Ультражылдам лазерлер ондаған жылдар бойы қолданылып келгенімен, соңғы екі онжылдықта өнеркәсіптік қолданыстар тез өсті. 2019 жылы ультражылдам лазерлердің нарықтық құнылазерлік материалӨңдеу шамамен 460 миллион АҚШ долларын құрады, жылдық өсу қарқыны 13% құрайды. Өнеркәсіптік материалдарды өңдеу үшін аса жылдам лазерлер сәтті қолданылған қолдану салаларына жартылай өткізгіш өнеркәсібінде фотомаска жасау және жөндеу, сондай-ақ кремнийді турау, әйнек кесу/сызу және (индий қалайы оксиді) тұтынушылық электроникада, мысалы, ұялы телефондар мен планшеттерде ITO пленкасын кетіру, автомобиль өнеркәсібіне арналған поршеньді текстуралау, коронарлық стент өндірісі және медициналық өнеркәсібіне арналған микрофлюидтік құрылғылар өндірісі жатады.
01 Жартылай өткізгіштер өнеркәсібіндегі фотомаскаларды өндіру және жөндеу
Ультражылдам лазерлер материалдарды өңдеудегі ең алғашқы өнеркәсіптік қолданбалардың бірінде қолданылды. IBM 1990 жылдары фотомаска өндірісінде фемтосекундтық лазерлік абляцияны қолдану туралы хабарлады. Металл шашырауын және әйнектің зақымдалуын тудыруы мүмкін наносекундтық лазерлік абляциямен салыстырғанда, фемтосекундтық лазерлік маскалар металл шашырауын, әйнектің зақымдалуын және т.б. көрсетпейді. Артықшылықтары. Бұл әдіс интегралдық микросхемаларды (ИМС) өндіру үшін қолданылады. ИМ чипін өндіру үшін 30 маскаға дейін қажет болуы мүмкін және құны 100 000 доллардан асады. Фемтосекундтық лазерлік өңдеу 150 нм-ден төмен сызықтар мен нүктелерді өңдей алады.
1-сурет. Фотомаска жасау және жөндеу
2-сурет. Экстремалды ультракүлгін литография үшін әртүрлі маска үлгілерін оңтайландыру нәтижелері
02 Жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде кремнийді кесу
Кремний пластиналарын турау жартылай өткізгіштер өнеркәсібіндегі стандартты өндіріс процесі болып табылады және әдетте механикалық турау арқылы орындалады. Бұл кескіш дөңгелектерде көбінесе микрожарықтар пайда болады және жұқа (мысалы, қалыңдығы < 150 мкм) пластиналарды кесу қиын. Кремний пластиналарын лазерлік кесу жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде көптеген жылдар бойы қолданылып келеді, әсіресе жұқа пластиналар (100-200 мкм) үшін және бірнеше кезеңмен жүзеге асырылады: лазерлік ойық, содан кейін механикалық бөлу немесе жасырын кесу (яғни, кремний сызбасының ішіндегі инфрақызыл лазер сәулесі), содан кейін механикалық таспа бөлу. Наносекундтық импульстік лазер сағатына 15 пластинаны, ал пикосекундтық лазер сағатына 23 пластинаны жоғары сапамен өңдей алады.
03 Тұтынылатын электроника өнеркәсібінде әйнек кесу/сызу
Ұялы телефондар мен ноутбуктерге арналған сенсорлық экрандар мен қорғаныш көзілдіріктер жұқарып, кейбір геометриялық пішіндер қисық болып келеді. Бұл дәстүрлі механикалық кесуді қиындатады. Әдеттегі лазерлер, әсіресе, бұл шыны дисплейлер 3-4 қабатқа жиналған кезде және 700 мкм қалыңдықтағы қорғаныш әйнектің жоғарғы жағы шыныққан кезде кесу сапасының төмендеуіне әкеледі, бұл жергілікті кернеу кезінде сынуы мүмкін. Өте жылдам лазерлер бұл көзілдірікті жақсы шеткі беріктікпен кесе алатыны дәлелденген. Үлкен жалпақ панельді кесу үшін фемтосекундтық лазерді шыны парақтың артқы бетіне бағыттауға болады, алдыңғы бетіне зақым келтірмей, әйнектің ішін тырнап тастайды. Содан кейін әйнекті сызылған үлгі бойынша механикалық немесе термиялық құралдарды пайдаланып сындыруға болады.
3-сурет. Пикосекундтық аса жылдам лазерлік әйнекті арнайы пішінді кесу
04 Автокөлік өнеркәсібіндегі поршеньдік текстуралар
Жеңіл автомобиль қозғалтқыштары шойын сияқты тозуға төзімді емес алюминий қорытпаларынан жасалған. Зерттеулер автомобиль поршеньінің текстураларын фемтосекундтық лазермен өңдеу үйкелісті 25%-ға дейін төмендете алатынын анықтады, себебі қоқыс пен майды тиімді сақтауға болады.
4-сурет. Қозғалтқыштың жұмысын жақсарту үшін автомобиль қозғалтқышының поршеньдерін фемтосекундтық лазермен өңдеу
05 Медициналық индустрияда коронарлық стент өндірісі
Миллиондаған коронарлық стенттер дененің коронарлық артерияларына имплантацияланып, қанның басқаша ұйыған тамырларға ағып кетуіне мүмкіндік беретін арнаны ашады, бұл жыл сайын миллиондаған адамның өмірін сақтап қалады. Коронарлық стенттер әдетте шамамен 100 мкм тіреуіш ені бар металдан (мысалы, тот баспайтын болат, никель-титан пішінді есте сақтау қорытпасы немесе жақында кобальт-хром қорытпасы) жасалған сым тордан жасалады. Ұзын импульсті лазерлік кесумен салыстырғанда, кронштейндерді кесу үшін аса жылдам лазерлерді пайдаланудың артықшылықтары - жоғары кесу сапасы, жақсы беткі өңдеу және аз қоқыс, бұл өңдеуден кейінгі шығындарды азайтады.
06 Медициналық өнеркәсібіне арналған микрофлюидтік құрылғылар өндірісі
Микрофлюидтік құрылғылар медицина саласында ауруларды тексеру және диагностикалау үшін кеңінен қолданылады. Олар әдетте жеке бөлшектерді микроинъекциялық қалыптау және содан кейін желімдеу немесе дәнекерлеу арқылы байланыстыру арқылы жасалады. Микрофлюидтік құрылғыларды аса жылдам лазерлік түрде жасаудың артықшылығы - шыны сияқты мөлдір материалдардың ішінде қосылыстарсыз 3D микроарналарды жасау. Бір әдіс - көлемді шыны ішінде аса жылдам лазерлік түрде жасау, содан кейін ылғалды химиялық өңдеу, ал екіншісі - қалдықтарды кетіру үшін шыны немесе пластиктің ішінде дистилденген суда фемтосекундтық лазерлік абляция. Тағы бір тәсіл - арналарды шыны бетіне өңдеу және оларды фемтосекундтық лазерлік дәнекерлеу арқылы шыны қақпақпен жабу.
6-сурет. Шыны материалдарының ішіндегі микрофлюидті арналарды дайындау үшін фемтосекундтық лазермен индукцияланған селективті ою
07 Инжектор саптамасын микробұрғылау
Фемтосекундтық лазерлік микротесіктерді өңдеу жоғары қысымды инжектор нарығындағы көптеген компанияларда микро-EDM-ді ауыстырды, себебі ағынды тесіктер профильдерін өзгертудегі икемділік жоғары және өңдеу уақытының қысқаруы байқалады. Алдын ала сканерлеу басы арқылы сәуленің фокустық орналасуын және еңкеюін автоматты түрде басқару мүмкіндігі жану камерасында атомизацияны немесе енуді ынталандыратын тесік профильдерін (мысалы, цилиндр, алау, конвергенция, дивергенция) жобалауға әкелді. Бұрғылау уақыты абляция көлеміне байланысты, бұрғылау қалыңдығы 0,2 – 0,5 мм және тесік диаметрі 0,12 – 0,25 мм, бұл әдісті микро-EDM-ге қарағанда он есе жылдам етеді. Микробұрғылау үш кезеңде жүзеге асырылады, оның ішінде тесік тесіктерін тегістеу және өңдеу. Аргон ұңғыманы тотығудан қорғау және бастапқы кезеңдерде соңғы плазманы қорғау үшін көмекші газ ретінде қолданылады.
7-сурет. Дизельді қозғалтқыш инжекторына арналған төңкерілген конус тесігін фемтосекундтық лазермен жоғары дәлдікпен өңдеу
08 Ультра жылдам лазерлік текстуралау
Соңғы жылдары өңдеу дәлдігін жақсарту, материалдың зақымдануын азайту және өңдеу тиімділігін арттыру мақсатында микромеханика саласы біртіндеп зерттеушілердің назарына айналды. Ультражылдам лазердің әртүрлі өңдеу артықшылықтары бар, мысалы, төмен зақымдану және жоғары дәлдік, бұл өңдеу технологиясын дамытуды ілгерілетудің басты бағытына айналды. Сонымен қатар, ультражылдам лазерлер әртүрлі материалдарға әсер ете алады, ал лазерлік өңдеу материалдың зақымдануын да зерттеудің негізгі бағыты болып табылады. Ультражылдам лазер материалдарды абляциялау үшін қолданылады. Лазердің энергия тығыздығы материалдың абляция шегінен жоғары болған кезде, абляцияланған материалдың бетінде белгілі бір сипаттамалары бар микронано құрылым пайда болады. Зерттеулер көрсеткендей, бұл арнайы беттік құрылым материалдарды лазермен өңдеген кезде пайда болатын кең таралған құбылыс. Беттік микронано құрылымдарды дайындау материалдың өзінің қасиеттерін жақсарта алады, сонымен қатар жаңа материалдарды әзірлеуге мүмкіндік береді. Бұл ультражылдам лазермен беттік микронано құрылымдарды дайындауды маңызды даму маңызы бар техникалық әдіске айналдырады. Қазіргі уақытта металл материалдары үшін аса жылдам лазерлік беттік текстуралауды зерттеу металл бетінің ылғалдану қасиеттерін жақсарта алады, беттік үйкеліс пен тозу қасиеттерін жақсарта алады, жабын адгезиясын, сондай-ақ жасушалардың бағыттағы көбеюі мен адгезиясын жақсарта алады.
8-сурет. Лазермен дайындалған кремний бетінің супергидрофобты қасиеттері
Заманауи өңдеу технологиясы ретінде ультражылдам лазерлік өңдеу кішігірім жылу әсер ететін аймақ, материалдармен өзара әрекеттесудің сызықтық емес процесі және дифракция шегінен тыс жоғары ажыратымдылықтағы өңдеу сипаттамаларына ие. Ол әртүрлі материалдарды жоғары сапалы және жоғары дәлдіктегі микронано өңдеуді және үш өлшемді микронано құрылымдарын жасауды жүзеге асыра алады. Арнайы материалдарды, күрделі құрылымдарды және арнайы құрылғыларды лазерлік өндіруге қол жеткізу микронано өндірісі үшін жаңа жолдар ашады. Қазіргі уақытта фемтосекундтық лазер көптеген заманауи ғылыми салаларда кеңінен қолданылады: фемтосекундтық лазерді микролинза массивтері, биондық қосылыс көздері, оптикалық толқын өткізгіштер және метабеттер сияқты әртүрлі оптикалық құрылғыларды дайындау үшін пайдалануға болады; жоғары дәлдікті, жоғары ажыратымдылықты және үш өлшемді өңдеу мүмкіндіктерін пайдалана отырып, фемтосекундтық лазер микроқыздырғыш компоненттері және үш өлшемді микрофлюидтік арналар сияқты микрофлюидтік және оптофлюидтік чиптерді дайындай немесе біріктіре алады; Сонымен қатар, фемтосекундтық лазер шағылыстыруға қарсы, шағылыстыруға қарсы, супергидрофобты, мұздануға қарсы және басқа да функцияларды орындау үшін әртүрлі беттік микронаноқұрылымдарды дайындай алады; сонымен қатар, фемтосекундтық лазер биомедицина саласында да қолданылып, биологиялық микростенттер, жасуша дақылдарының субстраттары және биологиялық микроскопиялық бейнелеу сияқты салаларда ерекше өнімділік көрсетті. Қолданудың кең перспективалары. Қазіргі уақытта фемтосекундтық лазерді өңдеудің қолдану салалары жыл сайын кеңейіп келеді. Жоғарыда аталған микрооптика, микрофлюидика, көп функциялы микронаноқұрылымдар және биомедициналық инженерия қолданбаларынан басқа, ол метабеттік дайындау, микронаноқұрылымдар өндірісі және көп өлшемді оптикалық ақпаратты сақтау сияқты кейбір жаңадан пайда болып келе жатқан салаларда да үлкен рөл атқарады.
Жарияланған уақыты: 17 сәуір 2024 ж.
