Хотя сверхбыстрые лазеры существуют уже несколько десятилетий, их промышленное применение стремительно развивается в последние два десятилетия. В 2019 году рыночная стоимость сверхбыстрых лазеров достигла...лазерный материалОбъём производства составил приблизительно 460 миллионов долларов США, при среднегодовом темпе роста в 13%. Сверхбыстрые лазеры успешно применяются для обработки промышленных материалов, включая изготовление и ремонт фотошаблонов в полупроводниковой промышленности, а также резку кремния, резку/нанесение насечек на стекло и удаление ITO-пленки (оксида индия-олова) в бытовой электронике, такой как мобильные телефоны и планшеты, текстурирование поршней для автомобильной промышленности, производство коронарных стентов и производство микрофлюидных устройств для медицинской промышленности.
01 Производство и ремонт фотошаблонов в полупроводниковой промышленности
Сверхбыстрые лазеры использовались в одном из первых промышленных применений в обработке материалов. В 1990-х годах компания IBM сообщила о применении фемтосекундной лазерной абляции в производстве фотошаблонов. По сравнению с наносекундной лазерной абляцией, которая может вызывать разбрызгивание металла и повреждение стекла, фемтосекундные лазерные маски не вызывают разбрызгивания металла, повреждения стекла и т. д. Преимущества этого метода заключаются в производстве интегральных схем (ИС). Для производства микросхемы может потребоваться до 30 масок, а стоимость может превышать 100 000 долларов. Фемтосекундная лазерная обработка позволяет обрабатывать линии и точки размером менее 150 нм.
Рисунок 1. Изготовление и ремонт фотошаблонов.
Рисунок 2. Результаты оптимизации различных шаблонов масок для литографии в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне.
02. Резка кремния в полупроводниковой промышленности
Нарезка кремниевых пластин — стандартный производственный процесс в полупроводниковой промышленности, обычно выполняемый с помощью механической резки. На таких режущих кругах часто образуются микротрещины, и их трудно резать на тонких пластинах (например, толщиной < 150 мкм). Лазерная резка кремниевых пластин используется в полупроводниковой промышленности уже много лет, особенно для тонких пластин (100-200 мкм), и осуществляется в несколько этапов: лазерная нарезка канавок, за которой следует механическое разделение или скрытая резка (т.е. инфракрасный лазерный луч внутри кремниевой пластины) с последующим механическим разделением лентой. Наносекундный импульсный лазер может обрабатывать 15 пластин в час, а пикосекундный лазер — 23 пластины в час с более высоким качеством.
03 Резка/нанесение разметки на стекло в индустрии потребительской электроники
Сенсорные экраны и защитные стекла для мобильных телефонов и ноутбуков становятся все тоньше, а некоторые геометрические формы приобретают изогнутую форму. Это затрудняет традиционную механическую резку. Типичные лазеры обычно обеспечивают низкое качество резки, особенно когда такие стеклянные дисплеи состоят из 3-4 слоев, а верхний защитный слой толщиной 700 мкм изготовлен из закаленного стекла, которое может разбиться от локального напряжения. Было показано, что сверхбыстрые лазеры способны резать такое стекло с большей прочностью кромки. Для резки больших плоских панелей фемтосекундный лазер можно сфокусировать на обратной стороне стеклянного листа, царапая внутреннюю поверхность стекла, не повреждая лицевую. Затем стекло можно разбить механическим или термическим способом вдоль нанесенного рисунка.
Рисунок 3. Пикосекундная сверхбыстрая лазерная резка стекла специальной формы.
04 Текстуры поршней в автомобильной промышленности
Легкие автомобильные двигатели изготавливаются из алюминиевых сплавов, которые не так износостойки, как чугун. Исследования показали, что обработка текстуры автомобильных поршней фемтосекундным лазером может снизить трение до 25%, поскольку при этом эффективно задерживаются частицы пыли и масла.
Рисунок 4. Фемтосекундная лазерная обработка поршней автомобильного двигателя для повышения его производительности.
05. Производство коронарных стентов в медицинской промышленности
Миллионы коронарных стентов имплантируются в коронарные артерии организма, чтобы открыть канал для притока крови в сосуды, которые в противном случае были бы закупорены тромбами, спасая миллионы жизней каждый год. Коронарные стенты обычно изготавливаются из металлической (например, нержавеющей стали, никель-титанового сплава с эффектом памяти формы или, в последнее время, кобальт-хромового сплава) проволочной сетки с шириной стержня приблизительно 100 мкм. По сравнению с лазерной резкой с длинным импульсом, преимущества использования сверхбыстрых лазеров для резки скоб заключаются в высоком качестве резки, лучшей чистоте поверхности и меньшем количестве отходов, что снижает затраты на последующую обработку.
06. Производство микрофлюидных устройств для медицинской промышленности.
Микрофлюидные устройства широко используются в медицинской промышленности для диагностики и тестирования заболеваний. Как правило, они изготавливаются методом микролитья под давлением отдельных деталей с последующим соединением с помощью клея или сварки. Сверхбыстрое лазерное изготовление микрофлюидных устройств имеет преимущество в создании трехмерных микроканалов внутри прозрачных материалов, таких как стекло, без необходимости соединений. Один из методов — сверхбыстрое лазерное изготовление внутри объемного стекла с последующим влажным химическим травлением, а другой — фемтосекундная лазерная абляция внутри стекла или пластика в дистиллированной воде для удаления загрязнений. Еще один подход заключается в создании каналов на поверхности стекла и их герметизации стеклянным покрытием с помощью фемтосекундной лазерной сварки.
Рисунок 6. Селективное травление с помощью фемтосекундного лазера для создания микрофлюидных каналов внутри стеклянных материалов.
07 Микросверление форсунки инжектора
Фемтосекундная лазерная микрообработка отверстий заменила микроэлектроэрозионную обработку во многих компаниях на рынке инжекторов высокого давления благодаря большей гибкости в изменении профилей отверстий для потока и сокращению времени обработки. Возможность автоматического управления положением фокуса и наклоном луча с помощью прецессирующей сканирующей головки позволила разработать профили апертуры (например, цилиндрический, расширяющийся, сходящийся, расходящийся), которые могут способствовать распылению или проникновению в камеру сгорания. Время сверления зависит от объема абляции, при толщине сверла 0,2–0,5 мм и диаметре отверстия 0,12–0,25 мм, что делает эту технологию в десять раз быстрее, чем микроэлектроэрозионная обработка. Микросверление выполняется в три этапа, включая черновую и чистовую обработку сквозных направляющих отверстий. Аргон используется в качестве вспомогательного газа для защиты отверстия от окисления и для экранирования конечной плазмы на начальных этапах.
Рисунок 7. Высокоточная обработка фемтосекундным лазером отверстия в форме перевернутого конуса для форсунки дизельного двигателя.
08 Сверхбыстрое лазерное текстурирование
В последние годы, с целью повышения точности обработки, уменьшения повреждения материала и повышения эффективности обработки, область микрообработки постепенно стала объектом пристального внимания исследователей. Сверхбыстрые лазеры обладают различными преимуществами обработки, такими как низкое повреждение и высокая точность, что стало движущей силой развития технологий обработки. В то же время, сверхбыстрые лазеры могут воздействовать на различные материалы, и лазерная обработка с целью повреждения материала также является одним из основных направлений исследований. Сверхбыстрые лазеры используются для абляции материалов. Когда плотность энергии лазера превышает порог абляции материала, поверхность обработанного материала приобретает микро- и наноструктуру с определенными характеристиками. Исследования показывают, что эта особая структура поверхности является распространенным явлением, возникающим при лазерной обработке материалов. Получение микро- и наноструктур на поверхности может улучшить свойства самого материала, а также способствовать разработке новых материалов. Это делает получение микро- и наноструктур на поверхности с помощью сверхбыстрых лазеров техническим методом, имеющим важное значение для развития. В настоящее время исследования в области сверхбыстрой лазерной текстуризации металлических материалов позволяют улучшить смачиваемость поверхности металла, повысить фрикционные и износостойкие свойства поверхности, улучшить адгезию покрытий, а также направленное размножение и адгезию клеток.
Рисунок 8. Сверхгидрофобные свойства кремниевой поверхности, полученной лазерным методом.
Сверхбыстрая лазерная обработка, как передовая технология, характеризуется малой зоной термического воздействия, нелинейным процессом взаимодействия с материалами и высокоточным разрешением, выходящим за пределы дифракционного предела. Она позволяет осуществлять высококачественную и высокоточную микро- и нанообработку различных материалов, а также изготовление трехмерных микро- и наноструктур. Лазерное производство специальных материалов, сложных структур и специальных устройств открывает новые возможности для микро- и нанопроизводства. В настоящее время фемтосекундный лазер широко используется во многих передовых научных областях: он может применяться для изготовления различных оптических устройств, таких как массивы микролинз, бионические сложные глаза, оптические волноводы и метаповерхности; благодаря высокой точности, высокому разрешению и возможности трехмерной обработки, фемтосекундный лазер может изготавливать или интегрировать микрофлюидные и оптофлюидные чипы, такие как компоненты микронагревателей и трехмерные микрофлюидные каналы. Кроме того, фемтосекундный лазер позволяет создавать различные типы микро- и наноструктур на поверхности для достижения антибликовых, антиотражающих, супергидрофобных, противообледенительных и других функций; более того, фемтосекундный лазер также находит применение в биомедицине, демонстрируя выдающиеся результаты в таких областях, как биологические микростенты, субстраты для клеточных культур и биологическая микроскопическая визуализация. Широкие перспективы применения. В настоящее время области применения обработки фемтосекундным лазером расширяются с каждым годом. В дополнение к вышеупомянутым приложениям в микрооптике, микрофлюидике, многофункциональных микро- и наноструктурах и биомедицинской инженерии, он также играет огромную роль в некоторых новых областях, таких как создание метаповерхностей, микро- и нанопроизводство и многомерное оптическое хранение информации и т. д.
Дата публикации: 17 апреля 2024 г.
