01 Ievads
Pastāvīgi attīstoties zinātnei un tehnoloģijām un plaši pielietojot jaunus materiālus, modernā ražošana strauji attīstās, virzoties uz viegliem, miniatūriem un augstas{0}precizitātes virzieniem. Tādās jomās kā mikroelektronika, optoelektronika un mikro-elektromehāniskās sistēmas (MEMS) mikro-nanostruktūru savienošana un integrācija ir īpaši svarīga. Tradicionālās apstrādes metodes, piemēram, garā-impulsu lāzera apstrāde vai elektriskās izlādes apstrāde, bieži vien ir saistītas ar ievērojamām siltuma -ietekmētām zonām (HAZ), kas var viegli izraisīt materiāla deformāciju, mikroplaisas vai atkārtotu slāņu veidošanos, apgrūtinot augstas -precizitātes starpsavienojumu prasības mikro{8}} un nanomērogā. Īpaši ātrie lāzeri, kas parasti attiecas uz lāzeriem ar impulsu platumu femtosekundē (fs) vai pikosekundē (ps), nodrošina jaunu risinājumu precīzai ražošanai to ārkārtīgi augstā maksimālās jaudas blīvuma un īpaši-īsā mijiedarbības laika dēļ. Īpaši ātrā lāzera mikro-nanometināšana (Nano Welding) var pārvarēt tradicionālās metināšanas termiskās difūzijas ierobežojumus un panākt precīzus savienojumus mikro-nano mērogā. Šī tehnoloģija izmanto nelineāros efektus, ko rada īpaši ātra lāzera mijiedarbība ar materiāliem, lai panāktu kušanu un saķeri ārkārtīgi mazos apgabalos, vienlaikus izvairoties no apkārtējo konstrukciju bojājumiem. Pamatojoties uz jaunākajiem sasniegumiem ultraātrās lāzera mikrostruktūru apstrādē, šajā rakstā galvenā uzmanība ir pievērsta ultraātrās lāzera mikro{16}}nanometināšanas pamatprincipiem, galvenajiem procesa parametriem un tā tipiskajiem pielietojumiem dažādās materiālu sistēmās.
02 Ultra{1}}Ātrās lāzermetināšanas princips
Ultraātrās lāzera mikro{0}}nanometināšanas galvenais mehānisms ir termodinamiskais process un lokālā lauka uzlabošanas efekts. Pamatprincips ir tāds, ka, mijiedarbojoties starp īpaši ātro lāzeru un materiālu, metināmo mikrostruktūru saskares saskarne tiek lokāli izkausēta, tādējādi novēršot spraugas un veidojot stabilu savienojumu. Metināšanas procesā zemviļņa garuma struktūrām, piemēram, nanovadiem, femtosekundes lāzera apstarošana var izraisīt lokalizētu plazmas rezonansi, kas rada lokalizētus augstas temperatūras laukus nanovadu krustpunktos vai saskares zonās, ļaujot savienot, sagriezt vai pārveidot nanovadus. Šīs tehnoloģijas būtiska priekšrocība ir tās ārkārtīgi augstā termiskā lokalizācija. Ultraātrā lāzera ultraīsā impulsa platuma dēļ (parasti femtosekundes skalā), siltuma difūzija ir ievērojami nomākta, ļaujot kopējai temperatūrai sasniegt līdzsvaru 10⁻¹² sekunžu laikā. Šis īpaši ātrais termiskās relaksācijas mehānisms nodrošina, ka augstas temperatūras tiek ierobežotas tikai lokālajos reģionos, kur notiek plazmas rezonanse, savukārt nanovadu struktūras apgabali ārpus rezonanses zonas netiek bojāti augstā temperatūrā, tādējādi saglabājot ierīces kopējo strukturālo integritāti. Turklāt metināšanas procesa parametru izvēlei ir izšķiroša ietekme uz metinājuma kvalitāti. Pētījumi liecina, ka liela impulsa atkārtošanās ātruma izmantošana kopā ar zemu impulsa enerģiju var efektīvi samazināt trauslu intermetālisku savienojumu veidošanos, samazināt metināšanas defektu rašanos un novērst pārmērīgu metāla materiāla ablāciju.
1. attēls. Īpaši ātras lāzera mijiedarbības ar silīciju nelineārās jonizācijas, plazmas evolūcijas un termodinamisko mehānismu shematiskā diagramma.
2. attēls. Metālu un nemetālisko materiālu enerģijas nogulsnēšanās mehānismu un fāzu pārveidošanas procesu salīdzinājums ultraātrā lāzera mikro-nanometināšanā.
03 Īpaši ātras lāzermetināšanas pielietojumi
Pašlaik īpaši ātrā lāzera mikro{0}}nanometināšanas tehnoloģija ir plaši izmantota dažādu vadošu mikro-nano konstrukciju savienošanai. Atkarībā no materiāla īpašībām to galvenokārt var iedalīt metāla mikro-nanostruktūru metināšanā, pusvadītāju nanomateriālu metināšanā un atšķirīgu materiālu heterosavienojuma metināšanā. Šajos trīs pielietojuma scenārijos īpaši ātrie lāzeri ir pierādījuši ievērojamas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajiem procesiem.
Attiecībā uz precīzu metāla mikro{0}nano konstrukciju savstarpējo savienojumu, tradicionālās mikro-metināšanas tehnoloģijas, apstrādājot mikronu- vai nanometru-mēroga metāla stieples, bieži saskaras ar nopietnu termisku pārplūdi, jo ir grūti precīzi kontrolēt siltuma ievadi. Šī pārmērīgā termiskā slodze ne tikai viegli izkausē smalkas metāla stieples, bet arī mēdz veidot trauslus intermetāliskus savienojumus atšķirīgu metālu savienojumos, kā rezultātā ir zema mehāniskā izturība un bieži rodas metināšanas defekti. Turpretim ultraātrā lāzermetināšana, izmantojot unikālu procesa stratēģiju, kas apvieno augstu impulsu atkārtošanās ātrumu ar zemu impulsa enerģiju, efektīvi pārvar šīs problēmas. Šī augstās atkārtošanās biežuma un zemās enerģijas sinerģija nodrošina pietiekamu enerģijas uzkrāšanos metināšanai, vienlaikus ievērojami samazinot metāla materiāla pārmērīgu ablāciju, tādējādi efektīvi nomācot trauslu intermetālisku savienojumu veidošanos un samazinot metināšanas defektus.
Konkrētos lietojumos pētnieki bija pirmie, kas izmantoja šo tehnoloģiju, lai panāktu Ag mikro-vadu metināšanu ar Cu substrātiem, parādot tās potenciālu mikroelektroniskajos starpsavienojumos. Turklāt nanomēroga Ag{2}}Ag viendabīga metāla nanovadiem pētnieki veiksmīgi metināja nanovadus, izmantojot 35 fs ultraīsus impulsus ar enerģijas blīvumu aptuveni 90 mJ/cm². Iegūtie savienojumi bija ne tikai strukturāli neskarti, bet arī saglabāja izcilu elektrovadītspēju un mehānisko izturību.
Pusvadītāju nanomateriālu nesagraujošā savienojumā tradicionālie globālās sildīšanas vai kontaktmetināšanas procesi var viegli sabojāt nanovadu kristālisko struktūru vai izraisīt termiskus bojājumus ne-metinātās vietās, jo pusvadītāju materiāli ir ļoti trausli un termiski jutīgi. Ultraātrā lāzermetināšana šo problēmu risina, izmantojot tās unikālo lokalizēto plazmas rezonanses mehānismu. Ja nanovadiem tiek pielietota femtosekundes lāzera apstarošana, krustojumos vai krustojumos tiek izraisīta lokalizēta plazmas rezonanse, radot lokāli augstas temperatūras metināšanas, griešanas vai pārveidošanas veikšanai. Tā kā īpaši ātrā lāzera darbības laiks ir ārkārtīgi īss, siltuma difūzija sasniedz līdzsvaru pikosekundes diapazonā (10^-12 sekundes), kas nozīmē, ka radītā augstā temperatūra ir stingri ierobežota vietējā rezonanses zonā, atstājot nanovadu struktūras ārpus rezonanses zonas pilnībā nesabojātas.
Pamatojoties uz šo principu, pētnieki veiksmīgi panāca ZnO-ZnO viendabīgu pusvadītāju nanovadu metināšanu. Zem 35 fs impulsa platuma un enerģijas blīvuma 77,6 mJ/cm² pēc 30 sekunžu ilgas apstarošanas nanovadi bija stingri un nesagraujoši savienoti. Šis sasniegums nodrošina efektīvu un precīzu bezkontakta apstrādes metodi visu-oksīda fotodetektoru un sensoru montāžai.
Ultraātrā lāzera mikro{0}}nanometināšanas tehnoloģija ar ārkārtīgi īsu impulsa platumu un ārkārtīgi lielu maksimālo jaudu ir pārvarējusi tradicionālo metināšanas metožu ierobežojumus termisko efektu kontrolē, kļūstot par neaizstājamu instrumentu mikro-nano ražošanas jomā. Izmantojot lokalizētus plazmas rezonanses un nelineāros absorbcijas mehānismus, šī tehnoloģija var panākt precīzu materiālu kausēšanu un savienošanu ārkārtīgi mazos telpiskās un laika mērogos, efektīvi izvairoties no apkārtējo mikro{3}}nano struktūru termiskiem bojājumiem. No metāla mikrovadiem līdz pusvadītāju nanovadiem un pat sarežģītiem neviendabīgu materiālu savienojumiem, īpaši ātra lāzermetināšana ir pierādījusi plašu materiāla pielāgošanās spēju un izcilu apstrādes kvalitāti. Nākotnē, padziļināti izpētot lāzera-materiālu mijiedarbības mehānismus un turpmākus lāzera veiktspējas uzlabojumus, ir paredzams, ka īpaši ātrai lāzera mikro-nanometināšanai būs vēl svarīgāka loma elastīgas elektronikas, nano-optoelektronisko ierīču un ļoti integrētu sensoru ražošanā, veicinot mikro-nano ražošanas tehnoloģiju un lielāku precizitātes efektivitāti.
