अल्ट्राफास्ट लेसर मायक्रो-नॅनो उत्पादन-औद्योगिक अनुप्रयोग

जरी अल्ट्राफास्ट लेसर अनेक दशकांपासून आहेत, परंतु गेल्या दोन दशकांमध्ये औद्योगिक अनुप्रयोग वेगाने वाढले आहेत. 2019 मध्ये, अल्ट्राफास्टचे बाजार मूल्यलेसर साहित्यप्रक्रिया अंदाजे US$460 दशलक्ष होती, 13% च्या चक्रवाढ वार्षिक वाढीसह. औद्योगिक सामग्रीवर प्रक्रिया करण्यासाठी अल्ट्राफास्ट लेसरचा यशस्वीपणे वापर केला गेला आहे अशा अनुप्रयोग क्षेत्रांमध्ये फोटोमास्क फॅब्रिकेशन आणि सेमीकंडक्टर उद्योगात दुरुस्ती तसेच सिलिकॉन डायसिंग, ग्लास कटिंग/स्क्राइबिंग आणि (इंडियम टिन ऑक्साईड) मोबाइल फोन आणि टॅब्लेटसारख्या ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्समधील आयटीओ फिल्म काढणे समाविष्ट आहे. , ऑटोमोटिव्ह उद्योगासाठी पिस्टन टेक्सचरिंग, कोरोनरी स्टेंट निर्मिती आणि वैद्यकीय उद्योगासाठी मायक्रोफ्लुइडिक उपकरण निर्मिती.

01 सेमीकंडक्टर उद्योगात फोटोमास्क निर्मिती आणि दुरुस्ती

अल्ट्राफास्ट लेसरचा वापर मटेरियल प्रोसेसिंगमधील सर्वात आधीच्या औद्योगिक अनुप्रयोगांमध्ये केला गेला. IBM ने 1990 च्या दशकात फोटोमास्क उत्पादनामध्ये फेमटोसेकंड लेसर ऍब्लेशनचा वापर केल्याची माहिती दिली. नॅनोसेकंद लेसर ॲब्लेशनशी तुलना करता, ज्यामुळे मेटल स्पॅटर आणि काचेचे नुकसान होऊ शकते, फेमटोसेकंद लेसर मास्कमध्ये मेटल स्पॅटर नाही, काचेचे नुकसान होत नाही, इत्यादी फायदे आहेत. ही पद्धत एकात्मिक सर्किट्स (ICs) तयार करण्यासाठी वापरली जाते. IC चिप तयार करण्यासाठी 30 मुखवटे आणि किंमत >$100,000 पर्यंत आवश्यक असू शकते. Femtosecond लेसर प्रक्रिया 150nm पेक्षा कमी रेषा आणि बिंदूंवर प्रक्रिया करू शकते.

आकृती 1. फोटोमास्क फॅब्रिकेशन आणि दुरुस्ती

आकृती 2. अत्यंत अल्ट्राव्हायोलेट लिथोग्राफीसाठी विविध मास्क पॅटर्नचे ऑप्टिमायझेशन परिणाम

02 सेमीकंडक्टर उद्योगात सिलिकॉन कटिंग

सिलिकॉन वेफर डायसिंग ही सेमीकंडक्टर उद्योगातील एक मानक उत्पादन प्रक्रिया आहे आणि सामान्यत: यांत्रिक डायसिंग वापरून केली जाते. या कटिंग व्हीलमध्ये अनेकदा मायक्रोक्रॅक विकसित होतात आणि पातळ (उदा. जाडी < 150 μm) वेफर्स कापण्यास कठीण असतात. सिलिकॉन वेफर्सचे लेझर कटिंग अनेक वर्षांपासून सेमीकंडक्टर उद्योगात वापरले जात आहे, विशेषत: पातळ वेफर्ससाठी (100-200μm), आणि ते अनेक टप्प्यांत केले जाते: लेझर ग्रूव्हिंग, त्यानंतर यांत्रिक वेगळे करणे किंवा स्टिल्थ कटिंग (म्हणजे इंफ्रारेड लेसर बीम आत. सिलिकॉन स्क्राइबिंग) त्यानंतर यांत्रिक टेप वेगळे करणे. नॅनोसेकंद पल्स लेसर प्रति तास 15 वेफर्सवर प्रक्रिया करू शकतो आणि पिकोसेकंद लेसर उच्च गुणवत्तेसह 23 वेफर्स प्रति तास प्रक्रिया करू शकतो.

03 उपभोग्य इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगात ग्लास कटिंग/स्क्राइबिंग

मोबाइल फोन आणि लॅपटॉपसाठी टच स्क्रीन आणि संरक्षणात्मक चष्मा पातळ होत आहेत आणि काही भौमितिक आकार वक्र आहेत. हे पारंपारिक यांत्रिक कटिंग अधिक कठीण करते. ठराविक लेसर सामान्यत: खराब कट गुणवत्तेचे उत्पादन करतात, विशेषत: जेव्हा हे काचेचे डिस्प्ले 3-4 स्तरांवर रचलेले असतात आणि वरच्या 700 μm जाडीच्या संरक्षक काचेच्या टेम्पर्ड असतात, जे स्थानिक ताणाने तुटू शकतात. अल्ट्राफास्ट लेसर हे चष्मे चांगल्या काठाच्या ताकदीने कापण्यास सक्षम असल्याचे दिसून आले आहे. मोठ्या सपाट पॅनेल कटिंगसाठी, काचेच्या शीटच्या मागील पृष्ठभागावर फेमटोसेकंद लेसर फोकस केले जाऊ शकते, समोरच्या पृष्ठभागाला इजा न करता काचेच्या आतील बाजूस स्क्रॅच केले जाऊ शकते. काच नंतर स्कोअर केलेल्या पॅटर्नसह यांत्रिक किंवा थर्मल माध्यमांचा वापर करून तोडली जाऊ शकते.

आकृती 3. पिकोसेकंद अल्ट्राफास्ट लेसर ग्लास स्पेशल-आकाराचे कटिंग

04 ऑटोमोटिव्ह उद्योगातील पिस्टन टेक्सचर

हलक्या वजनाची कार इंजिने ॲल्युमिनियम मिश्र धातुंनी बनलेली असतात, जी कास्ट आयरनसारखी पोशाख-प्रतिरोधक नसतात. अभ्यासात असे आढळून आले आहे की कार पिस्टन टेक्सचरची फेमटोसेकंद लेसर प्रक्रिया घर्षण 25% पर्यंत कमी करू शकते कारण मलबा आणि तेल प्रभावीपणे साठवले जाऊ शकते.

आकृती 4. इंजिनची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी ऑटोमोबाईल इंजिन पिस्टनची फेमटोसेकंद लेसर प्रक्रिया

05 वैद्यकीय उद्योगात कोरोनरी स्टेंट निर्मिती

लाखो कोरोनरी स्टेंट शरीराच्या कोरोनरी धमन्यांमध्ये प्रत्यारोपित केले जातात जेणेकरुन रक्त गुठळ्या झालेल्या वाहिन्यांमध्ये वाहण्यासाठी एक चॅनेल उघडेल, ज्यामुळे दरवर्षी लाखो जीव वाचतात. कोरोनरी स्टेंट सामान्यत: धातूपासून बनवले जातात (उदा., स्टेनलेस स्टील, निकेल-टायटॅनियम आकाराचे मेमरी मिश्र धातु, किंवा अगदी अलीकडे कोबाल्ट-क्रोमियम मिश्र धातु) सुमारे 100 μm च्या स्ट्रट रुंदीसह वायर जाळी. लाँग-पल्स लेसर कटिंगच्या तुलनेत, कंस कापण्यासाठी अल्ट्राफास्ट लेसर वापरण्याचे फायदे म्हणजे उच्च कट गुणवत्ता, पृष्ठभागाची चांगली समाप्ती आणि कमी मोडतोड, ज्यामुळे पोस्ट-प्रोसेसिंग खर्च कमी होतो.

वैद्यकीय उद्योगासाठी 06 मायक्रोफ्लुइडिक उपकरण निर्मिती

मायक्रोफ्लुइडिक उपकरणे सामान्यतः वैद्यकीय उद्योगात रोग चाचणी आणि निदानासाठी वापरली जातात. हे सामान्यत: वैयक्तिक भागांचे सूक्ष्म-इंजेक्शन मोल्डिंग आणि नंतर ग्लूइंग किंवा वेल्डिंग वापरून बाँडिंगद्वारे तयार केले जातात. मायक्रोफ्लुइडिक उपकरणांच्या अल्ट्राफास्ट लेसर फॅब्रिकेशनमध्ये कनेक्शनची आवश्यकता नसताना काचेसारख्या पारदर्शक सामग्रीमध्ये 3D मायक्रोचॅनेल तयार करण्याचा फायदा आहे. एक पद्धत म्हणजे मोठ्या प्रमाणात काचेच्या आत अल्ट्राफास्ट लेसर फॅब्रिकेशन आणि त्यानंतर ओले रासायनिक नक्षीकाम आणि दुसरी पद्धत म्हणजे काचेच्या आत फेमटोसेकंड लेसर ऍब्लेशन किंवा कचरा काढून टाकण्यासाठी डिस्टिल्ड वॉटरमध्ये प्लास्टिक. दुसरा दृष्टीकोन म्हणजे काचेच्या पृष्ठभागावर मशीन चॅनेल टाकणे आणि त्यांना फेमटोसेकंद लेसर वेल्डिंगद्वारे काचेच्या आवरणाने सील करणे.

आकृती 6. काचेच्या सामग्रीच्या आत मायक्रोफ्लुइडिक चॅनेल तयार करण्यासाठी फेमटोसेकंद लेसर-प्रेरित निवडक नक्षीकाम

07 इंजेक्टर नोजलचे मायक्रो ड्रिलिंग

फ्लो होल प्रोफाइल बदलण्यात अधिक लवचिकता आणि कमी मशीनिंग वेळेमुळे उच्च-दाब इंजेक्टर मार्केटमधील अनेक कंपन्यांमध्ये Femtosecond लेसर मायक्रोहोल मशीनिंगने मायक्रो-EDM बदलले आहे. प्रीसेसिंग स्कॅन हेडद्वारे बीमची फोकस स्थिती आणि झुकाव आपोआप नियंत्रित करण्याच्या क्षमतेमुळे छिद्र प्रोफाइल (उदा., बॅरल, फ्लेअर, अभिसरण, विचलन) डिझाइन केले गेले आहे जे ज्वलन कक्षातील अणूकरण किंवा प्रवेशास प्रोत्साहन देऊ शकते. ड्रिलिंगची वेळ 0.2 - 0.5 मिमीच्या ड्रिलची जाडी आणि 0.12 - 0.25 मिमीच्या भोक व्यासासह, ॲब्लेशन व्हॉल्यूमवर अवलंबून असते, ज्यामुळे हे तंत्र मायक्रो-EDM पेक्षा दहापट वेगवान बनते. मायक्रोड्रिलिंग तीन टप्प्यांत केले जाते, ज्यामध्ये पायलट छिद्रे खडबडीत करणे आणि पूर्ण करणे समाविष्ट आहे. बोअरहोलचे ऑक्सिडेशनपासून संरक्षण करण्यासाठी आणि प्रारंभिक टप्प्यात अंतिम प्लाझ्मा संरक्षित करण्यासाठी आर्गॉनचा उपयोग सहायक वायू म्हणून केला जातो.

आकृती 7. डिझेल इंजिन इंजेक्टरसाठी इन्व्हर्टेड टेपर होलची फेमटोसेकंद लेसर उच्च-परिशुद्धता प्रक्रिया

08 अल्ट्रा-फास्ट लेसर टेक्सचरिंग

अलिकडच्या वर्षांत, मशीनिंग अचूकता सुधारण्यासाठी, सामग्रीचे नुकसान कमी करण्यासाठी आणि प्रक्रियेची कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी, मायक्रोमशिनिंगचे क्षेत्र हळूहळू संशोधकांचे लक्ष केंद्रीत झाले आहे. अल्ट्राफास्ट लेसरचे विविध प्रक्रिया फायदे आहेत जसे की कमी नुकसान आणि उच्च सुस्पष्टता, जे प्रक्रिया तंत्रज्ञानाच्या विकासास प्रोत्साहन देण्याचे केंद्र बनले आहे. त्याच वेळी, अल्ट्राफास्ट लेसर विविध सामग्रीवर कार्य करू शकतात आणि लेसर प्रक्रिया सामग्रीचे नुकसान देखील एक प्रमुख संशोधन दिशा आहे. अल्ट्राफास्ट लेसरचा वापर सामग्री कमी करण्यासाठी केला जातो. जेव्हा लेसरची ऊर्जा घनता सामग्रीच्या पृथक्करण थ्रेशोल्डपेक्षा जास्त असते, तेव्हा पृथक्करण केलेल्या सामग्रीच्या पृष्ठभागावर विशिष्ट वैशिष्ट्यांसह सूक्ष्म-नॅनो रचना दिसून येते. संशोधन असे दर्शविते की ही विशेष पृष्ठभागाची रचना ही एक सामान्य घटना आहे जी लेसर सामग्रीवर प्रक्रिया करताना उद्भवते. पृष्ठभागाच्या सूक्ष्म-नॅनो स्ट्रक्चर्सची तयारी सामग्रीचे गुणधर्म सुधारू शकते आणि नवीन सामग्रीचा विकास देखील सक्षम करू शकते. यामुळे अल्ट्राफास्ट लेसरद्वारे पृष्ठभागाच्या सूक्ष्म-नॅनो स्ट्रक्चर्सची तयारी ही एक तांत्रिक पद्धत बनते ज्याला विकासाचे महत्त्व आहे. सध्या, धातूच्या सामग्रीसाठी, अल्ट्राफास्ट लेसर पृष्ठभागाच्या टेक्सचरिंगवरील संशोधनामुळे धातूच्या पृष्ठभागाच्या ओलेपणाचे गुणधर्म सुधारू शकतात, पृष्ठभागावरील घर्षण आणि परिधान गुणधर्म सुधारू शकतात, कोटिंगचे आसंजन वाढवणे आणि पेशींचे दिशात्मक प्रसार आणि आसंजन वाढवणे शक्य आहे.

आकृती 8. लेसर-तयार सिलिकॉन पृष्ठभागाचे सुपरहाइड्रोफोबिक गुणधर्म

अत्याधुनिक प्रक्रिया तंत्रज्ञान म्हणून, अल्ट्राफास्ट लेसर प्रक्रियेमध्ये लहान उष्णता-प्रभावित क्षेत्र, सामग्रीसह परस्परसंवादाची नॉन-रेखीय प्रक्रिया आणि विवर्तन मर्यादेच्या पलीकडे उच्च-रिझोल्यूशन प्रक्रिया ही वैशिष्ट्ये आहेत. हे विविध सामग्रीची उच्च-गुणवत्तेची आणि उच्च-परिशुद्धता सूक्ष्म-नॅनो प्रक्रिया लक्षात घेऊ शकते. आणि त्रिमितीय सूक्ष्म-नॅनो संरचना फॅब्रिकेशन. विशेष सामग्री, जटिल संरचना आणि विशेष उपकरणांचे लेसर उत्पादन साध्य केल्याने सूक्ष्म-नॅनो उत्पादनासाठी नवीन मार्ग खुले होतात. सध्या, फेमटोसेकंद लेसरचा वापर अनेक अत्याधुनिक वैज्ञानिक क्षेत्रांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जात आहे: फेमटोसेकंद लेसर विविध ऑप्टिकल उपकरणे तयार करण्यासाठी वापरले जाऊ शकते, जसे की मायक्रोलेन्स ॲरे, बायोनिक कंपाऊंड डोळे, ऑप्टिकल वेव्हगाइड्स आणि मेटासर्फेस; उच्च सुस्पष्टता, उच्च रिझोल्यूशन आणि त्रिमितीय प्रक्रिया क्षमता वापरून, फेमटोसेकंद लेसर मायक्रोफ्लूइडिक आणि ऑप्टोफ्लुइडिक चिप्स जसे की मायक्रोहीटर घटक आणि त्रि-आयामी मायक्रोफ्लुइडिक चॅनेल तयार किंवा एकत्रित करू शकतो; याशिवाय, फेमटोसेकंद लेसर अँटी-रिफ्लेक्शन, अँटी-रिफ्लेक्शन, सुपर-हायड्रोफोबिक, अँटी-आयसिंग आणि इतर फंक्शन्स साध्य करण्यासाठी विविध प्रकारचे पृष्ठभाग सूक्ष्म-नॅनोस्ट्रक्चर देखील तयार करू शकते; इतकेच नाही तर बायोमेडिसिनच्या क्षेत्रात फेमटोसेकंद लेसर देखील लागू केले गेले आहे, जे जैविक सूक्ष्म-स्टेंट्स, सेल कल्चर सब्सट्रेट्स आणि जैविक सूक्ष्म इमेजिंग यांसारख्या क्षेत्रात उत्कृष्ट कामगिरी दर्शविते. विस्तृत अर्ज संभावना. सध्या, फेमटोसेकंद लेसर प्रक्रियेचे अनुप्रयोग क्षेत्र वर्षानुवर्षे विस्तारत आहेत. वर नमूद केलेल्या मायक्रो-ऑप्टिक्स, मायक्रोफ्लुइडिक्स, मल्टी-फंक्शनल मायक्रो-नॅनोस्ट्रक्चर्स आणि बायोमेडिकल इंजिनिअरिंग ऍप्लिकेशन्स व्यतिरिक्त, हे मेटासरफेस तयार करण्यासारख्या काही उदयोन्मुख क्षेत्रांमध्ये देखील मोठी भूमिका बजावते. , सूक्ष्म-नॅनो उत्पादन आणि बहु-आयामी ऑप्टिकल माहिती संचयन इ.