अल्ट्राफास्ट लेजर माइक्रो-नैनो विनिर्माण-औद्योगिक अनुप्रयोग

हालाँकि अल्ट्राफास्ट लेजर दशकों से मौजूद हैं, लेकिन पिछले दो दशकों में औद्योगिक अनुप्रयोग तेजी से बढ़े हैं। 2019 में, अल्ट्राफास्ट का बाजार मूल्यलेजर सामग्री13% की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि दर के साथ प्रसंस्करण लगभग US$460 मिलियन था। अनुप्रयोग क्षेत्र जहां औद्योगिक सामग्रियों को संसाधित करने के लिए अल्ट्राफास्ट लेजर का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है, उनमें सेमीकंडक्टर उद्योग में फोटोमास्क निर्माण और मरम्मत के साथ-साथ सिलिकॉन डाइसिंग, ग्लास कटिंग/स्क्राइबिंग और (इंडियम टिन ऑक्साइड) आईटीओ फिल्म को मोबाइल फोन और टैबलेट जैसे उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में हटाना शामिल है। , ऑटोमोटिव उद्योग के लिए पिस्टन टेक्सचरिंग, कोरोनरी स्टेंट निर्माण और चिकित्सा उद्योग के लिए माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस निर्माण।

01 सेमीकंडक्टर उद्योग में फोटोमास्क निर्माण और मरम्मत

सामग्री प्रसंस्करण के शुरुआती औद्योगिक अनुप्रयोगों में से एक में अल्ट्राफास्ट लेजर का उपयोग किया गया था। आईबीएम ने 1990 के दशक में फोटोमास्क उत्पादन में फेमटोसेकंड लेजर एब्लेशन के अनुप्रयोग की सूचना दी। नैनोसेकंड लेजर एब्लेशन की तुलना में, जो धातु के छींटे और कांच को नुकसान पहुंचा सकता है, फेमटोसेकंड लेजर मास्क में कोई धातु का छींटा नहीं, कोई कांच का नुकसान नहीं होता, आदि फायदे दिखते हैं। इस विधि का उपयोग एकीकृत सर्किट (आईसी) के उत्पादन के लिए किया जाता है। एक IC चिप के उत्पादन में 30 मास्क तक की आवश्यकता हो सकती है और लागत >$100,000 से अधिक हो सकती है। फेमटोसेकंड लेजर प्रसंस्करण 150nm से नीचे की रेखाओं और बिंदुओं को संसाधित कर सकता है।

चित्र 1. फोटोमास्क निर्माण और मरम्मत

चित्र 2. अत्यधिक पराबैंगनी लिथोग्राफी के लिए विभिन्न मास्क पैटर्न के अनुकूलन परिणाम

02 सेमीकंडक्टर उद्योग में सिलिकॉन काटना

सिलिकॉन वेफर डाइसिंग सेमीकंडक्टर उद्योग में एक मानक विनिर्माण प्रक्रिया है और आमतौर पर मैकेनिकल डाइसिंग का उपयोग करके किया जाता है। इन काटने वाले पहियों में अक्सर माइक्रोक्रैक विकसित हो जाते हैं और पतले (जैसे मोटाई <150 माइक्रोन) वेफर्स को काटना मुश्किल होता है। सिलिकॉन वेफर्स की लेजर कटिंग का उपयोग सेमीकंडक्टर उद्योग में कई वर्षों से किया जाता रहा है, विशेष रूप से पतले वेफर्स (100-200μm) के लिए, और इसे कई चरणों में किया जाता है: लेजर ग्रूविंग, इसके बाद मैकेनिकल पृथक्करण या स्टील्थ कटिंग (यानी अंदर अवरक्त लेजर बीम) सिलिकॉन स्क्राइबिंग) के बाद यांत्रिक टेप पृथक्करण होता है। नैनोसेकंड पल्स लेजर प्रति घंटे 15 वेफर्स को प्रोसेस कर सकता है, और पिकोसेकंड लेजर उच्च गुणवत्ता के साथ प्रति घंटे 23 वेफर्स को प्रोसेस कर सकता है।

03 उपभोज्य इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में ग्लास कटिंग/स्क्राइबिंग

मोबाइल फोन और लैपटॉप के लिए टच स्क्रीन और सुरक्षात्मक चश्मे पतले होते जा रहे हैं और कुछ ज्यामितीय आकार घुमावदार होते जा रहे हैं। इससे पारंपरिक यांत्रिक कटाई अधिक कठिन हो जाती है। विशिष्ट लेजर आम तौर पर खराब कट गुणवत्ता का उत्पादन करते हैं, खासकर जब ये ग्लास डिस्प्ले 3-4 परतों में जमा होते हैं और शीर्ष 700 माइक्रोन मोटी सुरक्षात्मक ग्लास टेम्पर्ड होती है, जो स्थानीय तनाव से टूट सकती है। यह दिखाया गया है कि अल्ट्राफास्ट लेज़र बेहतर धार शक्ति के साथ इन ग्लासों को काटने में सक्षम हैं। बड़े फ्लैट पैनल काटने के लिए, फेमटोसेकंड लेजर को ग्लास शीट की पिछली सतह पर केंद्रित किया जा सकता है, जिससे सामने की सतह को नुकसान पहुंचाए बिना ग्लास के अंदर खरोंच हो सकती है। फिर कांच को स्कोर पैटर्न के अनुसार यांत्रिक या थर्मल साधनों का उपयोग करके तोड़ा जा सकता है।

चित्र 3. पिकोसेकंड अल्ट्राफास्ट लेजर ग्लास विशेष आकार की कटिंग

04 ऑटोमोटिव उद्योग में पिस्टन बनावट

हल्के कार इंजन एल्यूमीनियम मिश्र धातु से बने होते हैं, जो कच्चे लोहे की तरह पहनने के लिए प्रतिरोधी नहीं होते हैं। अध्ययनों में पाया गया है कि कार पिस्टन बनावट के फेमटोसेकंड लेजर प्रसंस्करण से घर्षण को 25% तक कम किया जा सकता है क्योंकि मलबे और तेल को प्रभावी ढंग से संग्रहीत किया जा सकता है।

चित्र 4. इंजन के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए ऑटोमोबाइल इंजन पिस्टन का फेमटोसेकंड लेजर प्रसंस्करण

05 चिकित्सा उद्योग में कोरोनरी स्टेंट निर्माण

लाखों कोरोनरी स्टेंट शरीर की कोरोनरी धमनियों में प्रत्यारोपित किए जाते हैं ताकि रक्त के थक्केदार वाहिकाओं में प्रवाहित होने के लिए एक चैनल खुल सके, जिससे हर साल लाखों लोगों की जान बचाई जा सकती है। कोरोनरी स्टेंट आम तौर पर लगभग 100 माइक्रोन की स्ट्रट चौड़ाई के साथ धातु (उदाहरण के लिए, स्टेनलेस स्टील, निकल-टाइटेनियम आकार मेमोरी मिश्र धातु, या हाल ही में कोबाल्ट-क्रोमियम मिश्र धातु) तार जाल से बने होते हैं। लंबी-पल्स लेजर कटिंग की तुलना में, ब्रैकेट को काटने के लिए अल्ट्राफास्ट लेजर का उपयोग करने के फायदे उच्च कट गुणवत्ता, बेहतर सतह फिनिश और कम मलबे हैं, जो प्रसंस्करण के बाद की लागत को कम करता है।

06 चिकित्सा उद्योग के लिए माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण निर्माण

माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का उपयोग आमतौर पर चिकित्सा उद्योग में रोग परीक्षण और निदान के लिए किया जाता है। इनका निर्माण आम तौर पर अलग-अलग हिस्सों के माइक्रो-इंजेक्शन मोल्डिंग और फिर ग्लूइंग या वेल्डिंग का उपयोग करके किया जाता है। माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के अल्ट्राफास्ट लेजर निर्माण से कनेक्शन की आवश्यकता के बिना कांच जैसी पारदर्शी सामग्री के भीतर 3डी माइक्रोचैनल का उत्पादन करने का लाभ मिलता है। एक विधि एक बड़े गिलास के अंदर अल्ट्राफास्ट लेजर फैब्रिकेशन है जिसके बाद गीले रासायनिक नक़्क़ाशी होती है, और दूसरा मलबे को हटाने के लिए आसुत जल में कांच या प्लास्टिक के अंदर फेमटोसेकंड लेजर एब्लेशन है। दूसरा तरीका कांच की सतह में चैनलों को मशीन से डालना और उन्हें फेमटोसेकंड लेजर वेल्डिंग के माध्यम से कांच के आवरण से सील करना है।

चित्र 6. कांच सामग्री के अंदर माइक्रोफ्लुइडिक चैनल तैयार करने के लिए फेमटोसेकंड लेजर-प्रेरित चयनात्मक नक़्क़ाशी

07 इंजेक्टर नोजल की माइक्रो ड्रिलिंग

फ्लो होल प्रोफाइल बदलने में अधिक लचीलेपन और कम मशीनिंग समय के कारण उच्च दबाव इंजेक्टर बाजार में कई कंपनियों में फेमटोसेकंड लेजर माइक्रोहोल मशीनिंग ने माइक्रो-ईडीएम की जगह ले ली है। पूर्ववर्ती स्कैन हेड के माध्यम से बीम की फोकस स्थिति और झुकाव को स्वचालित रूप से नियंत्रित करने की क्षमता ने एपर्चर प्रोफाइल (उदाहरण के लिए, बैरल, फ्लेयर, अभिसरण, विचलन) के डिजाइन को जन्म दिया है जो दहन कक्ष में परमाणुकरण या प्रवेश को बढ़ावा दे सकता है। ड्रिलिंग का समय एब्लेशन वॉल्यूम पर निर्भर करता है, ड्रिल की मोटाई 0.2 - 0.5 मिमी और छेद का व्यास 0.12 - 0.25 मिमी है, जो इस तकनीक को माइक्रो-ईडीएम से दस गुना तेज बनाता है। माइक्रोड्रिलिंग तीन चरणों में की जाती है, जिसमें पायलट छेद के माध्यम से रफिंग और फिनिशिंग शामिल है। बोरहोल को ऑक्सीकरण से बचाने और प्रारंभिक चरणों के दौरान अंतिम प्लाज्मा को ढालने के लिए आर्गन का उपयोग सहायक गैस के रूप में किया जाता है।

चित्र 7. डीजल इंजन इंजेक्टर के लिए उल्टे टेपर होल की फेमटोसेकंड लेजर उच्च परिशुद्धता प्रसंस्करण

08 अल्ट्रा-फास्ट लेजर टेक्सचरिंग

हाल के वर्षों में, मशीनिंग सटीकता में सुधार करने, सामग्री क्षति को कम करने और प्रसंस्करण दक्षता बढ़ाने के लिए, माइक्रोमशीनिंग का क्षेत्र धीरे-धीरे शोधकर्ताओं का फोकस बन गया है। अल्ट्राफास्ट लेजर में कम क्षति और उच्च परिशुद्धता जैसे विभिन्न प्रसंस्करण फायदे हैं, जो प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी के विकास को बढ़ावा देने का केंद्र बन गया है। साथ ही, अल्ट्राफास्ट लेजर विभिन्न प्रकार की सामग्रियों पर कार्य कर सकते हैं, और लेजर प्रसंस्करण सामग्री क्षति भी एक प्रमुख शोध दिशा है। अल्ट्राफास्ट लेजर का उपयोग सामग्रियों को एब्लेट करने के लिए किया जाता है। जब लेज़र का ऊर्जा घनत्व सामग्री की एब्लेशन सीमा से अधिक होता है, तो एब्लेटेड सामग्री की सतह कुछ विशेषताओं के साथ एक सूक्ष्म-नैनो संरचना दिखाएगी। अनुसंधान से पता चलता है कि यह विशेष सतह संरचना एक सामान्य घटना है जो लेजर प्रसंस्करण सामग्री के दौरान होती है। सतह सूक्ष्म-नैनो संरचनाओं की तैयारी सामग्री के गुणों में सुधार कर सकती है और नई सामग्रियों के विकास को भी सक्षम कर सकती है। यह अल्ट्राफास्ट लेजर द्वारा सतह सूक्ष्म-नैनो संरचनाओं की तैयारी को महत्वपूर्ण विकास महत्व वाली एक तकनीकी विधि बनाता है। वर्तमान में, धातु सामग्री के लिए, अल्ट्राफास्ट लेजर सतह बनावट पर शोध धातु की सतह को गीला करने के गुणों में सुधार कर सकता है, सतह के घर्षण और पहनने के गुणों में सुधार कर सकता है, कोटिंग आसंजन को बढ़ा सकता है, और कोशिकाओं के दिशात्मक प्रसार और आसंजन को बढ़ा सकता है।

चित्र 8. लेजर से तैयार सिलिकॉन सतह के सुपरहाइड्रोफोबिक गुण

अत्याधुनिक प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी के रूप में, अल्ट्राफास्ट लेजर प्रसंस्करण में छोटे ताप प्रभावित क्षेत्र, सामग्रियों के साथ बातचीत की गैर-रेखीय प्रक्रिया और विवर्तन सीमा से परे उच्च-रिज़ॉल्यूशन प्रसंस्करण की विशेषताएं हैं। यह विभिन्न सामग्रियों की उच्च-गुणवत्ता और उच्च-सटीक सूक्ष्म-नैनो प्रसंस्करण का एहसास कर सकता है। और त्रि-आयामी सूक्ष्म-नैनो संरचना निर्माण। विशेष सामग्रियों, जटिल संरचनाओं और विशेष उपकरणों के लेजर निर्माण को प्राप्त करने से माइक्रो-नैनो विनिर्माण के लिए नए रास्ते खुलते हैं। वर्तमान में, कई अत्याधुनिक वैज्ञानिक क्षेत्रों में फेमटोसेकंड लेजर का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है: फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग विभिन्न ऑप्टिकल उपकरणों को तैयार करने के लिए किया जा सकता है, जैसे कि माइक्रोलेंस एरे, बायोनिक यौगिक आंखें, ऑप्टिकल वेवगाइड और मेटासर्फेस; अपनी उच्च परिशुद्धता, उच्च रिज़ॉल्यूशन और त्रि-आयामी प्रसंस्करण क्षमताओं का उपयोग करके, फेमटोसेकंड लेजर माइक्रोफ्लुइडिक और ऑप्टोफ्लुइडिक चिप्स जैसे माइक्रोहीटर घटकों और त्रि-आयामी माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों को तैयार या एकीकृत कर सकता है; इसके अलावा, फेमटोसेकंड लेजर एंटी-रिफ्लेक्शन, एंटी-रिफ्लेक्शन, सुपर-हाइड्रोफोबिक, एंटी-आइसिंग और अन्य कार्यों को प्राप्त करने के लिए विभिन्न प्रकार की सतह सूक्ष्म-नैनोस्ट्रक्चर भी तैयार कर सकता है; इतना ही नहीं, फेमटोसेकंड लेजर को बायोमेडिसिन के क्षेत्र में भी लागू किया गया है, जो जैविक माइक्रो-स्टेंट, सेल कल्चर सब्सट्रेट और जैविक सूक्ष्म इमेजिंग जैसे क्षेत्रों में उत्कृष्ट प्रदर्शन दिखा रहा है। व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएँ। वर्तमान में, फेमटोसेकंड लेजर प्रसंस्करण के अनुप्रयोग क्षेत्रों का साल दर साल विस्तार हो रहा है। उपर्युक्त माइक्रो-ऑप्टिक्स, माइक्रोफ्लुइडिक्स, मल्टी-फंक्शनल माइक्रो-नैनोस्ट्रक्चर और बायोमेडिकल इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के अलावा, यह मेटासरफेस तैयारी जैसे कुछ उभरते क्षेत्रों में भी बड़ी भूमिका निभाता है। , माइक्रो-नैनो विनिर्माण और बहु-आयामी ऑप्टिकल सूचना भंडारण, आदि।