Technologické lasery a trendy vývoje za rok 2015

Pro pokrok v laserových technologiích je dnes podstatná široká nabídka laserů s dostatečným výkonem a možnost výběru jeho typu podle záměru použití. Od základních CO2 laserů, zatím stále ještě investičně nejdostupnějších, se postupně přechází u řady technologií na pevnolátkové lasery s rezonátory diskového nebo vláknového typu s vysokou jakostí laserového paprsku. Čerpány jsou laserovými diodami, mají dobrou účinnost (15 % disk, 30 % vlákno), jejich životnost dosahuje 35 tisíc hodin u disku a až 100 tisíc hodin u vlákna. Nezapomínejme ani na stále vyšší kvalitu výkonových diodových laserů s jejich účinností až 50 %, danou přímou přeměnou elektrické energie. Dnes se ale věnujme dvěma hlavním trendům vývoje technologických laserů k závěru roku 2015 ve smyslu průběhu diskuse na veletrhu Productronica 2015, který v mnoha směrech navazuje na veletrh laserové techniky Laser – World of Photonics a který dále specifikuje oblast laserových technologií užívaných při výrobě elektroniky. I tady takových technologií neustále přibývá, dnes už i s aplikacemi laserů s ultrakrátkými pulzy a v blízké budoucnosti se jeví reálné dosáhnout na technologie směrem ke spektru v  extrémně ultrafialové oblasti EUV.

Hlavní předností dnes už i u výkonových laserů s ultrakrátkými pulzy, s délkou pulzu v pikosekundové (10-12) až femtosekundové (10-15) oblasti je, že prakticky nedochází k tepelnému ovlivnění okolí technologického procesu a je tak možné zpracovávat i velmi citlivé materiály, kde by jinak zvýšená teplota mohla působit na změnu jejich struktury. V počátečním stadiu vývoje se u těchto laserů dosahovalo jen poměrně nízkého výkonu v pulzu, a tak se tento typ laserů spíše uplatňoval v medicíně nebo biologickém výzkumu. V posledních letech se ale i tady podařilo dosáhnout výkonu v pulzu řádově ve stovkách wattů, což už je dostačující i pro řadu strojírenských technologií, mikroobrábění nebo strukturování. Rekordního výkonu 1,5 kW u femtosekundového laseru v provedení jako kombinace innoslab laser a diskový zesilovač s délkou pulzu 710 fs docílili letos ve středním infračerveném pásmu ve Fraunhofer Institutu ILT. Probíhající vývoj laseru na tomto principu slibuje přinést výkon v pulzu až 2 kW. Z ústavu ILT je také modul zaměřený na dosažení vyšší produktivity laserů s ultrakrátkými pulzy. Dosaženo je toho u laserů do 1 kW zkrácením jejich délky, v daném případě až čtyřnásobném, např. při komprimování z 1 ps na 250 fs.

Aplikace laserů s ultrakrátkou délkou pulzu přináší řadu nových technologických poznatků. Příkladem uveďme technologii řezání tvrzeného skla, užívanou dnes hromadně při výrobě displejů. Infračervené laserové paprsky obvykle transparentním sklem procházejí. Při užití ultrakrátkých pulzů a liniové fokusaci paprsku podél kontury dělení dochází v místě dopadu laserového paprsku k takové modifikaci skla, která má za následek vznik vnitřního pnutí s přesně řízeným lomem skla. A to všechno i při různě tvarovaných konturách, přesnosti v setinách mm a rychlosti mnohonásobně převyšující dosavadní postup.

Dosahování vyšších výkonů u těchto laserů otevírá i cestu pro větší možnost využívání optimálních frekvencí laserů vzhledem k požadované technologii i vlastnostem materiálu, včetně schopnosti absorpce laserového paprsku. Tím je možné zpracovávat i nové materiály nebo materiály, které dosud nebylo možné vůbec nebo jen obtížně laserem zpracovávat, např. měď a její slitiny. Při standardní vlnové délce 1 μm absorbuje měď méně než 5 % energie laserového paprsku, ale např. při přeladění na 532 nm už hodnota absorpce paprsku dosahuje 30 % až 40 %.

Ve Fraunhofer Institutu ILT pracují jak s ultrakrátkou délkou pulzu, tak i s délkou pulzu v opačné části spektra. Mezi další aktivity patří vývoj speciálních typů laserů s ultrakrátkými pulzy pro vlnovou délku v oblasti krátké infračervené od 1,5 do 3,5 μm. Pro první testy tu zatím vyvinuli zdroj s výkonem 20 W – v přípravě je 50 W a s délkou pulzu v rozpětí 900 fs až 1,5 ns, od kterého si slibují nejen úvod do zatím nové, neprobádané oblasti působení laserů s ultrakrátkou délkou pulzu, ale i vývoj nových postupů při opracování mnohdy i strategických materiálů.

Od laserů s ultrakrátkými pulzy, které dosavadní vývoj přivedl až ke stadiu reálných technologií, přeskočíme zatím ještě spíše do vývojové oblasti – přípravy k naplnění funkce laseru v oblasti extrémně ultrafialové (EUV). Jeho úkolem je řešení EUV litografie jako cesty pro zvyšování hustoty a další miniaturizace elektronických systémů. O tomto požadavku výrobců elektroniky se uvažuje už léta v souvislosti s často citovaným Moorovým zákonem, podle kterého se každých 18 měsíců v procesorech elektroniky zdvojnásobí počet tranzistorů. K dosažení tohoto stavu by měla odpovídat i technologie. A ta, založená v tomto případě na principu Laser-Produced-Plasma, očividně v těchto dnech vývojově kulminuje – s řešením ne už pouze pro laboratorní testy, ale i praktickou výrobu čipů a elektronických obvodů.

Dostat se přitom až na vlnovou délku v extrémně ultrafialové části spektra 13,5 nm není nijak snadné. Dnes se běžně dosahuje stavu v krajní oblasti ultrafialové části spektra 193 nm, případně nepřímo 22 nm. EUV záření má svá odlišná specifika, je dobře absorbované všemi materiály včetně vzduchu, a proto celý proces musí probíhat ve vakuu. Jiné jsou i nároky na masky elektronických obvodů a užívanou optiku. Více než deset let se vývojáři snažili najít nějaká řešení. Postavily se i různé prototypy, ale většinou s nedostačujícím výkonem, a tedy bez efektu. Nyní se však zdá, a potvrzuje to i rozsáhlá investice výrobce laserové techniky firmy Trumpf, že by se tento stav mohl změnit za pomoci laserem vytvářeného plazmatu. Optimálnost takového řešení podporuje i fakt, že zpočátku na tomto principu svou verzi dokonce zcela nezávisle rozvíjela i japonská firma Gigaphoton. Japonská verze ale pro zesílení paprsku vyžadovala větší počet komponentů, přičemž nedosahovala potřebného výkonu. Způsob od firmy Trumpf, kde zesílení laserového paprsku z jednoho běžného desetikilowattového CO2 laseru probíhá prostřednictvím čtyř řadově řazených výkonových laserů, se ukázal jako ekonomicky vhodnější. Pro zisk plazmatu s centrální vlnovou délkou 13,8 nm se tu na výstupu v pulzu dosahuje středního výkonu 30 kW a max. výkonu několika MW.

Výsledný výstup paprsku přes laserové zesilovače ionizuje ve vakuu drobné kapičky cínu, které při frekvenci 50 000 kapiček za sekundu proudí ze speciálního cínového generátoru. Na kapičkách tak vzniká plazma se zářením v oblasti EUV. Propojením dílčích kapičkových efektů přes kolektor se pak vytváří už dostatečný osvitový nástroj v EUV spektru pro mikrolitografický proces. Přes masku se jím osvětluje čipová destička – wafer – opatřená už předem fotolakem, která pak působí jako negativ zobrazovaných struktur. V budoucnu se uvažuje, že se tímto postupem bude dát vytvořit více než deset miliard tranzistorů na jediném mikročipu, což třeba dnešní „chytré“ telefony učiní ještě chytřejšími a menšími.

Zdá se to takto jednoduché, ale řešení při požadavku co nejvyšší spolehlivosti si vyžádalo několik generací tohoto zařízení. Od roku 2014 předala firma Trumpf výrobcům litografických zařízení už třetí typovou generaci, se kterou se nejjemnější struktury elektroniky s využitím vlnové délky 13,8 nm už dnes připravují a testují. EUV zdroj tu při praktickém nasazení dosahuje světelného výkonu 30 až 40 W, v laboratoři i 70 W. Ekonomicky je pro sériovou výrobu elektronických systémů nutné dosáhnout výkonu alespoň 100–250 W, jehož dosažení Trumpf plánoval do konce roku 2015. Pro realizaci záměrů při předpokládaném nárůstu zájmu o systémy EUV ze strany výrobců elektroniky – už patnáct těchto systémů objednává např. USA – staví nyní Trumpf v Ditzingenu s nákladem více než 70 mil. eur novou halu o celkové rozloze téměř 34 tis. m2 a která by měla pokrýt v tomto směru jak potřeby vývoje, tak i výroby nové technologie.

K závěru minulého roku oznámila výrazný pokrok ve vývoji myšlenkou obdobného zdroje emise EUV záření s trvalým výkonem 108 W i japonská firma Gigaphoton. Záměrem je zde dosáhnout v nejbližší době i výkonu 250 W.

Productronica 2015, pravidelný mnichovský veletrh technologií výroby elektroniky a elektrotechniky, střídající se vždy po roce s veletrhem Electronica, představila ve dnech 10. – 13. listopadu 2015 výrobky a  technologie více než 1 200 firem z celého světa, z toho i sedmi z České republiky a tří ze Slovenska. Veletržní nomenklatura byla rozšířena o  obor Robotika, využití robotů při výrobě a montáži elektroniky a na veletrhu se i poprvé objevila soutěž Productronica Innovation Award, hodnotící technickou úroveň exponátů v pěti odborných skupinách. Veletrh navštívilo přes 38 tis. návštěvníků z 80 zemí světa.

Ing. Jiří Šmíd, Mnichov

iia.smid@gmail.com