અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર માઇક્રો-નેનો મેન્યુફેક્ચરિંગ-ઔદ્યોગિક એપ્લિકેશન્સ

અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરો દાયકાઓથી હોવા છતાં, છેલ્લા બે દાયકામાં ઔદ્યોગિક એપ્લિકેશન્સ ઝડપથી વિકસ્યા છે. 2019 માં, અલ્ટ્રાફાસ્ટનું બજાર મૂલ્યલેસર સામગ્રી13% ના ચક્રવૃદ્ધિ વાર્ષિક વૃદ્ધિ દર સાથે પ્રોસેસિંગ આશરે US$460 મિલિયન હતું. ઔદ્યોગિક સામગ્રીઓ પર પ્રક્રિયા કરવા માટે અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરોનો સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે તેમાં સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં ફોટોમાસ્ક ફેબ્રિકેશન અને રિપેર તેમજ સિલિકોન ડાઇસિંગ, ગ્લાસ કટીંગ/સ્ક્રાઇબિંગ અને (ઇન્ડિયમ ટીન ઓક્સાઇડ) મોબાઇલ ફોન અને ટેબ્લેટ જેવા કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં ITO ફિલ્મ દૂર કરવાનો સમાવેશ થાય છે. , ઓટોમોટિવ ઉદ્યોગ માટે પિસ્ટન ટેક્સચર, કોરોનરી સ્ટેન્ટ ઉત્પાદન અને તબીબી ઉદ્યોગ માટે માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણ ઉત્પાદન.

01 સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં ફોટોમાસ્કનું ઉત્પાદન અને સમારકામ

અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરોનો ઉપયોગ મટીરીયલ પ્રોસેસિંગમાં સૌથી પહેલાના ઔદ્યોગિક કાર્યક્રમોમાં થતો હતો. IBM એ 1990 ના દાયકામાં ફોટોમાસ્ક ઉત્પાદનમાં ફેમટોસેકન્ડ લેસર એબ્લેશનની અરજીની જાણ કરી. નેનોસેકન્ડ લેસર એબ્લેશનની સરખામણીમાં, જે મેટલ સ્પેટર અને કાચને નુકસાન પહોંચાડી શકે છે, ફેમટોસેકન્ડ લેસર માસ્ક કોઈ મેટલ સ્પેટર, કાચને નુકસાન નહીં, વગેરે બતાવે છે. ફાયદા. આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ (ICs) બનાવવા માટે થાય છે. IC ચિપ બનાવવા માટે 30 જેટલા માસ્ક અને $100,000 સુધીની કિંમતની જરૂર પડી શકે છે. ફેમટોસેકન્ડ લેસર પ્રોસેસિંગ 150nmથી નીચેની રેખાઓ અને બિંદુઓ પર પ્રક્રિયા કરી શકે છે.

આકૃતિ 1. ફોટોમાસ્ક ફેબ્રિકેશન અને રિપેર

આકૃતિ 2. આત્યંતિક અલ્ટ્રાવાયોલેટ લિથોગ્રાફી માટે વિવિધ માસ્ક પેટર્નના ઑપ્ટિમાઇઝેશન પરિણામો

02 સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં સિલિકોન કટીંગ

સિલિકોન વેફર ડાઇસિંગ એ સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં પ્રમાણભૂત ઉત્પાદન પ્રક્રિયા છે અને સામાન્ય રીતે યાંત્રિક ડાઇસિંગનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે. આ કટીંગ વ્હીલ્સ ઘણીવાર માઇક્રોક્રેક્સ વિકસાવે છે અને પાતળા (દા.ત. જાડાઈ < 150 μm) વેફર કાપવા મુશ્કેલ હોય છે. સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં સિલિકોન વેફરનું લેસર કટીંગ ઘણા વર્ષોથી ઉપયોગમાં લેવાય છે, ખાસ કરીને પાતળા વેફર્સ (100-200μm) માટે, અને તે બહુવિધ પગલાઓમાં હાથ ધરવામાં આવે છે: લેસર ગ્રુવિંગ, ત્યારબાદ યાંત્રિક વિભાજન અથવા સ્ટીલ્થ કટીંગ (એટલે ​​કે ઇન્ફ્રારેડ લેસર બીમ અંદર. સિલિકોન સ્ક્રાઇબિંગ) ત્યારબાદ યાંત્રિક ટેપ વિભાજન દ્વારા અનુસરવામાં આવે છે. નેનોસેકન્ડ પલ્સ લેસર કલાક દીઠ 15 વેફર્સ પર પ્રક્રિયા કરી શકે છે, અને પીકોસેકન્ડ લેસર ઉચ્ચ ગુણવત્તા સાથે કલાક દીઠ 23 વેફર પર પ્રક્રિયા કરી શકે છે.

03 ઉપભોક્તા ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ઉદ્યોગમાં ગ્લાસ કટીંગ/સ્ક્રાઇબિંગ

મોબાઈલ ફોન અને લેપટોપ માટે ટચ સ્ક્રીન અને રક્ષણાત્મક ચશ્મા પાતળા થઈ રહ્યા છે અને કેટલાક ભૌમિતિક આકાર વક્ર છે. આ પરંપરાગત યાંત્રિક કટીંગને વધુ મુશ્કેલ બનાવે છે. લાક્ષણિક લેસરો સામાન્ય રીતે નબળી કટ ગુણવત્તા ઉત્પન્ન કરે છે, ખાસ કરીને જ્યારે આ કાચના ડિસ્પ્લે 3-4 સ્તરોમાં સ્ટેક કરવામાં આવે છે અને ટોચનો 700 μm જાડા રક્ષણાત્મક ગ્લાસ ટેમ્પર્ડ હોય છે, જે સ્થાનિક તણાવ સાથે તૂટી શકે છે. અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર આ ચશ્માને વધુ સારી ધારની તાકાત સાથે કાપવામાં સક્ષમ હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. મોટા ફ્લેટ પેનલ કટિંગ માટે, ફેમટોસેકન્ડ લેસરને કાચની શીટની પાછળની સપાટી પર ફોકસ કરી શકાય છે, આગળની સપાટીને નુકસાન પહોંચાડ્યા વિના કાચની અંદરની બાજુએ ખંજવાળ કરી શકાય છે. કાચને પછી સ્કોર કરેલ પેટર્ન સાથે યાંત્રિક અથવા થર્મલ માધ્યમનો ઉપયોગ કરીને તોડી શકાય છે.

આકૃતિ 3. પિકોસેકન્ડ અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર ગ્લાસ સ્પેશિયલ આકારનું કટીંગ

04 ઓટોમોટિવ ઉદ્યોગમાં પિસ્ટન ટેક્સચર

હળવા વજનના કારના એન્જિનો એલ્યુમિનિયમ એલોયથી બનેલા હોય છે, જે કાસ્ટ આયર્ન જેટલા વસ્ત્રો-પ્રતિરોધક હોતા નથી. અભ્યાસમાં જાણવા મળ્યું છે કે કાર પિસ્ટન ટેક્સચરની ફેમટોસેકન્ડ લેસર પ્રોસેસિંગ ઘર્ષણને 25% સુધી ઘટાડી શકે છે કારણ કે ભંગાર અને તેલને અસરકારક રીતે સંગ્રહિત કરી શકાય છે.

આકૃતિ 4. એન્જિનની કામગીરી સુધારવા માટે ઓટોમોબાઈલ એન્જિન પિસ્ટોનની ફેમટોસેકન્ડ લેસર પ્રોસેસિંગ

05 તબીબી ઉદ્યોગમાં કોરોનરી સ્ટેન્ટનું ઉત્પાદન

લાખો કોરોનરી સ્ટેન્ટ્સ શરીરની કોરોનરી ધમનીઓમાં રોપવામાં આવે છે જેથી રક્ત અન્યથા ગંઠાઈ ગયેલી નળીઓમાં વહેવા માટે એક ચેનલ ખોલી શકાય, જે દર વર્ષે લાખો લોકોના જીવ બચાવે છે. કોરોનરી સ્ટેન્ટ સામાન્ય રીતે ધાતુમાંથી બનાવવામાં આવે છે (દા.ત., સ્ટેનલેસ સ્ટીલ, નિકલ-ટાઇટેનિયમ આકારની મેમરી એલોય, અથવા તાજેતરમાં કોબાલ્ટ-ક્રોમિયમ એલોય) આશરે 100 μm ની સ્ટ્રટ પહોળાઈ સાથે વાયર મેશ. લોંગ-પલ્સ લેસર કટીંગની તુલનામાં, કૌંસ કાપવા માટે અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરોનો ઉપયોગ કરવાના ફાયદાઓ છે ઉચ્ચ કટ ગુણવત્તા, સારી સપાટીની પૂર્ણાહુતિ અને ઓછો કચરો, જે પોસ્ટ-પ્રોસેસિંગ ખર્ચ ઘટાડે છે.

તબીબી ઉદ્યોગ માટે 06 માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણનું ઉત્પાદન

માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણોનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે તબીબી ઉદ્યોગમાં રોગના પરીક્ષણ અને નિદાન માટે થાય છે. આ સામાન્ય રીતે વ્યક્તિગત ભાગોના માઇક્રો-ઇન્જેક્શન મોલ્ડિંગ દ્વારા અને પછી ગ્લુઇંગ અથવા વેલ્ડીંગનો ઉપયોગ કરીને બોન્ડિંગ દ્વારા બનાવવામાં આવે છે. માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણોના અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર ફેબ્રિકેશનમાં કનેક્શનની જરૂરિયાત વિના કાચ જેવી પારદર્શક સામગ્રીમાં 3D માઇક્રોચેનલ ઉત્પન્ન કરવાનો ફાયદો છે. એક પદ્ધતિ છે બલ્ક ગ્લાસની અંદર અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર ફેબ્રિકેશન અને ત્યારબાદ ભીનું કેમિકલ ઇચિંગ, અને બીજી પદ્ધતિ છે કાચની અંદર ફેમટોસેકન્ડ લેસર એબ્લેશન અથવા ભંગાર દૂર કરવા માટે નિસ્યંદિત પાણીમાં પ્લાસ્ટિક. બીજો અભિગમ એ છે કે કાચની સપાટીમાં મશીનની ચેનલો દાખલ કરવી અને તેમને ફેમટોસેકન્ડ લેસર વેલ્ડીંગ દ્વારા કાચના આવરણથી સીલ કરવી.

આકૃતિ 6. કાચની સામગ્રીની અંદર માઇક્રોફ્લુઇડિક ચેનલો તૈયાર કરવા માટે ફેમટોસેકન્ડ લેસર-પ્રેરિત પસંદગીયુક્ત એચીંગ

07 ઇન્જેક્ટર નોઝલનું માઇક્રો ડ્રિલિંગ

ફેમટોસેકન્ડ લેસર માઈક્રોહોલ મશીનિંગે હાઈ-પ્રેશર ઈન્જેક્ટર માર્કેટમાં ઘણી કંપનીઓમાં ફ્લો હોલ રૂપરેખાઓ બદલવામાં વધુ સુગમતા અને ટૂંકા મશીનિંગ સમયને કારણે માઇક્રો-EDM ને બદલ્યું છે. પ્રીસેસિંગ સ્કેન હેડ દ્વારા બીમની ફોકસ પોઝિશન અને ઝુકાવને આપમેળે નિયંત્રિત કરવાની ક્ષમતાએ એપરચર પ્રોફાઇલ્સ (દા.ત., બેરલ, ફ્લેર, કન્વર્જન્સ, ડાયવર્જન્સ) ની રચના તરફ દોરી છે જે કમ્બશન ચેમ્બરમાં અણુકરણ અથવા ઘૂંસપેંઠને પ્રોત્સાહન આપી શકે છે. ડ્રિલિંગનો સમય એબ્લેશન વોલ્યુમ પર આધાર રાખે છે, જેમાં 0.2 - 0.5 મીમીની ડ્રિલ જાડાઈ અને 0.12 - 0.25 મીમીના છિદ્ર વ્યાસ સાથે, આ તકનીક માઇક્રો-EDM કરતા દસ ગણી ઝડપી બનાવે છે. માઇક્રોડ્રિલિંગ ત્રણ તબક્કામાં કરવામાં આવે છે, જેમાં રફિંગ અને થ્રુ-પાયલોટ હોલ્સનો સમાવેશ થાય છે. બોરહોલને ઓક્સિડેશનથી બચાવવા અને પ્રારંભિક તબક્કા દરમિયાન અંતિમ પ્લાઝ્માને બચાવવા માટે આર્ગોનનો ઉપયોગ સહાયક ગેસ તરીકે થાય છે.

આકૃતિ 7. ડીઝલ એન્જિન ઇન્જેક્ટર માટે ઇન્વર્ટેડ ટેપર હોલની ફેમટોસેકન્ડ લેસર ઉચ્ચ-ચોકસાઇ પ્રક્રિયા

08 અલ્ટ્રા-ફાસ્ટ લેસર ટેક્સચર

તાજેતરના વર્ષોમાં, મશિનિંગની ચોકસાઈ સુધારવા, સામગ્રીને નુકસાન ઘટાડવા અને પ્રક્રિયા કાર્યક્ષમતા વધારવા માટે, માઇક્રોમશિનિંગનું ક્ષેત્ર ધીમે ધીમે સંશોધકોનું કેન્દ્ર બન્યું છે. અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરમાં ઓછા નુકસાન અને ઉચ્ચ ચોકસાઇ જેવા વિવિધ પ્રોસેસિંગ ફાયદા છે, જે પ્રોસેસિંગ ટેકનોલોજીના વિકાસને પ્રોત્સાહન આપવાનું કેન્દ્ર બની ગયું છે. તે જ સમયે, અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરો વિવિધ સામગ્રી પર કાર્ય કરી શકે છે, અને લેસર પ્રોસેસિંગ સામગ્રીને નુકસાન એ પણ એક મુખ્ય સંશોધન દિશા છે. અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરનો ઉપયોગ સામગ્રીને દૂર કરવા માટે થાય છે. જ્યારે લેસરની ઉર્જા ઘનતા સામગ્રીના એબ્લેશન થ્રેશોલ્ડ કરતા વધારે હોય છે, ત્યારે એબ્લેટેડ સામગ્રીની સપાટી ચોક્કસ લાક્ષણિકતાઓ સાથે માઇક્રો-નેનો સ્ટ્રક્ચર બતાવશે. સંશોધન દર્શાવે છે કે આ વિશિષ્ટ સપાટીનું માળખું એ એક સામાન્ય ઘટના છે જે લેસર પ્રક્રિયા કરતી વખતે થાય છે. સપાટીના માઇક્રો-નેનો સ્ટ્રક્ચર્સની તૈયારી સામગ્રીના ગુણધર્મોને સુધારી શકે છે અને નવી સામગ્રીના વિકાસને પણ સક્ષમ કરી શકે છે. આ અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર દ્વારા સપાટીના માઇક્રો-નેનો સ્ટ્રક્ચર્સની તૈયારીને મહત્વપૂર્ણ વિકાસ મહત્વ સાથે તકનીકી પદ્ધતિ બનાવે છે. હાલમાં, ધાતુની સામગ્રી માટે, અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર સપાટીના ટેક્સચરિંગ પર સંશોધન મેટલની સપાટી ભીનાશ ગુણધર્મોને સુધારી શકે છે, સપાટીના ઘર્ષણ અને વસ્ત્રોના ગુણધર્મોને સુધારી શકે છે, કોટિંગના સંલગ્નતામાં વધારો કરી શકે છે, અને કોષોના દિશાત્મક પ્રસાર અને સંલગ્નતામાં વધારો કરી શકે છે.

આકૃતિ 8. લેસર-તૈયાર સિલિકોન સપાટીના સુપરહાઇડ્રોફોબિક ગુણધર્મો

અત્યાધુનિક પ્રોસેસિંગ ટેક્નોલોજી તરીકે, અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર પ્રોસેસિંગમાં નાના ઉષ્મા-અસરગ્રસ્ત ઝોન, સામગ્રી સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની બિન-રેખીય પ્રક્રિયા અને વિવર્તન મર્યાદાની બહાર ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન પ્રોસેસિંગની લાક્ષણિકતાઓ છે. તે વિવિધ સામગ્રીની ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળી અને ઉચ્ચ-ચોકસાઇવાળા માઇક્રો-નેનો પ્રોસેસિંગને અનુભવી શકે છે. અને ત્રિ-પરિમાણીય માઇક્રો-નેનો સ્ટ્રક્ચર ફેબ્રિકેશન. વિશિષ્ટ સામગ્રી, જટિલ માળખાં અને વિશિષ્ટ ઉપકરણોનું લેસર ઉત્પાદન હાંસલ કરવાથી માઇક્રો-નેનો ઉત્પાદન માટે નવા રસ્તાઓ ખુલે છે. હાલમાં, ફેમટોસેકન્ડ લેસરનો ઉપયોગ ઘણા અદ્યતન વૈજ્ઞાનિક ક્ષેત્રોમાં વ્યાપકપણે થાય છે: ફેમટોસેકન્ડ લેસરનો ઉપયોગ વિવિધ ઓપ્ટિકલ ઉપકરણો તૈયાર કરવા માટે થઈ શકે છે, જેમ કે માઇક્રોલેન્સ એરે, બાયોનિક કમ્પાઉન્ડ આંખો, ઓપ્ટિકલ વેવગાઈડ અને મેટાસર્ફેસ; તેની ઉચ્ચ ચોકસાઇ, ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશન અને ત્રિ-પરિમાણીય પ્રક્રિયા ક્ષમતાઓનો ઉપયોગ કરીને, ફેમટોસેકન્ડ લેસર માઇક્રોફ્લુઇડિક અને ઓપ્ટોફ્લુઇડિક ચિપ્સ જેમ કે માઇક્રોહીટર ઘટકો અને ત્રિ-પરિમાણીય માઇક્રોફ્લુઇડિક ચેનલો તૈયાર અથવા સંકલિત કરી શકે છે; વધુમાં, ફેમટોસેકન્ડ લેસર એન્ટી-રિફ્લેક્શન, એન્ટિ-રિફ્લેક્શન, સુપર-હાઈડ્રોફોબિક, એન્ટિ-આઈસિંગ અને અન્ય કાર્યોને હાંસલ કરવા માટે વિવિધ પ્રકારના સપાટીના માઇક્રો-નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ પણ તૈયાર કરી શકે છે; એટલું જ નહીં, ફેમટોસેકન્ડ લેસરને બાયોમેડિસિન ક્ષેત્રે પણ લાગુ કરવામાં આવ્યું છે, જે જૈવિક માઇક્રો-સ્ટેન્ટ્સ, સેલ કલ્ચર સબસ્ટ્રેટ્સ અને જૈવિક માઇક્રોસ્કોપિક ઇમેજિંગ જેવા ક્ષેત્રોમાં ઉત્કૃષ્ટ કામગીરી દર્શાવે છે. વ્યાપક એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ. હાલમાં, ફેમટોસેકન્ડ લેસર પ્રોસેસિંગના એપ્લિકેશન ક્ષેત્રો દર વર્ષે વિસ્તરી રહ્યા છે. ઉપરોક્ત માઇક્રો-ઓપ્ટિક્સ, માઇક્રોફ્લુઇડિક્સ, મલ્ટિ-ફંક્શનલ માઇક્રો-નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ અને બાયોમેડિકલ એન્જિનિયરિંગ એપ્લિકેશન્સ ઉપરાંત, તે મેટાસર્ફેસ તૈયારી જેવા કેટલાક ઉભરતા ક્ષેત્રોમાં પણ મોટી ભૂમિકા ભજવે છે. , માઇક્રો-નેનો ઉત્પાદન અને બહુ-પરિમાણીય ઓપ્ટિકલ માહિતી સંગ્રહ, વગેરે.