურათი 2. ექსტრემალური ულტრაიისფერი ლითოგრაფიისთვის სხვადასხვა ნიღბის შაბლონების ოპტიმიზაციის შედეგები

02 სილიკონის ჭრა ნახევარგამტარულ ინდუსტრიაში

სილიკონის ვაფლის კამათლები წარმოების სტანდარტული პროცესია ნახევარგამტარულ ინდუსტრიაში და, როგორც წესი, შესრულებულია მექანიკური ჭრის გამოყენებით. ამ საჭრელ ბორბლებს ხშირად უვითარდებათ მიკრობზარები და ძნელია თხელი (მაგ. სისქე < 150 მკმ) ვაფლის მოჭრა. სილიკონის ვაფლის ლაზერული ჭრა მრავალი წლის განმავლობაში გამოიყენება ნახევარგამტარების ინდუსტრიაში, განსაკუთრებით თხელი ვაფლებისთვის (100-200μm) და ხორციელდება რამდენიმე ეტაპად: ლაზერული ღარები, რასაც მოჰყვება მექანიკური გამოყოფა ან ფარული ჭრა (ანუ ინფრაწითელი ლაზერის სხივი შიგნით. სილიკონის ჩანაწერი) მოჰყვა მექანიკური ლენტის გამოყოფა. ნანოწამიან პულსურ ლაზერს შეუძლია საათში 15 ვაფლის დამუშავება, ხოლო პიკოწამიან ლაზერს შეუძლია საათში 23 ვაფლის დამუშავება, უმაღლესი ხარისხით.

03 შუშის ჭრა/დასხმა სახარჯო ელექტრონიკის ინდუსტრიაში

სენსორული ეკრანები და მობილური ტელეფონებისა და ლეპტოპების დამცავი სათვალეები სულ უფრო თხელი ხდება და ზოგიერთი გეომეტრიული ფორმა მრუდი ხდება. ეს ართულებს ტრადიციულ მექანიკურ ჭრას. ტიპიური ლაზერები, როგორც წესი, აწარმოებენ ჭრის ხარისხს, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც ეს შუშის დისპლეები 3-4 ფენად არის დალაგებული და ზედა 700 მკმ სისქის დამცავი შუშა გამაგრებულია, რაც შეიძლება დაირღვეს ლოკალიზებული სტრესით. ნაჩვენებია, რომ ულტრასწრაფ ლაზერებს შეუძლიათ ამ სათვალეების გაჭრა უკეთესი კიდეების სიმტკიცით. დიდი ბრტყელი პანელის ჭრისთვის, ფემტოწამიანი ლაზერი შეიძლება ფოკუსირებული იყოს შუშის ფურცლის უკანა ზედაპირზე, დაკაწროს შუშის შიდა მხარე წინა ზედაპირის დაზიანების გარეშე. შუშის გატეხვა შესაძლებელია მექანიკური ან თერმული საშუალებების გამოყენებით დატანილი ნიმუშის გასწვრივ.

სურათი 3. Picosecond ულტრასწრაფი ლაზერული მინის სპეციალური ფორმის ჭრა

04 დგუშის ტექსტურები საავტომობილო ინდუსტრიაში

მსუბუქი მანქანის ძრავები დამზადებულია ალუმინის შენადნობებისგან, რომლებიც არ არის ისეთივე მდგრადი, როგორც თუჯის. კვლევებმა აჩვენა, რომ მანქანის დგუშის ტექსტურების ფემტოწამური ლაზერული დამუშავება შეუძლია ხახუნის შემცირებას 25%-მდე, რადგან ნამსხვრევებისა და ზეთის ეფექტურად შენახვა შესაძლებელია.

სურათი 4. საავტომობილო ძრავის დგუშების ფემტოწამური ლაზერული დამუშავება ძრავის მუშაობის გასაუმჯობესებლად

05 კორონარული სტენტის წარმოება სამედიცინო ინდუსტრიაში

მილიონობით კორონარული სტენტი იმპლანტირებულია სხეულის კორონარული არტერიებში, რათა გახსნას არხი სისხლის შესადინებლად სხვაგვარად შედედებულ გემებში, რაც ყოველწლიურად მილიონობით სიცოცხლეს გადაარჩენს. კორონარული სტენტები, როგორც წესი, მზადდება ლითონისგან (მაგ., უჟანგავი ფოლადი, ნიკელ-ტიტანის ფორმის მეხსიერების შენადნობი, ან ახლახან კობალტ-ქრომის შენადნობი) მავთულის ბადე, რომლის სიგანე დაახლოებით 100 მკმ. ხანგრძლივი იმპულსური ლაზერული ჭრის შედარებით, ულტრასწრაფი ლაზერების გამოყენების უპირატესობა ფრჩხილების დასაჭრელად არის მაღალი ჭრის ხარისხი, ზედაპირის უკეთესი დასრულება და ნაკლები ნამსხვრევები, რაც ამცირებს დამუშავების შემდგომ ხარჯებს.

06 მიკროფლუიდური მოწყობილობის წარმოება სამედიცინო ინდუსტრიისთვის

მიკროფლუიდური მოწყობილობები ჩვეულებრივ გამოიყენება სამედიცინო ინდუსტრიაში დაავადების ტესტირებისა და დიაგნოსტიკისთვის. ისინი, როგორც წესი, იწარმოება ცალკეული ნაწილების მიკროინექციური ჩამოსხმით და შემდეგ შემაერთებელი წებოთი ან შედუღებით. მიკროფლუიდური მოწყობილობების ულტრასწრაფი ლაზერული დამზადება უპირატესობას ანიჭებს 3D მიკროარხების წარმოებას გამჭვირვალე მასალებში, როგორიცაა მინა, კავშირის საჭიროების გარეშე. ერთი მეთოდი არის ულტრასწრაფი ლაზერული დამზადება ნაყარი შუშის შიგნით, რასაც მოჰყვება სველი ქიმიური გრავირება და მეორე არის ფემტოწამური ლაზერული აბლაცია შუშის ან პლასტმასის შიგნით გამოხდილ წყალში ნარჩენების მოსაშორებლად. კიდევ ერთი მიდგომაა არხების დამუშავება მინის ზედაპირზე და მათი დალუქვა შუშის საფარით ფემტოწამური ლაზერული შედუღების საშუალებით.

ნახაზი 6. ფემტოწამური ლაზერით გამოწვეული შერჩევითი ჭურვი მინის მასალის შიგნით მიკროსთხევადი არხების მოსამზადებლად

07 ინჟექტორის საქშენის მიკრო ბურღვა

Femtosecond ლაზერული მიკროხვრელების დამუშავება ჩაანაცვლა მიკრო-EDM ბევრ კომპანიაში მაღალი წნევის ინჟექტორების ბაზარზე დიდი მოქნილობის გამო ნაკადის ხვრელების პროფილების შეცვლისა და დამუშავების ხანმოკლე დროის გამო. ფოკუსირების პოზიციისა და სხივის დახრის ავტომატური კონტროლის შესაძლებლობა სკანირების წინამორბედი თავის მეშვეობით განაპირობა დიაფრაგმის პროფილების (მაგ., ლულა, აფეთქება, კონვერგენცია, დივერგენცია) დაპროექტება, რამაც შეიძლება ხელი შეუწყოს ატომიზაციას ან შეღწევას წვის პალატაში. ბურღვის დრო დამოკიდებულია აბლაციის მოცულობაზე, საბურღი სისქით 0,2 – 0,5 მმ და ხვრელის დიამეტრი 0,12 – 0,25 მმ, რაც ამ ტექნიკას ათჯერ უფრო სწრაფს ხდის, ვიდრე მიკრო-EDM. მიკრობურღვა ტარდება სამ ეტაპად, მათ შორის, გამჭოლი ხვრელების გაუხეშება და დასრულება. არგონი გამოიყენება როგორც დამხმარე აირი ჭაბურღილის დაჟანგვისგან დასაცავად და საბოლოო პლაზმის დასაცავად საწყის ეტაპებზე.

სურათი 7. დიზელის ძრავის ინჟექტორისთვის ინვერსიული კონუსური ხვრელის ფემტოწამური ლაზერული მაღალი სიზუსტის დამუშავება

08 ულტრა სწრაფი ლაზერული ტექსტურირება

ბოლო წლებში, დამუშავების სიზუსტის გასაუმჯობესებლად, მატერიალური ზიანის შესამცირებლად და დამუშავების ეფექტურობის გაზრდის მიზნით, მიკროდამუშავების სფერო თანდათანობით გახდა მკვლევარების ყურადღების ცენტრში. ულტრასწრაფ ლაზერს აქვს სხვადასხვა დამუშავების უპირატესობა, როგორიცაა დაბალი დაზიანება და მაღალი სიზუსტე, რაც გახდა დამუშავების ტექნოლოგიის განვითარების ხელშეწყობის აქცენტი. ამავდროულად, ულტრასწრაფ ლაზერებს შეუძლიათ იმოქმედონ მრავალფეროვან მასალებზე, ხოლო ლაზერული დამუშავების მასალის დაზიანება ასევე არის ძირითადი კვლევის მიმართულება. ულტრასწრაფი ლაზერი გამოიყენება მასალების გასასუფთავებლად. როდესაც ლაზერის ენერგეტიკული სიმკვრივე აღემატება მასალის აბლაციის ზღურბლს, აბლირებული მასალის ზედაპირი აჩვენებს მიკრონანო სტრუქტურას გარკვეული მახასიათებლებით. კვლევა აჩვენებს, რომ ეს სპეციალური ზედაპირის სტრუქტურა ჩვეულებრივი მოვლენაა, რომელიც წარმოიქმნება მასალების ლაზერული დამუშავებისას. ზედაპირული მიკრო-ნანო სტრუქტურების მომზადებას შეუძლია გააუმჯობესოს თავად მასალის თვისებები და ასევე უზრუნველყოს ახალი მასალების განვითარება. ეს ხდის ზედაპირული მიკრონანო სტრუქტურების მომზადებას ულტრასწრაფი ლაზერით ტექნიკურ მეთოდად, რომელსაც მნიშვნელოვანი განვითარების მნიშვნელობა აქვს. ამჟამად, ლითონის მასალებისთვის, ულტრასწრაფი ლაზერული ზედაპირის ტექსტურირების კვლევამ შეიძლება გააუმჯობესოს ლითონის ზედაპირის დამატენიანებელი თვისებები, გააუმჯობესოს ზედაპირის ხახუნის და აცვიათ თვისებები, გააძლიეროს საფარის ადჰეზია და უჯრედების მიმართულების გამრავლება და გადაბმა.

სურათი 8. ლაზერით მომზადებული სილიკონის ზედაპირის სუპერჰიდროფობიური თვისებები

როგორც დამუშავების უახლესი ტექნოლოგია, ულტრასწრაფი ლაზერული დამუშავება აქვს მცირე სითბოს ზემოქმედების ზონის, მასალებთან ურთიერთქმედების არაწრფივი პროცესის და დიფრაქციული ლიმიტის მიღმა მაღალი გარჩევადობის დამუშავების მახასიათებლებს. მას შეუძლია განახორციელოს სხვადასხვა მასალის მაღალი ხარისხის და მაღალი სიზუსტის მიკრონანო დამუშავება. და სამგანზომილებიანი მიკრო-ნანო სტრუქტურის დამზადება. სპეციალური მასალების, კომპლექსური სტრუქტურებისა და სპეციალური მოწყობილობების ლაზერული წარმოების მიღწევა ხსნის ახალ გზებს მიკრო-ნანო წარმოებისთვის. ამჟამად ფემტოწამის ლაზერი ფართოდ გამოიყენება მრავალ უახლესი სამეცნიერო სფეროში: ფემტოწამის ლაზერი შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა ოპტიკური მოწყობილობების მოსამზადებლად, როგორიცაა მიკროლინზების მასივები, ბიონური ნაერთი თვალები, ოპტიკური ტალღების გამტარები და მეტაზედაპირები; მისი მაღალი სიზუსტის, მაღალი გარჩევადობის და სამგანზომილებიანი დამუშავების შესაძლებლობების გამოყენებით, ფემტოწამულ ლაზერს შეუძლია მოამზადოს ან დააკავშიროს მიკროფლუიდური და ოპტოფლუიდური ჩიპები, როგორიცაა მიკროგამათბობელი კომპონენტები და სამგანზომილებიანი მიკროსთხევადი არხები; გარდა ამისა, ფემტოწამულ ლაზერს ასევე შეუძლია მოამზადოს სხვადასხვა სახის ზედაპირული მიკრო-ნანოსტრუქტურები, რათა მიაღწიოს ანტირეფლექსურ, ანტირეფლექსურ, სუპერჰიდროფობიურ, ყინვაგამძლე და სხვა ფუნქციებს; არა მხოლოდ ეს, ფემტოწამული ლაზერი ასევე გამოიყენება ბიომედიცინის სფეროში, რომელიც აჩვენებს გამორჩეულ შესრულებას ისეთ სფეროებში, როგორიცაა ბიოლოგიური მიკროსტენტები, უჯრედული კულტურის სუბსტრატები და ბიოლოგიური მიკროსკოპული გამოსახულება. განაცხადის ფართო პერსპექტივები. დღეისათვის ფემტოწამური ლაზერული დამუშავების აპლიკაციების სფეროები წლიდან წლამდე ფართოვდება. გარდა ზემოაღნიშნული მიკროოპტიკისა, მიკროფლიდიკის, მრავალფუნქციური მიკრო-ნანოსტრუქტურებისა და ბიოსამედიცინო ინჟინერიის აპლიკაციებისა, ის ასევე უზარმაზარ როლს თამაშობს ზოგიერთ განვითარებად დარგში, როგორიცაა მეტაზედაპირის მომზადება. , მიკრონანო წარმოება და მრავალგანზომილებიანი ოპტიკური ინფორმაციის შენახვა და ა.შ.