Heutzutage ist der ultraschnelle Laser (Femtosekunden- und Pikosekunden-Pulsbreite) ein wichtiger Bestandteil des industriellen Produktionsprozesses. Aufgrund seiner hochwertigen nicht-thermischen Materialverarbeitungsfähigkeit in Verbindung mit den Fortschritten in der Lasertechnologie, Prozessentwicklung, Strahlsteuerung und Transmission erweitert es den Anwendungsbereich von ultraschnellen Lasern auf dem Industriemarkt weiter. Um jedoch das Gleichgewicht zwischen Input und Output aufrechtzuerhalten, müssen folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein: Zunächst muss die technische Machbarkeit im industriellen Verarbeitungsprozess nachgewiesen werden. Da die Wechselwirkung zwischen ultraschnellem Laser und Materie einzigartig ist, ist ein genaues wissenschaftliches Verständnis dieses Prozesses erforderlich. Zweitens muss die Produktivität der industriellen Produktion sicherstellen, dass der Endverbraucher mit der Investition in Einklang mit den Einnahmen gebracht werden kann, was den Fortschritt bei der Strahlsteuerung und -übertragung fördern muss, um die potenzielle Verarbeitungsgeschwindigkeit voll auszuschöpfen.
Das Gebiet der Unterhaltungselektronik liefert eindeutig die meisten Beweise. Mobiltelefone, Mikroprozessoren, Displays und Speicherchips sind äußerst komplexe Komponenten, die aus einer großen Anzahl unterschiedlicher Materialien, einer sehr geringen Größe und einer sehr geringen Dicke von Mehrschichtmaterialien bestehen. Wir brauchen also fortschrittliche, hochpräzise Verarbeitungskapazitäten und wirtschaftlich realisierbare Massenproduktionskapazitäten. Hier ist&# 39 ein Beispiel dafür, warum wir gleichzeitig Verarbeitung, Lasertechnologie und neue Strahlübertragungstechnologie entwickeln müssen, um den aktuellen und zukünftigen Herausforderungen zu begegnen.
Die Herstellung von Flachbildschirmen für Mobiltelefone, Tablets oder Fernseher ist heute eine der komplexesten Technologien mit ähnlichen oder größeren Schwierigkeiten als das Apollo-Programm der 1960. Verschiedene Produktionsschritte umfassen eine große Anzahl verschiedener Materialien, die eine laterale Auflösung des Mikronniveaus und eine Dicke von einigen zehn Nanometern aufweisen. Aufgrund der Schwierigkeit des gesamten Prozesses ist es nicht verwunderlich, dass die industrielle Produktivität (der Anteil der Produkte, die strenge Qualitätsprüfungen bestehen können) als Geheimnis und Herausforderung angesehen wird. Eine wesentliche Einschränkung ist das Vorhandensein von fehlerhaften Stellen auf dem Panel, die die Kommerzialisierung des Bildschirms behindern. In den letzten Jahren wurden verschiedene Reparaturtechnologien entwickelt, an denen üblicherweise Nanosekundenlaser mit mehreren Wellenlängen beteiligt sind. Zum Beispiel wird ein helles Pixel repariert, indem die Elektroden eines Dünnschichttransistors, der das Pixel steuert, laserkarbonisiert oder geschnitten werden (Abbildung 1).
Abbildung 1: Dünnschichttransistorelektrodenschneiden, Schnittbreite von 1. 9 μm.
Die aktuelle Technologie ist an ihre Grenzen gestoßen. Aufgrund des Fortschritts bei der Auflösung des hochauflösenden Bildschirms wird die Größe der Pixel immer kleiner, und der damit verbundene thermische Effekt der Nanosekunden-Laserbearbeitung schränkt die Qualität der Reparatur ein. Darüber hinaus haben neue Anzeigetechnologien, einschließlich organischer Leuchtdioden (OLEDs) und Aktivmatrix-Leuchtdioden (AMOLED), weit verbreitete organische und Polymermaterialien verwendet, die sehr hitzeempfindlich und daher mit der Wärmebehandlung nicht kompatibel sind. Da die Pulsdauer sehr kurz ist, eignet sich der ultraschnelle Laser sehr gut für die nichtthermische Mikrobearbeitung und erzeugt keine Wärme. Sie werden häufig auf dem Gebiet der fortschrittlichen Bildschirmreparaturverarbeitung eingesetzt, die die Entwicklung einer neuen Generation kompakter ultraschneller Hochgeschwindigkeitslaser mit mehreren Wellenlängen fördert.
Einige industrielle Prozesse haben begonnen, hochpräzise ultraschnelle Laserbearbeitung zu verwenden. Dies umfasst die selektive Ablation, die normalerweise auf 30 nm / Puls genau ist, und das hochpräzise Schneiden von Dünnschichttransistorelektroden mit einer Schnittbreite von weniger als 2 μM. Diese Prozesse müssen sich weiterentwickeln und entwickeln Flexible Strahlformungstechnologie zur Erzielung eines Flat-Top-Strahls und zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Transmission sowie zur Formgebung der Probe mit einer Größe von nur 2 × 2 μm.
In einem anderen Beispiel werden Halbleiterschaltungen immer komplexer und erfordern, dass mehr Funktionen in kleinere Größen integriert werden. Daher besteht der Stromwafer aus vielen Schichten verschiedener Materialien, wie beispielsweise Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante, die für einen schnellen Betrieb geeignet sind. Ein wichtiger Prozess in der Halbleiterindustrie ist das Schneiden und Trennen von Wafern, dh das Schneiden eines Wafers in separate Chips (Abbildung 2). Traditionell wird die Diamantsäge verwendet, aber die aktuelle Technologie hat die Grenze erreicht. Aufgrund der Sprödigkeit, der Dicke und der Anzahl der Schichten der Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante steigt die Wahrscheinlichkeit negativer Effekte wie Rissbildung und Delaminierung.
Abbildung 2: Schneiden und Schneiden von Halbleiterwafern.
Obwohl die Verwendung der UV-Nanosekunden-Laserbearbeitung gefördert wird, schränkt der thermische Effekt der Nanosekunden-Laserbearbeitung die Qualität der Verarbeitungsergebnisse immer noch stark ein. Auf der anderen Seite zeigen ultraschnelle Laser die Fähigkeit, Silizium und hochwertige Mehrschichtmaterialien zu verarbeiten. Bis vor kurzem war die durchschnittliche Leistungsbegrenzung eines ultraschnellen Lasers immer noch ein großes Problem, das die Gesamtproduktionseffizienz ernsthaft einschränkt. Heutzutage liegt die Leistung eines industriellen Femtosekundenlasers mit hoher Zuverlässigkeit zwischen 50 und 100 W, wodurch seine Produktionskapazität den industriellen Anforderungen entspricht.
Der ultraschnelle Laser ist ein wichtiger Bestandteil des fortschrittlichen Mikrobearbeitungsprozesses, der eine wichtige Rolle bei der Qualitätskontrolle und -messung spielt. Rudolph Technologies hat kürzlich ein neues Tool für die Halbleiterindustrie eingeführt, mit dem die Dicke opaker Filme gemessen werden kann. Das System basiert auf einer akustischen Messung unter Verwendung eines sehr kurzen lasergenerierten ultrakurzen Impulses. Die Reflexionszeit des Ultraschallimpulses auf der Oberfläche jeder Schicht wird durch hochpräzise Pumpendetektionstechnologie gemessen.
Das Erscheinungsbild eines Hochleistungs- und hochzuverlässigen Lasersystems hat die Laserbearbeitung und die Qualitätskontrolle erheblich verbessert. Insbesondere können ultraschnelle Laser mit einer durchschnittlichen Leistung von 50 bis 200 W die Produktionseffizienz und -produktivität verbessern und so ihre Anwendung in neuen Bereichen erweitern. Die Strahlsteuerung und -übertragung eines solchen Hochleistungslasers ist jedoch nicht einfach. Um Gewinne zu erzielen, ist es notwendig, eine Verarbeitungsgeschwindigkeit von 100 M / s zu erreichen, während die Positionierungsgenauigkeit des Mikrometerpegels beibehalten wird. Die aktuelle Generation von Galvanometerscannern hat die Grenze erreicht und es sind neue Methoden erforderlich.
Das Unternehmen ESI hat ein Hybrid-Verarbeitungssystem auf den Markt gebracht, das Galvanometer und Akustooptik kombiniert. Bei Betrieb mit höherer Verarbeitungsgeschwindigkeit bedeutet die Trägheit des Abtastgalvanometers eine Verzögerung der Ausführung, z. B. eine scharfe Kurve, sodass die bearbeitete Struktur nicht mit der entworfenen Form übereinstimmt. Akustooptische Modulatoren zeigen jedoch eine sehr empfindliche Reaktion, jedoch in einem sehr kleinen Bereich. Die Kombination von Galvanometerbewegung und akustooptischer Auslenkung kann eine genaue Synchronisation erreichen und diese Einschränkung überwinden. Diese Technologie ist besonders nützlich bei der Grafikherstellung von miteinander verbundenen digitalen Schaltungen, da diese immer integrierter werden und daher eine erhöhte Verdrahtungsdichte erfordern.
Forscher aus Japan' sDISKODas Unternehmen verwendet denselben Laser, um sowohl die Mikrobearbeitung als auch die Prozesssteuerung durchzuführen und so beide zu kombinieren.
In diesem Fall wird ein ultraschneller Laser verwendet, um ein Sackloch auf ein Doppelschichtsubstrat zu bohren. Die obere Schicht besteht aus 80 μm dickem transparentem Material und die untere Schicht aus 20 μm dickem Metallfilm. Um die Anzahl der Laserpulse genau zu steuern, so dass der Ablationsbereich auf das transparente Substrat beschränkt ist, ist es erforderlich, einen Spektrumanalysator zur Überwachung der Plasmaemission zu verwenden, dh unter Verwendung der Laser-induzierten Durchbruchspektroskopie (LIBS) -Technologie .
Abbildung 3: Kernform der Kagomfaser.
Da die Plasmaemission je nach Art der abgetragenen Atome ein einzigartiges Emissionsspektrum aufweist, kann sie rechtzeitig und genau erkennen, wann die transparente Schicht vollständig abgetragen ist. Eine andere Methode besteht darin, dass der Polygonscanner eine Scangeschwindigkeit von mehr als 100 m / s erreichen kann. Diese Art von Einzelspiegel kann sich mit hoher Geschwindigkeit drehen und den Spiegel mit geringer Trägheit vollständig ersetzen, der den Strahl nur in X- und Y-Richtung reflektieren kann. Wenn die Drehung des Pulslasers und des polyedrischen Spiegels genau synchronisiert werden kann, kann nur ein Punkt auf jeder Oberfläche die Verarbeitung der Probe beeinflussen. In diesem Fall ähnelt der Mikrobearbeitungsprozess eher einem digitalen Prozess, dh der Laser muss zum Ein- und Ausschalten gesteuert werden, um die erforderlichen Grafiken zu erzeugen. Um ideale Ergebnisse zu erzielen, muss eine sehr genaue Synchronisation zwischen Laser und Scanner erreicht werden, und die Herstellungsgenauigkeit des polyedrischen Spiegels ist sehr hoch, und die Verarbeitung muss sorgfältig geplant werden. In Zusammenarbeit mit Amplitudensystem è MES und Nextscan in Belgien hat Professor Beat Newschwander von der Fachhochschule Bern in der Schweiz eine Hochgeschwindigkeits-Oberflächenmikromodellierung mit Mikrometerpositionierungsgenauigkeit unter Verwendung eines ultraschnellen 500 kHz-Lasers realisiert.
Weitere Innovationen in der Strahlausbreitung sind noch in Arbeit. Das faseroptische Übertragungssystem verleiht der laserbearbeitenden Industrie ein neues Aussehen, und der ultraschnelle Laser der Industrieklasse kann bis vor kurzem noch nicht davon profitieren. Aufgrund der Strahlbegrenzung des kleinen Faserkerns und der sehr hohen Spitzenintensität des ultraschnellen Impulses wird der schwerwiegende nichtlineare Effekt erzeugt, der schließlich zu einer Faserverschlechterung führt. Um diese Einschränkung zu beseitigen, wurde eine hohle Mikrostrukturfaser entwickelt, deren Kerndurchmesser jedoch auf einige Mikrometer begrenzt ist, was für die praktische Anwendung zu klein ist. Die Entwicklung einer hohlen Kagom-Mikrostrukturfaser mit großer Modenfläche ebnet den Weg für die Faserübertragung von Femtosekunden-Laserstrahlen mit hoher Energie und hoher Leistung. Dieser spezielle Hohlfaserkern mit der Form eines kreisförmigen inneren Spinnrads begrenzt den Lasermodus, verhindert, dass er mit der Fasermikrostruktur interagiert, und kombiniert geringe Nichtlinearität, große Modenfeldfläche und flexible dezentrale Steuerung. Durch die Zusammenarbeit mit Glo Photonics in Frankreich konnte Amplitude Systè MES MilliJoule-Pegelimpulse über eine Entfernung von mehreren Metern übertragen und gleichzeitig sicherstellen, dass die Pulsdauer weniger als 500 fs beträgt. In einem anderen Experiment mit Photonikwerkzeugen kann ein Pulslaser mit einer durchschnittlichen Leistung von 100 W übertragen und eine Pulskomprimierung von weniger als 100 fs realisiert werden. Andere Teams und Laserhersteller verwenden ebenfalls schnell Kagomfasern, um flexible Übertragungssysteme zu entwickeln (siehe Abbildung 4). In den nächsten Jahren können wir tiefgreifendere Änderungen in der ultraschnellen Laserbearbeitungstechnologie erwarten.
Mit der Weiterentwicklung des Interaktionsprinzips zwischen Kurzpulslaser und Materie und der Entwicklung von Technologien für Strahlsteuerungs- und Transmissionssysteme ist der ultraschnelle Laser in unser tägliches Leben eingetreten. Durch den fortschrittlichsten industriellen Verarbeitungsprozess ändert sich die Art und Weise, wie wir Dinge betrachten, kommunizieren und arbeiten. Es wird der Schlüssel sein, um in Zukunft komplexere Geräte der Unterhaltungselektronik erfolgreich herzustellen.