అతివేగవంతమైన లేజర్ మైక్రో-నానో తయారీ-పారిశ్రామిక అనువర్తనాలు

అతివేగవంతమైన లేజర్‌లు దశాబ్దాలుగా అందుబాటులో ఉన్నప్పటికీ, గత రెండు దశాబ్దాలలో పారిశ్రామిక అనువర్తనాలు వేగంగా అభివృద్ధి చెందాయి. 2019లో, అతివేగవంతమైన లేజర్‌ల మార్కెట్ విలువ...లేజర్ పదార్థంప్రాసెసింగ్ విలువ సుమారుగా 460 మిలియన్ల అమెరికన్ డాలర్లు, ఇది 13% సమ్మేళన వార్షిక వృద్ధి రేటును కలిగి ఉంది. పారిశ్రామిక పదార్థాలను ప్రాసెస్ చేయడానికి అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్‌లను విజయవంతంగా ఉపయోగించిన అప్లికేషన్ రంగాలలో సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో ఫోటోమాస్క్ ఫ్యాబ్రికేషన్ మరియు రిపేర్, అలాగే మొబైల్ ఫోన్లు మరియు టాబ్లెట్‌ల వంటి కన్స్యూమర్ ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో సిలికాన్ డైసింగ్, గ్లాస్ కటింగ్/స్క్రిబింగ్ మరియు (ఇండియం టిన్ ఆక్సైడ్) ITO ఫిల్మ్ తొలగింపు, ఆటోమోటివ్ పరిశ్రమ కోసం పిస్టన్ టెక్స్చరింగ్, కరోనరీ స్టెంట్ తయారీ మరియు వైద్య పరిశ్రమ కోసం మైక్రోఫ్లూయిడిక్ పరికరాల తయారీ వంటివి ఉన్నాయి.

01 సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో ఫోటోమాస్క్ తయారీ మరియు మరమ్మత్తు

పదార్థాల ప్రాసెసింగ్‌లో తొలి పారిశ్రామిక అనువర్తనాలలో ఒకదానిలో అతివేగవంతమైన లేజర్‌లను ఉపయోగించారు. 1990లలో ఫోటోమాస్క్ ఉత్పత్తిలో ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ అబ్లేషన్ అనువర్తనాన్ని IBM నివేదించింది. లోహపు తునకలు మరియు గాజు దెబ్బతినడానికి కారణమయ్యే నానోసెకండ్ లేజర్ అబ్లేషన్‌తో పోలిస్తే, ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ మాస్క్‌లలో లోహపు తునకలు, గాజు దెబ్బతినడం వంటివి కనిపించవు. ఇవి దీని ప్రయోజనాలు. ఈ పద్ధతిని ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌లను (ICలు) ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగిస్తారు. ఒక IC చిప్‌ను ఉత్పత్తి చేయడానికి 30 మాస్క్‌ల వరకు అవసరం కావచ్చు మరియు దీని ఖర్చు >$100,000 ఉంటుంది. ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ ప్రాసెసింగ్ 150nm కంటే తక్కువ పరిమాణంలో ఉన్న లైన్‌లు మరియు పాయింట్‌లను ప్రాసెస్ చేయగలదు.

చిత్రం 1. ఫోటోమాస్క్ తయారీ మరియు మరమ్మత్తు

పటం 2. తీవ్ర అతినీలలోహిత లిథోగ్రఫీ కోసం వివిధ మాస్క్ నమూనాల ఆప్టిమైజేషన్ ఫలితాలు

02 సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో సిలికాన్ కటింగ్

సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో సిలికాన్ వేఫర్ డైసింగ్ అనేది ఒక ప్రామాణిక తయారీ ప్రక్రియ మరియు దీనిని సాధారణంగా మెకానికల్ డైసింగ్ పద్ధతిలో నిర్వహిస్తారు. ఈ కటింగ్ వీల్స్‌లో తరచుగా సూక్ష్మ పగుళ్లు ఏర్పడతాయి మరియు పలుచని (ఉదా. మందం < 150 μm) వేఫర్‌లను కత్తిరించడం కష్టం. సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో, ముఖ్యంగా పలుచని వేఫర్‌ల (100-200μm) కోసం, సిలికాన్ వేఫర్‌ల లేజర్ కటింగ్‌ను చాలా సంవత్సరాలుగా ఉపయోగిస్తున్నారు. దీనిని అనేక దశలలో నిర్వహిస్తారు: లేజర్ గ్రూవింగ్, దాని తర్వాత మెకానికల్ సెపరేషన్ లేదా స్టెల్త్ కటింగ్ (అంటే సిలికాన్ స్క్రిబింగ్ లోపల ఇన్‌ఫ్రారెడ్ లేజర్ పుంజం), దాని తర్వాత మెకానికల్ టేప్ సెపరేషన్. నానోసెకండ్ పల్స్ లేజర్ గంటకు 15 వేఫర్‌లను, మరియు పికోసెకండ్ లేజర్ గంటకు 23 వేఫర్‌లను అధిక నాణ్యతతో ప్రాసెస్ చేయగలవు.

03 వినియోగ ఎలక్ట్రానిక్స్ పరిశ్రమలో గాజును కత్తిరించడం/గీతలు గీయడం

మొబైల్ ఫోన్లు మరియు ల్యాప్‌టాప్‌ల కోసం టచ్ స్క్రీన్‌లు మరియు రక్షణ గ్లాసులు పలుచగా అవుతున్నాయి మరియు కొన్ని జ్యామితీయ ఆకారాలు వక్రంగా ఉంటున్నాయి. ఇది సాంప్రదాయ యాంత్రిక కోతను మరింత కష్టతరం చేస్తుంది. సాధారణ లేజర్‌లు సాధారణంగా పేలవమైన కోత నాణ్యతను ఉత్పత్తి చేస్తాయి, ప్రత్యేకించి ఈ గ్లాస్ డిస్‌ప్లేలు 3-4 పొరలుగా పేర్చబడి ఉన్నప్పుడు మరియు పైన ఉన్న 700 μm మందపాటి రక్షణ గ్లాస్ టెంపర్ చేయబడినప్పుడు, అది స్థానికీకరించిన ఒత్తిడితో పగిలిపోవచ్చు. అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్‌లు ఈ గ్లాసులను మెరుగైన అంచు బలంతో కత్తిరించగలవని నిరూపించబడింది. పెద్ద ఫ్లాట్ ప్యానెల్ కటింగ్ కోసం, ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్‌ను గ్లాస్ షీట్ వెనుక ఉపరితలంపై కేంద్రీకరించవచ్చు, ఇది ముందు ఉపరితలాన్ని పాడుచేయకుండా గ్లాస్ లోపలి భాగాన్ని గీరుతుంది. ఆ తర్వాత, గీసిన నమూనా వెంబడి యాంత్రిక లేదా ఉష్ణ పద్ధతులను ఉపయోగించి గ్లాస్‌ను పగలగొట్టవచ్చు.

పటం 3. పికోసెకండ్ అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్‌తో గాజును ప్రత్యేక ఆకారంలో కత్తిరించడం.

04 ఆటోమోటివ్ పరిశ్రమలో పిస్టన్ టెక్స్చర్లు

తేలికపాటి కార్ ఇంజన్లు అల్యూమినియం మిశ్రమ లోహాలతో తయారు చేయబడతాయి, ఇవి కాస్ట్ ఐరన్ అంత అరుగుదలను తట్టుకోలేవు. కార్ పిస్టన్ ఉపరితలాలను ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ ప్రాసెసింగ్ చేయడం వల్ల, చెత్త మరియు నూనెను సమర్థవంతంగా నిల్వ చేయవచ్చు కాబట్టి, ఘర్షణను 25% వరకు తగ్గించవచ్చని అధ్యయనాలు కనుగొన్నాయి.

పటం 4. ఇంజిన్ పనితీరును మెరుగుపరచడానికి ఆటోమొబైల్ ఇంజిన్ పిస్టన్‌లపై ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ ప్రాసెసింగ్

05 వైద్య పరిశ్రమలో కరోనరీ స్టెంట్ తయారీ

ప్రతి సంవత్సరం లక్షలాది ప్రాణాలను కాపాడటానికి, గడ్డకట్టిన రక్తనాళాలలోకి రక్తం ప్రవహించడానికి ఒక మార్గాన్ని తెరిచేందుకు, శరీరంలోని కరోనరీ ధమనులలో లక్షలాది కరోనరీ స్టెంట్లు అమర్చబడతాయి. కరోనరీ స్టెంట్లు సాధారణంగా సుమారు 100 μm స్ట్రట్ వెడల్పు గల లోహ (ఉదాహరణకు, స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్, నికెల్-టైటానియం షేప్ మెమరీ అల్లాయ్, లేదా ఇటీవలి కాలంలో కోబాల్ట్-క్రోమియం అల్లాయ్) వైర్ మెష్‌తో తయారు చేయబడతాయి. లాంగ్-పల్స్ లేజర్ కటింగ్‌తో పోలిస్తే, బ్రాకెట్లను కత్తిరించడానికి అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్‌లను ఉపయోగించడం వల్ల అధిక కట్ నాణ్యత, మెరుగైన ఉపరితల ముగింపు మరియు తక్కువ వ్యర్థాలు వంటి ప్రయోజనాలు ఉన్నాయి, ఇవి పోస్ట్-ప్రాసెసింగ్ ఖర్చులను తగ్గిస్తాయి.

06 వైద్య పరిశ్రమ కోసం మైక్రోఫ్లూయిడిక్ పరికరాల తయారీ

మైక్రోఫ్లూయిడిక్ పరికరాలు సాధారణంగా వైద్య పరిశ్రమలో వ్యాధి పరీక్ష మరియు నిర్ధారణ కోసం ఉపయోగించబడతాయి. వీటిని సాధారణంగా విడి భాగాలను మైక్రో-ఇంజెక్షన్ మోల్డింగ్ పద్ధతిలో తయారు చేసి, ఆపై వాటిని గ్లూయింగ్ లేదా వెల్డింగ్ ద్వారా అతికిస్తారు. మైక్రోఫ్లూయిడిక్ పరికరాల అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్ ఫ్యాబ్రికేషన్ వల్ల, గాజు వంటి పారదర్శక పదార్థాలలో ఎలాంటి కనెక్షన్ల అవసరం లేకుండా 3D మైక్రోఛానెల్స్‌ను ఉత్పత్తి చేసే ప్రయోజనం ఉంది. ఒక పద్ధతి ఏమిటంటే, బల్క్ గ్లాస్ లోపల అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్ ఫ్యాబ్రికేషన్ చేసి, ఆ తర్వాత వెట్ కెమికల్ ఎచింగ్ చేయడం; మరొకటి, శిధిలాలను తొలగించడానికి స్వేదన జలంలో గాజు లేదా ప్లాస్టిక్ లోపల ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ అబ్లేషన్ చేయడం. ఇంకొక విధానం ఏమిటంటే, గాజు ఉపరితలంపై ఛానెల్స్‌ను మెషిన్ చేసి, ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ వెల్డింగ్ ద్వారా వాటిని గాజు కవర్‌తో సీల్ చేయడం.

పటం 6. గాజు పదార్థాల లోపల మైక్రోఫ్లూయిడిక్ ఛానెల్‌లను తయారు చేయడానికి ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్-ప్రేరిత సెలెక్టివ్ ఎచింగ్

07 ఇంజెక్టర్ నాజిల్ యొక్క మైక్రో డ్రిల్లింగ్

ఫ్లో హోల్ ప్రొఫైల్స్‌ను మార్చడంలో ఎక్కువ సౌలభ్యం మరియు తక్కువ మెషీనింగ్ సమయాల కారణంగా, అధిక-పీడన ఇంజెక్టర్ మార్కెట్‌లోని అనేక కంపెనీలలో మైక్రో-EDM స్థానంలో ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ మైక్రోహోల్ మెషీనింగ్ వచ్చింది. ప్రీసెసింగ్ స్కాన్ హెడ్ ద్వారా బీమ్ యొక్క ఫోకస్ పొజిషన్ మరియు టిల్ట్‌ను ఆటోమేటిక్‌గా నియంత్రించగల సామర్థ్యం, ​​కంబషన్ ఛాంబర్‌లో అటామైజేషన్ లేదా పెనెట్రేషన్‌ను ప్రోత్సహించగల అపెర్చర్ ప్రొఫైల్స్ (ఉదాహరణకు, బ్యారెల్, ఫ్లేర్, కన్వర్జెన్స్, డైవర్జెన్స్) రూపకల్పనకు దారితీసింది. డ్రిల్లింగ్ సమయం అబ్లేషన్ వాల్యూమ్‌పై ఆధారపడి ఉంటుంది, 0.2 – 0.5 మిమీ డ్రిల్ మందం మరియు 0.12 – 0.25 మిమీ హోల్ వ్యాసంతో, ఈ టెక్నిక్ మైక్రో-EDM కంటే పది రెట్లు వేగవంతమైనది. త్రూ-పైలట్ హోల్స్ యొక్క రఫింగ్ మరియు ఫినిషింగ్‌తో సహా మైక్రోడ్రిల్లింగ్ మూడు దశలలో నిర్వహించబడుతుంది. బోర్‌హోల్‌ను ఆక్సీకరణం నుండి రక్షించడానికి మరియు ప్రారంభ దశలలో ఫైనల్ ప్లాస్మాను షీల్డ్ చేయడానికి ఆర్గాన్‌ను సహాయక వాయువుగా ఉపయోగిస్తారు.

పటం 7. డీజిల్ ఇంజిన్ ఇంజెక్టర్ కోసం విలోమ టేపర్ రంధ్రం యొక్క ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ అధిక-ఖచ్చితత్వ ప్రాసెసింగ్

08 అతివేగవంతమైన లేజర్ టెక్స్చరింగ్

ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, మెషీనింగ్ కచ్చితత్వాన్ని మెరుగుపరచడానికి, పదార్థ నష్టాన్ని తగ్గించడానికి మరియు ప్రాసెసింగ్ సామర్థ్యాన్ని పెంచడానికి, మైక్రోమెషీనింగ్ రంగం క్రమంగా పరిశోధకుల దృష్టిని ఆకర్షిస్తోంది. అతివేగ లేజర్‌కు తక్కువ నష్టం మరియు అధిక కచ్చితత్వం వంటి వివిధ ప్రాసెసింగ్ ప్రయోజనాలు ఉన్నాయి, ఇది ప్రాసెసింగ్ టెక్నాలజీ అభివృద్ధిని ప్రోత్సహించడంలో ప్రధాన కేంద్రంగా మారింది. అదే సమయంలో, అతివేగ లేజర్‌లు వివిధ రకాల పదార్థాలపై పనిచేయగలవు, మరియు లేజర్ ప్రాసెసింగ్ ద్వారా పదార్థ నష్టాన్ని తగ్గించడం కూడా ఒక ప్రధాన పరిశోధనా దిశగా ఉంది. పదార్థాలను అబ్లేట్ చేయడానికి అతివేగ లేజర్‌ను ఉపయోగిస్తారు. లేజర్ యొక్క శక్తి సాంద్రత పదార్థం యొక్క అబ్లేషన్ థ్రెషోల్డ్ కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, అబ్లేట్ చేయబడిన పదార్థం యొక్క ఉపరితలం నిర్దిష్ట లక్షణాలతో కూడిన మైక్రో-నానో నిర్మాణాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది. లేజర్ ప్రాసెసింగ్ పదార్థాలపై ఈ ప్రత్యేక ఉపరితల నిర్మాణం ఒక సాధారణ దృగ్విషయంగా ఏర్పడుతుందని పరిశోధనలు చూపిస్తున్నాయి. ఉపరితల మైక్రో-నానో నిర్మాణాల తయారీ పదార్థం యొక్క లక్షణాలను మెరుగుపరుస్తుంది మరియు కొత్త పదార్థాల అభివృద్ధిని కూడా సాధ్యం చేస్తుంది. ఇది అతివేగ లేజర్ ద్వారా ఉపరితల మైక్రో-నానో నిర్మాణాల తయారీని ముఖ్యమైన అభివృద్ధి ప్రాముఖ్యత కలిగిన సాంకేతిక పద్ధతిగా నిలుపుతుంది. ప్రస్తుతం, లోహ పదార్థాల విషయంలో, అతివేగవంతమైన లేజర్ ఉపరితల టెక్చరింగ్‌పై జరుగుతున్న పరిశోధన, లోహ ఉపరితల తడిచే గుణాలను మెరుగుపరచడం, ఉపరితల ఘర్షణ మరియు అరుగుదల గుణాలను మెరుగుపరచడం, పూత అంటుకునే గుణాన్ని పెంచడం, మరియు కణాల దిశాపరమైన విస్తరణ మరియు అంటుకునే గుణాన్ని పెంచడం వంటివి చేయగలదు.

పటం 8. లేజర్‌తో తయారుచేసిన సిలికాన్ ఉపరితలం యొక్క సూపర్‌హైడ్రోఫోబిక్ లక్షణాలు

ఒక అత్యాధునిక ప్రాసెసింగ్ సాంకేతికతగా, అతివేగవంతమైన లేజర్ ప్రాసెసింగ్ చిన్న ఉష్ణ-ప్రభావిత ప్రాంతం, పదార్థాలతో పరస్పర చర్య యొక్క నాన్-లీనియర్ ప్రక్రియ, మరియు వివర్తన పరిమితిని మించిన అధిక-రిజల్యూషన్ ప్రాసెసింగ్ వంటి లక్షణాలను కలిగి ఉంది. ఇది వివిధ పదార్థాల యొక్క అధిక-నాణ్యత మరియు అధిక-ఖచ్చితత్వంతో కూడిన మైక్రో-నానో ప్రాసెసింగ్‌ను, మరియు త్రిమితీయ మైక్రో-నానో నిర్మాణాల తయారీని సాకారం చేయగలదు. ప్రత్యేక పదార్థాలు, సంక్లిష్ట నిర్మాణాలు మరియు ప్రత్యేక పరికరాల లేజర్ తయారీని సాధించడం మైక్రో-నానో తయారీకి కొత్త మార్గాలను తెరుస్తుంది. ప్రస్తుతం, ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ అనేక అత్యాధునిక శాస్త్రీయ రంగాలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతోంది: మైక్రోలెన్స్ శ్రేణులు, బయోనిక్ సంయుక్త నేత్రాలు, ఆప్టికల్ వేవ్‌గైడ్‌లు మరియు మెటాసర్ఫేస్‌లు వంటి వివిధ ఆప్టికల్ పరికరాలను తయారు చేయడానికి ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్‌ను ఉపయోగించవచ్చు; దాని అధిక ఖచ్చితత్వం, అధిక రిజల్యూషన్ మరియు త్రిమితీయ ప్రాసెసింగ్ సామర్థ్యాలను ఉపయోగించి, ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ మైక్రోహీటర్ భాగాలు మరియు త్రిమితీయ మైక్రోఫ్లూయిడిక్ ఛానెల్‌ల వంటి మైక్రోఫ్లూయిడిక్ మరియు ఆప్టోఫ్లూయిడిక్ చిప్‌లను తయారు చేయగలదు లేదా ఏకీకృతం చేయగలదు; దీనికి అదనంగా, ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ యాంటీ-రిఫ్లెక్షన్, సూపర్-హైడ్రోఫోబిక్, యాంటీ-ఐసింగ్ మరియు ఇతర విధులను సాధించడానికి వివిధ రకాల ఉపరితల మైక్రో-నానోస్ట్రక్చర్‌లను కూడా తయారు చేయగలదు; అంతేకాదు, ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్‌ను బయోమెడిసిన్ రంగంలో కూడా ఉపయోగించారు, ఇది బయోలాజికల్ మైక్రో-స్టెంట్లు, సెల్ కల్చర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు మరియు బయోలాజికల్ మైక్రోస్కోపిక్ ఇమేజింగ్ వంటి రంగాలలో అద్భుతమైన పనితీరును కనబరుస్తోంది. దీనికి విస్తృత అప్లికేషన్ అవకాశాలు ఉన్నాయి. ప్రస్తుతం, ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ ప్రాసెసింగ్ యొక్క అప్లికేషన్ రంగాలు ఏటా విస్తరిస్తున్నాయి. పైన పేర్కొన్న మైక్రో-ఆప్టిక్స్, మైక్రోఫ్లూయిడిక్స్, బహుళ-ఫంక్షనల్ మైక్రో-నానోస్ట్రక్చర్‌లు మరియు బయోమెడికల్ ఇంజనీరింగ్ అప్లికేషన్‌లతో పాటు, ఇది మెటాసర్ఫేస్ తయారీ, మైక్రో-నానో తయారీ మరియు బహుళ-పరిమాణ ఆప్టికల్ సమాచార నిల్వ వంటి కొన్ని అభివృద్ధి చెందుతున్న రంగాలలో కూడా కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది.