فرسایش با لیزر به سرعت در حال تبدیل شدن به یک روش ترجیحی برای پردازش سیلیکون است. این به دلیل دقت و انعطاف پذیری بالای آن است. در این مقاله، ما در مورد اصول، پارامترهای کلیدی و کاربرد رو به رشد آن در صنایعی مانند الکترونیک، مراقبت های بهداشتی و تولید بحث خواهیم کرد.
لیزر سیلیکون ابلیشن چیست؟
لیزر سیلیکون ابلیشن (Silicone Laser Ablation) یک فناوری پیشرفته است که از پرتو لیزر پرانرژی برای حذف یا اصلاح دقیق سطح سیلیکون استفاده می‌کند. با تنظیم انرژی، طول موج و پالس لیزر، می‌توان ساختارهای ظریفی مانند سوراخ‌ها، شیارها و الگوهایی در مقیاس میکرون یا نانومتر ایجاد کرد.
این فرآیند جزئیاتی بسیار ظریف‌تر از موی انسان را بدون ایجاد ذوب یا تغییر شکل سیلیکون ایجاد می‌کند. این فرآیند در محصولات با فناوری پیشرفته مانند ساعت‌های هوشمند، تراشه‌های پزشکی و درزگیرهای باتری خودروهای برقی استفاده می‌شود.
اصول کار لیزر سیلیکون ابلیشن چیست؟
وقتی پرتو لیزر پرانرژی به سطح سیلیکون برخورد می‌کند، ماده انرژی لیزر را جذب کرده و به سرعت آن را به گرما تبدیل می‌کند. اگر دما در یک ناحیه خاص از آستانه تبخیر یا تجزیه بیشتر شود، سیلیکون به سرعت به گاز یا ذرات کوچکی تبدیل می‌شود که از بین می‌روند.
برای طول موج‌های خاص لیزر، واکنش‌های فتوشیمیایی نیز ممکن است رخ دهند که مستقیماً زنجیره‌های مولکولی سیلیکون را تجزیه کرده و به تجزیه آن کمک می‌کنند.
با کنترل دقیق توان، پالس و مسیر اسکن لیزر، می‌توان مواد را با دقت میکرونی یا حتی نانومتری از سطح سیلیکون جدا کرد و الگوها، علامت‌ها یا ریزساختارهای مورد نظر را ایجاد کرد.
پارامترهای کلیدی در لیزر سیلیکون چیست؟
| پارامتر | محدوده/گزینه‌های معمول | معنا و تأثیر |
| طول موج لیزر | ۳۵۵ نانومتر (UV) / ۱۰.۶ میکرومتر (CO₂) | میزان جذب مواد و دقت پردازش را تعیین می‌کند. UV برای ساختارهای ظریف مناسب است، در حالی که CO₂ برای پردازش سریع و خشن مناسب است. |
| توان لیزر | 10-200 وات | توان بالاتر عمق سایش را افزایش می‌دهد، اما توان >150 وات ممکن است باعث کربنیزاسیون شود. |
| فرکانس پالس | ۱-۲۰۰ کیلوهرتز | فرکانس بالا (>50 کیلوهرتز) کیفیت سطح را بهبود می‌بخشد، در حالی که فرکانس پایین (<20 کیلوهرتز) انرژی تک پالس را افزایش می‌دهد که برای پردازش سوراخ‌های عمیق مناسب است. |
| سرعت اسکن | 100-2000 میلی متر بر ثانیه | سرعت‌های بالاتر، تأثیر حرارتی را کاهش می‌دهند، اما باید با توان مطابقت داشته باشند (توان بالاتر → سرعت بالاتر). |
| افست فوکوس | ±0.1 میلی‌متر | آفست مثبت (نقطه منبسط شده) چگالی انرژی را کاهش می‌دهد. آفست منفی (نقطه فشرده شده) نفوذ را افزایش می‌دهد. |
| محیط زیست گاز | هوا / نیتروژن / آرگون | نیتروژن اکسیداسیون و کربنیزاسیون را کاهش می‌دهد، در حالی که آرگون اثرات محافظتی پلاسما را کاهش می‌دهد و راندمان انرژی را تا 20% بهبود می‌بخشد. |
| تعداد تکرار | ۱ تا ۱۰ بار | اسکن‌های چندگانه عمق را کنترل می‌کنند (به ازای هر اسکن 20 تا 50 میکرومتر اضافه می‌شود)، اما برای جلوگیری از ذوب شدن دیواره جانبی، مراقبت لازم است. |
| روش خنک کننده | خنک‌کننده طبیعی / بستر خنک‌شده با آب / اسپری نیتروژن مایع | خنک‌سازی با نیتروژن مایع (-196 درجه سانتیگراد) می‌تواند ناحیه برخورد حرارتی (HAZ) را از 50 میکرومتر به 10 میکرومتر کاهش دهد، اما هزینه 30% را افزایش می‌دهد. |
انتخاب طول موج لیزر
سیلیکون درجه پزشکیتوصیه می‌شود از لیزر UV با طول موج ۳۵۵ نانومتر استفاده شود. انرژی فوتون بالای آن (۳.۵ الکترون‌ولت) می‌تواند پیوندهای Si-O را مستقیماً بشکند و امکان پردازش بدون آسیب حرارتی (Ra < 1μm) را فراهم کند. این امر به ویژه برای سیلیکون‌های پزشکی که دقت در آنها بسیار مهم است، مفید است.
سیلیکون صنعتیلیزر CO₂ با طول موج 10.6 میکرومتر به دلیل اثرات حرارتی (راندمان تا 5 سانتی‌متر مربع در دقیقه) برای برش سریع‌تر مناسب است. با این حال، برای حذف لایه کربنی تشکیل شده در طول فرآیند برش، پردازش پس از برش ضروری است. این طول موج معمولاً برای کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود که در آنها سرعت بر دقت اولویت دارد.
هماهنگی قدرت-سرعت
فرمول طلایی: عمق سایش ≈ (توان × √فرکانس) / سرعت
مثاللیزر ۱۰۰ وات در ۵۰ کیلوهرتز، ۵۰۰ میلی‌متر بر ثانیه، عمق برش تقریباً ۸۰ میکرومتر می‌دهد.
آستانه ایمنیچگالی توان >10⁷ وات بر سانتی‌متر مربع ممکن است باعث تجزیه مواد شود.
فرکانس پالس و کیفیت لبه
فرکانس بالا (>100 کیلوهرتز)فاصله پالس کمتر از 10 میکروثانیه است. این امر باعث کاهش تجمع گرما می‌شود و برای پردازش کانال‌های بیومیمتیک، که در آنها زبری لبه کمتر از Ra < 2 میکرومتر نگه داشته می‌شود، ایده‌آل است.
فرکانس پایین (<20kHz)انرژی تک پالس بیشتر از ۱ میلی‌ژول است که آن را برای پردازش شیارهای آب‌بندی باتری مناسب می‌کند. این فرکانس عمق ثابتی را با تلورانس ±۵ میکرومتر تضمین می‌کند و نتایج قابل اعتمادی را برای برش‌های عمیق‌تر و پیچیده‌تر ارائه می‌دهد.
بهینه‌سازی محیط زیست گاز
تصفیه با نیتروژنبا سرعت جریان ۱۵-۲۰ لیتر در دقیقه، باقیمانده کربن به میزان ۶۰۱TP3T کاهش می‌یابد و آن را برای فرآوری سیلیکون با درجه مواد غذایی مناسب می‌سازد.
محافظت با آرگونهنگام پردازش سیلیکون رسانا، آرگون از اکسیداسیون پرکننده فلزی جلوگیری می‌کند (میزان تغییر مقاومت <3%).
مقایسه استراتژی خنک‌کننده
| روش خنک کننده | ناحیه برخورد حرارتی (HAZ) | افزایش هزینه | کاربرد |
| خنک کننده طبیعی | 50-100 میکرومتر | 0% | الگوهای تزئینی با دقت پایین |
| بستر خنک شونده با آب | 30-50 میکرومتر | 15% | قطعات صنعتی با دقت متوسط |
| اسپری نیتروژن مایع | 10-20 میکرومتر | 30% | ریزساختارهای دستگاه‌های پزشکی |
موارد ترکیبی پارامتر معمول
تراشه میکروفلوئیدیک پزشکی
- پارامترها: ۳۵۵ نانومتر، ۸۰ وات، ۱۵۰ کیلوهرتز، ۸۰۰ میلی‌متر بر ثانیه، نیتروژن، ۳ اسکن، خنک‌کننده نیتروژن مایع
- نتیجهیک کانال با عرض ۵۰ میکرومتر و عمق ۱۵۰ میکرومتر با زاویه قائم دیواره جانبی بیش از ۸۹ درجه ساخته شده است و هیچ باقیمانده کربنی باقی نمانده است.
پد آب بندی خودرو با انرژی جدید
- پارامترها: 10.6 میکرومتر، 150 وات، 20 کیلوهرتز، 300 میلی‌متر بر ثانیه، هوا، 1 اسکن، خنک‌کننده طبیعی
- نتیجهیک شیار ذوزنقه‌ای شکل به عرض ۲۰۰ میکرومتر و عمق ۵۰۰ میکرومتر با سرعت پردازش ۱۲ قطعه در دقیقه حکاکی می‌شود.
شیارهای عایق الکترونیکی انعطاف‌پذیر
- پارامترها: ۳۵۵ نانومتر، ۵۰ وات، ۱۰۰ کیلوهرتز، ۱۲۰۰ میلی‌متر بر ثانیه، آرگون، ۵ اسکن، بستر خنک‌شده با آب
- نتیجهشیاری به عرض ۸۰ میکرومتر روی سیلیکون رسانا با مقاومت دی‌الکتریک بیش از ۲۰ کیلوولت بر میلی‌متر حک شده است.
چه عوامل دیگری بر فرآیند لیزر ابلیشن سیلیکون تأثیر می‌گذارند؟
علاوه بر پارامترهای پردازش لیزر، خواص ذاتی سیلیکون نقش مهمی در تأثیرگذاری بر نتایج نهایی لیزر ابلیشن ایفا می‌کند.
| عامل | تأثیر بر فرسایش لیزری |
| نوع و فرمولاسیون سیلیکون | جذب لیزر، رسانایی حرارتی و خواص تجزیه |
| سختی | ترک خوردن، پوسته پوسته شدن، ذوب شدن یا تغییر شکل دادن |
| شرایط سطح | فرسایش ناهموار و توزیع انرژی ناهموار |
در ابتدا، نوع سیلیکون و فرمولاسیون آن عوامل اصلی هستند. انواع مختلف سیلیکون در ساختار مولکولی و چگالی پیوند عرضی تفاوت‌هایی دارند. این تفاوت‌ها مستقیماً بر توانایی آنها در جذب طول موج‌های خاص لیزر، رسانایی حرارتی و ویژگی‌های تجزیه در دماهای بالا تأثیر می‌گذارند. علاوه بر این، پرکننده‌ها و رنگدانه‌ها می‌توانند جذب نوری، ظرفیت حرارتی و رسانایی حرارتی ماده را به طور قابل توجهی تغییر دهند. این به نوبه خود، بر راندمان جذب انرژی لیزر، آستانه فرسایش و میزان حذف مواد تأثیر می‌گذارد.
در مرحله بعد، سختی سیلیکون نیز بر فرآیند ابلیشن لیزر تأثیر می‌گذارد. سیلیکون سخت‌تر ممکن است بیشتر مستعد شکستگی شکننده یا لایه‌برداری در معرض لیزر باشد، در حالی که سیلیکون نرم‌تر احتمال ذوب شدن یا تغییر شکل بیشتری دارد. سختی همچنین بر راندمان حذف محصولات ابلیشن و پرداخت نهایی سطح تأثیر می‌گذارد.
در نهایت، وضعیت سطح سیلیکون، مانند تمیزی و زبری اولیه آن، نباید نادیده گرفته شود. آلاینده‌هایی مانند روغن یا گرد و غبار روی سطح ممکن است انرژی لیزر را جذب یا پراکنده کنند و باعث کاهش راندمان انتقال انرژی به سطح سیلیکون شوند و به طور بالقوه منجر به فرسایش ناهموار شوند. یک سطح ناهموار همچنین می‌تواند باعث توزیع ناهموار انرژی لیزر شود و بر یکنواختی و دقت فرسایش تأثیر بگذارد.
بنابراین، قبل از انجام ابلیشن سیلیکون با لیزر، درک و ارزیابی کامل خواص ذاتی سیلیکون ضروری است. بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند لیزر بر اساس این ویژگی‌ها، گامی کلیدی برای دستیابی به نتایج مطلوب ابلیشن است.
کاربردهای لیزر سیلیکون ابلیشن چیست؟
تخریب با لیزر سیلیکون پتانسیل بالایی را در زمینه‌های مختلف نشان داده است.
| میدان | برنامه های کاربردی |
| ریزپردازش و تولید ریزساختار | مدارهای سیال سه‌بعدی، تراشه‌های کشت سلولی، میکرولنزها، قطعات الکترونیکی انعطاف‌پذیر، حسگرها، سطوح غیرلغزنده |
| اصلاح سطح | دستگاه‌های نوری، فیلم SiO2 |
| کاربردهای زیست‌پزشکی | حساس‌کننده‌های نوری، عوامل ضد باکتری، دستگاه‌های پزشکی، کاتترها |
| کاربردهای صنعتی | قالب‌های سیلیکونی، کامپوزیت‌های سیلیکونی تقویت‌شده با الیاف کربن |
ریزپردازش و تولید ریزساختار
از فرسایش لیزری برای ایجاد سوراخ‌های ریز، مانند سوراخ‌های سرتاسری با قطر ۱ میکرومتر استفاده می‌شود. این روش برای کاربردهایی مانند مدارهای سیال سه‌بعدی یا تراشه‌های کشت سلولی ایده‌آل است. علاوه بر این، فرسایش لیزری ۱۵۷ نانومتری F2 می‌تواند برآمدگی‌های ریز SiO2 را روی سطوح سیلیکونی ایجاد کند که سپس به میکرولنزهایی با فواصل کانونی بین ۱۰ تا ۱۷۰ میکرومتر تبدیل می‌شوند. فرسایش لیزری همچنین به طور گسترده برای الگوسازی سطح در الکترونیک انعطاف‌پذیر، حسگرها یا سطوح غیرلغزنده استفاده می‌شود.
اصلاح سطح
یک لیزر ArF با طول موج ۱۹۳ نانومتر می‌تواند سطح سیلیکون را اصلاح کند تا ساختاری شبیه به سیلیس ایجاد کند و لومینسانس نور سفید تولید کند. این امر در دستگاه‌های نوری مفید است. علاوه بر این، فرسایش با انرژی بالا همراه با جو اکسیژن امکان رسوب یک فیلم شفاف SiO2 را روی یک زیرلایه فراهم می‌کند و به نرخ عبور ۹۵۱TP3T دست می‌یابد.
کاربردهای زیست‌پزشکی
لیزرهای فمتوثانیه می‌توانند در آب برای حذف سیلیکون و تولید نانوذرات سیلیکونی غیرآلوده استفاده شوند. این نانوذرات می‌توانند به عنوان حساس‌کننده‌های نوری یا عوامل ضد باکتری استفاده شوند. در ساخت دستگاه‌های پزشکی، حذف لیزری می‌تواند سطوح کاتتر را ریزساختار کند و زیست‌سازگاری یا عملکرد آزادسازی دارو را افزایش دهد.
کاربردهای صنعتی
از روش کندوپاش لیزری برای تمیز کردن بقایای قالب‌های سیلیکونی به صورت غیر تماسی و بدون مواد شیمیایی استفاده می‌شود. همچنین در پردازش مواد کامپوزیتی مانند برش دقیق یا عملیات سطحی کامپوزیت‌های سیلیکونی تقویت‌شده با فیبر کربن نیز کاربرد دارد.
چرا حکاکی با لیزر سیلیکون بهتر از روش‌های سنتی حکاکی است؟
حکاکی لیزری سیلیکون مزایای متعددی نسبت به روش‌های حکاکی سنتی دارد. ماهیت غیرتماسی آن از تغییر شکل و آسیب مواد جلوگیری می‌کند و آن را به ویژه برای سیلیکون نرم مناسب می‌سازد. دقت بالای لیزر امکان پردازش در سطح میکرون را فراهم می‌کند که از حکاکی مکانیکی سنتی پیشی می‌گیرد. علاوه بر این، حکاکی لیزری انعطاف‌پذیری زیادی را فراهم می‌کند، زیرا الگوهای پیچیده را می‌توان به راحتی از طریق نرم‌افزار و بدون نیاز به تعویض قالب‌ها سفارشی کرد. همچنین می‌تواند به اصلاحات سطحی دست یابد و خواص جدیدی به سیلیکون اضافه کند. علاوه بر این، خودکارسازی آن آسان است که می‌تواند در درازمدت هزینه‌های نگهداری را کاهش دهد. این مزایا، حکاکی لیزری را به روشی قدرتمندتر و امیدوارکننده‌تر برای پردازش سیلیکون تبدیل می‌کند.
نتیجه
فرسایش لیزری سیلیکون مزایای زیادی نسبت به روش‌های سنتی دارد، از جمله دقت، انعطاف‌پذیری و امکان اصلاح سطوح سیلیکون بدون ایجاد آسیب. با پیشرفت فناوری، پتانسیل آن برای صنایع بیشتر نیز گسترده‌تر می‌شود. از این نوآوری برای گشودن امکانات جدید در پردازش سیلیکون استقبال کنید.
با سال‌ها تخصص در تولید سیلیکون، ما در ارائه محصولات سیلیکونی با کیفیت بالا با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته تولید تخصص داریم. چه به طرح‌های سفارشی نیاز داشته باشید و چه به ویژگی‌های خاص، تیم ما اینجا است تا رویای شما را به واقعیت تبدیل کند. همین امروز با ما تماس بگیرید تا راه‌حل سیلیکونی ایده‌آل متناسب با نیازهای شما را ایجاد کنیم.
