अति तीव्र लेजर द्वारा सूक्ष्म-नैनो विनिर्माण - औद्योगिक अनुप्रयोग

हालांकि अल्ट्राफास्ट लेजर दशकों से मौजूद हैं, लेकिन पिछले दो दशकों में इनके औद्योगिक अनुप्रयोगों में तेजी से वृद्धि हुई है। 2019 में, अल्ट्राफास्ट लेजर का बाजार मूल्यलेजर सामग्रीप्रसंस्करण का मूल्य लगभग 460 मिलियन अमेरिकी डॉलर था, जिसकी वार्षिक वृद्धि दर 13% थी। औद्योगिक सामग्रियों के प्रसंस्करण में अल्ट्राफास्ट लेजर का सफलतापूर्वक उपयोग जिन अनुप्रयोग क्षेत्रों में किया गया है, उनमें सेमीकंडक्टर उद्योग में फोटोमास्क निर्माण और मरम्मत, साथ ही मोबाइल फोन और टैबलेट जैसे उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में सिलिकॉन डाइसिंग, ग्लास कटिंग/स्क्राइबिंग और (इंडियम टिन ऑक्साइड) आईटीओ फिल्म रिमूवल, ऑटोमोटिव उद्योग के लिए पिस्टन टेक्सचरिंग, कोरोनरी स्टेंट निर्माण और चिकित्सा उद्योग के लिए माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस निर्माण शामिल हैं।

01 सेमीकंडक्टर उद्योग में फोटोमास्क का निर्माण और मरम्मत

अल्ट्राफास्ट लेज़रों का उपयोग सामग्री प्रसंस्करण में सबसे शुरुआती औद्योगिक अनुप्रयोगों में से एक में किया गया था। आईबीएम ने 1990 के दशक में फोटोमास्क उत्पादन में फेमटोसेकंड लेज़र एब्लेशन के अनुप्रयोग की रिपोर्ट दी थी। नैनोसेकंड लेज़र एब्लेशन की तुलना में, जिससे धातु के छींटे और कांच को नुकसान हो सकता है, फेमटोसेकंड लेज़र मास्क में धातु के छींटे, कांच को नुकसान आदि नहीं होते हैं। इसके कई फायदे हैं। इस विधि का उपयोग एकीकृत परिपथ (आईसी) के उत्पादन में किया जाता है। एक आईसी चिप के उत्पादन में 30 मास्क तक लग सकते हैं और इसकी लागत 100,000 डॉलर से अधिक हो सकती है। फेमटोसेकंड लेज़र प्रसंस्करण 150 एनएम से कम 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 कटिंग

सिलिकॉन वेफर डाइसिंग सेमीकंडक्टर उद्योग में एक मानक निर्माण प्रक्रिया है और आमतौर पर यांत्रिक डाइसिंग द्वारा की जाती है। इन कटिंग व्हील्स में अक्सर सूक्ष्म दरारें पड़ जाती हैं और पतले (जैसे 150 μm से कम मोटाई वाले) वेफर्स को काटना मुश्किल हो जाता है। सिलिकॉन वेफर्स की लेजर कटिंग का उपयोग सेमीकंडक्टर उद्योग में कई वर्षों से किया जा रहा है, विशेष रूप से पतले वेफर्स (100-200 μm) के लिए, और यह कई चरणों में की जाती है: लेजर ग्रूविंग, उसके बाद यांत्रिक पृथक्करण या स्टील्थ कटिंग (यानी सिलिकॉन के अंदर इन्फ्रारेड लेजर बीम द्वारा स्क्राइबिंग) और फिर यांत्रिक टेप पृथक्करण। नैनोसेकंड पल्स लेजर प्रति घंटे 15 वेफर्स और पिकोसेकंड लेजर प्रति घंटे 23 वेफर्स को उच्च गुणवत्ता के साथ संसाधित कर सकता है।

03 उपभोज्य इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में कांच काटना/स्क्राइबिंग करना

मोबाइल फोन और लैपटॉप के टच स्क्रीन और सुरक्षात्मक ग्लास पतले होते जा रहे हैं और कुछ ज्यामितीय आकृतियाँ घुमावदार होती जा रही हैं। इससे पारंपरिक यांत्रिक कटाई अधिक कठिन हो जाती है। आमतौर पर लेजर से कटाई की गुणवत्ता खराब होती है, खासकर जब ये ग्लास डिस्प्ले 3-4 परतों में बने होते हैं और ऊपर की 700 माइक्रोमीटर मोटी सुरक्षात्मक ग्लास परतदार होती है, जो स्थानीय तनाव से टूट सकती है। अल्ट्राफास्ट लेजर इन ग्लास को बेहतर किनारे की मजबूती के साथ काटने में सक्षम साबित हुए हैं। बड़े फ्लैट पैनल की कटाई 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 अंदरूनी हिस्से में खरोंच आ जाती है। फिर खरोंच के पैटर्न के साथ यांत्रिक या तापीय तरीकों का उपयोग करके ग्लास को तोड़ा जा सकता है।

चित्र 3. पिकोसेकंड अल्ट्राफास्ट लेजर द्वारा कांच की विशेष आकृति की कटाई

ऑटोमोटिव उद्योग में 04 पिस्टन बनावट

हल्के वजन वाले कार इंजन एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं से बने होते हैं, जो ढलवां लोहे की तुलना में उतने टिकाऊ नहीं होते। अध्ययनों से पता चला है कि कार पिस्टन की सतह पर फेम्टोसेकंड लेजर प्रोसेसिंग से घर्षण को 25% तक कम किया जा सकता है क्योंकि इसमें मलबा और तेल प्रभावी रूप से जमा हो जाते हैं।

चित्र 4. इंजन के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए ऑटोमोबाइल इंजन पिस्टन की फेमटोसेकंड लेजर प्रोसेसिंग।

05 चिकित्सा उद्योग में कोरोनरी स्टेंट निर्माण

हर साल लाखों लोगों की जान बचाने के लिए, शरीर की कोरोनरी धमनियों में लाखों कोरोनरी स्टेंट प्रत्यारोपित किए जाते हैं ताकि रक्त के प्रवाह के लिए एक मार्ग खुल सके और रक्त के थक्के जमने से होने वाली समस्याओं से बचा जा सके। कोरोनरी स्टेंट आमतौर पर धातु (जैसे स्टेनलेस स्टील, निकल-टाइटेनियम शेप मेमोरी मिश्र धातु, या हाल ही में कोबाल्ट-क्रोमियम मिश्र धातु) के तार की जाली से बने होते हैं, जिनकी स्ट्रट की चौड़ाई लगभग 100 माइक्रोमीटर होती है। लंबी पल्स लेजर कटिंग की तुलना में, ब्रैकेट काटने के लिए अल्ट्राफास्ट लेजर का उपयोग करने के फायदे उच्च गुणवत्ता वाली कटिंग, बेहतर सतह फिनिश और कम मलबा हैं, जिससे पोस्ट-प्रोसेसिंग लागत कम हो जाती है।

06 चिकित्सा उद्योग के लिए माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण निर्माण

माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का उपयोग चिकित्सा उद्योग में बीमारियों की जांच और निदान के लिए किया जाता है। इन्हें आमतौर पर अलग-अलग हिस्सों को माइक्रो-इंजेक्शन मोल्डिंग द्वारा बनाकर फिर चिपकाने या वेल्डिंग द्वारा जोड़ा जाता है। माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के अल्ट्राफास्ट लेजर निर्माण का लाभ यह है कि इसमें कांच जैसी पारदर्शी सामग्री के भीतर बिना किसी जोड़ की आवश्यकता के 3D माइक्रोचैनल बनाए जा सकते हैं। एक विधि है ठोस कांच के भीतर अल्ट्राफास्ट लेजर निर्माण और उसके बाद वेट केमिकल एचिंग, और दूसरी विधि है आसुत जल में कांच या प्लास्टिक के भीतर फेमटोसेकंड लेजर एब्लेशन द्वारा मलबे को हटाना। एक अन्य तरीका है कांच की सतह पर चैनल बनाना और फिर फेमटोसेकंड लेजर वेल्डिंग द्वारा उन्हें कांच के आवरण से सील करना।

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

07 इंजेक्टर नोजल की माइक्रो ड्रिलिंग

उच्च दाब इंजेक्टर बाजार में कई कंपनियों ने माइक्रो-ईडीएम की जगह फेम्टोसेकंड लेजर माइक्रोहोल मशीनिंग का इस्तेमाल करना शुरू कर दिया है। इसका कारण प्रवाह छिद्र प्रोफाइल को बदलने में अधिक लचीलापन और कम मशीनिंग समय है। प्रीसेसिंग स्कैन हेड के माध्यम से बीम की फोकस स्थिति और झुकाव को स्वचालित रूप से नियंत्रित करने की क्षमता ने ऐसे एपर्चर प्रोफाइल (जैसे, बैरल, फ्लेयर, कन्वर्जेंस, डाइवर्जेंस) के डिजाइन को संभव बनाया है जो दहन कक्ष में एटोमाइजेशन या प्रवेश को बढ़ावा दे सकते हैं। ड्रिलिंग का समय एब्लेशन वॉल्यूम पर निर्भर करता है, जिसमें ड्रिल की मोटाई 0.2 – 0.5 मिमी और छिद्र का व्यास 0.12 – 0.25 मिमी होता है, जिससे यह तकनीक माइक्रो-ईडीएम की तुलना में दस गुना तेज हो जाती है। माइक्रोड्रिलिंग तीन चरणों में की जाती है, जिसमें थ्रू-पायलट छिद्रों की रफिंग और फिनिशिंग शामिल है। प्रारंभिक चरणों के दौरान बोरहोल को ऑक्सीकरण से बचाने और अंतिम प्लाज्मा को ढालने के लिए आर्गन का उपयोग सहायक गैस के रूप में किया जाता है।

चित्र 7. डीज़ल इंजन इंजेक्टर के लिए उल्टे टेपर छेद का फेम्टोसेकंड लेजर द्वारा उच्च परिशुद्धता प्रसंस्करण।

08 अल्ट्रा-फास्ट लेजर टेक्सचरिंग

हाल के वर्षों में, मशीनिंग की सटीकता में सुधार, सामग्री की क्षति को कम करने और प्रसंस्करण दक्षता बढ़ाने के उद्देश्य से, माइक्रोमशीनिंग का क्षेत्र धीरे-धीरे शोधकर्ताओं का केंद्र बन गया है। अल्ट्राफास्ट लेजर में कम क्षति और उच्च परिशुद्धता जैसे कई प्रसंस्करण लाभ हैं, जो प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी के विकास को बढ़ावा देने का मुख्य केंद्र बन गया है। साथ ही, अल्ट्राफास्ट लेजर विभिन्न प्रकार की सामग्रियों पर कार्य कर सकते हैं, और लेजर द्वारा सामग्री की क्षति का प्रसंस्करण भी एक प्रमुख शोध दिशा है। अल्ट्राफास्ट लेजर का उपयोग सामग्रियों के अपघर्षण के लिए किया जाता है। जब लेजर की ऊर्जा घनत्व सामग्री के अपघर्षण सीमा से अधिक होती है, तो अपघर्षित सामग्री की सतह पर कुछ विशिष्ट विशेषताओं वाली सूक्ष्म-नैनो संरचना दिखाई देती है। शोध से पता चलता है कि यह विशेष सतह संरचना लेजर द्वारा सामग्रियों के प्रसंस्करण के दौरान होने वाली एक सामान्य घटना है। सतह सूक्ष्म-नैनो संरचनाओं की तैयारी से सामग्री के गुणों में सुधार हो सकता है और नई सामग्रियों के विकास को भी संभव बनाया जा सकता है। यह अल्ट्राफास्ट लेजर द्वारा सतह सूक्ष्म-नैनो संरचनाओं की तैयारी को महत्वपूर्ण विकास महत्व की एक तकनीकी विधि बनाता है। वर्तमान में, धातु सामग्री के लिए, अल्ट्राफास्ट लेजर सतह टेक्सचरिंग पर शोध धातु की सतह के गीलापन गुणों में सुधार कर सकता है, सतह के घर्षण और घिसाव गुणों में सुधार कर सकता है, कोटिंग के आसंजन को बढ़ा सकता है, और कोशिकाओं के दिशात्मक प्रसार और आसंजन को बढ़ा सकता है।

चित्र 8. लेजर द्वारा तैयार की गई सिलिकॉन सतह के अतिजलविरोधी गुण

एक अत्याधुनिक प्रसंस्करण तकनीक के रूप में, अल्ट्राफास्ट लेजर प्रसंस्करण में कम ऊष्मा-प्रभावित क्षेत्र, सामग्रियों के साथ अंतःक्रिया की गैर-रेखीय प्रक्रिया और विवर्तन सीमा से परे उच्च-रिज़ॉल्यूशन प्रसंस्करण की विशेषताएं हैं। यह विभिन्न सामग्रियों के उच्च-गुणवत्ता और उच्च-सटीकता वाले माइक्रो-नैनो प्रसंस्करण और त्रि-आयामी माइक्रो-नैनो संरचना निर्माण को साकार कर सकता है। विशेष सामग्रियों, जटिल संरचनाओं और विशेष उपकरणों के लेजर निर्माण की उपलब्धि माइक्रो-नैनो निर्माण के लिए नए रास्ते खोलती है। वर्तमान में, फेमटोसेकंड लेजर का व्यापक रूप से कई अत्याधुनिक वैज्ञानिक क्षेत्रों में उपयोग किया जा रहा है: फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग विभिन्न ऑप्टिकल उपकरणों, जैसे कि माइक्रोलेंस सरणियों, बायोनिक यौगिक आंखों, ऑप्टिकल वेवगाइड्स और मेटासर्फेस को तैयार करने के लिए किया जा सकता है; इसकी उच्च परिशुद्धता, उच्च रिज़ोल्यूशन और त्रि-आयामी प्रसंस्करण क्षमताओं का उपयोग करके, फेमटोसेकंड लेजर माइक्रोहीटर घटकों और त्रि-आयामी माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों जैसे माइक्रोफ्लुइडिक और ऑप्टोफ्लुइडिक चिप्स को तैयार या एकीकृत कर सकता है। इसके अतिरिक्त, फेमटोसेकंड लेजर विभिन्न प्रकार की सतह माइक्रो-नैनोसंरचनाओं को तैयार कर सकता है ताकि परावर्तन-रोधी, अति-जलरोधक, हिम-रोधी और अन्य कार्यक्षमताओं को प्राप्त किया जा सके; इतना ही नहीं, फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग जैव चिकित्सा के क्षेत्र में भी किया गया है, और जैविक माइक्रो-स्टेंट, सेल कल्चर सब्सट्रेट और जैविक सूक्ष्मदर्शी इमेजिंग जैसे क्षेत्रों में उत्कृष्ट प्रदर्शन दिखाया है। इसके व्यापक अनुप्रयोग की संभावनाएं हैं। वर्तमान में, फेमटोसेकंड लेजर प्रसंस्करण के अनुप्रयोग क्षेत्र वर्ष दर वर्ष विस्तार कर रहे हैं। उपर्युक्त माइक्रो-ऑप्टिक्स, माइक्रोफ्लुइडिक्स, बहु-कार्यात्मक माइक्रो-नैनोसंरचनाओं और जैव चिकित्सा इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के अलावा, यह मेटासर्फेस निर्माण, माइक्रो-नैनो निर्माण और बहु-आयामी ऑप्टिकल सूचना भंडारण आदि जैसे कुछ उभरते क्षेत्रों में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।