Atualmente, o laser ultrarrápido (largura de pulso de femtossegundo e picossegundo) é uma parte importante do processo de produção industrial. Em virtude de sua capacidade de processamento de materiais não térmicos de alta qualidade, juntamente com o progresso da tecnologia a laser, desenvolvimento de processos, controle de feixes e transmissão, ele expande ainda mais o escopo de aplicação do laser ultra-rápido no mercado industrial. No entanto, para manter o equilíbrio entre entrada e saída, as seguintes condições devem ser atendidas simultaneamente: primeiro, é necessário comprovar sua viabilidade técnica no processo de processamento industrial; como a interação entre o laser ultrarrápido e a matéria é única, é necessário ter um bom entendimento científico desse processo; segundo, a produtividade da produção industrial deve garantir que o usuário final possa receber o investimento correspondente à receita, o que certamente promoverá o progresso no controle e transmissão do feixe para fazer pleno uso da velocidade de processamento potencial.
O campo da eletrônica de consumo fornece claramente mais evidências. Telefones celulares, microprocessadores, monitores e chips de memória são componentes extremamente complexos, compostos por um grande número de materiais diferentes, um tamanho muito pequeno e uma espessura muito pequena de materiais multicamadas. Portanto, precisamos de capacidade avançada de processamento de alta precisão e capacidade de produção em massa economicamente viável. Aqui está um exemplo de por que precisamos desenvolver processamento, tecnologia a laser e nova tecnologia de transmissão de feixe simultaneamente para atender aos desafios atuais e futuros.
Fabricar monitores de tela plana para celulares, tablets ou televisões é uma das tecnologias mais complexas atualmente, com dificuldades semelhantes ou maiores que o programa Apollo dos 1960 s. Diferentes etapas de produção envolvem um grande número de materiais diferentes, que têm a resolução lateral do nível de mícron e a espessura de dezenas de nanômetros. Devido à dificuldade de todo o processo, não surpreende que a produtividade industrial (a proporção de produtos que possam passar por testes rigorosos de qualidade) seja considerada um segredo e um desafio. Uma limitação chave é a existência de pontos ruins no painel, o que dificultará a comercialização da tela. Nos últimos anos, várias tecnologias de reparo diferentes foram desenvolvidas, geralmente envolvendo lasers de nanossegundos com vários comprimentos de onda. Por exemplo, um pixel brilhante é reparado carbonizando a laser ou cortando os eletrodos de um transistor de filme fino que controla o pixel (Figura 1).
Figura 1: corte de eletrodo de transistor de película fina, largura de corte de 1. 9 μm.
A tecnologia atual atingiu seus limites. Devido ao progresso na resolução da tela de alta definição, o tamanho dos pixels se torna cada vez menor, e o efeito térmico do processamento a laser em nanossegundos relacionado a ele limita a qualidade do reparo. Além disso, novas tecnologias de exibição, incluindo diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) e diodos emissores de luz da matriz ativa (AMOLED), utilizaram amplamente materiais orgânicos e de polímeros, altamente sensíveis ao aquecimento e, portanto, incompatíveis com o tratamento térmico. Como a duração do pulso é muito curta, o laser ultrarrápido é muito adequado para a usinagem não térmica e não gera calor. Eles são amplamente utilizados no campo do processamento avançado de reparo de telas, o que promove o desenvolvimento de uma nova geração de lasers ultrarrápidos compactos de alta velocidade e múltiplos comprimentos de onda.
Alguns processos industriais começaram a usar o processamento a laser ultra-rápido de alta precisão. Isso inclui ablação seletiva, que geralmente é precisa de 30 nm / pulso, e corte de eletrodo de transistor de filme fino de alta precisão com largura de corte menor que 2 μ M. Esses processos precisam desenvolver recursos avançados e avançados. tecnologia de modelagem de feixe flexível para obter feixe plano e garantir sua transmissão uniforme e modelar a amostra com tamanho tão baixo quanto 2 × 2 μm.
Em outro exemplo, os circuitos semicondutores se tornam cada vez mais complexos e exigem que mais funções sejam integradas em tamanhos menores. Portanto, a bolacha atual é composta de muitas camadas de vários materiais, como materiais com baixa constante dielétrica, adequados para operação rápida. Um processo importante na indústria de fabricação de semicondutores é o corte e separação de bolachas, ou seja, cortar uma bolacha em cavacos separados (Figura 2). Tradicionalmente, a serra de diamante é usada, mas a tecnologia atual atingiu o limite. Devido à fragilidade, espessura e número de camadas dos materiais com baixa constante dielétrica, a probabilidade de efeitos negativos, como rachaduras e delaminação, está aumentando.
Figura 2: corte e corte em cubos de semicondutores.
Embora o uso do processamento a laser em nanossegundo UV seja promovido, o efeito térmico do processamento a laser em nanossegundo ainda limita bastante a qualidade dos resultados do processamento. Por outro lado, os lasers ultra-rápidos mostram a capacidade de processar silício e materiais multicamadas de alta qualidade. Até recentemente, a limitação média de energia do laser ultra-rápido ainda é um grande problema, o que limita seriamente a eficiência total da produção. Hoje, o poder do laser industrial de femtossegundos com alta confiabilidade está entre 50 e 100w, o que faz sua capacidade de produção corresponder aos requisitos industriais.
O laser ultra-rápido é uma parte importante do processo avançado de micro-usinagem, que desempenha um papel importante no controle e medição de qualidade. A Rudolph Technologies lançou recentemente uma nova ferramenta para a indústria de semicondutores para medir a espessura de filmes opacos. O sistema é baseado na medição acústica, usando um pulso ultracurto gerado por laser muito curto. O tempo de reflexão do pulso ultrassônico na superfície de cada camada é medido pela tecnologia de detecção de bomba de alta precisão.
A aparência do sistema a laser de alta potência e alta confiabilidade melhorou muito o processamento e o controle da qualidade do laser. Mais especificamente, os lasers ultrarrápidos com uma potência média de 50 a 200 W podem melhorar a eficiência e a produtividade da produção, expandindo sua aplicação em novos campos. No entanto, o controle do feixe e a transmissão de um laser de alta potência não são fáceis. Para obter lucros, é necessário atingir uma velocidade de processamento de 100 M / s, mantendo a precisão de posicionamento do nível de mícron. A geração atual de scanners de galvanômetros atingiu o limite e novos métodos são necessários.
A empresa ESI lançou um sistema de processamento híbrido combinando galvanômetro e tecnologia acústica. Ao operar em velocidade de processamento mais alta, a inércia do galvanômetro de varredura significa o atraso da execução, como uma curva acentuada, para que a estrutura processada não seja a mesma que a forma projetada. No entanto, os moduladores acústicos apresentam uma resposta muito sensível, mas em uma faixa muito pequena. A combinação de movimento do galvanômetro e deflexão acústico-óptica pode obter uma sincronização precisa e superar essa limitação. Essa tecnologia é particularmente útil na fabricação gráfica de circuitos digitais interconectados porque eles estão se tornando cada vez mais integrados e, portanto, requerem maior densidade de fiação.
Pesquisadores do Japão' sDISCOA empresa usa o mesmo laser para realizar a micro-usinagem e o controle do processo, combinando os dois.
Nesse caso, um laser ultra-rápido é usado para perfurar um orifício cego em um substrato de camada dupla. A camada superior é um material transparente de 80 μm de espessura e a camada inferior é um filme metálico de 20 μm de espessura. Para controlar com precisão o número de pulsos de laser, de modo que a faixa de ablação seja limitada ao substrato transparente, é necessário usar um analisador de espectro para monitorar a emissão de plasma, ou seja, usando a tecnologia de espectroscopia de ruptura induzida por laser (LIBS) .
Figura 3: forma do núcleo da fibra kagome.
Como a emissão de plasma possui um espectro de emissão exclusivo de acordo com o tipo de átomos eliminado, pode detectar com rapidez e precisão quando a camada transparente é completamente removida. Outro método é que o scanner de polígono pode atingir uma velocidade de digitalização superior a 100 m / s. Esse tipo de espelho único pode girar em alta velocidade e pode substituir completamente o espelho de baixa inércia, que pode refletir apenas o feixe nas direções X e Y. Se a rotação do laser de pulso e do espelho poliédrico puderem ser sincronizados com precisão, apenas um ponto em cada superfície poderá afetar o processamento da amostra. Nesse caso, o processo de micro-usinagem é mais parecido com um processo digital, ou seja, o laser precisa ser controlado para ligar e desligar para produzir os gráficos necessários. Para obter resultados ideais, é necessário obter uma sincronização muito precisa entre o laser e o scanner, e a precisão de fabricação do espelho poliédrico é muito alta e o processamento precisa ser cuidadosamente projetado. Em cooperação com a amplitudesist è empresa MES e Nextscan na Bélgica, o professor beat neuenschwander da Universidade de Ciências Aplicadas de Berna, na Suíça, realizou uma micro modelagem de superfície de alta velocidade com precisão de posicionamento em mícrons usando laser ultra-rápido de 500 kHz.
Mais inovações na propagação de feixes ainda estão em andamento. O sistema de transmissão por fibra óptica faz da indústria de processamento a laser uma nova aparência, e o laser ultra-rápido da classe industrial ainda não pode se beneficiar com isso até recentemente. Devido à limitação do feixe do pequeno núcleo de fibra e à alta intensidade de pico do pulso ultrarrápido, será produzido um sério efeito não linear, o que acabará por levar à degradação da fibra. Para se livrar dessa limitação, foi desenvolvida uma fibra de microestrutura oca, mas o diâmetro do núcleo é limitado a alguns mícrons, o que é pequeno demais para aplicação prática. O desenvolvimento de uma fibra de microestrutura oca de área grande de modo kagome abre caminho para a transmissão de fibra de feixe de laser de femtosegundo de alta energia e alta potência. Esse núcleo de fibra oca especial com a forma de uma roda giratória interna circular limita o modo a laser, impedindo que ele interaja com a microestrutura de fibra e combina baixa não linearidade, área de campo em modo amplo e controle descentralizado flexível. Ao cooperar com a Glo photonics na França, a amplitude Systè MES conseguiu transmitir pulsos de nível miliJoule por uma distância de vários metros, garantindo a duração do pulso menor que 500 fs. Em outro experimento com ferramentas fotônicas, o laser de pulso com uma potência média de 100 W pode ser transmitido e a compressão de pulso menor que 100 fs pode ser realizada. Outras equipes e fabricantes de laser também estão usando rapidamente a fibra kagome para desenvolver sistemas de transmissão flexíveis (como mostrado na Figura 4). Podemos esperar mudanças mais profundas na tecnologia de processamento a laser ultra-rápida nos próximos anos.
Com o desenvolvimento do princípio de interação entre o laser de pulso curto e a matéria e o desenvolvimento da tecnologia no controle de feixe e sistema de transmissão, o laser ultra-rápido entrou em nossa vida diária. Através do processo de processamento industrial mais avançado, ele muda a maneira como vemos as coisas, nos comunicamos e trabalhamos. Será a chave para fabricar com sucesso equipamentos eletrônicos de consumo mais complexos no futuro.