การผลิตระดับไมโครและนาโนด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ - การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

แม้ว่าเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษจะมีมานานหลายทศวรรษแล้ว แต่การใช้งานในภาคอุตสาหกรรมกลับเติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา ในปี 2019 มูลค่าตลาดของเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษวัสดุเลเซอร์มูลค่าการประมวลผลอยู่ที่ประมาณ 460 ล้านดอลลาร์สหรัฐ โดยมีอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปีแบบทบต้นที่ 13% พื้นที่การใช้งานที่เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษประสบความสำเร็จในการแปรรูปวัสดุอุตสาหกรรม ได้แก่ การผลิตและการซ่อมแซมโฟโตมาสก์ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ รวมถึงการตัดซิลิคอน การตัด/สลักกระจก และการกำจัดฟิล์ม ITO (อินเดียมทินออกไซด์) ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น โทรศัพท์มือถือและแท็บเล็ต การสร้างพื้นผิวลูกสูบสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ การผลิตขดลวดค้ำยันหลอดเลือดหัวใจ และการผลิตอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกสำหรับอุตสาหกรรมการแพทย์

01 การผลิตและการซ่อมแซมโฟโตมาสก์ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษถูกนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรมยุคแรกๆ ด้านการแปรรูปวัสดุ บริษัท IBM รายงานการประยุกต์ใช้การตัดเฉือนด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีในการผลิตโฟโตมาสก์ในช่วงทศวรรษ 1990 เมื่อเปรียบเทียบกับการตัดเฉือนด้วยเลเซอร์นาโนวินาที ซึ่งอาจทำให้เกิดการกระเด็นของโลหะและความเสียหายต่อกระจก โฟโตมาสก์ที่ผลิตด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีจะไม่เกิดการกระเด็นของโลหะหรือความเสียหายต่อกระจก นี่คือข้อดี วิธีการนี้ถูกนำมาใช้ในการผลิตวงจรรวม (IC) การผลิตชิป IC หนึ่งชิ้นอาจต้องใช้มาสก์มากถึง 30 ชิ้น และมีค่าใช้จ่ายมากกว่า 100,000 ดอลลาร์สหรัฐ การประมวลผลด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีสามารถประมวลผลเส้นและจุดที่มีขนาดเล็กกว่า 150 นาโนเมตรได้

รูปที่ 1 การผลิตและการซ่อมแซมโฟโตมาสก์

รูปที่ 2 ผลลัพธ์การปรับรูปแบบหน้ากากที่แตกต่างกันสำหรับการพิมพ์หินด้วยแสงอัลตราไวโอเลตแบบเข้มข้น

02 การตัดซิลิคอนในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

การตัดแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเป็นกระบวนการผลิตมาตรฐานในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ และโดยทั่วไปจะดำเนินการโดยใช้การตัดเชิงกล ล้อตัดเหล่านี้มักเกิดรอยแตกขนาดเล็กและยากต่อการตัดแผ่นเวเฟอร์บาง (เช่น ความหนา < 150 ไมโครเมตร) การตัดแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนด้วยเลเซอร์ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มานานหลายปี โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแผ่นเวเฟอร์บาง (100-200 ไมโครเมตร) และดำเนินการเป็นหลายขั้นตอน ได้แก่ การเซาะร่องด้วยเลเซอร์ ตามด้วยการแยกเชิงกลหรือการตัดแบบซ่อนเร้น (เช่น ลำแสงเลเซอร์อินฟราเรดภายในร่องซิลิคอน) ตามด้วยการแยกด้วยเทปเชิงกล เลเซอร์พัลส์นาโนวินาทีสามารถประมวลผลเวเฟอร์ได้ 15 แผ่นต่อชั่วโมง และเลเซอร์พิโควินาทีสามารถประมวลผลได้ 23 แผ่นต่อชั่วโมง โดยมีคุณภาพสูงกว่า

03 การตัด/สลักกระจกในอุตสาหกรรมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้แล้วทิ้ง

หน้าจอสัมผัสและกระจกป้องกันสำหรับโทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อปมีขนาดบางลง และรูปทรงเรขาคณิตบางส่วนก็โค้งงอ ทำให้การตัดด้วยเครื่องจักรแบบดั้งเดิมทำได้ยากขึ้น เลเซอร์ทั่วไปมักให้คุณภาพการตัดที่ไม่ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อจอแสดงผลกระจกเหล่านี้ซ้อนกัน 3-4 ชั้น และกระจกป้องกันด้านบนหนา 700 ไมโครเมตรเป็นกระจกนิรภัย ซึ่งอาจแตกได้เมื่อเกิดแรงกดเฉพาะจุด เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถตัดกระจกเหล่านี้ได้ด้วยความแข็งแรงของขอบที่ดีกว่า สำหรับการตัดแผงเรียบขนาดใหญ่ เลเซอร์เฟมโตวินาทีสามารถโฟกัสไปที่พื้นผิวด้านหลังของแผ่นกระจก ทำให้เกิดรอยขีดข่วนด้านในของกระจกโดยไม่ทำให้พื้นผิวด้านหน้าเสียหาย จากนั้นจึงสามารถทำให้กระจกแตกได้โดยใช้กลไกหรือความร้อนตามแนวรอยขีด

รูปที่ 3 การตัดกระจกรูปทรงพิเศษด้วยเลเซอร์อัลตร้าฟาสต์ระดับพิโควินาที

04 ลักษณะพื้นผิวของลูกสูบในอุตสาหกรรมยานยนต์

เครื่องยนต์รถยนต์น้ำหนักเบาทำจากโลหะผสมอะลูมิเนียม ซึ่งทนต่อการสึกหรอได้ไม่ดีเท่าเหล็กหล่อ จากการศึกษาพบว่า การประมวลผลพื้นผิวลูกสูบรถยนต์ด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาที สามารถลดแรงเสียดทานได้มากถึง 25% เนื่องจากสามารถกักเก็บเศษฝุ่นและน้ำมันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

รูปที่ 4 การประมวลผลลูกสูบเครื่องยนต์รถยนต์ด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีเพื่อปรับปรุงสมรรถนะของเครื่องยนต์

05 การผลิตขดลวดค้ำยันหลอดเลือดหัวใจในอุตสาหกรรมการแพทย์

มีการฝังขดลวดค้ำยันหลอดเลือดหัวใจหลายล้านชิ้นเข้าไปในหลอดเลือดหัวใจของร่างกาย เพื่อเปิดทางให้เลือดไหลเข้าสู่หลอดเลือดที่อาจอุดตัน ซึ่งช่วยชีวิตผู้คนนับล้านทุกปี ขดลวดค้ำยันหลอดเลือดหัวใจมักทำจากโลหะ (เช่น สแตนเลส โลหะผสมนิกเกล-ไทเทเนียมที่มีคุณสมบัติการจำรูปทรง หรือล่าสุดคือโลหะผสมโคบอลต์-โครเมียม) ที่เป็นตาข่ายลวด โดยมีความกว้างของแกนประมาณ 100 ไมโครเมตร เมื่อเทียบกับการตัดด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ยาว ข้อดีของการใช้เลเซอร์ความเร็วสูงในการตัดชิ้นส่วนค้ำยันคือ คุณภาพการตัดสูงกว่า ผิวงานเรียบเนียนกว่า และมีเศษวัสดุน้อยกว่า ซึ่งช่วยลดต้นทุนหลังการประมวลผล

06 การผลิตอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกสำหรับอุตสาหกรรมการแพทย์

อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์มักใช้ในอุตสาหกรรมการแพทย์สำหรับการทดสอบและการวินิจฉัยโรค โดยทั่วไปแล้วจะผลิตโดยการฉีดขึ้นรูปชิ้นส่วนแต่ละชิ้นด้วยไมโครอินเจคชั่น แล้วจึงเชื่อมต่อกันโดยใช้กาวหรือการเชื่อม การผลิตอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์ด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงมีข้อดีคือสามารถสร้างไมโครแชนเนลแบบ 3 มิติภายในวัสดุโปร่งใส เช่น แก้ว โดยไม่จำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อ วิธีหนึ่งคือการผลิตด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงภายในแก้วแบบก้อน ตามด้วยการกัดด้วยสารเคมีแบบเปียก และอีกวิธีหนึ่งคือการใช้เลเซอร์เฟมโตวินาทีในการกำจัดเศษวัสดุภายในแก้วหรือพลาสติกในน้ำกลั่น อีกแนวทางหนึ่งคือการเจาะช่องลงบนพื้นผิวแก้วและปิดผนึกด้วยฝาครอบแก้วโดยใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาที

รูปที่ 6 การกัดเซาะแบบเลือกเฉพาะจุดด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีเพื่อเตรียมช่องทางไมโครฟลูอิดิกภายในวัสดุแก้ว

07 การเจาะรูขนาดเล็กที่หัวฉีด

การเจาะรูขนาดเล็กด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีได้เข้ามาแทนที่การตัดด้วยไฟฟ้าขนาดเล็ก (micro-EDM) ในหลายบริษัทในตลาดหัวฉีดแรงดันสูง เนื่องจากมีความยืดหยุ่นมากกว่าในการเปลี่ยนรูปทรงของรู และใช้เวลาในการเจาะสั้นกว่า ความสามารถในการควบคุมตำแหน่งโฟกัสและการเอียงของลำแสงโดยอัตโนมัติผ่านหัวสแกนแบบหมุนได้ ทำให้สามารถออกแบบรูปทรงของช่องเปิด (เช่น ทรงกระบอก ทรงบาน ทรงลู่เข้า ทรงลู่ออก) ที่สามารถส่งเสริมการทำให้เป็นละอองหรือการแทรกซึมเข้าไปในห้องเผาไหม้ได้ เวลาในการเจาะขึ้นอยู่กับปริมาตรการกัดเซาะ โดยมีความหนาของดอกสว่าน 0.2 – 0.5 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลางของรู 0.12 – 0.25 มม. ทำให้เทคนิคนี้เร็วกว่า micro-EDM ถึงสิบเท่า การเจาะขนาดเล็กดำเนินการในสามขั้นตอน ได้แก่ การเจาะหยาบและการเจาะละเอียดของรูนำร่อง อาร์กอนถูกใช้เป็นก๊าซเสริมเพื่อป้องกันรูเจาะจากการออกซิเดชันและเพื่อป้องกันพลาสมาสุดท้ายในช่วงเริ่มต้น

รูปที่ 7. การประมวลผลความแม่นยำสูงด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีของรูเรียวกลับด้านสำหรับหัวฉีดเครื่องยนต์ดีเซล

08 การสร้างพื้นผิวด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการขึ้นรูป ลดความเสียหายของวัสดุ และเพิ่มประสิทธิภาพในการประมวลผล สาขาการขึ้นรูปขนาดเล็กจึงค่อยๆ กลายเป็นจุดสนใจของนักวิจัย เลเซอร์ความเร็วสูงมีข้อดีในการประมวลผลหลายประการ เช่น ความเสียหายต่ำและความแม่นยำสูง ซึ่งกลายเป็นจุดสนใจในการส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีการประมวลผล ในขณะเดียวกัน เลเซอร์ความเร็วสูงยังสามารถใช้งานกับวัสดุได้หลากหลายชนิด และการลดความเสียหายของวัสดุในการประมวลผลด้วยเลเซอร์ก็เป็นทิศทางการวิจัยที่สำคัญเช่นกัน เลเซอร์ความเร็วสูงใช้ในการกัดเซาะวัสดุ เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์สูงกว่าเกณฑ์การกัดเซาะของวัสดุ พื้นผิวของวัสดุที่ถูกกัดเซาะจะแสดงโครงสร้างระดับไมโครและนาโนที่มีลักษณะเฉพาะ การวิจัยแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างพื้นผิวพิเศษนี้เป็นปรากฏการณ์ทั่วไปที่เกิดขึ้นเมื่อทำการประมวลผลวัสดุด้วยเลเซอร์ การเตรียมโครงสร้างระดับไมโครและนาโนบนพื้นผิวสามารถปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุเองและยังช่วยให้สามารถพัฒนาวัสดุใหม่ได้ ดังนั้น การเตรียมโครงสร้างระดับไมโครและนาโนบนพื้นผิวด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงจึงเป็นวิธีการทางเทคนิคที่มีความสำคัญต่อการพัฒนาอย่างมาก ในปัจจุบัน สำหรับวัสดุโลหะ การวิจัยเกี่ยวกับการสร้างพื้นผิวด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ สามารถปรับปรุงคุณสมบัติการเปียกของพื้นผิวโลหะ ปรับปรุงคุณสมบัติการเสียดสีและการสึกหรอของพื้นผิว เพิ่มการยึดเกาะของสารเคลือบ และส่งเสริมการแพร่กระจายและการยึดเกาะของเซลล์ในทิศทางที่กำหนด

รูปที่ 8 คุณสมบัติการกันน้ำขั้นสุดยอดของพื้นผิวซิลิคอนที่เตรียมด้วยเลเซอร์

การประมวลผลด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงเป็นเทคโนโลยีการประมวลผลที่ล้ำสมัย มีลักษณะเฉพาะคือ โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนขนาดเล็ก กระบวนการปฏิสัมพันธ์กับวัสดุแบบไม่เชิงเส้น และการประมวลผลที่มีความละเอียดสูงเกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบน สามารถทำการประมวลผลระดับไมโครและนาโนที่มีคุณภาพสูงและความแม่นยำสูงกับวัสดุต่างๆ และการสร้างโครงสร้างไมโครและนาโนสามมิติ การบรรลุการผลิตด้วยเลเซอร์ของวัสดุพิเศษ โครงสร้างที่ซับซ้อน และอุปกรณ์พิเศษ เปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับการผลิตระดับไมโครและนาโน ปัจจุบัน เลเซอร์เฟมโตวินาทีถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาวิทยาศาสตร์ล้ำสมัยหลายสาขา: เลเซอร์เฟมโตวินาทีสามารถใช้ในการเตรียมอุปกรณ์ทางแสงต่างๆ เช่น อาร์เรย์เลนส์ขนาดเล็ก ดวงตาประกอบเลียนแบบชีวภาพ ท่อนำแสง และเมตาเซอร์เฟซ; ด้วยความแม่นยำสูง ความละเอียดสูง และความสามารถในการประมวลผลสามมิติ เลเซอร์เฟมโตวินาทีสามารถเตรียมหรือรวมชิปไมโครฟลูอิดิกและออปโตฟลูอิดิก เช่น ส่วนประกอบไมโครฮีตเตอร์และช่องไมโครฟลูอิดิกสามมิติ นอกจากนี้ เลเซอร์เฟมโตวินาทียังสามารถเตรียมโครงสร้างจุลภาคและนาโนบนพื้นผิวประเภทต่างๆ เพื่อให้ได้คุณสมบัติป้องกันการสะท้อนแสง การกันน้ำเป็นพิเศษ การป้องกันการเกิดน้ำแข็ง และฟังก์ชันอื่นๆ ไม่เพียงเท่านั้น เลเซอร์เฟมโตวินาทียังถูกนำไปประยุกต์ใช้ในด้านชีวการแพทย์ โดยแสดงประสิทธิภาพที่โดดเด่นในด้านต่างๆ เช่น ไมโครสเตนต์ทางชีวภาพ พื้นผิวสำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์ และการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ทางชีวภาพ มีโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวาง ปัจจุบัน ขอบเขตการใช้งานของการประมวลผลด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีกำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่องทุกปี นอกเหนือจากการใช้งานด้านไมโครออปติกส์ ไมโครฟลูอิดิกส์ โครงสร้างจุลภาคและนาโนแบบมัลติฟังก์ชั่น และวิศวกรรมชีวการแพทย์ที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว ยังมีบทบาทสำคัญอย่างมากในบางสาขาที่กำลังเกิดขึ้นใหม่ เช่น การเตรียมเมตาเซอร์เฟซ การผลิตจุลภาคและนาโน และการจัดเก็บข้อมูลเชิงแสงแบบหลายมิติ เป็นต้น