Universitatea POLITEHNICA din BucuretiFacultatea de Ingineria i Managementul Sistemelor Tehnologice

Specializarea / Programul de studiiIngineria Nanostructurilor i Sitemelor Neconvenionale

PROIECTMicroprelucrarea cu laser EXCIMER si CVL

Masterand,Aurel-Nicolae BOLAT

2013-2014

CUPRINS

1. Domenii de utilizare a micro i nanotehnologiilor1.1. Exemple de aplicaii ale nanotehnologiilor1.2. Microprelucrarea cu laser 1.2.3. Micorprelucrarea cu Laser EXCIMER

1. DOMENII DE UTILIZARE A MICRO I NANO TEHNOLOGIILOR

Tendina ctre miniaturizare a fost determinat de dezvoltarea rapid a microtehnicii care a avut impact direct asupra industriei mainilor unelte i a ingineriei produciei. A aprut astfel, o ramur nou a ingineriei, microingineria, avnd ca obiect activiti de fabricare, asamblare i utilizare a componentelor foarte mici care pot intra n construcia dispozitivelor microelectronice sau opto-microelectronice, pentru realizarea unor sisteme complete.Efectele noilor tehnologii s-au fcut resimite chiar asupra ramurilor de baz, saltul fcut de la prelucrarea cu comand numeric (CN) la procesul de fabricare integrat de calculator (CIM). Principalele aplicaii, concrete, ale nanotehnologiilor n acest domeniu sunt prezentate n fig.1.2:

Fig. 1.1. Aplicaii ale nanotehnologiilor

1.1. EXEMPLE DE ALIACII ALE NANOTEHNOLOGIILOR

Nanotuburi din carbonEchipamente militare: - Armura din nanotuburi de carbonS-a observat c o estur de 600 nm grosime, alctuit din ase straturi de cte 100 nm de nanotuburi de carbon, poate respinge proiectile cu o energie de maxim 320 J. Aceasta este echivalent unei arme de foc de mn, sau a putilor i automatelor de mici dimensiuni.

Acoperiri i straturi subiriImpregnarea n fibrele esaturilor- Nanotububurile jucnd un efect de catalizatori orice substan oragnic se descompune sub influena luminii.

Substane chimice sintetice Vopsele uor de curat Vopsele antibacteriene Vopsele rezistente la zgrieturi

Dispozitive biomedicaleNanoboi- Pot fi injectai n organism cu ajutorul unei seringi standard cu un ac hipodermic.

1.2. MICROPRELUCRAREA CU LASER

Astfel, microprelucrarea cu laser este o metod de fabricaie din ce n ce mai important n domenii ca electronica, telecomunicaiile, industria dispozitivelor medicale, industria aerospaial i altele. O mare varietate de tipuri de laser sunt folosite n microprelucrri i microablaii (microprelevri), fiind mecanismul dominant de ndepartarea materialelor, n special n tehnica straturilor subiri. n micro i nanotehnologii, cele mai folosite tipuri de laseri sunt cele de tip excimer, Nd solid i CVL (laser cu vapori de cupru).1.2.1. MICROPRELUCRAREA CU LASER EXCIMER

Configuratia unui laser EXCIMER

Lumina laserului este generat din cutia laserului, energia electric necesar pentru a forma impulsuri este generat de o surs de nalt tensiune.Umplerea laserului cu amestecul adecvat necesit o pomp de gaz n vid. Controlul este computerizat, este legat la cutia laserului i la sursa de nalta tensiune printr-o fibr optic.

Tranzitia de gaz excimer

Laserul Excimer incorporeaza o gam mare de specii de gaze, cum ar fi KR2, unde rdcina sa moelcular poate exista doar n stare excitat.Acestea au evoluat pentru a include specii noi de halogenuri de gaze excitate rare, cum ar fi KrF, aceast specie ct i XeF, ArF, XeCl, KrCL sunt legate numai n stare excitat, n timp ce starea fundamental este slab legat. Molecula KrF este creat de o reacie chimic a componentelor sale dup ce au fost ionizate de o descrcare electric de mare vitez.Din stare excitat, molecula de excimer se separ din nou iar n timpul tranziiei un foton de UV este emis.

Efectiv cinematica formrii gazului KrF este destul de complex i implic alte stri de excitare intermediare, n diagrama de mai jos este prezentat formarea conceptuli de baz a gazului excimer.n esen, o descrcare electric ceeaz Kr + F ioni, care se combin pentru a forma molecula excitat KrF. Aceast combinaie implic interaciunea cu moleculele de neon fiind un al treilea partener care mprumut sau absoarbe energia din reacie. Tranziia moleculelor de KrF emite un foton de UV, dupa care molecula de KrF are un timp de relaxare scurt n care Kr i molecula F2 se stabilizeaz n starea lor normal de energie.

Descrcarea UV a lserului EXCIMER

ntr-un laser excimer, mediul este excitat prin intermediul unei descrcri electrice transversale de mare vitez. Descrcarea de nalt tensiune este alimentat la o reea, formator de impuls, care const ntr-un comutator de nalt performant tiratronice, un sistem magnetic asigur compresia impulsului i un banc condensator de stocare.Aceste componente asigur un impuls de curent de mare vitez prin electrozi. Acest impuls de curent traverseaz distana dintre electrozi, iar gazele ionizate formeaz molecula de excimer. n urmatoarea imagine se arat procesul de descrcare .

Procesul de descrcare a laserului EXCIMER

1. PreionizareaPentru a genera o descrcare de plasm omogen, este necesar o densitate de electroni iniiala de 107 108 cm. Laserul excimer industrial folosete scnteie pentru preionizare pentru a atinge acea densitate iniiala. n timpul fazei iniiale a impulsului de curent de nalt tensiune prin scanteie de foc aceasta produce UV ioniznd amestecul de gaze, acesta inducnd o descrcare mare de plasm.

2. Principala descrcare de gazDescrcarea de acumulare gaz se realizeaz printr-un constituent de gaz tampon de neon. Descrcarea are densitatea de curent de 10 A/cm2. Kr+ si F- ioni precum i alte specii excitate, se formeaz n timpul descrcrii.

3. Formarea rdcinii de excimerDescracrea de acumulare principal formeaz un numr mare de molecule de KrF excitate i extrem de instabile, care au o durat de via de aproximativ 2,5ns.

4. Obinerea tranziiei de fotoni UVn timpul i dup descrcarea de acumulare, de variatoarele excitate formate imediat, ncepe trecerea la starea de obinere care produce emisii de fotoni la 248mm. Aceast lumin este alimentat napoi prin cavitatea de descrcare a rezonatoarelor optice al fiecrui capt al camerei. Restul de moleculele de KrF este stimulat de tranziie producnd astfel pulsul laser UV. Dup ce pulsul competeaz, constituenii gazului necesit un timp de relaxare mai mare de 100 ms nainte de a participa la o noua evacuare. Rezervorul de gaz al laserului excimerDatorit construciei excimer de relaxare, efectul termic influeneaza formarea de particule. Descrcarea de acumulare a laserului poate avea loc doar la rate de repetiie mai mici de 1 Hz, cu excepia n cazul n care gazul dintre electrozi este n mod constant nlocuit cu gaz proaspt. Rezervorul de gaz furnizeaz un volum mare de gaz, astfel ncat realizeaz mprosptarea gazului poate avea loc.Un ventilator de mare vitez circul gazul n laser cu vitez de 1 pna la 5 m/s, astfel nct volumul de decalaj este complet remprosptat ntre impulsuri la rate de repetiie de pna la 40Hz. Dup descrcare, amestecul de gaz traverseaz schimbtoarele de cldur care elimin cldura generat n timpul pulsului. Cele mai multe lasere folosesc o form de filtrare de particule pentru a cura amestecul de gaze nainte de a trece din nou de pe electrozi.

Avantajele laserului EXCIMER Laserul Excimer urmarete avantajele pentru aplicaii de microprelucrri:- imagine de und scurt: 193 nm-351 nm;- rezoluie optic mare: < 1m;- adncimea de absorbie: 0,1 0,5 pM;- volumul mic de interaciune;- absorbie ridicat a energiei materialului;- arie mare de utilizare a fascicolului;- densitate uiform a puterii pe o suprafa mare;- putere la vrf mare: 107W;- adncimea de absorbie permite un control strict al adncimii facilitat de un control al numrului de impulsuri la care materialul este expus;- lungimea de und optic scurt, ofer generare de nalat rezoluie , aproximativ 1pM;- dimensiunea fascicului mare i de mare putere la vrf, permite simultan expunerea pe suprafee mari;

Dezavantajele laserului EXCIMERCa i alte microtehnologii, laserul Excimer prezint dezavantaje:- este necesar un circuit de descrcare de nalt performan pentru a genera lumina laser;- sunt necesare switch-uri de mare vitez;- aparatura electonic de nalt performan care necesit ntreinere frecvent;- amestec de gaze toxice i corozive;- reactivitatea amestecului duce la formarea de impuritai n timpul funcionrii laserului;- laserul trebuie reumplut cu gaz proaspt regulat;- modificarile chimice a gazului afecteaz formarea fasciculului de lumin;- necesit echipamente sofisticate pentru manipularea gazului halogen;- suprafeele optice sunt deteriorate rapid de lumina laserului;

1.2.2. MICROPRELUCRAREA CU LASER CU VAPOIRI DE CUPRU ( CVL )Laserul cu vapori de cupru ( cu metal neutru ) este cea mai util clas de lasere cu impulsuri de vapori de metal. Lumgea de und principal este de 510 578 nm, laserul CVL are o putere mare i nalt eficien atunci cnd funcionarea prezint impulsuri mai mari de zeci de kHz.Laserul cu vapori de cupru n poziie neutr se descrc electric rapid, excit direct atomi de metal, iar reelele de repetiie ridicat permit o ieire de mare putere. Vapori de cupru provin din buci de cupru plasate n tubul de descrcare, care este nclzit la aproxivativ 15000 C pentru a produce vapori la presiune de aproximativ 0,1 mbar. Mai muli mbari de neon se adaug cu un gaz tampon pentru a preveni contaminarea i pierderea vaporilor de cupru.

Procesul de microprelucrare cu laser CVL

Microprelucrarea se realizeaz prin ndepartarea mterialului prin combinaia de vapori de cupru i topirea materialului, acestea depind de parametrii laserului. n figura 2 este prezentat fascilulul de lumin verde iar n figura 3 se arata procesul de ndepartare de material.

Microprelucrri cu laser CVL.Tierea

- Fascicul de laser fix- Fascicul de laser reglabil- Prelucrare pe axa XY- Prelucrarea pe toate axele- Precizie ridicat- Precizie moderat- Suprafa mare de prelucrare- Suprafa moderat de prelucrare- Acceleraie i vitez moderat- Acceleraie i vitez ridicat

Gurirea

- Fascicul de laser fix- Fascicul de laser fix- Dimensiunea i forma guri este - Dimensiunea si forma guri este determinat de fasciculdeterminat de masa de prelucrare- Precizia i calitatea prelucrrii scazut- Precizie i calitate ridicat- Vitez mare de prelucrare - Vitez moderat Gurirea

- Fascicul reglabil- Fascicul reglabil- Gurire circular- Gurire de diferite forme- Precizia i calitatea prelucrrii ridicat- Precizie nalt- Vitez moderat- Vitez moderat

Exempe de microprelucrri de gurire cu laser CVL pe diferite materiale

OelOel inoxidabilOel inoxidabilAur

Adncime 1 mmAdncime 0,1 mmAdncime 0,05 mm Adncime 0,05 mm

Figura urmtoare arat construcia schematic a unui laser cu vapori de cupru.

Instalaii i parametrii

Laser CVL Oxford 25UM http://www.arrowsound.ch/cvl/Laserul cu vapori de cupru sunt lasere cu impulsuri, intervalul de operare este 2-15 kHz. Se aplic impulsuri de nalt tensiune de aproximativ 8 kV iar curentul de descrcare fiinde de 300A, acesta se nclzete pn la 1500 0C fiind temperatura de vaporizare a cuprului. Timpul de nclzire pentru a ajunge la putere maxim este de aproximativ 2 ore.

n urmatorul tabel sunt prezentai parametrii laserului CVL Oxford 25 UM

Tabel Putere30 wati pentru o putere de impuls de 200kW

Durat impuls 50 nsec

Diametrul fasciculului42 mm

Distribuia energiei electrice1,2 ; 1

Sursa de alimentare CEE 16 pentru maxim 5 kW

GazHeliu cu puritate mare

Aprovizionarea cu Cu30 g pe ncrcare, variaz de la 2 la 300 de ore

Laser CVL 50W http://www.cat.ernet.in/technology/laser/lsed/ecvld.htmlLaserul CVL este un sistem cu laser cu impulsuri n mod inert, mediul de funcionare este cu generarea de vapori de Cu ce genereaz cldur, acesti vapori sunt depui ntr-un tub de alam unde are loc descrcarea electric . Construcia mecanic a acestor lasere CVL este similar, tubul de plasm din Al2O3 este plasat coaxial ntr-un tub de sticl, spaiul inelar ntre sticl i tubul ceramic este umplut cu fibre de Al2O3 izolat termic cu un material izolator. Acest ansamblu este plasat coaxial ntr-o mant de ap, amblele capete fiind din oel inoxidabil cuplate la conducta de sticl. Lumgimea tubului de plasm este de 1500 mm lungime.Frecvena de funcionare este de 5-6 kHz, temperatura de funcionare la acest laser este de 1500-1600 0C

n urmatorul tabel sunt prezentai parametrii laserului CVL 50WDiametrul fasciculului 55 mm

Puterea de iesire 50W

Frecvena de pulsare 6kHz

Limea pulsului laser 50ns

Temperatura din tub 1200 0C

Rcirea tubuluiH2O

Lungimea tubului 1,5 m

Eficiena 0,8%

Caracteristicile laserului UV-CVL i CVLLaserCVLUV-CVL

Lungimea de und511 578 255 271 289

Puterea10 50 1

Pulsul frecvenei1 50 4 10

Durata pulsului10 50 10 50

Calitatea fasciculului1 2 1 2

Aplicaiile laserilor cu vapori de cupru Surse de pompaj pentru laser cu colorant, pentur pulsuri scurte. Iluminarea obiectelor n fotografierea la vitez ridicat Terapia foto-dinamic ( PDT ) mbogirea uraniului ( U235 )

1