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【OPE电子竞技】超快激光器用于消费电子产品加工

by admin on 2021年1月13日

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ope官方电子体育网站_如今,超快激光器(飞秒和皮秒脉冲长度)是工业生产中最重要的部件之一。凭借其优质的非热材料加工能力,在激光技术、工艺研发、光束控制和传输等方面做出了进一步的变革,从而进一步拓展了超快激光器在工业市场的应用范围。

但是,为了保持交货和生产的平衡,必须同时满足以下条件:首先,必须证明超快激光在工业加工中的技术可行性,而且由于超快激光与物质的相互作用是独特的,所以需要对这一过程有详细而科学的解释;其次,工业生产的生产率必须保证能够给最终用户带来与其投资相匹配的收益,而不会促进光束控制和传输的变化,从而充分利用潜在的处理速度。消费电子产品似乎获得的证据最少。

手机、微处理器、显示器、内存芯片都是极其简单的部件,由大量不同的材料、小尺寸、较厚的层组成。因此,需要有先进的设备、低精度的加工能力和经济上不现实的大规模生产能力。这里有一些例子来解释为什么我们必须实时发展机械加工、激光技术和新的光束传输技术,以应对目前和未来可能经常出现的挑战。

为手机、平板电脑或电视生产平板显示器是最简单的技术之一,类似于或比20世纪60年代的阿波罗计划更困难。不同的生产步骤涉及大量不同的材料,具有微米级的纵向分辨率和几十纳米的厚度。既然整个过程都很好玩,那么工业生产率(能通过严格质检的产品比例)被视为秘密和挑战也就不足为奇了。一个关键的公差是面板上没有坏点,这将阻碍屏幕的商业化。

在过去的几年里,已经开发了几种不同的修复技术,通常涉及多波长纳秒激光。例如,通过激光碳化或切割控制像素的薄膜晶体管电极来修复暗像素(图1)。图1:薄膜晶体管电极切成1.9m宽。

(图片由韩国金属与机械研究所获得)目前的技术已经超越无穷大。因为高清屏幕分辨率的变化,像素尺寸更小,涉及到的纳秒激光处理热效应允许修复质量。

此外,包括有机发光二极管(OLED)和有源矩阵发光二极管(AMOLED)在内的新技术广泛应用于有机和聚合物材料,这些材料极易冷却,因此与热处理不相容。由于脉冲持续时间很短,超快激光器本质上非常适合非热微加工,同时也产生热量。

它们在屏幕修复和先进设备加工领域的应用日益扩大,从而推动了新一代柔性高速多波长超快激光器的发展。一些工业过程已经开始使用高精度的超快激光加工。

这还包括选择性激光(一般来说,激光亲和力可以精确到30纳米/脉冲),以及宽度大于2米的高精度薄膜晶体管电极切割。在这些加工过程中,需要开发先进的设备和灵活的光束整形技术,以获得平顶光束并确保其均匀分布和传输,从而可以整形尺寸低至22米的样品。在另一个例子中,半导体电路更简单,它们拒绝在更小的尺寸上建立更好的功能。

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因此,今天的晶片由许多层各种材料组成,例如限于慢操作的低介电常数材料。半导体制造业中最重要的工序之一是晶片的切割和分离,其中一个晶片被切割成分离的芯片(如图2所示)。传统上是用钻石挂钩进行加工,但是现在的技术已经超越了无穷大。由于脆性大、厚度较薄、介电常数较低的材料层数较多,产生裂纹、分层挤压等负面影响的概率大大增加。

图2:半导体晶片切割和切片。(此图由AmplitudeSystemes获得。

)虽然紫外纳秒激光加工的应用得到了推广,但纳秒激光加工带来的热效应仍然大大允许加工结果的质量。另一方面,超快激光已经证明了它在加工硅和高质量多层材料方面的能力。直到最近,超快激光平均功率的容差仍然是一个主要问题,它严重地容差了整体生产效率。如今,没有高可靠性的工业级飞秒激光器的功率在50-100瓦之间,这使得其生产能力与工业拒绝相匹配。

超快激光器是先进设备微加工过程中最重要的部件之一,在质量控制和测量中起着最重要的作用。RudolphTechnologies最近发布了一种新的工具,用于测量半导体行业的非半透明薄膜的厚度。

该系统基于声波测量,用于激光产生的非常短的不相同脉冲。利用高精度泵浦观测技术测量成像脉冲在各层表面的光时间。

再比如法国CAMECA公司可以搭建半导体和金属样品原子分辨率的3D光学,与分析密切相关。这个令人难以置信的测量过程是基于原子探针色谱技术,该技术用于超快激光太阳光样本的纳米半径尖端(如图3右图所示)。如果能小心控制激光的功率,激光往往会出现,但原子又会发生有益的冷却,然后将每个原子送到方位传感器,确认原子来自哪个方位。

同时通过飞行中时间质谱仪测量原子的质量,从而确定针尖的成分。然后,逐步进行三维重建。该方法用于监测半导体工业中半导体材料的成分和杂质,并用于仔细控制冶金材料中冶金合金的质量。

图3:原子探针色谱的原理。(此图由CAMECA获得)大功率、高可靠性激光系统的频繁出现,大大提高了激光加工和质量控制。

更具体地说,平均功率为50至200瓦的超快激光器需要提高生产效率和生产率,以便不断扩大其在新领域的应用。然而,控制和传输这种高功率激光器的光束并不容易。为了保证利润,加工速度必须超过100米/秒,同时必须保持微水平的定位精度。

目前这一代检流计扫描仪已经超过无穷大,迫切需要新的方法。ESI已经出售了一个结合了振镜和声光技术的混合处理系统。当以高加工速度操作时,扫描振镜的惯性意味着它继续缓慢,例如急转弯,所以加工的结构将与设计的形状完全相同。

然而,声光调制器表现出极其灵敏的反应性,但范围很小。检流计运动和声光旋转的一体化需要精确实时,才能解决这一局限。

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这项技术在网络数字电路的图形制作中特别简单,因为它们构造得比较多,所以布线密度必须降低。日本DISCO公司的研究人员使用相同的激光同时进行微加工和过程控制,从而将两者结合起来。

在这种情况下,使用超快激光器在双层衬底上钻激光盲孔,上层由80m薄的半透明材料制成,下层由20m薄的金属膜制成。为了精确地控制激光脉冲的数量,使得激光范围被限制在半透明的衬底上,必须使用光谱分析仪来监测等离子体的剥离,即激光诱导透射光谱(LIBS)技术。图4:4的芯形:戈薇纤维。(图片由CNRS/Glopotonics获得)由于等离子体剥离根据激光的原子类型具有独特的发射光谱,所以它可以及时准确地监测半透明层几乎是激光的时间。

另一种方法是多边形扫描仪可以建立高达100米/秒的扫描速度。这种单个多面镜可以高速展开和旋转,几乎可以代替不能传输X、Y方向光束的低惯量检流计。
如果脉冲激光器和多面镜的旋转能够精确和实时,那么每个表面上只有一个点可能会影响样品的处理。

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在这种情况下,这种微加工过程更类似于一个数字过程,即需要控制激光器的开启和关闭,以产生必要的图形。为了获得理想的效果,需要在激光器和扫描仪之间建立非常精确的实时性,而多面镜的制造精度很低,加工工艺必须精心设计。瑞士伯尔尼应用科学大学教授BeatNeuenschwander与比利时的AmplitudeSystmes和NextScan公司合作,利用500kHz的超快激光,构建了微米级定位精度的高速表面微造型。

关于光束传输的更好的想法仍在酝酿中。光纤传输系统给激光加工行业带来了新的面貌,但工业超快激光器直到最近才从中受益。由于小纤芯的光束容限,超快脉冲的峰值强度非常低,因此不会产生严重的非线性效应,最终导致纤维水解。

为了脱离这种公差,人们开发了空心微结构光纤,但允许芯径只有几微米,对于实际应用来说太小了。大模场面积中空戈薇微结构光纤的研发为高能大功率飞秒激光束的光纤传输铺平了道路。这种空心光纤芯,特别是内圆回形的空心光纤芯,允许激光模式,避免了与光纤微结构的相互作用,集低非线性、大模场面积和灵活分散控制于一体。通过与法国GloPhotonics公司的合作,AmplitudeSystmes已经能够传输几米的毫焦耳脉冲,同时确保脉冲持续时间高于500fs。

在与PhotonicsTools合作进行的另一项实验中,已经有可能发射平均功率为100瓦的脉冲激光,并且有可能构建功率高于100飞秒的脉冲传输。其他团队和激光制造商也利用戈薇光纤快速开发了柔性传输系统(如图4所示),我们可以预计超快激光加工技术在未来几年将进入一个更加理解的变化。

随着对短脉冲激光与物质相互作用原理的进一步了解,以及光束控制和传输系统的技术发展,超快激光已经进入我们的日常生活。通过了解最先进设备的工业加工过程,它改变了我们看待事物、交流和工作的方式,它将是未来更简单的消费电子设备顺利生产的关键。。

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