અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર માઇક્રો-નેનો મેન્યુફેક્ચરિંગ-ઔદ્યોગિક એપ્લિકેશનો

અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરો દાયકાઓથી અસ્તિત્વમાં હોવા છતાં, છેલ્લા બે દાયકામાં ઔદ્યોગિક એપ્લિકેશનોમાં ઝડપથી વધારો થયો છે. 2019 માં, અલ્ટ્રાફાસ્ટનું બજાર મૂલ્યલેસર સામગ્રીપ્રોસેસિંગ આશરે US$460 મિલિયન હતું, જેનો ચક્રવૃદ્ધિ વાર્ષિક વૃદ્ધિ દર 13% હતો. ઔદ્યોગિક સામગ્રી પર પ્રક્રિયા કરવા માટે અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરોનો સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે તેવા એપ્લિકેશન ક્ષેત્રોમાં સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં ફોટોમાસ્ક ફેબ્રિકેશન અને રિપેર તેમજ મોબાઇલ ફોન અને ટેબ્લેટ જેવા કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં સિલિકોન ડાયસિંગ, ગ્લાસ કટીંગ/સ્ક્રાઇબિંગ અને (ઇન્ડિયમ ટીન ઓક્સાઇડ) ITO ફિલ્મ દૂર કરવા, ઓટોમોટિવ ઉદ્યોગ માટે પિસ્ટન ટેક્સચરિંગ, કોરોનરી સ્ટેન્ટ મેન્યુફેક્ચરિંગ અને મેડિકલ ઉદ્યોગ માટે માઇક્રોફ્લુઇડિક ડિવાઇસ મેન્યુફેક્ચરિંગનો સમાવેશ થાય છે.

01 સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં ફોટોમાસ્કનું ઉત્પાદન અને સમારકામ

મટિરિયલ પ્રોસેસિંગમાં સૌથી પહેલા ઔદ્યોગિક એપ્લિકેશનોમાંના એકમાં અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરનો ઉપયોગ થતો હતો. IBM એ 1990 ના દાયકામાં ફોટોમાસ્ક ઉત્પાદનમાં ફેમટોસેકન્ડ લેસર એબ્લેશનના ઉપયોગની જાણ કરી હતી. નેનોસેકન્ડ લેસર એબ્લેશનની તુલનામાં, જે મેટલ સ્પાટર અને કાચને નુકસાન પહોંચાડી શકે છે, ફેમટોસેકન્ડ લેસર માસ્કમાં કોઈ મેટલ સ્પાટર, કાચને નુકસાન વગેરે દેખાતા નથી. ફાયદા. આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ (IC) બનાવવા માટે થાય છે. IC ચિપ બનાવવા માટે 30 માસ્ક સુધીની જરૂર પડી શકે છે અને તેનો ખર્ચ $100,000 થી વધુ હોઈ શકે છે. ફેમટોસેકન્ડ લેસર પ્રોસેસિંગ 150nm થી ઓછી રેખાઓ અને બિંદુઓ પર પ્રક્રિયા કરી શકે છે.

આકૃતિ 1. ફોટોમાસ્કનું ઉત્પાદન અને સમારકામ

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

02 સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં સિલિકોન કટીંગ

સિલિકોન વેફર ડાયસિંગ એ સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં એક પ્રમાણભૂત ઉત્પાદન પ્રક્રિયા છે અને સામાન્ય રીતે મિકેનિકલ ડાયસિંગનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે. આ કટીંગ વ્હીલ્સમાં ઘણીવાર માઇક્રોક્રેક્સ વિકસે છે અને પાતળા (દા.ત. જાડાઈ < 150 μm) વેફર્સ કાપવા મુશ્કેલ હોય છે. સિલિકોન વેફરનું લેસર કટીંગ ઘણા વર્ષોથી સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં ઉપયોગમાં લેવાય છે, ખાસ કરીને પાતળા વેફર્સ (100-200μm) માટે, અને તે બહુવિધ પગલાંઓમાં હાથ ધરવામાં આવે છે: લેસર ગ્રુવિંગ, ત્યારબાદ યાંત્રિક વિભાજન અથવા સ્ટીલ્થ કટીંગ (એટલે ​​કે સિલિકોન સ્ક્રિબિંગની અંદર ઇન્ફ્રારેડ લેસર બીમ) અને ત્યારબાદ યાંત્રિક ટેપ વિભાજન. નેનોસેકન્ડ પલ્સ લેસર પ્રતિ કલાક 15 વેફર્સ પ્રક્રિયા કરી શકે છે, અને પિકોસેકન્ડ લેસર ઉચ્ચ ગુણવત્તા સાથે પ્રતિ કલાક 23 વેફર્સ પ્રક્રિયા કરી શકે છે.

03 ઉપભોક્તા ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ઉદ્યોગમાં કાચ કાપવા/લેખન

મોબાઇલ ફોન અને લેપટોપ માટે ટચ સ્ક્રીન અને રક્ષણાત્મક ચશ્મા પાતળા થઈ રહ્યા છે અને કેટલાક ભૌમિતિક આકાર વક્ર થઈ ગયા 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 કાચ ટેમ્પર્ડ હોય છે, જે સ્થાનિક તાણથી તૂટી શકે છે. અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરો આ ચશ્માને વધુ સારી ધારની મજબૂતાઈ સાથે કાપવામાં સક્ષમ હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. મોટા ફ્લેટ પેનલ કટીંગ માટે, ફેમટોસેકન્ડ લેસરને કાચની શીટની પાછળની સપાટી પર કેન્દ્રિત કરી શકાય છે, આગળની સપાટીને નુકસાન પહોંચાડ્યા વિના કાચની અંદરના ભાગને ખંજવાળ કરી શકાય છે. પછી સ્કોર કરેલ પેટર્ન સાથે યાંત્રિક અથવા થર્મલ માધ્યમોનો ઉપયોગ કરીને કાચને તોડી શકાય છે.

આકૃતિ 3. પીકોસેકન્ડ અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર ગ્લાસ ખાસ આકારનું કટીંગ

04 ઓટોમોટિવ ઉદ્યોગમાં પિસ્ટન ટેક્સચર

હળવા વજનના કાર એન્જિન એલ્યુમિનિયમ એલોયથી બનેલા હોય છે, જે કાસ્ટ આયર્ન જેટલા ઘસારો-પ્રતિરોધક નથી. અભ્યાસોમાં જાણવા મળ્યું છે કે કાર પિસ્ટન ટેક્સચરની ફેમટોસેકન્ડ લેસર પ્રોસેસિંગ ઘર્ષણને 25% સુધી ઘટાડી શકે છે કારણ કે કાટમાળ અને તેલ અસરકારક રીતે સંગ્રહિત કરી શકાય છે.

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

05 તબીબી ઉદ્યોગમાં કોરોનરી સ્ટેન્ટનું ઉત્પાદન

લાખો કોરોનરી સ્ટેન્ટ શરીરની કોરોનરી ધમનીઓમાં ઇમ્પ્લાન્ટ કરવામાં આવે છે જેથી લોહી ગંઠાઈ ગયેલી વાહિનીઓમાં વહેવા માટે એક ચેનલ ખોલી શકાય, જે દર વર્ષે લાખો લોકોના જીવ બચાવે છે. કોરોનરી સ્ટેન્ટ સામાન્ય રીતે ધાતુ (દા.ત., સ્ટેનલેસ સ્ટીલ, નિકલ-ટાઇટેનિયમ આકાર મેમરી એલોય, અથવા તાજેતરમાં કોબાલ્ટ-ક્રોમિયમ એલોય) વાયર મેશમાંથી બનાવવામાં આવે છે જેની સ્ટ્રટ પહોળાઈ લગભગ 100 μm હોય છે. લાંબા-પલ્સ લેસર કટીંગની તુલનામાં, કૌંસ કાપવા માટે અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરનો ઉપયોગ કરવાના ફાયદા ઉચ્ચ કટ ગુણવત્તા, સારી સપાટી પૂર્ણાહુતિ અને ઓછો કાટમાળ છે, જે પ્રક્રિયા પછીના ખર્ચ ઘટાડે છે.

06 તબીબી ઉદ્યોગ માટે માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણ ઉત્પાદન

તબીબી ઉદ્યોગમાં રોગ પરીક્ષણ અને નિદાન માટે માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણોનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે થાય છે. આ સામાન્ય રીતે વ્યક્તિગત ભાગોના માઇક્રો-ઇન્જેક્શન મોલ્ડિંગ દ્વારા બનાવવામાં આવે છે અને પછી ગ્લુઇંગ અથવા વેલ્ડીંગનો ઉપયોગ કરીને બોન્ડિંગ કરવામાં આવે છે. માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણોના અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર ફેબ્રિકેશનનો ફાયદો એ છે કે જોડાણની જરૂર વગર કાચ જેવી પારદર્શક સામગ્રીમાં 3D માઇક્રોચેનલ ઉત્પન્ન થાય છે. એક પદ્ધતિ બલ્ક ગ્લાસની અંદર અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર ફેબ્રિકેશન છે અને ત્યારબાદ ભીનું રાસાયણિક એચિંગ કરવામાં આવે છે, અને બીજી પદ્ધતિ કાટમાળ દૂર કરવા માટે નિસ્યંદિત પાણીમાં કાચ અથવા પ્લાસ્ટિકની અંદર ફેમટોસેકન્ડ લેસર એબ્લેશન છે. બીજો અભિગમ એ છે કે ચેનલોને કાચની સપાટીમાં મશીન કરવામાં આવે અને ફેમટોસેકન્ડ લેસર વેલ્ડીંગ દ્વારા કાચના કવરથી સીલ કરવામાં આવે.

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

07 ઇન્જેક્ટર નોઝલનું માઇક્રો ડ્રિલિંગ

ફ્લો હોલ પ્રોફાઇલ બદલવામાં વધુ સુગમતા અને ટૂંકા મશીનિંગ સમયને કારણે હાઇ-પ્રેશર ઇન્જેક્ટર માર્કેટમાં ઘણી કંપનીઓમાં ફેમટોસેકન્ડ લેસર માઇક્રોહોલ મશીનિંગે માઇક્રો-EDM ને બદલ્યું છે. પ્રીસેસિંગ સ્કેન હેડ દ્વારા ફોકસ પોઝિશન અને બીમના ઝુકાવને આપમેળે નિયંત્રિત કરવાની ક્ષમતાએ એપરચર પ્રોફાઇલ્સ (દા.ત., બેરલ, ફ્લેર, કન્વર્જન્સ, ડાયવર્જન્સ) ની ડિઝાઇન તરફ દોરી છે જે કમ્બશન ચેમ્બરમાં એટોમાઇઝેશન અથવા પેનિટ્રેશનને પ્રોત્સાહન આપી શકે છે. ડ્રિલિંગનો સમય એબ્લેશન વોલ્યુમ પર આધાર રાખે છે, જેમાં ડ્રિલ જાડાઈ 0.2 - 0.5 મીમી અને છિદ્ર વ્યાસ 0.12 - 0.25 મીમી છે, જે આ તકનીકને માઇક્રો-EDM કરતા દસ ગણી ઝડપી બનાવે છે. માઇક્રોડ્રિલિંગ ત્રણ તબક્કામાં કરવામાં આવે છે, જેમાં થ્રુ-પાયલોટ છિદ્રોને રફિંગ અને ફિનિશિંગનો સમાવેશ થાય છે. બોરહોલને ઓક્સિડેશનથી બચાવવા અને પ્રારંભિક તબક્કા દરમિયાન અંતિમ પ્લાઝ્માને સુરક્ષિત રાખવા 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 ટેક્સચરિંગ

તાજેતરના વર્ષોમાં, મશીનિંગ ચોકસાઈ સુધારવા, સામગ્રીના નુકસાનને ઘટાડવા અને પ્રક્રિયા કાર્યક્ષમતા વધારવા માટે, માઇક્રોમશીનિંગ ક્ષેત્ર ધીમે ધીમે સંશોધકોનું ધ્યાન કેન્દ્રિત કરી રહ્યું 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 લેસર વિવિધ સામગ્રી પર કાર્ય કરી શકે છે, અને લેસર પ્રોસેસિંગ સામગ્રીના નુકસાન પણ એક મુખ્ય સંશોધન દિશા છે. અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસરનો ઉપયોગ સામગ્રીને ઘટાડવા માટે થાય છે. જ્યારે લેસરની ઉર્જા ઘનતા સામગ્રીના એબ્લેશન થ્રેશોલ્ડ કરતા વધારે હોય છે, ત્યારે એબ્લેટેડ સામગ્રીની સપાટી ચોક્કસ લાક્ષણિકતાઓ સાથે માઇક્રો-નેનો માળખું બતાવશે. સંશોધન દર્શાવે છે કે આ ખાસ સપાટી માળખું એક સામાન્ય ઘટના છે જે લેસર પ્રક્રિયા સામગ્રી ત્યારે થાય છે. સપાટીના માઇક્રો-નેનો માળખાઓની તૈયારી સામગ્રીના ગુણધર્મોને સુધારી શકે છે અને નવી સામગ્રીના વિકાસને પણ સક્ષમ બનાવી શકે છે. આ અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર દ્વારા સપાટીના માઇક્રો-નેનો માળખાઓની તૈયારીને મહત્વપૂર્ણ વિકાસ મહત્વ સાથે તકનીકી પદ્ધતિ બનાવે છે. હાલમાં, ધાતુની સામગ્રી માટે, અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર સપાટીના ટેક્સચરિંગ પર સંશોધન ધાતુની સપાટીને ભીના કરવાના ગુણધર્મોને સુધારી શકે છે, સપાટીના ઘર્ષણ અને વસ્ત્રોના ગુણધર્મોને સુધારી શકે છે, કોટિંગ સંલગ્નતા અને કોષોના દિશાત્મક પ્રસાર અને સંલગ્નતાને વધારી શકે છે.

આકૃતિ 8. લેસર-તૈયાર સિલિકોન સપાટીના સુપરહાઇડ્રોફોબિક ગુણધર્મો

એક અત્યાધુનિક પ્રોસેસિંગ ટેકનોલોજી તરીકે, અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર પ્રોસેસિંગમાં નાના ગરમીથી પ્રભાવિત ઝોન, સામગ્રી સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની બિન-રેખીય પ્રક્રિયા અને વિવર્તન મર્યાદાથી વધુ ઉચ્ચ-રીઝોલ્યુશન પ્રક્રિયા જેવી લાક્ષણિકતાઓ છે. તે વિવિધ સામગ્રીઓની ઉચ્ચ-ગુણવત્તા અને ઉચ્ચ-ચોકસાઇવાળા માઇક્રો-નેનો પ્રોસેસિંગ અને ત્રિ-પરિમાણીય માઇક્રો-નેનો સ્ટ્રક્ચર ફેબ્રિકેશનને સાકાર કરી શકે છે. ખાસ સામગ્રી, જટિલ રચનાઓ અને વિશેષ ઉપકરણોનું લેસર ઉત્પાદન પ્રાપ્ત કરવાથી માઇક્રો-નેનો ઉત્પાદન માટે નવા રસ્તા ખુલે છે. હાલમાં, ફેમટોસેકન્ડ લેસરનો ઉપયોગ ઘણા અત્યાધુનિક વૈજ્ઞાનિક ક્ષેત્રોમાં વ્યાપકપણે કરવામાં આવ્યો છે: ફેમટોસેકન્ડ લેસરનો ઉપયોગ વિવિધ ઓપ્ટિકલ ઉપકરણો, જેમ કે માઇક્રોલેન્સ એરે, બાયોનિક કમ્પાઉન્ડ આઇ, ઓપ્ટિકલ વેવગાઇડ્સ અને મેટાસર્ફેસ તૈયાર કરવા માટે થઈ શકે છે; તેની ઉચ્ચ ચોકસાઇ, ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશન અને ત્રિ-પરિમાણીય પ્રોસેસિંગ ક્ષમતાઓનો ઉપયોગ કરીને, ફેમટોસેકન્ડ લેસર માઇક્રોહીટર ઘટકો અને ત્રિ-પરિમાણીય માઇક્રોફ્લુઇડિક ચેનલો જેવા માઇક્રોફ્લુઇડિક અને ઓપ્ટોફ્લુઇડિક ચિપ્સ તૈયાર અથવા સંકલિત કરી શકે છે; વધુમાં, ફેમટોસેકન્ડ લેસર વિવિધ પ્રકારના સપાટીના સૂક્ષ્મ-નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ પણ તૈયાર કરી શકે છે જેથી એન્ટિ-રિફ્લેક્શન, એન્ટિ-રિફ્લેક્શન, સુપર-હાઇડ્રોફોબિક, એન્ટિ-આઇસિંગ અને અન્ય કાર્યો પ્રાપ્ત થાય; એટલું જ નહીં, ફેમટોસેકન્ડ લેસર બાયોમેડિસિનના ક્ષેત્રમાં પણ લાગુ કરવામાં આવ્યું છે, જે જૈવિક સૂક્ષ્મ-સ્ટેન્ટ્સ, સેલ કલ્ચર સબસ્ટ્રેટ્સ અને જૈવિક સૂક્ષ્મ ઇમેજિંગ જેવા ક્ષેત્રોમાં ઉત્કૃષ્ટ પ્રદર્શન દર્શાવે છે. વ્યાપક એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ. હાલમાં, ફેમટોસેકન્ડ લેસર પ્રોસેસિંગના એપ્લિકેશન ક્ષેત્રો વર્ષ-દર-વર્ષ 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.