Ngày nay, laser cực nhanh (độ rộng xung của femtosecond và picosecond) là một phần quan trọng của quy trình sản xuất công nghiệp. Nhờ khả năng xử lý vật liệu phi nhiệt chất lượng cao, cùng với sự tiến bộ trong công nghệ laser, phát triển quy trình, điều khiển chùm tia và truyền dẫn, nó tiếp tục mở rộng phạm vi ứng dụng của laser cực nhanh trong thị trường công nghiệp. Tuy nhiên, để duy trì sự cân bằng giữa đầu vào và đầu ra, phải đáp ứng đồng thời các điều kiện sau: trước tiên, cần chứng minh tính khả thi kỹ thuật của nó trong quy trình chế biến công nghiệp; bởi vì sự tương tác giữa laser cực nhanh và vật chất là duy nhất, nên cần có hiểu biết khoa học tốt về quá trình này; Thứ hai, năng suất của sản xuất công nghiệp phải đảm bảo rằng người dùng cuối có thể mang lại khoản đầu tư phù hợp với doanh thu, điều này chắc chắn sẽ thúc đẩy tiến trình kiểm soát và truyền dẫn chùm để tận dụng tối đa tốc độ xử lý tiềm năng.
Lĩnh vực điện tử tiêu dùng rõ ràng cung cấp nhiều bằng chứng nhất. Điện thoại di động, bộ vi xử lý, màn hình và chip nhớ là những thành phần cực kỳ phức tạp, bao gồm một số lượng lớn các vật liệu khác nhau, kích thước rất nhỏ và độ dày rất nhỏ của vật liệu nhiều lớp. Vì vậy, chúng ta cần năng lực xử lý chính xác cao, tiên tiến và khả năng sản xuất hàng loạt khả thi về mặt kinh tế. Dưới đây' là một ví dụ về lý do tại sao chúng ta cần phát triển xử lý, công nghệ laser và công nghệ truyền chùm tia mới để đáp ứng những thách thức hiện tại và tương lai.
Tạo màn hình phẳng cho điện thoại di động, máy tính bảng hoặc TV là một trong những công nghệ phức tạp nhất hiện nay, với những khó khăn tương tự hoặc lớn hơn chương trình Apollo của 1960 s. Các bước sản xuất khác nhau liên quan đến một số lượng lớn các vật liệu khác nhau, có độ phân giải ngang của mức micron và độ dày hàng chục nanomet. Do khó khăn của toàn bộ quá trình, không có gì đáng ngạc nhiên khi năng suất công nghiệp (tỷ lệ sản phẩm có thể vượt qua kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt) được coi là một bí mật và thách thức. Một hạn chế chính là sự tồn tại của các điểm xấu trên bảng điều khiển, điều này sẽ cản trở việc thương mại hóa màn hình. Trong vài năm qua, một số công nghệ sửa chữa khác nhau đã được phát triển, thường liên quan đến laser nhiều bước sóng nano. Ví dụ, một pixel sáng được sửa chữa bằng cách carbon hóa laser hoặc cắt các điện cực của một bóng bán dẫn màng mỏng điều khiển pixel (Hình 1).
Hình 1: cắt điện cực bóng bán dẫn màng mỏng, chiều rộng cắt của 1. 9 m.
Công nghệ hiện tại đã đạt đến giới hạn của nó. Do sự tiến bộ về độ phân giải của màn hình độ phân giải cao, kích thước pixel trở nên nhỏ hơn và nhỏ hơn và hiệu ứng nhiệt của xử lý laser nano giây liên quan đến nó làm hạn chế chất lượng sửa chữa. Ngoài ra, các công nghệ màn hình mới, bao gồm điốt phát quang hữu cơ (OLED) và điốt phát quang ma trận hoạt động (AMOLED), đã sử dụng rộng rãi các vật liệu hữu cơ và polymer, rất nhạy cảm với sưởi ấm và do đó không tương thích với xử lý nhiệt. Do thời lượng xung rất ngắn, nên tia laser cực nhanh rất phù hợp cho vi điều khiển không nhiệt, và sẽ không sinh nhiệt. Chúng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý sửa chữa màn hình tiên tiến, thúc đẩy sự phát triển của một thế hệ mới của laser cực nhanh đa bước sóng tốc độ cao nhỏ gọn.
Một số quy trình công nghiệp đã bắt đầu sử dụng xử lý laser cực nhanh độ chính xác cao. Điều này bao gồm cắt bỏ chọn lọc, thường chính xác đến 30 nm / xung và cắt điện cực bóng bán dẫn màng mỏng có độ chính xác cao với chiều rộng cắt nhỏ hơn 2 M. Các quy trình này cần phát triển nâng cao và công nghệ tạo hình chùm linh hoạt để thu được chùm phẳng trên cùng và đảm bảo truyền dẫn đồng đều, và định hình mẫu với kích thước thấp bằng 2 × 2 m.
Trong một ví dụ khác, các mạch bán dẫn ngày càng phức tạp hơn và chúng đòi hỏi nhiều chức năng hơn để được tích hợp vào các kích thước nhỏ hơn. Do đó, wafer hiện tại bao gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau, chẳng hạn như vật liệu hằng số điện môi thấp phù hợp cho hoạt động nhanh chóng. Một quy trình quan trọng trong ngành sản xuất chất bán dẫn là cắt và tách wafer, nghĩa là cắt một wafer thành các chip riêng biệt (Hình 2). Theo truyền thống, cưa kim cương được sử dụng, nhưng công nghệ hiện tại đã đạt đến giới hạn. Do độ giòn, độ dày và số lớp của vật liệu có hằng số điện môi thấp, xác suất của các tác động tiêu cực như nứt và tách lớp ngày càng tăng.
Hình 2: cắt và cắt wafer bán dẫn.
Mặc dù việc sử dụng xử lý laser UV nano giây được khuyến khích, hiệu ứng nhiệt của xử lý laser nano giây vẫn hạn chế rất nhiều chất lượng của kết quả xử lý. Mặt khác, laser cực nhanh cho thấy khả năng xử lý silicon và vật liệu đa lớp chất lượng cao. Cho đến gần đây, giới hạn công suất trung bình của laser cực nhanh vẫn là một vấn đề lớn, làm hạn chế nghiêm trọng tổng hiệu quả sản xuất. Ngày nay, sức mạnh của laser femtosecond công nghiệp với độ tin cậy cao là từ 50 đến 100w, điều này làm cho công suất sản xuất của nó phù hợp với yêu cầu công nghiệp.
Laser cực nhanh là một phần quan trọng của quy trình vi mô tiên tiến, đóng vai trò quan trọng trong kiểm soát và đo lường chất lượng. Công nghệ Rudolph gần đây đã đưa ra một công cụ mới cho ngành công nghiệp bán dẫn để đo độ dày của màng mờ. Hệ thống này dựa trên phép đo âm thanh, sử dụng xung ultrashort được tạo ra bằng laser rất ngắn. Thời gian phản xạ của xung siêu âm trên bề mặt của mỗi lớp được đo bằng công nghệ phát hiện bơm có độ chính xác cao.
Sự xuất hiện của hệ thống laser công suất cao và độ tin cậy cao đã cải thiện đáng kể quá trình xử lý và kiểm soát chất lượng laser. Cụ thể hơn, các tia laser cực nhanh có công suất trung bình từ 50 đến 200 W có thể cải thiện hiệu quả sản xuất và năng suất, do đó mở rộng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực mới. Tuy nhiên, việc điều khiển chùm tia và truyền một loại laser công suất cao như vậy là không dễ dàng. Để kiếm lợi nhuận, cần phải đạt được tốc độ xử lý 100 M / s, trong khi vẫn duy trì độ chính xác định vị của mức micron. Thế hệ máy quét điện kế hiện tại đã đạt đến giới hạn và cần có phương pháp mới.
Công ty ESI đã đưa ra một hệ thống xử lý lai kết hợp điện kế và Công nghệ âm học. Khi hoạt động ở tốc độ xử lý cao hơn, quán tính của điện kế quét có nghĩa là độ trễ thực thi, chẳng hạn như quay mạnh, do đó cấu trúc được xử lý sẽ không giống như hình dạng thiết kế. Tuy nhiên, bộ điều biến âm cho thấy phản ứng rất nhạy, nhưng trong phạm vi rất nhỏ. Sự kết hợp giữa chuyển động điện kế và độ lệch âm có thể đạt được sự đồng bộ chính xác và khắc phục hạn chế này. Công nghệ này đặc biệt hữu ích trong sản xuất đồ họa của các mạch kỹ thuật số được kết nối với nhau vì chúng ngày càng được tích hợp nhiều hơn và do đó đòi hỏi mật độ dây tăng lên.
Các nhà nghiên cứu từ Nhật Bản' sKHÁM PHÁcông ty sử dụng cùng một laser để thực hiện cả điều khiển vi mô và điều khiển quá trình, do đó kết hợp cả hai.
Trong trường hợp này, một tia laser cực nhanh được sử dụng để khoan lỗ mù trên đế hai lớp. Lớp trên là vật liệu trong suốt dày 80 and m và lớp dưới là màng kim loại dày 20 μ m. Để kiểm soát chính xác số lượng xung laser, do đó phạm vi cắt bỏ được giới hạn trong chất nền trong suốt, cần sử dụng máy phân tích phổ để theo dõi phát xạ plasma, nghĩa là sử dụng công nghệ quang phổ phân tích do laser gây ra (LIBS) .
Hình 3: hình dạng lõi của sợi kagome.
Do phát xạ plasma có phổ phát xạ duy nhất theo loại nguyên tử bị loại bỏ, nên nó có thể phát hiện kịp thời và chính xác khi lớp trong suốt bị loại bỏ hoàn toàn. Một phương pháp khác là máy quét đa giác có thể đạt được tốc độ quét lớn hơn 100 m / s. Loại gương đơn này có thể quay với tốc độ cao, và hoàn toàn có thể thay thế gương quán tính thấp chỉ có thể phản xạ chùm tia theo hướng X và Y. Nếu xoay của laser xung và gương đa diện có thể được đồng bộ hóa chính xác, chỉ một điểm trên mỗi bề mặt có thể ảnh hưởng đến quá trình xử lý mẫu. Trong trường hợp này, quy trình micromachining giống như một quy trình kỹ thuật số, nghĩa là, laser cần phải được điều khiển để bật và tắt để tạo ra đồ họa cần thiết. Để có được kết quả lý tưởng, cần phải đạt được sự đồng bộ rất chính xác giữa laser và máy quét, và độ chính xác sản xuất của gương đa diện là rất cao, và việc xử lý cần phải được thiết kế cẩn thận. Hợp tác với công ty khuếch đại è MES và công ty Nextscan ở Bỉ, Giáo sư đã đánh bại neuenschwander của Đại học Khoa học Ứng dụng Bern ở Thụy Sĩ đã nhận ra mô hình vi mô bề mặt tốc độ cao với độ chính xác định vị micron bằng cách sử dụng laser cực nhanh 500 kHz.
Nhiều đổi mới trong việc truyền chùm vẫn còn trong công trình. Hệ thống truyền dẫn cáp quang làm cho ngành công nghiệp xử lý laser có một diện mạo mới và laser cực nhanh lớp công nghiệp vẫn không thể hưởng lợi từ việc này cho đến gần đây. Do giới hạn chùm tia của lõi sợi nhỏ và cường độ cực đại của xung cực nhanh, hiệu ứng phi tuyến nghiêm trọng sẽ được tạo ra, cuối cùng sẽ dẫn đến suy thoái sợi. Để thoát khỏi giới hạn này, sợi cấu trúc vi rỗng đã được phát triển, nhưng đường kính lõi được giới hạn trong một vài micron, quá nhỏ cho ứng dụng thực tế. Sự phát triển của một khu vực chế độ lớn kagome sợi cấu trúc vi mô kagome mở đường cho việc truyền sợi quang của chùm tia laser femtosecond năng lượng cao và năng lượng cao. Lõi sợi rỗng đặc biệt này có hình dạng của bánh xe quay tròn bên trong giới hạn chế độ laser ngăn không cho nó tương tác với cấu trúc sợi và kết hợp phi tuyến thấp, khu vực trường chế độ lớn và điều khiển phi tập trung linh hoạt. Bằng cách hợp tác với Glo photonics ở Pháp, biên độ Syst è MES đã có thể truyền các xung mức milliJoule trong khoảng cách vài mét, trong khi đảm bảo thời lượng xung nhỏ hơn 500 fs. Trong một thí nghiệm khác với các công cụ quang tử, laser xung có công suất trung bình 100 W có thể được truyền và nén xung dưới 100 fs có thể được nhận ra. Các nhóm và nhà sản xuất laser khác cũng đang nhanh chóng sử dụng sợi kagome để phát triển các hệ thống truyền linh hoạt (như trong Hình 4). Chúng ta có thể mong đợi những thay đổi sâu hơn trong công nghệ xử lý laser cực nhanh trong vài năm tới.
Với sự phát triển hơn nữa của nguyên tắc tương tác giữa laser xung ngắn và vật chất và sự phát triển của công nghệ trong hệ thống điều khiển và truyền tia, laser cực nhanh đã đi vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Thông qua quy trình xử lý công nghiệp tiên tiến nhất, nó thay đổi cách chúng ta nhìn mọi thứ, giao tiếp và làm việc. Nó sẽ là chìa khóa để sản xuất thành công các thiết bị điện tử tiêu dùng phức tạp hơn trong tương lai.