עיבוד בלייזר ברמת מיקרו

מושית מגן, בן משה

עיבוד בלייזר זה טכנולוגיה שבעזרתה משתמשים בלייזר לעיבוד חומרים שונים. התהליך מתבצע על ידי מיקוד קרן לייזר בעלת הספק גבוה מספיק, באמצעות מחשב, אל פני החומר המיועד לעיבוד. החומר סופג את האנרגיה של הלייזר ובהינתן עוצמה מספקת, החומר מגיב בהתכה, אידוי או פיזור. הלייזר פועל לפי מרחק מיקוד, כלומר המרחק בין העדשה לבין החומר, עובי החומר הניתן לעיבוד תלוי בעוצמה של קרן הלייזר וגם בטווח המיקוד של הקרן. ככל שהקרן ממוקדת יותר כך טווח המיקוד קצר יותר. היתרון הגדול בשימוש בלייזר הוא בכך שהחיתוך מדויק, מתבצע ללא מגע מכני. פרט לאנרגיה המוקרנת על החומר אין חיכוך מכני ולכן יש שחיקה פחותה של כלי חיתוך. היעדר החיכוך מאפשר תנועות “חופשיות” יותר, ומגדיל את הגמישות הגאומטרית של העיבוד. קרן לייזר היא בדרך כלל דקה יותר מכלים מכניים ומאפשרת עיבוד חומר בדיוקים גבוהים יותר.
כדאי לזכור שבחיתוך בלייזר מתקיים בין השאר אידוי של חומר או תהליך כימי המפריד בין חמרים. כך למשל בחיתוך PVC (פולי ויניל כלוריד) משתחרר גז הידרו-כלוריד שהוא רעיל ביותר וגורם לקורוזיה מואצת גם לחלקי המכונה. חשוב לבחון התנהגות של חומר בעיבוד בלייזר ולוודא שלא תהיה פגיעה בבריאות האנשים בסביבת העבודה.
עיבוד בפולסים אולטרה קצרים מקטין נזקי חום ומאפשר מזעור של האזור המעובד ומגדיל את הדיוק של העיבוד. פולסים בתדר גבוה ואנרגיה מספקת, מבטיחים הסרת חומר מהירה בתהליך של אבלציה.
התקדמות מרשימה בתחום לייזרי picosecond בשנים האחרונות, הפכה אותם לכלי אמין ואטרקטיבי לתעשייה. מגוון רחב של יישומים חדשים בתחום microprocessing התאפשר רק עם הגעתם של לייזרים עם פולסים בתחום picosecond או femtosecond. פולסים בתחום picosecond או femtosecond משתווים לזמן הרלקסציה (חזרה למצב של שווי משקל) של אלקטרון- פונון (תנודה מקוונטטט של אטומים בגביש מוצק), ומאפשרים עיבוד בדיוק נקודתי באבלציה “קרה”. נתן היום להשיג לזירה ביעילות גבוהה של הרמוניה שניה, שלישית או אפילו רביעית ולאפשר עיבוד לייזר באורך גל ירוק 532nm, אולטרא סגול 355nm ואולטרא סגול עמוק 266nm פותח הזדמנויות רחבות להתאמה לתכונות חומר ואופי התהליך. במתכות למשל, שימוש בקרן לייזר באורך גל קצר תדר גבוה מבטיח פיזור אנרגיה מינימלי. האנרגיה המרוכזת מצליחה לפעול על המתכת בדייקנות רבה בלי להזיק לסביבה. בחמרים שאינם מפזרים אנרגיה, אפשר להשתמש באורכי גל ארוכים יותר (תדר יותר נמוך) כדי לעבד ביעילות.
הקטנת סף האבלציה ואנרגית פולס נמוכה יוצרת פחות לחץ מכאני ולחץ תרמי על החומר.
ביישום עבודי מייקרו, לייזרי ננו, פיקו ו-FEMTO שניות נמצאים בשימוש נרחב. מנקודת מבט מעשית, ללייזרי picosecond יש מספר יתרונות על לייזרי femto. לייזרי picosecond מורכבים פחות במבנה, כי אין צורך במתיחת הפולס ודחיסתו לצרכי הגברה ובכך יותר חסכוניים ואמינים, בו זמנית הפולסים שלהם עדיין מספיק קצרים ל-microprocessing מאוד מדויק ו-stress נמוך.
מערכות micromachining על בסיס לייזר picosecond מסוגלות לעבד תחום רחב של רמות מיקרו כמעט בכל החומרים, כולל:
• מתכות • מוליכים למחצה • קרמיקה • פולימרים • חומרים מרוכבים ו-resins • יהלומים
הדפסה של ציפויי זכוכית עם לייזרי picosecond
רוב החומרים שבהם משתמשת האלקטרוניקה הם חומרים אי אורגניים. שימוש נפוץ בחומר אורגני הוא במסכי LCD אבל ניתן להרחיב את השימוש בהם לטכנולוגיות חדשות יותר. קיימת היום דרישה למסכים גמישים, למסכים חוסכי אנרגיה, קלים עם בהירות גבוהה יותר וזמן סוללה טוב יותר, כל הדברים הללו נמצאים כיום בשטח המחקר של הכימיה האורגנית וקבוצות רבות מחפשות חומרים אלטרנטיביים לבנות מסכים יותר גדולים.
Indium-tin oxide נפוצה בשימוש בצגים שטוחים ומוצרי אלקטרוניקה על בסיס אורגני כאלקטרודה שקופה ומוליכה חשמל. שיטת פוטוליטוגרפיה קונבנציונלית של עשיית דפוסים, כרוכה בתהליכים רבים, כולל הארה ותחריט כימי רטוב.
laser direct write היא טכנולוגיה אשר מתחרה בהדפסות פוטוליטוגראפיות קונבנציונליות של ITO. זהו תהליך Maskless כאשר כל הדוגמא מתוכנתת במחשב, העבוד יבש ומתבצע בתנאי סביבה רגילים. תהליך (LDW) מאפשר החלפת שלבים רבים בתהליך הפוטוליטוגראפיה, בפעולת אבלציה אחת של לייזר.
OLED: ראשי תיבות של (Organic Light-Emitting Diode) היא דיודה פולטת אור המבוססת על חומר אורגני. ביצור של OLED נדרשים קצוות מוגדרים היטב ובידוד חשמלי טוב בהפרדה דקה בין קווי מוליכים. החומר מודפס בתהליך מיוחד על שכבה דקה של חומר פולימרי. השימוש העיקרי ב-OLED הוא לבניית צגים דקים. בניגוד לצגי LCD, אין צורך בתאורה אחורית ולכן צריכת החשמל נמוכה יותר. המסכים גם אינם מפיצים חום. המסכים המבוססים על טכנולוגיה זו הם דקים יותר מאשר צגי LCD או פלזמה. כדי לייצר מסך OLED, מדפיסים שתי שכבות דקיקות של חומרים אורגניים פולימריים מוליכי חשמל ומניחים אותם בין שני לוחות מוליכים דקים (אנודה וקתודה. האנודה עשויה לרוב תחמוצת אינדיום ובדיל שקופה
Indium-tin oxide. כאשר מופעל מתח נמוך יוצרת הקתודה (המורכבת מחומרים כגון אלומיניום זרם העובר דרך שכבת הפולימר לאנודה ומביא לפליטה של אור. טכנולוגיית ה-OLED מאפשרת לייצר צגים שקופים דקים, גמישים וחסכוניים, שהם בהירים וברורים מאוד. מסכים בטכנולוגיית OLED נמצאים בשימוש בטלפונים סלולריים ונגני מוזיקה.
קצוות מוגדרים היטב ובידוד חשמלי טוב בהפרדה דקה בין קווי מוליכים, נדרשים למכשירי OLED. קצוות חדים של קווי נדוף חשובים בעקר כאשר המרחק בין השורות המוליכות מתכווץ לכ-10 מיקרומטר. מכשירי אלקטרוניקה אורגנית הם מבני פילם דק כאשר העובי הכולל של הפילמים הפעילים הוא בטווח של 100 ננומטר. לכן, גבשושיות על קצוות יכולים לגרום לקצרים במכשירים או הפחתה באריכות הימים ויעילות העבודה של מכשירי OLED.
קרינת הלייזר גורמת לנידוף של החומר, יוצרת חריצים ב-ITO. פרופיל של החריצים נותח phase contrast optical microscope, מיקרוסקופ סורק אלקטרונים (SEM) ומיקרוסקופ כוח אטומי (AFM). הסרה נקיה של פילם ב-ITO הושגה עם קרינת 266 ננומטר כאשר שטף הלייזר היה מעל הסף
ב-0.20 J/cm.sq, ואילו לקרינת ננומטר 355, הסף היה גבוה, מעל 0.46 J/cm.sq. מצע הזכוכית נפגע באזור שבו השטף היה גבוה
מ-1.55 J/cm.sq. קרינת 532 ננומטר אפשרה קבלת חריצים מוגדרים היטב, אבל הרבה שאריות בצורת אבק שנוצרו על פני השטח. קרינת UV באורך הגל 266 ספקה את חלון העבודה הרחב ביותר לנידוף ITO ללא נזק של המצע. שימוש בקרינת לייזר UV עם שטף הקרוב לסף הנידוף מאפשר למזער את זיהום פני השטח והיווצרות גבשושיות שהן תוצרי לוואי של שאריות אבק בשעת התהליך.
סוגים שונים של לייזרי פולסים נבדקו לנידוף של Indium-tin oxide () .איכות גבוהה ביותר עם יצור מופחת של זהומים הושגה על ידי פולסי ליזר אולטרה מהירים. מיקום מוגדר היטב של אנרגית הליזר היא חיונית לקבלת איכות גבוהה של הסרת שכבה דקה מהמצע.
תמונת AFM ממחישה יצירת חריץ חרוט על פילם ITO באמצעות לייזר picosecond מסדרת אטלנטיק של Ekspla