В последние годы такие производственные сектора, как производство интегральных схем, панелей дисплеев, аэрокосмической промышленности и прецизионных приборов, постоянно модернизируются. Тем временем новые области, такие как связь 5G, искусственный интеллект и транспортные средства на новых источниках энергии, ускорили свой рост, что привело к взрывному росту рыночного спроса на прецизионные-произведенные продукты. Эта тенденция привела к постоянным итерациям и прорывам в производственных технологиях, породив волну передовых-технологий, способных преодолеть узкие места отрасли. Ярким примером среди них является прямая запись фемтосекундным лазером (FsLDW). Оно не только расширяет физические границы точного производства, но и вызывает технологические революции в оптоэлектронных устройствах, интеллектуальных сенсорах и других областях, становясь «совершенным оружием», способствующим развитию высокотехнологичного производства.
01 Что такое технология прямого письма фемтосекундным лазером?
«Фемтосекундные лазеры» — это ультра-лазеры с ультракороткими импульсами, измеряемые в фемтосекундах (1 фс=10⁻¹⁵ секунд). Эта характеристика обеспечивает чудесную обработку на физическом уровне: лазерный импульс накапливает энергию внутри материала, прежде чем он прекращается. Это означает, что тепло не успевает распространиться в окружающие области, что приводит к «холодной обработке»-на микроскопическом уровне: материал подвергается прямой ионизации, испарению или фазовому переходу, в то время как окружающая область остается практически незатронутой.
Рисунок 1. Сравнение механизмов обработки лазеров с длинными-импульсами и короткими-импульсами.
По сравнению с традиционными наносекундными или пикосекундными лазерами это свойство принципиально устраняет ограничения точности, вызванные тепловыми эффектами. Он действует как самое острое лезвие, делая точные разрезы без выделения избыточного тепла.
«Прямое письмо» подпадает под категорию методов обработки,-не требующих масок. Лазерный луч действует как точная «оптическая ручка», непосредственно гравируя трехмерные-микроструктуры внутри или на поверхности материалов.
Проще говоря, технология прямой записи с помощью фемтосекундного лазера – это передовой метод производства, в котором используются фемтосекундные-ультра-лазеры с ультракороткими импульсами, взаимодействующие с материалами для непосредственной "записи" сложных трехмерных-структур на микро-наноуровне.
02 Основные преимущества: почему это «идеальное оружие» для точного производства?
Разрушение «размерных ограничений»: переход от «2D» к «настоящему 3D»
Традиционные производственные технологии часто ограничены возможностями двумерной-или двумерной-и--полумерной-обработки. Технология прямой записи фемтосекундным лазером действительно обеспечивает настоящую трехмерную обработку, проникая в поверхность.
Ключ заключается в термине «прямое написание»,-означающем, что маски или последующие процессы не требуются. Он обеспечивает прямую трехмерную структурную обработку прозрачных или полупрозрачных материалов. Управляя траекторией сканирования лазерного фокуса внутри материала, можно создавать сложные трехмерные фотонные волноводы, микрожидкостные каналы и трехмерные оптические компоненты, обеспечивая уникальные производственные возможности для таких областей, как трехмерная фотонная интеграция и микроэлектромеханические системы (МЭМС).
Преодоление барьера точности: наномасштабное производство с минимальным-обработкой повреждений
Сверх-короткая длительность импульса и сверх-высокая пиковая мощность фемтосекундного лазера позволяют суб-дифракцию-ограничивать точность обработки за счет нелинейного поглощения (например, двух-фотонного поглощения), достигая суб-микронного или даже наноразмерного разрешения. Это соответствует высоким-требованиям к точности микро-оптических компонентов и фотонных устройств.
Кроме того, чрезвычайно короткое время взаимодействия между фемтосекундными лазерами и материалами сводит к минимуму тепловые эффекты, практически устраняя зоны теплового-воздействия. Это позволяет избежать таких проблем, как деформация материала и растрескивание, вызванных термическим воздействием при традиционных методах обработки, что делает его особенно подходящим для термочувствительных-материалов (например, биологических тканей, полимеров). Это обеспечивает высокую-точность обработки с низким-повреждением.
Расширение материальных границ: удовлетворение основных потребностей во многих областях
Обработка фемтосекундным лазером демонстрирует исключительную совместимость, позволяя выполнять точную обработку металлов, стекла, керамики, полупроводников, полимеров и различных биоматериалов. Различные материалы подвергаются структурной обработке посредством различных физических механизмов (например, абляция, модификация, полимеризация) под воздействием фемтосекундного лазерного излучения, что обеспечивает гибкость для межотраслевых применений.
Повышение «эффективности обработки»: удовлетворение потребностей массового производства
Технология прямой записи фемтосекундным лазером обеспечивает высокую эффективность обработки, позволяя быстро изготавливать сложные трехмерные структуры для удовлетворения потребностей массового производства.
03 Практическое применение: многогранное-развертывание, расширяющее возможности различных отраслей
Технология прямой записи фемтосекундным лазером проникла во многие важные области, став «основой производства» основных компонентов:
Полупроводниковая промышленность
Во время упаковки чипа между чипами и пластинами должны быть изготовлены вертикальные структуры межсоединений (например, TSV, TGV), чтобы обеспечить взаимное соединение устройств. По сравнению с традиционными методами травления, прямая запись с помощью фемтосекундного лазера исключает сложные процессы, такие как влажное травление и очистка, что значительно повышает эффективность обработки. Низкая шероховатость боковых стенок сквозных-отверстий эффективно снижает сопротивление межсоединений, обеспечивая эффективное решение для гетерогенной интеграции полупроводников и создания корпусов высокой-плотности.
Оптические приложения
Фемтосекундные лазеры позволяют осуществлять прямую запись решеток, волноводов, направленных ответвителей, светоделителей и интегрированных фотонных устройств в стекле и кристаллах. Они также производят микролинзы, фотонные кристаллы и метаматериалы из полимерных материалов. Это обеспечивает поддержку основных компонентов для оптической связи, квантовых вычислений и оптического зондирования, продвигая фотонику к более высокой плотности и меньшим потерям.
Биомедицинская область
В биомедицине прямая запись с помощью фемтосекундного лазера позволяет изготавливать микрофлюидные чипы,-гравируя каналы микрометра-на чипах размером всего несколько квадратных сантиметров. Это обеспечивает миниатюризацию и ускорение обработки данных для иммунологического анализа, секвенирования генов и других экспериментальных приложений, что значительно сокращает время обнаружения. Кроме того, фемтосекундные лазеры могут создавать биосовместимые трехмерные клеточные каркасы внутри фотополимерных материалов для наблюдения за поведением клеток, регенерацией тканей и другими физиологическими процессами.
Передовое производство
В передовом производстве эта технология обрабатывает микро/нано-формы и структуры из метаматериалов, поставляя основные компоненты для прецизионных инструментов и аэрокосмических устройств.
Прямая запись с помощью фемтосекундного лазера, как передовая технология производства, имеет ценность, выходящую далеко за рамки ее нынешних применений. На фоне перехода отрасли к интеллектуальному, прецизионному-производству и индивидуальному производству эта технология не только отвечает текущим требованиям рынка в отношении высокой-производительности и высокоточной-обработки, но также продвигает сопутствующие продукты к большей миниатюризации, интеграции и интеллектуальности.
В будущем эта технология объединится с передовыми-областями, такими как искусственный интеллект, что позволит создать более умные, эффективные и точные производственные возможности.
