Wyklad Lasery i ich zastosowanie a


Lasery
- Wybrane przykłady zastosowań laserów
Dlaczego u\ywamy laserów
w przemyśle?
" Wzrost wydajności produkcji
" Wzrost jakości i powtarzalności wyrobów
 Kontrola deformacji
 Lokalizacja naprę\eń
 Czyszczenie struktur
" Niedogodności
 Relatywnie wysokie koszty
 Częste przypadki niszczących procesów
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LASER
Pompowanie energii
Półprzepuszczalne zwierciadło
Rezonator
Aktywne media laserowe
Aktywne media laserowe
Ciecze Ciała stałe Lasery specjalne
Gazy
Pompowanie energii
2
nr
" Lampa błyskowa
 Ciało stałe
3
r
" Wyładowania elektryczne
1
 CO2
2
" Reakcje Chemiczne
" Mikrofale
3
" Pompowanie laserowe
4
1
Lasery
" Konieczność emisji wymuszonej
" Inwersja obsadzeń
" Wzmocnienie światła =
Prawdopodobieństwo emisji wymuszonej  Prawdopodobieństwo absorpcji
Rezonatory
R1 = " R2 = "
" Płasko-równoległe
L
plane-paralell
" Koncentrycznie
R1 = L / 2
sferyczne
L
concentring (sferical)
" Konfokalne
L
Właściwości światła laserowego
" Monochromatyczność
" Niezwykle mała rozbie\ność
" Koherencja
" Wysoka gęstość energii
Co mo\na zrobić z wykorzystaniem laserów?
" Kontrolowane reakcje chemiczne
 Kontrolowane grzanie
 Kontrolowane reakcje fotochemiczne
" Zastosowania
 Trawienie powierzchniowe
 Wy\arzanie, odprÄ™\anie
 Litografia
 Krystalizacja
Excimer laser ablation marking
(60µm character height)
Typy laserów
Aktywne medium laserowe
Gazy Ciecze Ciała stałe Lasery specjalne
Atomowe lasery gazowe Nd:YAG laser
Laser na gazach zjonizowanych
rubinowy
Molekularne lasery gazowe Ti:szafirowy
półprzewodnikowy
Typy laserów
 Tradycyjna Klasyfikacja
" Generowane
promieniowanie
 Jednomodowe
 Wielomodowe
" Charakter
promieniowania
 Fala ciągła (CW)
 Impulsy
Lasery  emitowane promieniowanie
Lasing Medium Laser Type Wavelength
FAR INFRARED
Er:Glass Solid State 1540 nm
NEAR INFRARED
HeNe Gas 1152 nm
Nd:YAP Solid State 1080 nm
Nd:YAG Solid State 1064 nm
Nd:Glass Solid State 1060 nm
GaAs/GaAlAs Semiconductor 780-905 nm
VISIBLE
Ruby Solid State 694 nm
Krypton Gas-Ion 676.4 nm 85/95
HeNe Gas 633 nm
Ruby Solid State 628 nm
HeNe Gas 612 nm
HeNe Gas 594 nm
HeNe Gas 543 nm
Argon Gas-Ion 514.5 nm
Argon Gas-Ion 501.7 nm
Argon Gas-Ion 496.5 nm
Argon Gas-Ion 488.0 nm
Argon Gas-Ion 476.5 nm
Argon Gas-Ion 457.9 nm
N2+ Gas 428 nm
Krypton Gas-Ion 416 nm
NEAR ULTRAVIOLET
XeF Gas (excimer) 351 nm (UV-A)
N2 Gas 337 nm (UV-A)
XeCl Gas (excimer) 308 nm (UV-B)
FAR ULTRAVIOLET
KrF Gas (excimer) 248 nm (UV-C)
KrCl Gas (excimer) 222 nm (UV-C)
ArF Gas (excimer) 193 nm (UV-C)
Lasery na ciele stałym
" Medium aktywne
 Kryształ lub szkło + domieszki jonowe:
" SÅ‚abe domieszkowanie
" Domieszki jonowe (metale ziem rzadkich lub
metale przejściowe)
Nd3+, Er3+, Ho3+, Tm3+, Yb3+
" Średnia moc wyjściowa poni\ej 20 W
" Moc szczytowa nawet 3 rzędy wielkości powy\ej
mocy średniej
" Częstotliwości powtarzania: a\ do 100 kHz
Lasery na ciele stałym
" Typy
 Nd:YAG
" Neodymium Yttrium
Aluminium Garnet
 Nd:YVO4
 Rubin
Laser na ciele stałym Nd:YAG
(generator światła zielonego)
 inne
Konfiguracje pompowania
" Podłu\ne
" Poprzeczne
lamp
Nd:YAG Laser
(neodymium yttrium aluminium garnet laser)
" Opracowanie (idea) w roku 1964 przez J.E. Geusic,
H.M. Marcos oraz L.G. Van Uitert
" o wyjściu ciągłym i impulsowym
 Re\im ciągły CW
" Moc a\ do 1kW
" Sprawność 1%
 Re\im impulsowy
" Energia impulsu - a\ do 100J
" Moc impulsu - powy\ej 1 MW
" Częstotliwość repetycji  a\ do 50 kHz
" Sprawność - do 4%
Nd:YAG Laser
(neodymium yttrium aluminium garnet laser)
" Medium aktywne: Nd3+ w granacie itrowo-aluminiowym YAG
" yródło pompujące:
 Lampa błyskowa;
 Dioda Laserowa
" Czas impulsu:
 najkrótszy: 30 ns
 NajdÅ‚u\szy: 230µs
" Emitowana długość fali: 1064 nm (podczerwień)
 Mo\liwość wyzwalania zewnętrznego
Zasada pracy
Energia [eV]
Grupa
poziomów
Przejścia
optycznych
nieradiacyjne
E4
dla
pompowania
1,5
E3
Przejścia
laserowe
1,0
Pompowanie
1,06 [źm]
optyczne
0,73 [źm]
0,8 [źm]
0,5
E2
E1
0,0
Lasery gazowe
" excymerowy
" helowo-neonowy
" lasery jonowe
 Ar+
 Kr+
" laser na dwutlenku węgla CO2
" inne lasery gazowe:
 helowo-kadmowy
 azotowy
 na parach miedzi
Lasery gazowe
" Ośrodek (medium) aktywny
 Neutralne atomy lub jony czÄ…steczek
" Pompowanie
 Wzbudzenie w wyniku zderzenia z elektronem
" Wymaganie wysokiego napięcia (~kV)
" WÄ…ska linia laserowa
Excimer = Excited Dimer
Wzbudzanie dimerów
" Pomysł z 1960, Pierwsza realizacja w 1972
" Obszar aktywny:
 CzÄ…steczki dimeru stabilne po wzbudzeniu
" Moc wynika z reakcji chemicznych
" Emisja w zakresie światła UV
" Wyłącznie pulsacyjny
" Czas trwania impulsu:
 kilka ns do kilkaset ns
Zasada pracy
Energy [eV]
10
8
RH*
6
Laser Transitions
4
in the Ultra-Violet
Spectrum
2
R+H
0,5
0,2 0,3 0,4
Odległość między atomami w
czÄ…steczce [nm]
Typy excymerowych laserów gazowych
Długości fali
" Kr (kriptonium);
" Ar (argonium);
ArF 193 nm
" Xe (xenonium);
" F (fluorium);
KrF 248 nm
" Cl (chlorium);
XeF 251 nm
XeCl 308 nm
Fizyka światła
" Jakość światła laserowego
 Niezwykle mała rozbie\ność
" Absorpcja
 Mechanizmy absorpcji
 Dyfuzja
" Dyfuzja ciepła
Charakterystyka wyjściowa lasera
" Moc impulsu wyjściowego (W)
" Impuls energii (J)
" Średnia moc wyjściowa (W)
 Zale\na od tempa repetycji
" Rozbie\ność wiązki (radiany)
" Długość fali (m)
" Pole (powierzchnia) wiÄ…zki (m2)
Wyjściowa moc lasera
PÅ‚aszczyzna
monitorujÄ…ca
Impuls
Laser
Laserowy
Kierunek emisji
Wyjściowa moc lasera
" Pulsacyjne wyjście laserowe
 F = 1/T
P o w e r O u tp u t vs . Tim e
1 .5
T = 1 0 0 u S (R e p itio n P e rio d )
t= 2 n s (P u ls e W id th )
1
0 .5
0
0 0 .5 1 1 .5 2 2 .5 3
-8
Tim e (s e c . )
x 1 0
2
Power Output (Watts/m )
Elektromagnetyczny model światła
=500 nm; polaryzacja w kierunku z
Długość fali
1
E (V/m)
0.5
0
-0.5
Kierunek
-1
4
propagacji
2 1
0.5
-3 0
x 10
0
-6
-2
x 10
-0.5
-4
-1
Elektromagnetyczny model światła
" Wektor Poyntinga definiowany jako: P = E x H
 H = B/u0
 Jednoskta: W/m2
" P = (E02/n0)2cos(w*t  k0*x) (W/m2)
Wektor Poytinga w chwili t = 0
- 3
x 1 0
3 Wektor
Poyntinga
2
1
Moc(
0
W/m) NatÄ™\enie
- 1
E
- 2
- 3
- 1 - 0 . 5 0 0 . 5 1
- 6
x 1 0
x (m)
NatÄ™\enie promieniowania
" Dotyczy natÄ™\enia promieniowania
" Definicja:
 Wartość średnia wektora Poytinga za okres T


T = (1/T)*całka(P)
" Fala płaska


T =
 Wyra\enie typu sincus
NatÄ™\enie promieniowania
" NatÄ™\enie promieniowania zgodnie z funkcjÄ… Sinc
" Wartość średnia jest całką po czasie T
- 3
x 1 0
3
2 . 8
2 . 6
F1
(A/m2)
2 . 4
2 . 2
Åšrednia
2
1 . 8
1 . 6
1 . 4
1 . 2
1
0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5
- 1 5
x 1 0
Czas całkowania (T) sek.
Absorpcia
Absorpcja mocy,
np. dla współczynnika absorpcjią= 103 cm-1
-3
x 10
3
2.5
Wektor
2
Poynting a
1.5
(W/m2)
Obwiednia wektora
Poynting a
1
NatÄ™\enie
0.5
promieniowania
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
-6
x 10
Absorpcia
Fala spolaryzowana o =500 nm
oraz o współczynniku aborpcjią= 103 cm-1
1
0.5
E (V/m) 0
-0.5
-1
4
2 5
4
-3 0
3
x 10
H (A/m)
-6
2
-2
x 10
1
-4
0
Absorpcja
Absorpcja mocy dlaÄ…= 104 cm-1
(wysokie tłumienie)
-3
x 1 0
3 . 5
Wektor
3
(W/m2)
Poynting a
2 . 5
2
Obwiednia wektora
1 . 5
Poynting a
1
0 . 5
NatÄ™\enie
0
promieniowania
-0 . 5
0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5
-7
x 1 0
Absorpcja w Si oraz GaAs
" GaAs  Półprzewodnik z bezpośrednią przerwą energetyczną
" Si  Półprzewodnik z niebezpośrednią przerwą energetyczną
E E E
CB
Indirect Bandgap, Eg
Ec
CB
Direct Bandgap
Photon CB
Eg
Ec Ec
Er
Ev
Phonon
kcb
Ev
Ev
VB
kvb
VB
VB
k
 k k  k k
 k
(c) Si with a recombination center
(a) GaAs
(b) Si
Strumień fotonów
" Mechanika kwantowa
 Energia światła jest skwantowana
 Fotony
 Ephoton = h*f
" Gęstość strumienia fotonów
 G = I/(h*f) (fotony/m2*s)
Mechanizmy absorpcji w półprzewodnikach
" Generacja par elektro-dziura
The Energy Band
The E -k Diagram
D iagram
Ek
CB
Conduction
Èk
Empty
Band (CB) e-
e-
Ec
Ec
Å
h
Å
Eg h
Ev
Ev
Valence
h+ h+
Èk
O ccupied
Band (V B)
V B
k
 a /a a /a
Dyfuzja ciepła
" Absorbowane światło grzeje materiał
" Współczynnik absorpcji jest większy wtedy
dyfuzja ciepła zachodzi na większej głębokości
Zastosowania
" Fotolitografia laserowa dla wytwarzania układów
scalonych
" Domieszkowanie laserowe
" Wiercenie laserowe otworów w wzajemnie połączonych
przedmiotach
" Wy\arzanie laserowe (np. w wyświetlaczach)
" Trasowanie laserowe w bateriach słonecznych
Prawo Moore a
" Pojemności pamięci dynamicznych Random Access
Memory (DRAM) rosÄ… czterokrotnie w okresie 3 lat
(przez ostatnie 30 lat).
1
4
Mbit
0.5
Mbit
16
0.35
Mbit
64
0.25
Mbit
256
0.18
1G
Mbit
0.13
4G
1995 1998 2000 2004
Co to jest litografia ?
" Litografia - proces, kształtowania powierzchni, z
wykorzystaniem naniesionej warstwy  powłoki
ochronnej. Wzór na powierzchni jest kopiowany z
wykorzystaniem wcześniej przygotowanej matrycy.
Dlaczego u\ywa się laserów
w litografii?
" Lasery w zakresie UV
 U\ywane do projektowania i wytwarzania matryc
soczewek;
" Lasery o du\ej mocy piku optycznego
 Umo\liwiają krótki czas ekspozycji naświetlanej
warstwy;
 Pozwalają na stosowanie prostszych i tańszych
fotorezystów;
" Krótki czas trwania impulsu
 Umo\liwia dobre odtwarzanie wzorów maski (efekty
interferencyjne sÄ… mniej istotne dla wytwarzania
precyzyjnych wzorów.
Proces fotolitografii laserowej
Laser
Maska
fotorezystt
Maska (np. tlenek krzemu)
Materiał bazowy (podło\e)
Technika pozytywowa
Maska
Warstwa maskujÄ…ca np.SiO
Podło\e
Wytrawianie warstwy
Podło\e
Usuwanie fotorezystu
Podło\e
Technika negatywowa
Maska
Mask Layer(oxide,Silicon)
Podło\e
Podło\e
Usuwanie fotorezystu
Podło\e
Litografia
Domieszkowanie lasrowe
" Dlaczego u\ywa się laserów w domieszkowaniu ?
 Silna absorpcja światła w obszarze przypowierzchniowym
 Płytki obszar topienia materiału przy powierzchni
 Zapobiega zmianie rozkładu profilu domieszek z uwagi na krotki
czas trwania impulsu
 Realizacja precyzyjnego lokalnego domieszkowania
Schemat systemu laserowego
domieszkowania
Y- kierunek
Zwierciadło odbijające
Laser excymerowy
X- kierunek
Zwierciadło odbijające
Otwór skanera X-Y
Próbka w komorze pró\niowej
Proces domieszkowania laserowego
Krople cieczy
domieszkujÄ…cej
Laser
Rozwirowanie +
suszenie
100nm
Phosphorus
Phosphorus
Si Si
Si
Powtarzanie procesu w
kierunku x
Phosphorus Phosphorus
Si Si
Laserowe wiercenie otworów
w połączonych elementach
" Korzyści wiercenia laserowego
 Niewiele etapów procesu wiercenia
 Wielokrotnie szybciej ni\ innymi metodami
 Wszechstronność, solidność, niezawodność i
powtarzalność, oraz wysoka jakość
Wiercenie laserowe
" Wiercenie z u\yciem ró\nych laserów
ND:YAD Laser
Warstwa miedzi
Warstwa
miedzi
Warstwa dielektryczna
CO2 Laser
Wiercenie laserowe
Nd:YAD Laser  otwór w warstwie CO2 Laser  wiercenie w warstwie
miedzianej dielektrycznej naniesionej na
miedziane podło\e
Wy\arzanie laserowe elementów wyświetlaczy
" Po\ądane własności krzemu
 Wysoka ruchliwość nośników ładunku
 Niskie prądy upływu
 Wysoka prędkość przełączania oraz długi czas trwania w
stanie przełączenia
" Wzrost ruchliwości nośników przez rekrystalizację
 a-Si wy\arzanie -> Poly-Si
 Wzrost średnich rozmiarów ziaren i gęstości ładunku
" U\ycie lasera excymerowego
 Minimalizacja transferu ciepła do materiału podło\ą
 Większy uzysk ni\ w wy\arzaniu w piecu
Wy\arzanie laserowe elementów wyświetlaczy
Naniesiona warstwa 50nm a-Si 1 - 5 µ m ziarna krystaliczne
po 128 impulsach laserowych.
Skanowanie laserowe TFT
Strumień lasera excymerowego o wysokiej częstotliwości repetycji oraz
mocy 200W jest u\ywany w układach do usuwania wierzchnich warstw
materiału rastrowego (ochronnego) nawet na długościach do 500mm przy
produkcji wyświetlaczy displejowych.
Trasowanie laserowe w cienkich warstwach
paneli baterii słonecznych
" Powody, dla których u\ywa się laserów excymerowych
oraz impulsowych laserów YAG do trasowania w
cienkich warstwach paneli baterii słonecznych.
 Uzyskanie wysokiej poprzecznej (głębokościowej) jak
i powierzchniowej precyzji
 Niewytwarzanie uszkodzeń w warstwach ni\ej
poło\onych
Etapy produkcji komórek baterii słonecznych
" Nanoszenie warstw z fazy chemicznej CVD (chemical vapor
deposition) warstw przezroczystych tlenków przewodzących TCO
(transparent conductive oxide);
" Separacja komórek na podło\u metodą trasowania laserowego;
" Nanoszenie plazmowe struktur p-i-n na bazie amorficznych warstw
Si, ka\da struktura trasowana laserowo;
" Nanoszenie warstwy przewodzÄ…cej Al lub TCO;
" Laserowe trasowanie wierzchnich warstw przewodników;
" Zabezpieczenie struktury przez jej laminowanie osłona plastikowa
lub ochronna warstwą szkła.
Laserowe trasowanie cienkiej warstwy komórek
baterii słonecznych
Laser
Laser
a-Si
Podło\e
Podło\e Podło\e Podło\e
Laser
Al
Podło\e
Podło\e
Podło\e
Podło\e
Laserowe trasowanie cienkiej warstwy komórek baterii słonecznych
- krok po kroku
Laserowe trasowanie cienkiej warstwy komórek
baterii słonecznych
Kompletny panel TFS (thin-film silicon)
REFERENCES
" 1. M C Gower.  Excimer lasers: current and future
applications in industry and medicine in  Laser
Processing in Manufacturing , eds R C Crafer & P J
Oakley, Chapman & Hall, (1993)
" 2. P Seidel, J Canning, S Mackay, W Trybula.  Next
generation advanced lithography , Semiconductor
Fabtech, 7, 147 (1998)
" 3. M N Watson.  Laser drilling of printed circuit boards ,
Circuit World, 11, 13 (1984)
" 4.D R Zankowsky.  Flat-panel displays benefit from
laser processing , Laser Focus World (Mar 1994)


Wyszukiwarka


Podobne podstrony:
Wykład 5 Pojęcia i ich definicje
Kongruencje oraz przyklady ich zastosowań
6 7 Podstawowe narzedzia propagandowe i ich zastosowania
Struktury?nych i ich zastosowania
111 Stepnicka Rozwiazania logistyczne i ich zastosowanie
SYSTEMY MARKERÓW MOLEKULARNYCH I ICH ZASTOSOWANIE W HODOWLI
Filtry i ich zastosowanie
Statystyki pozycyjne w procedurach estymacji i ich zastosowania w?daniach ekonomicznych e72
Wykład XII Kodowanie z zastosowaniem rachunku podziałów

więcej podobnych podstron