การใช้งานในอุตสาหกรรมการผลิตเลเซอร์ระดับไมโครนาโนที่รวดเร็วเป็นพิเศษ

แม้ว่าเลเซอร์ที่เร็วมากจะมีมานานหลายทศวรรษแล้ว แต่การใช้งานทางอุตสาหกรรมก็มีการเติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา ในปี 2019 มูลค่าตลาดของอัลตร้าฟาสต์วัสดุเลเซอร์การประมวลผลมีมูลค่าประมาณ 460 ล้านดอลลาร์สหรัฐ โดยมีอัตราการเติบโตต่อปีที่ 13% พื้นที่การใช้งานที่ประสบความสำเร็จในการใช้เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษในการประมวลผลวัสดุอุตสาหกรรม ได้แก่ การผลิตโฟโตมาสก์และการซ่อมแซมในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ เช่นเดียวกับการตัดซิลิคอน การตัด/เขียนกระจก และการกำจัดฟิล์ม ITO (อินเดียมทินออกไซด์) ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น โทรศัพท์มือถือและแท็บเล็ต การสร้างพื้นผิวลูกสูบสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ การผลิตขดลวดหลอดเลือดหัวใจ และการผลิตอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกสำหรับอุตสาหกรรมการแพทย์

01 การผลิตและซ่อมแซมโฟโตมาสก์ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษถูกนำมาใช้ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่เก่าแก่ที่สุดแห่งหนึ่งในการแปรรูปวัสดุ IBM รายงานการใช้เลเซอร์ระเหยแบบ femtosecond ในการผลิตโฟโตมาสก์ในช่วงทศวรรษ 1990 เมื่อเปรียบเทียบกับการระเหยด้วยเลเซอร์ระดับนาโนวินาที ซึ่งสามารถทำให้เกิดการกระเด็นของโลหะและความเสียหายต่อกระจก หน้ากากเลเซอร์ femtosecond จะไม่แสดงการกระเด็นของโลหะ ไม่มีความเสียหายต่อกระจก ฯลฯ ข้อดี วิธีการนี้ใช้ในการผลิตวงจรรวม (IC) การผลิตชิป IC อาจต้องใช้มาสก์มากถึง 30 ชิ้นและมีราคามากกว่า 100,000 ดอลลาร์ การประมวลผลด้วยเลเซอร์ Femtosecond สามารถประมวลผลเส้นและจุดที่ต่ำกว่า 150 นาโนเมตร

รูปที่ 1 การผลิตและซ่อมแซมโฟโต้มาสก์

รูปที่ 2 ผลลัพธ์การปรับให้เหมาะสมของรูปแบบมาสก์ที่แตกต่างกันสำหรับการพิมพ์หินอัลตราไวโอเลตขั้นรุนแรง

02 การตัดซิลิคอนในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

การหั่นเวเฟอร์ซิลิคอนเป็นกระบวนการผลิตมาตรฐานในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ และโดยทั่วไปจะดำเนินการโดยใช้การหั่นแบบกลไก ใบตัดเหล่านี้มักจะเกิดรอยแตกขนาดเล็ก และยากต่อการตัดแผ่นเวเฟอร์บางๆ (เช่น ความหนา < 150 μm) การตัดด้วยเลเซอร์ของเวเฟอร์ซิลิคอนถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เป็นเวลาหลายปี โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเวเฟอร์บาง (100-200μm) และดำเนินการในหลายขั้นตอน: การเซาะร่องด้วยเลเซอร์ ตามด้วยการแยกเชิงกลหรือการตัดแบบซ่อนตัว (เช่น ลำแสงเลเซอร์อินฟราเรดภายใน การเขียนซิลิคอน) ตามด้วยการแยกเทปเชิงกล เลเซอร์พัลส์นาโนวินาทีสามารถประมวลผลเวเฟอร์ได้ 15 ชิ้นต่อชั่วโมง และเลเซอร์พิโควินาทีสามารถประมวลผลเวเฟอร์ได้ 23 ชิ้นต่อชั่วโมงด้วยคุณภาพที่สูงกว่า

03 การตัด/เขียนกระจกในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์สิ้นเปลือง

หน้าจอสัมผัสและแว่นตาป้องกันสำหรับโทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อปเริ่มบางลง และรูปทรงเรขาคณิตบางส่วนก็มีความโค้ง ส่งผลให้การตัดเฉือนแบบเดิมทำได้ยากขึ้น โดยทั่วไปแล้ว เลเซอร์ทั่วไปจะให้คุณภาพการตัดที่ไม่ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อจอแสดงผลกระจกเหล่านี้ซ้อนกัน 3-4 ชั้น และกระจกป้องกันด้านบนหนา 700 μm ได้รับการปรับอุณหภูมิ ซึ่งสามารถแตกหักได้ด้วยความเครียดเฉพาะจุด เลเซอร์ที่เร็วมากแสดงให้เห็นว่าสามารถตัดกระจกเหล่านี้ได้ด้วยความแข็งแรงของขอบที่ดีกว่า สำหรับการตัดจอแบนขนาดใหญ่ เลเซอร์เฟมโตวินาทีสามารถโฟกัสไปที่พื้นผิวด้านหลังของแผ่นกระจกได้ ทำให้เกิดรอยขีดข่วนด้านในของกระจกได้โดยไม่ทำลายพื้นผิวด้านหน้า จากนั้นกระจกสามารถแตกได้โดยใช้วิธีทางกลหรือทางความร้อนตามรูปแบบการให้คะแนน

รูปที่ 3 การตัดด้วยรูปทรงพิเศษของกระจกเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษของ Picosecond

04 พื้นผิวลูกสูบในอุตสาหกรรมยานยนต์

เครื่องยนต์ของรถยนต์น้ำหนักเบาทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์ซึ่งไม่ทนทานต่อการสึกหรอเหมือนเหล็กหล่อ การศึกษาพบว่าการประมวลผลด้วยเลเซอร์ femtosecond ของพื้นผิวลูกสูบของรถยนต์สามารถลดแรงเสียดทานได้มากถึง 25% เนื่องจากสามารถจัดเก็บเศษและน้ำมันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

รูปที่ 4 การประมวลผลด้วยเลเซอร์ Femtosecond ของลูกสูบเครื่องยนต์รถยนต์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์

05 การผลิตขดลวดหลอดเลือดหัวใจในอุตสาหกรรมการแพทย์

ขดลวดหลอดเลือดหัวใจหลายล้านเส้นถูกฝังเข้าไปในหลอดเลือดหัวใจของร่างกายเพื่อเปิดช่องทางให้เลือดไหลลงสู่หลอดเลือดที่แข็งตัว ซึ่งช่วยชีวิตผู้คนได้หลายล้านคนทุกปี โดยทั่วไปขดลวดหลอดเลือดหัวใจจะทำจากลวดตาข่ายโลหะ (เช่น สแตนเลส, เมมโมรีอัลลอยด์รูปร่างนิกเกิล-ไททาเนียม หรือล่าสุดคือโลหะผสมโคบอลต์-โครเมียม) ที่มีความกว้างสตรัทประมาณ 100 ไมโครเมตร เมื่อเปรียบเทียบกับการตัดด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ยาว ข้อดีของการใช้เลเซอร์ที่เร็วเป็นพิเศษในการตัดฉากยึดคือคุณภาพการตัดสูง ผิวสำเร็จที่ดีขึ้น และมีเศษน้อยลง ซึ่งช่วยลดต้นทุนหลังการประมวลผล

06 การผลิตอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกสำหรับอุตสาหกรรมการแพทย์

อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกมักใช้ในอุตสาหกรรมการแพทย์เพื่อการทดสอบและวินิจฉัยโรค โดยทั่วไปแล้วจะผลิตโดยการฉีดขึ้นรูปชิ้นส่วนแต่ละชิ้นด้วยการฉีดแบบไมโครแล้วจึงเชื่อมโดยใช้การติดกาวหรือการเชื่อม การผลิตเลเซอร์ที่รวดเร็วเป็นพิเศษของอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกมีข้อได้เปรียบในการผลิตไมโครแชนเนล 3 มิติภายในวัสดุโปร่งใส เช่น แก้ว โดยไม่จำเป็นต้องเชื่อมต่อ วิธีหนึ่งคือการผลิตด้วยเลเซอร์ที่รวดเร็วเป็นพิเศษภายในแก้วขนาดใหญ่ตามด้วยการกัดด้วยสารเคมีแบบเปียก และอีกวิธีหนึ่งคือการระเหยด้วยเลเซอร์แบบเฟมโตวินาทีภายในแก้วหรือพลาสติกในน้ำกลั่นเพื่อกำจัดเศษซาก อีกวิธีหนึ่งคือเครื่องจักรช่องเข้าไปในพื้นผิวกระจกและปิดผนึกด้วยฝาครอบแก้วผ่านการเชื่อมด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาที

รูปที่ 6 การแกะสลักแบบเลือกเฟมโตวินาทีด้วยเลเซอร์เพื่อเตรียมช่องไมโครฟลูอิดิกภายในวัสดุแก้ว

07 การเจาะหัวฉีดแบบไมโคร

การตัดเฉือนไมโครโฮลด้วยเลเซอร์ Femtosecond ได้เข้ามาแทนที่ micro-EDM ของบริษัทต่างๆ ในตลาดหัวฉีดแรงดันสูง เนื่องจากมีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการเปลี่ยนแปลงโปรไฟล์ของรูไหลและใช้เวลาในการตัดเฉือนสั้นลง ความสามารถในการควบคุมตำแหน่งโฟกัสและความเอียงของลำแสงโดยอัตโนมัติผ่านหัวสแกนล่วงหน้าได้นำไปสู่การออกแบบโปรไฟล์รูรับแสง (เช่น ลำกล้อง แสงแฟลร์ การลู่เข้า ความแตกต่าง) ที่สามารถส่งเสริมการทำให้เป็นละอองหรือการเจาะเข้าไปในห้องเผาไหม้ เวลาในการเจาะขึ้นอยู่กับปริมาตรของการระเหย โดยมีความหนาของการเจาะ 0.2 – 0.5 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลางรู 0.12 – 0.25 มม. ทำให้เทคนิคนี้เร็วกว่า micro-EDM ถึง 10 เท่า การเจาะระดับไมโครจะดำเนินการในสามขั้นตอน ซึ่งรวมถึงการกัดหยาบและการเก็บผิวละเอียดของรูเจาะทะลุ อาร์กอนถูกใช้เป็นก๊าซเสริมในการป้องกันหลุมเจาะจากการเกิดออกซิเดชัน และเพื่อปกป้องพลาสมาสุดท้ายในระหว่างระยะเริ่มแรก

รูปที่ 7 การประมวลผลด้วยเลเซอร์ความแม่นยำสูงของ Femtosecond ของรูเรียวแบบกลับด้านสำหรับหัวฉีดเครื่องยนต์ดีเซล

08 การสร้างพื้นผิวด้วยเลเซอร์ที่รวดเร็วเป็นพิเศษ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการตัดเฉือน ลดความเสียหายของวัสดุ และเพิ่มประสิทธิภาพในการประมวลผล สาขาของการตัดเฉือนระดับไมโครจึงค่อยๆ กลายเป็นจุดสนใจของนักวิจัย เลเซอร์ที่เร็วเป็นพิเศษมีข้อดีในการประมวลผลที่หลากหลาย เช่น ความเสียหายต่ำและความแม่นยำสูง ซึ่งกลายเป็นจุดสนใจของการส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีการประมวลผล ในเวลาเดียวกัน เลเซอร์ที่เร็วมากสามารถกระทำกับวัสดุได้หลากหลาย และความเสียหายของวัสดุในการประมวลผลด้วยเลเซอร์ก็เป็นแนวทางการวิจัยที่สำคัญเช่นกัน เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษใช้ในการระเหยวัสดุ เมื่อความหนาแน่นของพลังงานของเลเซอร์สูงกว่าเกณฑ์การระเหยของวัสดุ พื้นผิวของวัสดุที่ถูกระเหยจะแสดงโครงสร้างไมโครนาโนที่มีคุณสมบัติบางอย่าง การวิจัยแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างพื้นผิวพิเศษนี้เป็นปรากฏการณ์ทั่วไปที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุแปรรูปด้วยเลเซอร์ การเตรียมโครงสร้างพื้นผิวไมโครนาโนสามารถปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุได้ และยังช่วยให้สามารถพัฒนาวัสดุใหม่ได้อีกด้วย ทำให้การเตรียมโครงสร้างพื้นผิวไมโครนาโนด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษเป็นวิธีการทางเทคนิคที่มีความสำคัญในการพัฒนาที่สำคัญ ในปัจจุบัน สำหรับวัสดุโลหะ การวิจัยเกี่ยวกับพื้นผิวเลเซอร์ที่เร็วเป็นพิเศษสามารถปรับปรุงคุณสมบัติการเปียกของพื้นผิวโลหะ ปรับปรุงคุณสมบัติการเสียดสีและการสึกหรอของพื้นผิว เพิ่มการยึดเกาะของการเคลือบ และการแพร่กระจายและการยึดเกาะตามทิศทางของเซลล์

รูปที่ 8 คุณสมบัติซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิกของพื้นผิวซิลิกอนที่เตรียมด้วยเลเซอร์

ในฐานะเทคโนโลยีการประมวลผลที่ล้ำสมัย การประมวลผลด้วยเลเซอร์ที่เร็วเป็นพิเศษมีลักษณะเฉพาะของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนขนาดเล็ก กระบวนการโต้ตอบที่ไม่เป็นเชิงเส้นกับวัสดุ และการประมวลผลที่มีความละเอียดสูงเกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบน สามารถรับรู้ถึงการประมวลผลไมโครนาโนคุณภาพสูงและความแม่นยำสูงของวัสดุต่างๆ และการสร้างโครงสร้างไมโครนาโนสามมิติ การบรรลุผลสำเร็จในการผลิตเลเซอร์สำหรับวัสดุพิเศษ โครงสร้างที่ซับซ้อน และอุปกรณ์พิเศษจะเปิดช่องทางใหม่สำหรับการผลิตไมโครนาโน ปัจจุบัน เลเซอร์ femtosecond ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาวิทยาศาสตร์ที่ล้ำหน้าหลายแห่ง: เลเซอร์ femtosecond สามารถใช้ในการเตรียมอุปกรณ์ออพติคอลต่างๆ เช่น อาร์เรย์ไมโครเลนส์ ตาผสมไบโอนิค ท่อนำคลื่นแสง และ metasurfaces โดยใช้ความแม่นยำสูง ความละเอียดสูง และด้วยความสามารถในการประมวลผลสามมิติ เลเซอร์ femtosecond สามารถเตรียมหรือรวมชิปไมโครฟลูอิดิกและออปโตฟลูอิดิก เช่น ส่วนประกอบไมโครฮีตเตอร์และช่องไมโครฟลูอิดิกสามมิติ นอกจากนี้ เลเซอร์ femtosecond ยังสามารถเตรียมโครงสร้างไมโครนาโนพื้นผิวประเภทต่างๆ เพื่อให้สามารถป้องกันแสงสะท้อน ป้องกันการสะท้อนแสง ซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิก ต่อต้านน้ำแข็ง และฟังก์ชั่นอื่น ๆ ไม่เพียงเท่านั้น เลเซอร์ femtosecond ยังถูกนำไปใช้ในสาขาชีวเวชศาสตร์ ซึ่งแสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่โดดเด่นในสาขาต่างๆ เช่น ไมโครสเตนท์ทางชีวภาพ สารตั้งต้นในการเพาะเลี้ยงเซลล์ และการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ชีวภาพ โอกาสการใช้งานในวงกว้าง ในปัจจุบัน ขอบเขตการใช้งานของการประมวลผลด้วยเลเซอร์ femtosecond กำลังขยายตัวทุกปี นอกเหนือจากการใช้งานไมโครออปติก ไมโครฟลูอิดิก โครงสร้างไมโครนาโนอเนกประสงค์ และวิศวกรรมชีวการแพทย์ที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว มันยังมีบทบาทสำคัญในสาขาใหม่บางสาขา เช่น การเตรียม metasurface การผลิตไมโครนาโนและการจัดเก็บข้อมูลออปติคอลหลายมิติ ฯลฯ