Hoewel ultrasnelle lasers al tientallen jaren bestaan, is het aantal industriële toepassingen de afgelopen twintig jaar snel toegenomen. In 2019 bedroeg de marktwaarde van ultrasnelle lasers...lasermateriaalDe verwerkingswaarde bedroeg ongeveer 460 miljoen dollar, met een samengestelde jaarlijkse groei van 13%. Toepassingsgebieden waar ultrasnelle lasers met succes zijn gebruikt voor de bewerking van industriële materialen zijn onder andere de fabricage en reparatie van fotomaskers in de halfgeleiderindustrie, evenals het snijden van silicium, het snijden/graveren van glas en het verwijderen van (indiumtinoxide) ITO-films in consumentenelektronica zoals mobiele telefoons en tablets, het textureren van zuigers voor de auto-industrie, de productie van coronaire stents en de productie van microfluïdische apparaten voor de medische industrie.
01 Productie en reparatie van fotomaskers in de halfgeleiderindustrie
Ultrasnelle lasers werden al vroeg gebruikt in industriële toepassingen in de materiaalbewerking. IBM rapporteerde in de jaren negentig de toepassing van femtoseconde laserablatie bij de productie van fotomaskers. In vergelijking met nanoseconde laserablatie, die metaalspatten en glasschade kan veroorzaken, vertonen femtoseconde lasermaskers geen metaalspatten, geen glasschade, enzovoort. Dit biedt aanzienlijke voordelen. Deze methode wordt gebruikt voor de productie van geïntegreerde schakelingen (IC's). De productie van een IC-chip kan tot wel 30 maskers vereisen en meer dan $100.000 kosten. Met femtoseconde laserbewerking kunnen lijnen en punten kleiner dan 150 nm worden verwerkt.
Afbeelding 1. Fabricage en reparatie van fotomaskers
Figuur 2. Optimalisatieresultaten van verschillende maskerpatronen voor extreem ultraviolette lithografie.
02 Siliciumsnijden in de halfgeleiderindustrie
Het snijden van siliciumwafers is een standaardproductieproces in de halfgeleiderindustrie en wordt doorgaans uitgevoerd met mechanische snijschijven. Deze snijschijven ontwikkelen vaak microscheurtjes en zijn moeilijk te gebruiken voor dunne wafers (bijvoorbeeld met een dikte van minder dan 150 μm). Lasersnijden van siliciumwafers wordt al jaren in de halfgeleiderindustrie gebruikt, met name voor dunne wafers (100-200 μm), en wordt in meerdere stappen uitgevoerd: lasergroeven, gevolgd door mechanische scheiding of stealth-snijden (waarbij een infraroodlaserstraal in het silicium snijdt) en vervolgens mechanische tapescheiding. De nanoseconde-pulslaser kan 15 wafers per uur verwerken en de picoseconde-laser 23 wafers per uur, met een hogere kwaliteit.
03 Glas snijden/graveren in de verbruikselektronica-industrie
Touchscreens en beschermglazen voor mobiele telefoons en laptops worden steeds dunner en sommige geometrische vormen zijn gebogen. Dit maakt traditioneel mechanisch snijden lastiger. Typische lasers leveren doorgaans een slechte snijkwaliteit, vooral wanneer deze glazen schermen uit 3-4 lagen bestaan en het bovenste, 700 μm dikke beschermglas gehard is, dat kan breken bij plaatselijke spanning. Ultrasnelle lasers blijken deze glazen met een betere randsterkte te kunnen snijden. Bij het snijden van grote platte panelen kan de femtoseconde laser op de achterkant van de glasplaat worden gefocust, waardoor de binnenkant van het glas wordt bekrast zonder de voorkant te beschadigen. Het glas kan vervolgens mechanisch of thermisch worden gebroken langs het gegraveerde patroon.
Afbeelding 3. Picoseconde ultrasnelle laser voor het snijden van speciaal gevormd glas.
04 Zuigertexturen in de automobielindustrie
Lichtgewicht automotoren worden gemaakt van aluminiumlegeringen, die minder slijtvast zijn dan gietijzer. Studies hebben aangetoond dat het bewerken van femtoseconde lasers van de textuur van autozuigers de wrijving met wel 25% kan verminderen, omdat vuil en olie effectief kunnen worden opgeslagen.
Figuur 4. Femtoseconde laserbewerking van zuigers in automotoren om de motorprestaties te verbeteren.
05 Productie van coronaire stents in de medische industrie
Miljoenen coronaire stents worden in de kransslagaders van het lichaam geplaatst om een doorgang te creëren waardoor bloed kan stromen naar anders verstopte bloedvaten. Dit redt jaarlijks miljoenen levens. Coronaire stents worden doorgaans gemaakt van metaal (bijvoorbeeld roestvrij staal, nikkel-titanium vormgeheugenlegering of, meer recent, kobalt-chroomlegering) met een draadgaas en een staafdikte van ongeveer 100 μm. In vergelijking met lasersnijden met lange pulsen biedt het gebruik van ultrasnelle lasers voor het snijden van stents voordelen zoals een hoge snijkwaliteit, een betere oppervlakteafwerking en minder afval, wat de nabewerkingskosten verlaagt.
06 Fabricage van microfluïdische apparaten voor de medische industrie
Microfluïdische apparaten worden veelvuldig gebruikt in de medische industrie voor het testen en diagnosticeren van ziekten. Deze worden doorgaans vervaardigd door middel van micro-spuitgieten van individuele onderdelen, die vervolgens worden verbonden door middel van lijmen of lassen. Ultrasnelle laserfabricage van microfluïdische apparaten heeft als voordeel dat er 3D-microkanalen kunnen worden geproduceerd in transparante materialen zoals glas, zonder dat er verbindingen nodig zijn. Een methode is ultrasnelle laserfabricage in een massief glas, gevolgd door nat chemisch etsen. Een andere methode is femtoseconde laserablatie in glas of plastic in gedestilleerd water om deeltjes te verwijderen. Een andere benadering is het frezen van kanalen in het glasoppervlak en het afdichten ervan met een glazen afdekking door middel van femtoseconde laserlassen.
Figuur 6. Selectief etsen met behulp van een femtoseconde laser voor het prepareren van microfluïdische kanalen in glasmaterialen.
07 Microboring van de injectormondstuk
Het bewerken van microgaten met een femtoseconde laser heeft bij veel bedrijven in de markt voor hogedrukinjectoren de micro-EDM-techniek vervangen vanwege de grotere flexibiliteit bij het aanpassen van de profielen van de stroomgaten en de kortere bewerkingstijden. De mogelijkheid om de focuspositie en de kanteling van de laserstraal automatisch te regelen met behulp van een precessie-scankop heeft geleid tot het ontwerpen van apertuurprofielen (bijv. tonvormig, flared, convergentie, divergentie) die de verstuiving of penetratie in de verbrandingskamer kunnen bevorderen. De boortijd is afhankelijk van het ablatievolume, met een boordikte van 0,2 – 0,5 mm en een gatdiameter van 0,12 – 0,25 mm, waardoor deze techniek tien keer sneller is dan micro-EDM. Microboren wordt in drie fasen uitgevoerd, inclusief het voorbewerken en afwerken van de geleidegaten. Argon wordt gebruikt als hulpgas om het boorgat te beschermen tegen oxidatie en om het uiteindelijke plasma tijdens de eerste fasen af te schermen.
Figuur 7. Nauwkeurige bewerking met een femtoseconde laser van een omgekeerd conisch gat voor een dieselmotorinjector.
08 Ultrasnelle lasertexturering
De afgelopen jaren is micromachining, met als doel de bewerkingsnauwkeurigheid te verbeteren, materiaalschade te verminderen en de verwerkingsefficiëntie te verhogen, steeds meer een belangrijk onderzoeksgebied geworden. Ultrasnelle lasers bieden diverse voordelen, zoals minimale schade en hoge precisie, waardoor ze een centrale rol spelen in de ontwikkeling van deze technologie. Tegelijkertijd kunnen ultrasnelle lasers op een breed scala aan materialen inwerken, en is het verminderen van materiaalschade door laserbewerking een belangrijk onderzoeksgebied. Ultrasnelle lasers worden gebruikt om materialen te ablateren. Wanneer de energiedichtheid van de laser hoger is dan de ablatiedrempel van het materiaal, vertoont het oppervlak van het geablateerde materiaal een micro-nanostructuur met specifieke eigenschappen. Onderzoek toont aan dat deze bijzondere oppervlaktestructuur een veelvoorkomend verschijnsel is bij laserbewerking van materialen. Het creëren van micro-nanostructuren op het oppervlak kan de eigenschappen van het materiaal zelf verbeteren en tevens de ontwikkeling van nieuwe materialen mogelijk maken. Dit maakt de bereiding van micro-nanostructuren op het oppervlak met behulp van ultrasnelle lasers een technische methode met een belangrijke ontwikkelingswaarde. Momenteel kan onderzoek naar ultrasnelle lasertexturering van metalen materialen de bevochtigingseigenschappen van het metaaloppervlak verbeteren, de wrijving en slijtage verminderen, de hechting van coatings verbeteren en de gerichte proliferatie en hechting van cellen bevorderen.
Figuur 8. Superhydrofobe eigenschappen van een met laser geprepareerd siliciumoppervlak.
Als geavanceerde verwerkingstechnologie kenmerkt ultrasnelle laserbewerking zich door een kleine warmtebeïnvloede zone, een niet-lineair interactieproces met materialen en een hoge resolutie die de diffractielimiet overstijgt. Het maakt hoogwaardige en uiterst nauwkeurige micro-nanobewerking van diverse materialen en de fabricage van driedimensionale micro-nanostructuren mogelijk. Laserbewerking van speciale materialen, complexe structuren en speciale apparaten opent nieuwe mogelijkheden voor micro-nanoproductie. Momenteel wordt de femtoseconde laser veelvuldig gebruikt in diverse geavanceerde wetenschappelijke vakgebieden: de femtoseconde laser kan worden gebruikt voor de productie van verschillende optische apparaten, zoals microlensarrays, bionische samengestelde ogen, optische golfgeleiders en metasurfaces; dankzij de hoge precisie, hoge resolutie en driedimensionale verwerkingsmogelijkheden kan de femtoseconde laser microfluïdische en optofluïdische chips produceren of integreren, zoals microverwarmingselementen en driedimensionale microfluïdische kanalen. Bovendien kan een femtoseconde laser ook verschillende soorten micro-nanostructuren op oppervlakken aanbrengen om antireflectie-, anti-reflectie-, superhydrofobe, anti-ijs- en andere functies te realiseren. Daarnaast wordt de femtoseconde laser ook toegepast in de biomedische sector, waar hij uitstekende prestaties levert op gebieden zoals biologische microstents, celkweeksubstraten en biologische microscopische beeldvorming. De toepassingsmogelijkheden zijn breed. Momenteel breiden de toepassingsgebieden van femtoseconde laserbewerking zich jaar na jaar uit. Naast de bovengenoemde toepassingen in micro-optica, microfluidica, multifunctionele micro-nanostructuren en biomedische technologie, speelt de laser ook een belangrijke rol in opkomende gebieden zoals de bereiding van metasurfaces, micro-nanoproductie en multidimensionale optische informatieopslag, enzovoort.
Geplaatst op: 17 april 2024
