تطبيقات صناعية في مجال التصنيع الدقيق والنانوي باستخدام الليزر فائق السرعة

على الرغم من أن الليزر فائق السرعة موجود منذ عقود، إلا أن تطبيقاته الصناعية نمت بسرعة في العقدين الماضيين. في عام 2019، بلغت القيمة السوقية لليزر فائق السرعةمادة الليزربلغت قيمة عمليات المعالجة حوالي 460 مليون دولار أمريكي، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 13%. تشمل مجالات التطبيق التي استُخدمت فيها الليزرات فائقة السرعة بنجاح لمعالجة المواد الصناعية تصنيع وإصلاح الأقنعة الضوئية في صناعة أشباه الموصلات، بالإضافة إلى تقطيع السيليكون، وقطع/نقش الزجاج، وإزالة طبقة أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) في الإلكترونيات الاستهلاكية مثل الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية، وتشكيل مكابس صناعة السيارات، وتصنيع دعامات الشرايين التاجية، وتصنيع الأجهزة الميكروفلويدية للصناعة الطبية.

1. تصنيع وإصلاح أقنعة الصور في صناعة أشباه الموصلات

استُخدمت أشعة الليزر فائقة السرعة في أحد أوائل التطبيقات الصناعية في معالجة المواد. وقد أعلنت شركة IBM عن استخدام تقنية استئصال الليزر الفيمتوثانية في إنتاج الأقنعة الضوئية في تسعينيات القرن الماضي. وبالمقارنة مع تقنية استئصال الليزر النانوثانية، التي قد تُسبب تناثرًا معدنيًا وتلفًا للزجاج، فإن أقنعة الليزر الفيمتوثانية لا تُظهر أي تناثر معدني أو تلف للزجاج، وما إلى ذلك. وتُعدّ هذه الطريقة من أهم مزاياها. تُستخدم هذه الطريقة في إنتاج الدوائر المتكاملة (ICs). قد يتطلب إنتاج شريحة IC واحدة ما يصل إلى 30 قناعًا، وتتجاوز تكلفتها 100,000 دولار أمريكي. كما يُمكن لمعالجة الليزر الفيمتوثانية معالجة الخطوط والنقاط التي يقلّ عرضها عن 150 نانومترًا.

الشكل 1. تصنيع وإصلاح قناع الصور

الشكل 2. نتائج تحسين أنماط الأقنعة المختلفة لطباعة الليثوغرافيا بالأشعة فوق البنفسجية القصوى

02 قطع السيليكون في صناعة أشباه الموصلات

يُعدّ تقطيع رقائق السيليكون عملية تصنيع قياسية في صناعة أشباه الموصلات، ويتم عادةً باستخدام التقطيع الميكانيكي. غالبًا ما تتشقق عجلات القطع هذه تشققات دقيقة، ويصعب قطع الرقائق الرقيقة (مثلًا، بسماكة أقل من 150 ميكرومتر). يُستخدم قطع رقائق السيليكون بالليزر في صناعة أشباه الموصلات منذ سنوات عديدة، وخاصةً للرقائق الرقيقة (100-200 ميكرومتر)، ويتم على عدة مراحل: حفر أخاديد بالليزر، يليه فصل ميكانيكي أو قطع خفي (أي شعاع ليزر بالأشعة تحت الحمراء داخل حفر السيليكون)، يليه فصل ميكانيكي باستخدام شريط لاصق. يمكن لليزر النبضي النانوي معالجة 15 رقاقة في الساعة، بينما يمكن لليزر البيكوثانية معالجة 23 رقاقة في الساعة، بجودة أعلى.

03 قطع/نقش الزجاج في صناعة الإلكترونيات الاستهلاكية

أصبحت شاشات اللمس والزجاج الواقي للهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة أرقّ، كما أن بعض الأشكال الهندسية أصبحت منحنية. هذا يجعل القطع الميكانيكي التقليدي أكثر صعوبة. عادةً ما تُنتج أشعة الليزر جودة قطع رديئة، خاصةً عندما تكون شاشات الزجاج هذه مُكدّسة من 3 إلى 4 طبقات، ويكون الزجاج الواقي العلوي بسمك 700 ميكرومتر مُقسّى، مما يجعله عرضةً للكسر عند تعرضه لإجهاد موضعي. وقد أثبتت أشعة الليزر فائقة السرعة قدرتها على قطع هذه الأنواع من الزجاج بحواف أكثر متانة. بالنسبة لقطع الألواح المسطحة الكبيرة، يُمكن تركيز ليزر الفيمتو ثانية على السطح الخلفي للوح الزجاجي، مما يؤدي إلى خدش السطح الداخلي للزجاج دون إتلاف السطح الأمامي. بعد ذلك، يُمكن كسر الزجاج باستخدام وسائل ميكانيكية أو حرارية على طول النمط المُخدش.

الشكل 3. قطع زجاج ذي شكل خاص باستخدام ليزر فائق السرعة بيكو ثانية

04. ملمس المكابس في صناعة السيارات

تُصنع محركات السيارات خفيفة الوزن من سبائك الألومنيوم، وهي أقل مقاومة للتآكل من الحديد الزهر. وقد أظهرت الدراسات أن معالجة أسطح مكابس السيارات باستخدام ليزر الفيمتو ثانية يمكن أن يقلل الاحتكاك بنسبة تصل إلى 25%، وذلك بفضل قدرة هذه المعالجة على تخزين الشوائب والزيوت بكفاءة.

الشكل 4. معالجة مكابس محركات السيارات باستخدام ليزر الفيمتو ثانية لتحسين أداء المحرك

05 تصنيع دعامات الشريان التاجي في الصناعة الطبية

تُزرع ملايين الدعامات التاجية في الشرايين التاجية لفتح قناة لتدفق الدم إلى الأوعية الدموية المسدودة، مما يُنقذ ملايين الأرواح سنويًا. تُصنع الدعامات التاجية عادةً من شبكة سلكية معدنية (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، أو سبيكة ذاكرة الشكل من النيكل والتيتانيوم، أو مؤخرًا سبيكة الكوبالت والكروم) بعرض دعامة يبلغ حوالي 100 ميكرومتر. بالمقارنة مع القطع بالليزر ذي النبضات الطويلة، تتميز الدعامات المصنوعة من الليزر فائق السرعة بجودة قطع عالية، وتشطيب سطح أفضل، ومخلفات أقل، مما يُقلل تكاليف المعالجة اللاحقة.

06 تصنيع الأجهزة الميكروفلويدية للصناعة الطبية

تُستخدم الأجهزة الميكروفلويدية على نطاق واسع في المجال الطبي لاختبار الأمراض وتشخيصها. تُصنع هذه الأجهزة عادةً بتقنية الحقن الدقيق للأجزاء الفردية، ثم تُربط باستخدام اللصق أو اللحام. يتميز تصنيع الأجهزة الميكروفلويدية باستخدام الليزر فائق السرعة بقدرته على إنتاج قنوات دقيقة ثلاثية الأبعاد داخل مواد شفافة كالزجاج دون الحاجة إلى وصلات. إحدى الطرق هي التصنيع باستخدام الليزر فائق السرعة داخل كتلة زجاجية، متبوعًا بالحفر الكيميائي الرطب، وطريقة أخرى هي الاستئصال بالليزر الفيمتوثانية داخل الزجاج أو البلاستيك في الماء المقطر لإزالة الشوائب. وهناك طريقة أخرى تتمثل في حفر قنوات في سطح الزجاج وإغلاقها بغطاء زجاجي باستخدام لحام الليزر الفيمتوثانية.

الشكل 6. الحفر الانتقائي المحفز بالليزر الفيمتوثانية لتحضير قنوات ميكروفلويدية داخل المواد الزجاجية

7. الحفر الدقيق لفوهة الحقن

حلّت تقنية الحفر الدقيق بالليزر الفيمتوثانية محلّ تقنية التفريغ الكهربائي الدقيق (micro-EDM) في العديد من شركات سوق حاقنات الضغط العالي، وذلك بفضل مرونتها العالية في تغيير أشكال فتحات التدفق وتقليل أوقات التشغيل. وقد أتاحت إمكانية التحكم التلقائي في موضع تركيز شعاع الليزر وميله، عبر رأس مسح متحرك، تصميم أشكال فتحات متنوعة (مثل البرميلية، والمتوهجة، والمتقاربة، والمتباعدة) تُحسّن عملية التذرية أو الاختراق في غرفة الاحتراق. يعتمد وقت الحفر على حجم الاستئصال، حيث يتراوح سمك المثقاب بين 0.2 و0.5 مم، وقطر الفتحة بين 0.12 و0.25 مم، مما يجعل هذه التقنية أسرع بعشر مرات من تقنية التفريغ الكهربائي الدقيق. يتم الحفر الدقيق على ثلاث مراحل، تشمل التخشين والتشطيب للثقوب التجريبية. يُستخدم غاز الأرجون كغاز مساعد لحماية الثقب من الأكسدة وحجب البلازما النهائية خلال المراحل الأولية.

الشكل 7. معالجة عالية الدقة باستخدام ليزر الفيمتو ثانية لفتحة مخروطية مقلوبة لحاقن محرك ديزل

8. تقنية التشكيل بالليزر فائق السرعة

في السنوات الأخيرة، ولتحسين دقة التصنيع، وتقليل تلف المواد، وزيادة كفاءة المعالجة، أصبح مجال التصنيع الدقيق محور اهتمام الباحثين. يتميز الليزر فائق السرعة بمزايا معالجة متعددة، مثل انخفاض التلف ودقة عالية، مما جعله محورًا رئيسيًا لتطوير تقنيات المعالجة. في الوقت نفسه، يمكن استخدام الليزر فائق السرعة مع مجموعة متنوعة من المواد، كما أن معالجة المواد بالليزر تُعدّ اتجاهًا بحثيًا هامًا. يُستخدم الليزر فائق السرعة لإزالة المواد. عندما تتجاوز كثافة طاقة الليزر عتبة إزالة المادة، يظهر على سطح المادة المُزالة بنية دقيقة نانوية ذات خصائص مميزة. تُشير الأبحاث إلى أن هذه البنية السطحية الخاصة ظاهرة شائعة تحدث عند معالجة المواد بالليزر. يُمكن لتحضير البنى الدقيقة النانوية السطحية تحسين خصائص المادة نفسها، كما يُتيح تطوير مواد جديدة. هذا يجعل تحضير البنى الدقيقة النانوية السطحية باستخدام الليزر فائق السرعة أسلوبًا تقنيًا ذا أهمية تنموية بالغة. حالياً، بالنسبة للمواد المعدنية، يمكن للأبحاث المتعلقة بتشكيل سطح الليزر فائق السرعة أن تحسن خصائص ترطيب سطح المعدن، وتحسن خصائص الاحتكاك والتآكل السطحي، وتعزز التصاق الطلاء، والتكاثر والالتصاق الموجه للخلايا.

الشكل 8. خصائص التنافر الفائق للماء لسطح السيليكون المُجهز بالليزر

باعتبارها تقنية معالجة متطورة، تتميز المعالجة بالليزر فائق السرعة بمنطقة تأثر حراري صغيرة، وعملية تفاعل غير خطية مع المواد، ومعالجة عالية الدقة تتجاوز حد الانعراج. ويمكنها تحقيق معالجة دقيقة وعالية الجودة لمختلف المواد على المستوى الميكروي والنانوي، بالإضافة إلى تصنيع هياكل ثلاثية الأبعاد على هذا المستوى. ويفتح تحقيق التصنيع بالليزر للمواد الخاصة والهياكل المعقدة والأجهزة الخاصة آفاقًا جديدة في مجال التصنيع الميكروي والنانوي. في الوقت الحاضر، يُستخدم ليزر الفيمتو ثانية على نطاق واسع في العديد من المجالات العلمية المتطورة: حيث يُستخدم في تحضير أجهزة بصرية متنوعة، مثل مصفوفات العدسات الدقيقة، والعيون المركبة الحيوية، والموجهات الضوئية، والأسطح الفوقية؛ وبفضل دقته العالية وقدرته على المعالجة ثلاثية الأبعاد، يمكن لليزر الفيمتو ثانية تحضير أو دمج رقائق الموائع الدقيقة والبصرية، مثل مكونات التسخين الدقيق وقنوات الموائع الدقيقة ثلاثية الأبعاد. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام ليزر الفيمتو ثانية لتحضير أنواع مختلفة من البنى الميكروية النانوية السطحية لتحقيق خصائص مضادة للانعكاس، ومضادة للانعكاس، وكارهة للماء بشكل فائق، ومضادة للتجمد، وغيرها. كما يُستخدم ليزر الفيمتو ثانية في مجال الطب الحيوي، مُظهرًا أداءً متميزًا في مجالات مثل الدعامات الميكروية البيولوجية، وركائز زراعة الخلايا، والتصوير المجهري البيولوجي. وتشهد آفاق تطبيقه توسعًا كبيرًا عامًا بعد عام. فإلى جانب تطبيقاته المذكورة سابقًا في مجالات البصريات الدقيقة، والموائع الدقيقة، والبنى الميكروية النانوية متعددة الوظائف، والهندسة الطبية الحيوية، يلعب ليزر الفيمتو ثانية دورًا محوريًا في بعض المجالات الناشئة، مثل تحضير الأسطح الفائقة، وتصنيع البنى الميكروية النانوية، وتخزين المعلومات البصرية متعددة الأبعاد، وغيرها.