Ugrás a tartalomhoz

Különleges lézersugaras technológiák

Sánta Imre (2012)

EDUTUS Főiskola

A mikromegmunkáló rendszerek eszközei

A mikromegmunkáló rendszerek eszközei

A mikromegmunkáló rendszerek három fő csoportba sorolhatók:

Nyalábmozgatással működő (pásztázó típusú) rendszerek

  • galvanométeres-tükrös nyalábeltérítő

  • f-theta fókuszáló rendszer vagy mikroszkóp

  • 10.000-10 µm tartományon, 10 µm pontossággal (osztva a mikroszkóp nagyításával)

  • többféle lézer, nem feltétlenül TEM00, jellemzően Nd:YAG, Ti:Zafír, szállézer

3.2.1.1. ábra

A pásztázó rendszereket gyakran mikroszkóppal együtt használják. Ekkor a feloldóképesség mértéke arányosan javul a mikroszkóp nagyításával. Az anyageltávolítás mellett a rendszer munkaterébe SLA, vagyis sztereolitográfiás polimert is lehet helyezni. Ekkor a mikroszkóp alatt mikronos, vagy szubmikronos pontosságú tárgyakat is lehet készíteni („nanomotor”, MTA Szegedi Biológiai Központ):

3.2.1.2. ábra

A hullámhossznál jobb feloldást úgy tudtak produkálni, hogy a szokásos kék-UV hullámhosszú lézer helyett vörös fényű femtoszekundumos impulzuslézert használtak. Annak önmagában nincs polimerizációt előidéző hatása, de a kis impulzus energia ellenére a nagyon rövid időtartam miatti nagy csúcsteljesítménynél fellép az ún. kétfotonos abszorpció, azaz a hullámhossz felének megfelelő rezonáns átmenetet gerjeszt, és beindítja a polimerizációt (zölddel jelölve az ábrán). Mivel ez nem az intenzitással, hanem az intenzitás négyzetével arányos, Gauss eloszlása fele szélességű. Ráadásul a polimerizáció beindítása sem lineáris, küszöb jellegű karakterisztikája van, ezért a létrehozható méret még kisebb (100nm nagyságrendű). Hasonló jelenség lép fel az átlátszó dielektrikumokban (üvegben), a kétfotonos abszorpció következtében nyelődik el a fény és okoz lokális felmelegedést.

3.2.1.3. ábra

Koordinátaasztallal (XYZ, esetleg ϕ), mintamozgatással működő rendszerek

  • Lineáris, precíziós motoros eltolók (+forgató)

  • 10000-1µm tartományon, 0,5 µm pontossággal

  • kizárólag TEM00 módusú lézer (DPSS, fiber, Ti:S)

  • rezgésmentes környezet (asztal)

3.2.2.1. ábra

A szubmikronos precizitás lehetővé teszi bonyolult alakzatok elkészítését az 0,1-100000µm-es tartományon. Jó példa erre a szívkatéterezéshez használt ún. „sztent” 5-10 µm falvastagságú csőből kivágva.

3.2.2.2. ábra

Az utóbbi időben ilyen rendszerekben előszeretettel használnak, a korábban alkalmazott Nd:YAG lézerek helyett femtoszekundumos Ti:Zafír lézert, amivel a környezet hőterhelését gyakorlatilag kizárhatják. A mikromegmunkáláshoz a lézer fényét egy mikroszkópba vezetik.

3.2.2.3. ábra

Az alábbi ábrákon polimer fúrása látható az intenzitás függvényében, ahol az is jól látható, hogy az anyag inhomogenitása miatt polimer kötegek maradtak vissza, részben karbonizálódva. A másik ábrán látható egy valóságos nyalábkeresztmetszet intenzitás eloszlása (nagyjából Gauss, de vannak elhajlási gyűrűk). Ezek a gyűrűk azonban nem hagynak nyomot, mivel az ablációnak meghatározott küszöbértéke van. Az alatt nem kezdődik meg, majd küszöb fölött rohamosan nő az anyagkiáramlás.

3.2.2.4. ábra

A lézerfény térbeli koherenciája, interferencia képessége lehetővé teszi nagyon sűrű, gyakran a minimális fókuszméretnél kisebb távolságú csíkrendszer, vagy azok metszetében hálórendszer előállítását oly módon, hogy a nyalábot két részre osztva, majd bizonyos szögben újra egyesítve interferencia csíkokat hozunk létre.

A létrejövő rács csíkjainak távolsága a hullámhossz fele lehet (minimum). Ez egy 2-es faktorral kisebb, mint a legkisebb nyalábátmérő. Cserébe nem lehet egyes csíkokat létrehozni, csak sok ezret egyszerre.

3.2.2.5. ábra

Maszkos leképezésen alapuló rendszerek

  • A felbontást a korrigált objektívek (mikroszkóp) biztosítják

  • a lézer „csak” a levilágító fényforrás,

  • a lézer térbeli intenzitáseloszlása homogén (nem Gauss) kell legyen, de csak a maszk síkjában

  • a lehető legrövidebb hullámhossz szükséges a legjobb felbontáshoz

3.2.3.1. ábra

A mikroáramkör-gyártás jellegzetes megoldásai láthatók az alábbi ábrán, amelyet a maszkos technológia tesz lehetővé.

3.2.3.2. ábra

Az alábbi ábrán a 46,9 nm-es röntgenlézerrel polimer fóliára készített – lencse nélküli, 1:1 -es maszkos levilágítás képe látszik.

3.2.3.3. ábra

Jól megfigyelhetők a maszkos technológia korlátai is, a fény hullámhosszával összemérhető méret-tartományban az elhajlási jelenségek (erősítési-gyengítési interferencia csíkok a tartományok határán) fogják korlátozni a felbontást (csakúgy, mint egy fénymikroszkóp feloldását).

Ez elvi korlát, hullámjelenség, a tárgyak képének nincs abszolút éles kontúrja, még a legjobban korrigált lencsék használata esetén sem. A fény behatol az árnyéktérbe, hullámhosszfüggő távolságokban csíkokat létrehozva.

3.2.3.4. ábra

A maszkos technológiában a lézer fényét nem fókuszáljuk, hanem éppen ellenkezőleg, a Gauss intenzitás eloszlás helyett egyenletes, homogén teljesítménysűrűséget kell létrehozni a maszk síkjában.

3.2.3.5. ábra

Ehhez általában ún. homogenizátort használnak (3.2.3.5.ábra), aminek sokféle megoldása ismert. Mindegyik lényege, hogy a nyalábot kis részekre osztják, és azt a tartományt egyenletesen szétterítik a maszk felületén.

3.2.3.6. ábra