超高速レーザーは数十年前から存在していますが、産業用途は過去 20 年間で急速に成長しました。2019 年の超高速の市場価値レーザー材料処理額は約 4 億 6,000 万ドルで、年間平均成長率は 13% でした。超高速レーザーが工業用材料の処理に使用され成功している応用分野には、半導体産業におけるフォトマスクの製造と修復のほか、携帯電話やタブレットなどの家庭用電化製品におけるシリコンダイシング、ガラスの切断/スクライビング、(インジウムスズ酸化物) ITO フィルムの除去などが含まれます。 、自動車産業向けのピストンテクスチャリング、医療産業向けの冠状動脈ステント製造およびマイクロ流体デバイス製造。
01 半導体産業におけるフォトマスクの製造と修理
超高速レーザーは、材料加工における最も初期の産業用途の 1 つで使用されました。IBMは、1990年代にフォトマスク製造におけるフェムト秒レーザーアブレーションの応用を報告しました。金属スパッタやガラス損傷を引き起こす可能性があるナノ秒レーザーアブレーションと比較して、フェムト秒レーザーマスクには金属スパッタやガラス損傷などが見られないという利点があります。この方法は集積回路 (IC) の製造に使用されます。IC チップの製造には最大 30 枚のマスクが必要となり、コストは 100,000 ドルを超える場合があります。フェムト秒レーザー加工では、150nm 未満の線や点を加工できます。
図 1. フォトマスクの製造と修復
図 2. 極端紫外リソグラフィー用のさまざまなマスク パターンの最適化結果
02 半導体産業におけるシリコン切断
シリコン ウェーハのダイシングは半導体業界の標準的な製造プロセスであり、通常は機械的なダイシングを使用して実行されます。これらの切断ホイールでは微小亀裂が発生することが多く、薄い (たとえば厚さ < 150 μm) ウェーハを切断するのは困難です。シリコンウェーハのレーザー切断は、半導体業界、特に薄いウェーハ（100～200μm）で長年使用されており、複数のステップで実行されます：レーザーによる溝入れ、その後の機械的分離またはステルス切断（つまり、内部の赤外線レーザービーム）シリコンスクライビング）に続いて機械的なテープ分離が行われます。ナノ秒パルスレーザーは1時間あたり15枚のウェーハを処理でき、ピコ秒レーザーは1時間あたり23枚のウェーハをより高品質に処理できます。
03 消耗品エレクトロニクス産業におけるガラスの切断/スクライビング
携帯電話やノートパソコンのタッチスクリーンや保護ガラスは薄くなり、一部の幾何学的形状は湾曲しています。これにより、従来の機械による切断がより困難になります。一般的なレーザーでは、特にガラス ディスプレイが 3 ～ 4 層積層され、上部の 700 μm の厚さの保護ガラスが強化されている場合、切断品質が低下し、局所的な応力で破損する可能性があります。超高速レーザーは、より優れたエッジ強度でこれらのガラスを切断できることが示されています。大型のフラット パネルを切断する場合、フェムト秒レーザーをガラス シートの裏面に焦点を合わせて、前面に損傷を与えることなくガラスの内側に傷を付けることができます。その後、機械的または熱的手段を使用して、刻み目のパターンに沿ってガラスを破壊することができます。
図3. ピコ秒超高速レーザーによるガラスの特殊形状切断
04 自動車産業におけるピストンのテクスチャ
軽量車のエンジンはアルミニウム合金で作られていますが、鋳鉄ほど耐摩耗性はありません。研究によると、車のピストンのテクスチャーをフェムト秒レーザーで加工すると、破片やオイルが効果的に保管されるため、摩擦を最大 25% 削減できることがわかりました。
図 4. エンジン性能を向上させるための自動車エンジンピストンのフェムト秒レーザー加工
05 医療業界における冠動脈ステント製造
何百万もの冠状ステントが体の冠状動脈に埋め込まれ、さもなければ凝固した血管に血液が流れる通路を開き、毎年何百万もの命を救っています。冠状動脈ステントは、典型的には、約１００μｍのストラット幅を有する金属（例えば、ステンレス鋼、ニッケルチタン形状記憶合金、または最近ではコバルトクロム合金）ワイヤメッシュから作られる。ロングパルスレーザー切断と比較して、超高速レーザーを使用してブラケットを切断する利点は、切断品質が高く、表面仕上げが良く、破片が少ないため、後処理コストが削減されることです。
06 医療産業向けマイクロ流体デバイスの製造
マイクロ流体デバイスは、病気の検査と診断のために医療業界で一般的に使用されています。これらは通常、個々の部品をマイクロ射出成形し、その後接着または溶接を使用して結合することによって製造されます。マイクロ流体デバイスの超高速レーザー製造には、接続を必要とせずにガラスなどの透明な材料内に 3D マイクロチャネルを作成できるという利点があります。1 つの方法は、バルクガラス内での超高速レーザー加工とそれに続く湿式化学エッチングです。もう 1 つは、蒸留水中でガラスまたはプラスチック内でフェムト秒レーザーアブレーションを行って破片を除去する方法です。別のアプローチは、ガラス表面にチャネルを機械加工し、フェムト秒レーザー溶接によってガラスカバーでシールすることです。
図 6. ガラス材料内にマイクロ流体チャネルを準備するためのフェムト秒レーザー誘起選択エッチング
07 インジェクターノズルの微細穴あけ
フェムト秒レーザー微細穴加工は、流れ穴プロファイルの変更における柔軟性の向上と加工時間の短縮により、高圧インジェクター市場の多くの企業でマイクロ EDM に取って代わりました。歳差運動スキャンヘッドを介してビームの焦点位置と傾きを自動的に制御できる機能により、燃焼室内での霧化や浸透を促進できる開口プロファイル（バレル、フレア、収束、発散など）の設計が可能になりました。穴あけ時間はアブレーション量に依存し、ドリルの厚さは 0.2 ～ 0.5 mm、穴の直径は 0.12 ～ 0.25 mm であるため、この技術はマイクロ EDM よりも 10 倍速くなります。マイクロドリリングは、貫通パイロット穴の荒加工と仕上げを含む 3 段階で実行されます。アルゴンは、ボアホールを酸化から保護し、初期段階で最終プラズマをシールドするための補助ガスとして使用されます。
図7 フェムト秒レーザーによるディーゼルエンジンインジェクター逆テーパー穴の高精度加工
08 超高速レーザーテクスチャリング
近年、加工精度の向上、材料ダメージの低減、加工効率の向上などを目的として、マイクロマシニングの分野が注目を集めています。超高速レーザーは、低ダメージ、高精度などの加工メリットがあり、加工技術の開発が注目されています。同時に、超高速レーザーはさまざまな材料に作用することができ、材料の損傷をレーザーで加工することも主要な研究方向です。超高速レーザーは材料のアブレーションに使用されます。レーザーのエネルギー密度が材料のアブレーション閾値よりも高い場合、アブレーションされた材料の表面には特定の特性を備えたマイクロナノ構造が表示されます。研究によると、この特殊な表面構造は、材料をレーザー加工するときに発生する一般的な現象です。表面のマイクロ・ナノ構造を作製することで、材料自体の特性を向上させることができ、また、新しい材料の開発も可能になります。このため、超高速レーザーによる表面マイクロ・ナノ構造の作製は、重要な開発意義を持つ技術的手法となっています。現在、金属材料に関しては、超高速レーザー表面テクスチャリングの研究により、金属表面の濡れ特性の改善、表面の摩擦と摩耗特性の改善、コーティングの接着力の強化、細胞の指向性の増殖と接着が可能になります。
図 8. レーザーで準備されたシリコン表面の超疎水性特性
最先端の加工技術である超高速レーザー加工は、熱影響部が小さいこと、材料との相互作用の非線形プロセス、回折限界を超える高分解能加工などの特徴を持っています。さまざまな材料の高品位・高精度なマイクロ・ナノ加工を実現します。三次元マイクロ・ナノ構造体の作製。特殊な材料、複雑な構造、特殊なデバイスのレーザー製造を実現することで、マイクロ・ナノ製造の新たな道が開かれます。現在、フェムト秒レーザーは多くの最先端科学分野で広く使用されています。フェムト秒レーザーは、マイクロレンズアレイ、生体複眼、光導波路、メタサーフェスなどのさまざまな光学デバイスの作製に使用できます。フェムト秒レーザーは、その高精度、高解像度、三次元処理機能を利用して、マイクロヒーターコンポーネントや三次元マイクロ流体チャネルなどのマイクロ流体および光流体チップを準備または統合できます。さらに、フェムト秒レーザーは、反射防止、反射防止、超疎水性、氷結防止などの機能を実現するために、さまざまなタイプの表面マイクロナノ構造を作成することもできます。それだけでなく、フェムト秒レーザーは生物医学の分野にも応用されており、生体用マイクロステント、細胞培養基材、生体顕微鏡イメージングなどの分野で優れた性能を発揮しています。幅広い応用の可能性。現在、フェムト秒レーザー加工の応用分野は年々拡大しています。前述のマイクロ光学、マイクロ流体工学、多機能マイクロナノ構造、生物医工学への応用に加えて、メタサーフェスの調製などのいくつかの新興分野でも大きな役割を果たしています。、マイクロ・ナノ製造と多次元光情報記憶など。
投稿時刻: 2024 年 4 月 17 日
