Al giorno d'oggi, il laser ultraveloce (ampiezza dell'impulso di femtosecondi e picosecondi) è una parte importante del processo di produzione industriale. In virtù della sua capacità di lavorazione di materiali non termici di alta qualità, unita ai progressi nella tecnologia laser, nello sviluppo del processo, nel controllo del fascio e nella trasmissione, amplia ulteriormente l'ambito di applicazione del laser ultraveloce nel mercato industriale. Tuttavia, al fine di mantenere l'equilibrio tra input e output, devono essere soddisfatte contemporaneamente le seguenti condizioni: in primo luogo, è necessario dimostrare la sua fattibilità tecnica nel processo di elaborazione industriale; poiché l'interazione tra laser ultraveloce e materia è unica, è necessario avere una buona comprensione scientifica di questo processo; in secondo luogo, la produttività della produzione industriale deve garantire che l'utente finale possa essere portato con l'investimento adeguato alle entrate, il che è destinato a promuovere i progressi nel controllo e nella trasmissione del raggio per sfruttare appieno la potenziale velocità di elaborazione.
Il campo dell'elettronica di consumo fornisce chiaramente il maggior numero di prove. Telefoni cellulari, microprocessori, display e chip di memoria sono componenti estremamente complessi, composti da un gran numero di materiali diversi, dimensioni molto ridotte e uno spessore molto ridotto di materiali multistrato. Quindi abbiamo bisogno di capacità di elaborazione avanzate e di alta precisione e di capacità di produzione in serie economicamente fattibile. Qui' è un esempio del motivo per cui dobbiamo sviluppare contemporaneamente elaborazione, tecnologia laser e nuova tecnologia di trasmissione del raggio per far fronte alle sfide attuali e future.
Realizzare schermi a schermo piatto per telefoni cellulari, tablet o televisori è oggi una delle tecnologie più complesse, con difficoltà simili o maggiori rispetto al programma Apollo degli 1960. Diverse fasi di produzione coinvolgono un gran numero di materiali diversi, che hanno la risoluzione laterale del livello di micron e lo spessore di decine di nanometri. A causa della difficoltà dell'intero processo, non sorprende che la produttività industriale (la percentuale di prodotti che possono superare severi test di qualità) sia considerata un segreto e una sfida. Una limitazione fondamentale è l'esistenza di punti negativi sul pannello, che ostacolerà la commercializzazione dello schermo. Negli ultimi anni sono state sviluppate diverse tecnologie di riparazione, che solitamente coinvolgono laser a nanosecondi a lunghezza d'onda multipla. Ad esempio, un pixel luminoso viene riparato mediante carbonizzazione laser o tagliando gli elettrodi di un transistor a film sottile che controlla il pixel (Figura 1).
Figura 1: taglio dell'elettrodo a transistor a film sottile, larghezza di taglio di 1. 9 μm.
La tecnologia attuale ha raggiunto i suoi limiti. A causa dei progressi nella risoluzione dello schermo ad alta definizione, la dimensione dei pixel diventa sempre più piccola e l'effetto termico dell'elaborazione laser a nanosecondi ad esso limitato limita la qualità della riparazione. Inoltre, le nuove tecnologie di visualizzazione, tra cui diodi organici a emissione di luce (OLED) e diodi a emissione di luce a matrice attiva (AMOLED), hanno ampiamente utilizzato materiali organici e polimerici, che sono altamente sensibili al riscaldamento e quindi incompatibili con il trattamento termico. Poiché la durata dell'impulso è molto breve, il laser ultraveloce è molto adatto per micromachining non termico e non genererà calore. Sono ampiamente utilizzati nel campo dell'elaborazione avanzata della riparazione dello schermo, che promuove lo sviluppo di una nuova generazione di laser ultrarapidi compatti ad alta velocità e multi-lunghezza d'onda.
Alcuni processi industriali hanno iniziato a utilizzare la lavorazione laser ultraveloce ad alta precisione. Ciò include l'ablazione selettiva, che di solito è accurata a 30 nm / impulso, e il taglio dell'elettrodo a transistor a film sottile ad alta precisione con una larghezza di taglio inferiore a 2 μ M. Questi processi devono svilupparsi in modo avanzato e tecnologia flessibile di sagomatura del fascio per ottenere un raggio piano e garantirne la trasmissione uniforme e modellare il campione con dimensioni fino a 2 × 2 μm.
In un altro esempio, i circuiti a semiconduttore diventano sempre più complessi e richiedono più funzioni per essere integrati in dimensioni più piccole. Pertanto, l'attuale wafer è composto da molti strati di vari materiali, come materiali a bassa costante dielettrica adatti per un funzionamento rapido. Un processo importante nell'industria manifatturiera dei semiconduttori è il taglio e la separazione dei wafer, ovvero il taglio di un wafer in chip separati (Figura 2). Tradizionalmente, viene utilizzata la sega diamantata, ma l'attuale tecnologia ha raggiunto il limite. A causa della fragilità, dello spessore e del numero di strati dei materiali con bassa costante dielettrica, la probabilità di effetti negativi come crepe e delaminazione è in aumento.
Figura 2: taglio e taglio di wafer a semiconduttore.
Sebbene sia promosso l'uso dell'elaborazione laser a nanosecondi UV, l'effetto termico dell'elaborazione laser a nanosecondi limita ancora notevolmente la qualità dei risultati dell'elaborazione. D'altra parte, i laser ultraveloci mostrano la capacità di elaborare silicio e materiali multistrato di alta qualità. Fino a poco tempo fa, la limitazione della potenza media del laser ultraveloce è ancora un grave problema, che limita seriamente l'efficienza di produzione totale. Oggi, la potenza del laser a femtosecondi industriale con elevata affidabilità è compresa tra 50 e 100 w, il che rende la sua capacità produttiva conforme ai requisiti industriali.
Il laser ultraveloce è una parte importante del processo avanzato di micromachining, che svolge un ruolo importante nel controllo e nella misurazione della qualità. Le tecnologie Rudolph hanno recentemente lanciato un nuovo strumento per l'industria dei semiconduttori per misurare lo spessore dei film opachi. Il sistema si basa sulla misurazione acustica, utilizzando un impulso ultracorto molto breve generato dal laser. Il tempo di riflessione dell'impulso ultrasonico sulla superficie di ogni strato è misurato dalla tecnologia di rilevamento della pompa ad alta precisione.
L'aspetto del sistema laser ad alta potenza e alta affidabilità ha notevolmente migliorato l'elaborazione laser e il controllo di qualità. Più specificamente, i laser ultraveloci con una potenza media da 50 a 200 W possono migliorare l'efficienza e la produttività della produzione, ampliando così la loro applicazione in nuovi campi. Tuttavia, il controllo del raggio e la trasmissione di un laser così potente non sono facili. Per realizzare profitti, è necessario raggiungere una velocità di elaborazione di 100 M / s, pur mantenendo l'accuratezza di posizionamento del livello di micron. L'attuale generazione di scanner galvanometrici ha raggiunto il limite e sono necessari nuovi metodi.
La società ESI ha lanciato un sistema di elaborazione ibrido che combina galvanometro e tecnologia acustoottica. Quando si opera a una velocità di elaborazione più elevata, l'inerzia del galvanometro a scansione indica il ritardo di esecuzione, come una curva acuta, quindi la struttura elaborata non sarà la stessa della forma progettata. Tuttavia, i modulatori acustici mostrano una risposta molto sensibile, ma in un intervallo molto piccolo. La combinazione di movimento del galvanometro e deflessione acustoottica può ottenere una sincronizzazione accurata e superare questa limitazione. Questa tecnologia è particolarmente utile nella produzione grafica di circuiti digitali interconnessi perché stanno diventando sempre più integrati e quindi richiedono una maggiore densità di cablaggio.
Ricercatori dal Giappone' sDISCOTECAl'azienda utilizza lo stesso laser per eseguire sia la micromachining che il controllo di processo, combinando così i due.
In questo caso, viene utilizzato un laser ultraveloce per praticare un foro cieco su un substrato a doppio strato. Lo strato superiore è 80 μ m di materiale trasparente spesso e lo strato inferiore è 20 μ m di pellicola metallica spessa. Al fine di controllare con precisione il numero di impulsi laser, in modo che l'intervallo di ablazione sia limitato al substrato trasparente, è necessario utilizzare un analizzatore di spettro per monitorare l'emissione del plasma, cioè utilizzando la tecnologia della spettroscopia di rottura indotta dal laser (LIBS) .
Figura 3: forma centrale della fibra di kagome.
Poiché l'emissione di plasma ha uno spettro di emissione unico in base al tipo di atomi ablati, può rilevare tempestivamente e accuratamente quando lo strato trasparente è completamente ablato. Un altro metodo è che lo scanner poligonale può raggiungere una velocità di scansione superiore a 100 m / s. Questo tipo di specchio singolo può ruotare ad alta velocità e può sostituire completamente lo specchio a bassa inerzia che può solo riflettere il raggio nelle direzioni X e Y. Se la rotazione del laser a impulsi e lo specchio poliedrico possono essere sincronizzati accuratamente, solo un punto su ciascuna superficie può influire sull'elaborazione del campione. In questo caso, il processo di micromachining è più simile a un processo digitale, vale a dire che il laser deve essere controllato per accendersi e spegnersi per produrre la grafica richiesta. Per ottenere risultati ideali, è necessario ottenere una sincronizzazione molto precisa tra il laser e lo scanner e l'accuratezza di fabbricazione dello specchio poliedrico è molto elevata e l'elaborazione deve essere progettata con cura. In collaborazione con Amplitudesyst è MES e la società Nextscan in Belgio, il professor Beat Neuenschwander dell'Università di Berna dell'Università di Scienze Applicate in Svizzera ha realizzato la micro modellizzazione superficiale ad alta velocità con precisione di posizionamento micron utilizzando il laser ultraveloce 500 kHz.
Altre innovazioni nella propagazione del fascio sono ancora in corso. Il sistema di trasmissione in fibra ottica rende l'industria del trattamento laser un nuovo aspetto e il laser ultraveloce di classe industriale non può ancora trarne vantaggio fino a poco tempo fa. A causa della limitazione del raggio del piccolo nucleo di fibra e dell'altissima intensità di picco dell'impulso ultraveloce, si produrrà un grave effetto non lineare, che alla fine porterà al degrado della fibra. Per eliminare questa limitazione, è stata sviluppata una fibra microstrutturata vuota, ma il diametro del nucleo è limitato a pochi micron, che è troppo piccolo per un'applicazione pratica. Lo sviluppo di una fibra microstrutturata kagome ad area di grande formato apre la strada alla trasmissione in fibra di raggi laser a femtosecondi ad alta energia e alta potenza. Questo speciale nucleo di fibra cava con la forma di una ruota che gira interna circolare limita la modalità laser impedendole di interagire con la microstruttura della fibra e combina bassa non linearità, area di campo di grande modalità e controllo decentralizzato flessibile. Collaborando con la fotonica Glo in Francia, l'ampiezza Syst è MES è stata in grado di trasmettere impulsi di livello milliJoule per una distanza di diversi metri, garantendo al contempo una durata dell'impulso inferiore a 500 fs. In un altro esperimento con strumenti di fotonica, è possibile trasmettere laser a impulsi con una potenza media di 100 W e realizzare una compressione degli impulsi inferiore a 100 fs. Anche altri team e produttori di laser utilizzano rapidamente la fibra di kagome per sviluppare sistemi di trasmissione flessibili (come mostrato nella Figura 4). Possiamo aspettarci cambiamenti più approfonditi nella tecnologia di elaborazione laser ultraveloce nei prossimi anni.
Con l'ulteriore sviluppo del principio di interazione tra laser a impulso corto e materia e lo sviluppo della tecnologia nel controllo del fascio e nel sistema di trasmissione, il laser ultraveloce è entrato nella nostra vita quotidiana. Attraverso il processo di elaborazione industriale più avanzato, cambia il modo in cui guardiamo le cose, comunichiamo e lavoriamo. Sarà la chiave per produrre con successo apparecchiature elettroniche di consumo più complesse in futuro.