اعلی پاور لیزر پروسیسنگ میں تھرمل بڑھے ہوئے مسائل

حال ہی میں ، فیوچر انڈسٹری ریسرچ سنٹر میں کیو من کے ریسرچ گروپ اور ویسٹ لیک یونیورسٹی میں اسکول آف انجینئرنگ نے کامیابی کے ساتھ ایک نئی قسم کا سلیکن کاربائڈ فوٹوونک ڈیوائس تیار کیا جو اعلی طاقت والے لیزر پروسیسنگ میں تھرمل بڑھے ہوئے مسئلے کو مؤثر طریقے سے کم کرسکتا ہے۔ اس ٹیم نے ایک بڑی پیش کش ، اعلی صحت سے متعلق 4H-SIC سپرلنز تیار کرنے کے لئے سیمیکمڈکٹر ٹکنالوجی کا استعمال کیا ، جو اعلی کارکردگی کے تجارتی مقصد کے لینسوں کے خلاف بینچ مارک کیا گیا ، اور تفاوت محدود توجہ مرکوز حاصل کیا۔ طویل مدتی اعلی طاقت والے لیزر شعاع ریزی کے بعد ، آلہ کی کارکردگی مستحکم رہتی ہے اور گرمی کے جذب سے تقریبا متاثر ہوتی ہے۔ یہ کامیابی اعلی طاقت والے لیزر سسٹم میں ایک اہم پیشرفت کی نمائندگی کرتی ہے اور ان کی درخواست اور کارکردگی میں بہتری کے ل new نئے افق کو کھولتی ہے۔ متعلقہ تحقیقی نتائج بین الاقوامی جریدے کے اعلی درجے کے مواد میں "4H -SIC میٹلینز: ہائی پاور لیزر شعاع ریزی میں تھرمل بڑھے ہوئے اثر کو کم کرنا" کے عنوان سے شائع ہوئے تھے۔

تحقیق کا پس منظر
لیزر پروسیسنگ میں ، درست بیم فوکس کرنا بہت ضروری ہے۔ تاہم ، روایتی معروضی لینس مواد کی کم تھرمل چالکتا کی وجہ سے ، اعلی طاقت والے لیزر شعاع ریزی کے تحت بروقت اور موثر انداز میں گرمی کو ختم کرنا مشکل ہے ، جس کے نتیجے میں تھرمل تناؤ کی وجہ سے عینک کی خرابی یا پگھلنے کا نتیجہ ہوتا ہے ، جس کی وجہ سے فوکس بڑھنے کا سبب بنتا ہے ، آپٹیکل کارکردگی کا انحطاط ، اور یہاں تک کہ ناقابل واپسی نقصان۔ یہ تھرمل بڑھنے کا مسئلہ نہ صرف پروسیسنگ کی درستگی کو متاثر کرتا ہے ، بلکہ پیداوار کی کارکردگی اور سامان کی وشوسنییتا کو بھی محدود کرتا ہے۔ اگرچہ کولنگ ڈیوائسز کو گرمی کی کھپت کے مسئلے کو دور کرنے کے لئے استعمال کیا جاسکتا ہے ، لیکن اس سے نظام کے حجم ، وزن اور لاگت میں اضافہ ہوتا ہے ، اور اس آلے کے انضمام اور اطلاق کو کم کرتا ہے۔ لہذا ، آپٹیکل ڈیوائس کی ایک نئی قسم کی اشد ضرورت ہے جو اعلی آپٹیکل کارکردگی اور کمپیکٹ سائز کو برقرار رکھتے ہوئے اعلی طاقت والے لیزر پروسیسنگ میں تھرمل بڑھے کو دبائیں۔

تیسری نسل کے سیمیکمڈکٹر مواد کے طور پر ، سلیکن کاربائڈ (ایس آئی سی) میں عمدہ خصوصیات ہیں جیسے وسیع بینڈ گیپ ، اعلی تھرمل چالکتا ، قریب قریب اورکت والے بینڈ میں مرئی میں کم نقصان ، اور عمدہ مکینیکل سختی۔ یہ اعلی طاقت والے الیکٹرانک آلات ، اعلی درجہ حرارت اور اعلی تعدد والے آلات ، اوپٹ الیکٹرانکس اور آپٹکس میں بڑی صلاحیت کو ظاہر کرتا ہے۔ مائیکرو نانو پروسیسنگ ٹکنالوجی میں 20 سال سے زیادہ کے تجربے کے ساتھ ، کیو من کے تحقیقی گروپ نے ایک بڑے علاقے ، اعلی پہلو سے متعلق نانو اسٹرکچر پروسیسنگ ٹکنالوجی تیار کی ہے جو 4H-SIC مواد کے لئے بڑے پیمانے پر پیداوار کے ساتھ مطابقت رکھتی ہے۔ اس عمل کی پروسیسنگ کی صلاحیتوں کی وسیع رینج کی بنیاد پر ، ٹیم نے اعلی کارکردگی والے تجارتی مقصد لینسوں کے آپٹیکل اشارے کے حوالے سے ایک بڑے پررچر 4H-SIC سوپرلینز کو ڈیزائن کیا۔ آخر میں ، ریسرچ ٹیم نے کامیابی کے ساتھ اعلی کارکردگی والے سپر لینس ڈیوائسز حاصل کیں جو سخت حالات میں مستحکم اور پائیدار کام کرسکتی ہیں ، جس سے اعلی طاقت والے لیزر پروسیسنگ میں ٹرانسمیشن فوکس کرنے والے آلات کو فروغ دینے اور متعلقہ صنعتوں کی ترقی کو فروغ دینے کے لئے صنعت کی سخت ضروریات کو پورا کیا جاسکتا ہے۔

تحقیق کی جھلکیاں

اس مطالعے میں ، کیو من کے ریسرچ گروپ نے ایک یکساں 4H-Sic سپرلنس کو ڈیزائن اور تیار کیا ، جس نے تجارتی مقصد کے لینسوں کے مقابلے میں آپٹیکل کارکردگی کو حاصل کیا ، اور اعلی طاقت والے لیزر شعاع ریزی کے تحت تھرمل بڑھے اثر کو کامیابی کے ساتھ کم کردیا (جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے) . منتخب کردہ 4H-SIC مواد میں اعلی اضطراب انگیز انڈیکس کے فوائد ہیں ، قریب اورکت ورنکرم رینج کے مرئی میں کم نقصان ، بہترین مکینیکل سختی ، کیمیائی مزاحمت ، اور اعلی تھرمل چالکتا۔ آپٹیکل ٹیسٹ کے نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ 4H-SIC سپرلنس میں آپٹیکل کارکردگی کا موازنہ تجارتی مقصد لینس کے مقابلے میں ہے۔ اعلی طاقت والے لیزر شعاع ریزی ٹیسٹ میں ، سخت کام کے حالات کے تحت طویل مدتی مستقل پروسیسنگ کا نقالی کیا گیا تھا ، اور 4H-SIC سپرلنز نے مستحکم کارکردگی کا مظاہرہ کیا ، جبکہ پیچیدہ کولنگ سسٹم پر انحصار سے چھٹکارا حاصل کرتے ہوئے ، ایس آئی سی فوٹوونکس کے لئے نئے ایپلی کیشن کے امکانات کو کھول دیا۔ .

یہ 4H-SIC سپرلنس ایک اعلی کارکردگی والے تجارتی مقصد لینس (Mitutoyo {378-822-5) کے خلاف بینچ مارک کیا گیا ہے ، جس میں 0. 5 عددی یپرچر (NA) اور 1 سینٹی میٹر فوکل لمبائی کے ڈیزائن کا ہدف ہے۔ یہ بات قابل غور ہے کہ 4H-SIC سپرلنس کی یپرچر کی چوڑائی 1.15 سینٹی میٹر ہے ، جو عام طور پر اعلی طاقت والے لیزرز کے ذریعہ تیار کردہ بیم کے سائز سے زیادہ ہے اور اس میں موافقت کی ایک وسیع رینج ہے۔ ڈیزائن اور تیاری میں توازن برقرار رکھنے کے ل the ، ڈیوائس نے ایسوٹروپک نانوپلر کو بطور سپر سیل (جیسا کہ شکل 2A میں دکھایا گیا ہے) ، H=1 µm کی اونچائی کے ساتھ ، کٹے ہوئے ویو گائڈس کی شکل میں متحرک مرحلے کی فراہمی کے لئے استعمال کرتا ہے۔ ملحقہ سپر سیلز کے درمیان مدت P=0. 6 µm ہے ، جس پر تفاوت محدود توجہ مرکوز حاصل کی جاسکتی ہے۔ چونکہ 4H-SIC کی بریفرینگ X- اور Y- پولرائزڈ واقعات کے مابین معمولی مرحلے کے فرق کا سبب بنتی ہے ، لہذا تحقیقی ٹیم نے معیار کے عنصر کو کم سے کم کرکے ہر سپر سیل کو بہتر بنایا۔ آخر میں ، 8 سائز کے سپر سیلز حاصل کیے جاتے ہیں (شکل 2B-D) ، اور ہر منتخب کردہ سپر سیل 1 کی طول موج پر متعلقہ ہدف مرحلے کی ماڈلن کو حاصل کرتا ہے۔ پولرائزیشن کے لئے.

4H-SIC سپرلنس کی تیاری سیمیکمڈکٹر پروسیسنگ ٹیکنالوجیز جیسے الیکٹران بیم لتھوگرافی ، جسمانی بخارات جمع کرنے اور حوصلہ افزائی کے ساتھ مل کر پلازما اینچنگ کا ایک سلسلہ اپناتی ہے۔ 1.15 × 1.15 سینٹی میٹر کی سبسٹریٹ سطح پر مکمل طور پر بھرا ہوا اعلی پہلو تناسب نینوپلر پر کارروائی کی گئی۔ جیسا کہ شکل 3A-E میں دکھایا گیا ہے ، ڈھانچے کی مدت 6 0 {0 nm ہے ، بھرنے کا عنصر 0.3 سے 0.78 ہے ، اور ساخت کی اونچائی 1.009 µm ہے جس کو اسکیننگ الیکٹران مائکروسکوپی اور ایٹم فورس مائکروسکوپی کے ذریعہ ماپا جاتا ہے۔ نمونے کی خصوصیات کے نتائج پروسیسنگ ٹکنالوجی کی فضیلت کو ثابت کرتے ہیں۔ بڑے پیمانے پر پیداوار کو حاصل کرنے کے ل This یہ بڑے علاقے ، اعلی صحت سے متعلق ، اعلی پہلو تناسب سپر سرفیس کی تیاری کا طریقہ کار اسی طرح کے آلات پر لاگو کیا جاسکتا ہے۔

4H-SIC سپرلنس کی آپٹیکل کارکردگی کا خود ساختہ ٹرانسمیشن مائکروسکوپی امیجنگ سسٹم (جیسا کہ شکل 3F میں دکھایا گیا ہے) کا استعمال کرتے ہوئے تجربہ کیا گیا تھا۔ یہ نظام عمودی طور پر ایک متوازی لیزر کی رہنمائی کرتا ہے جس کی طول موج 1 0 30 nm 4H-SIC سپر لینس کی طرف ہے اور ایک سماکشیی مائکروسکوپ سسٹم کے ذریعہ سی سی ڈی امیجنگ کا احساس کرتا ہے۔ فوکل ہوائی جہاز پر ± 35 µm کی حد میں ایک مرحلہ اسکین ٹیسٹ کیا گیا ، اور فوکل ہوائی جہاز اور فوکل فیلڈ کی امیجنگ حاصل کی گئی (جیسا کہ شکل 3G-H میں دکھایا گیا ہے)۔ ڈیٹا تجزیہ سے پتہ چلتا ہے کہ 1 سینٹی میٹر کی فوکل لمبائی میں فوکل فیلڈ ہموار گاوسی تقسیم پیش کرتا ہے۔ فوکل ہوائی جہاز کے ٹیسٹ میں روشنی کی شدت کی تقسیم میں عمدہ توجہ مرکوز کارکردگی (شکل 3I-J) دکھائی گئی ، اور توجہ کی نصف اونچائی کی مکمل چوڑائی 2.9 µm تھی۔ ٹیسٹ کے نتائج کے مطابق ، 4H-SIC سپرلنس کی توجہ مرکوز کارکردگی کا حساب 96.31 ٪ ہے۔ آپٹیکل پاور میٹر کا استعمال کرتے ہوئے 4H-SIC سپرلنس کے واقعے اور خارجی سطحوں کی پیمائش کی گئی ، اور اس آلے کی ترسیل کو 0.71 کی پیمائش کی گئی۔ آپٹیکل ٹیسٹ کے ان نتائج کی بنیاد پر ، 4H-SIC سپرلنس آپٹیکل اشارے کی نمائش کرتا ہے جو تجارتی مقصد کے لینسوں کے مقابلے میں ہوتا ہے ، اور لیزر پروسیسنگ سسٹم میں اسی پروسیسنگ کی صلاحیتوں کو حاصل کرسکتا ہے۔

لیزر پروسیسنگ میں سخت اعلی طاقت والے مسلسل پروسیسنگ کے حالات کی نقالی کرنے کے ل the ، وہی آپٹیکل راہ جیسے آپٹیکل ٹیسٹ تھرمل بڑھے ہوئے ٹیسٹ میں استعمال کیا گیا تھا ، لیکن روشنی کے منبع کو 15 ڈبلیو 1 {0 30 این ایم کے ساتھ تبدیل کیا گیا تھا۔ لیزر۔ ڈیوائس کے درجہ حرارت ، فوکل ہوائی جہاز ، اور 4H-SIC سپرلنس اور تجارتی مقصد لینس کے کاٹنے والے اثر میں تبدیلیوں کا مسلسل آپریشن کے 1 گھنٹے کے لئے تجربہ کیا گیا۔ اورکت تھرمل امیجر کے ذریعہ ماپنے والے آلہ کی سطح کے درجہ حرارت میں تبدیلیاں شکل 4A-B میں دکھائی گئی ہیں۔ 60 منٹ کی اعلی طاقت والے لیزر شعاع ریزی کے بعد ، 4H-sic سپرلنس کے ڈیوائس کا درجہ حرارت صرف 3.2 ڈگری تک بڑھ گیا ، اور درجہ حرارت میں تبدیلی معروضی لینس (درجہ حرارت میں 54.0 ڈگری) کا صرف 6 ٪ تھا۔ روایتی معروضی لینسوں کے مقابلے میں ، 4H-sic سپرلینس اضافی ٹھنڈک اجزاء کے بغیر تقریبا 10 10 منٹ تک دوڑنے کے بعد مستحکم درجہ حرارت تک پہنچ سکتے ہیں ، اور درجہ حرارت میں تبدیلی چھوٹی ہے اور آپریٹنگ درجہ حرارت کم ہے۔ تھرمل مینجمنٹ کی یہ عمدہ کارکردگی سخت کام کے حالات میں 4H-SIC سوپرلنز کی تاثیر کو ظاہر کرتی ہے۔

آلہ کی آپٹیکل کارکردگی میں ہونے والی تبدیلیوں کی عکاسی کرنے کے ل the ، سی سی ڈی کا استعمال 1 گھنٹہ کے اندر اندر آلہ کے فوکل طیارے آفسیٹ کو ریکارڈ کرنے کے لئے کیا گیا تھا (جیسا کہ شکل 4C-D میں دکھایا گیا ہے)۔ ٹیسٹ کے نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ 4H-SIC سپرلنس کی توجہ کا کوئی واضح آفسیٹ نہیں ہے ، جبکہ تجارتی مقصد لینس کی توجہ 30 منٹ کے بعد واضح طور پر پیش کی گئی ہے ، اور آخر کار سی سی ڈی کو ضرورت سے زیادہ آفسیٹ کی وجہ سے امیج نہیں کیا جاسکتا ہے۔ آدھی اونچائی کی مکمل چوڑائی اور مرکز کے کوآرڈینیٹ فوکس پروسیسنگ کے ذریعہ حاصل کیے جاتے ہیں ، اور فوکس کوآرڈینیٹ کا موازنہ ابتدائی پوزیشن کے ساتھ کیا جاتا ہے تاکہ ہوائی جہاز میں نقل مکانی کا ڈیٹا حاصل کیا جاسکے۔ مسلسل اعلی طاقت والے لیزر شعاع ریزی کے 1 گھنٹہ کے بعد ، زیڈ محور پلیٹ فارم آپٹیکل محور کے ساتھ ساتھ آلے کی آفسیٹ حاصل کرنے کے لئے فوکل ہوائی جہاز کے بے گھر ہونے کے فاصلے پر واپس چلا جاتا ہے۔ تجارتی مقصد لینس کا فوکل طیارہ 213 µm ہے ، جبکہ 4H-SIC سوپرلنس کا فوکل طیارہ صرف 13 µm ہے ، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ اس میں مسلسل اعلی طاقت والے لیزر شعاع ریزی کے دوران بہترین آپٹیکل استحکام اور مستقل مزاجی ہے۔

لیزر کاٹنے کا تجربہ اصل لیزر کاٹنے کے عمل کے دوران پروسیسنگ اثر پر تھرمل بڑھے کے اثر و رسوخ کا موازنہ کرنے کے لئے اسی آپٹیکل راہ کا استعمال کرتے ہوئے کیا گیا تھا۔ اس تجربے نے 4H-SIC ویفرز کا انتخاب کیا ، جن پر عملدرآمد کرنا انتہائی مشکل ہے ، جیسا کہ کٹے ہوئے مواد کی حیثیت سے۔ اسٹیپ اسکیننگ ٹیسٹ کے ذریعہ کاٹنے والا آپٹیکل راستہ کیلیبریٹ کیا گیا تھا۔ انشانکن کے بعد ، ہر 10 منٹ میں X سمت کے ساتھ کاٹنے کی کارکردگی کا مظاہرہ کیا گیا ، اور 1 گھنٹے کے اندر کاٹنے کے اثر میں تبدیلیاں ریکارڈ کی گئیں۔ کٹ ویفر کے کراس سیکشن کی کاٹنے والی شکل میں آپٹیکل مائکروسکوپ (جیسا کہ شکل 4E-F میں دکھایا گیا ہے) کی خصوصیت تھی۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ 60 منٹ کے آپریشن کے بعد 4H-sic سپرلنس کی لیزر کاٹنے کی کارکردگی مستحکم رہی ، جبکہ تجارتی مقصد لینس کی توجہ 30 منٹ کے بعد سبسٹریٹ کے اندر کی طرف نمایاں طور پر منتقل ہوگئی۔ اعداد و شمار کے تجزیے سے پتہ چلا ہے کہ آپریشن کے 1 گھنٹہ کے بعد 4H-sic سپرلنس کی گہرائی میں تبدیلی میں تبدیلی تجارتی مقصد کے عینک میں سے صرف 11.4 ٪ تھی۔ تجرباتی نتائج نے فوکل طیارے کے آفسیٹ کے امتحان کی تصدیق کی اور اصل صنعتی ایپلی کیشنز میں 4H-SIC سپرلنس کے اعلی آلہ استحکام کی عکاسی کی۔

خلاصہ اور آؤٹ لک

اس مطالعے میں ایک 4H-sic سپرلنس کی تجویز پیش کی گئی ہے جو ہائی پاور لیزر پروسیسنگ میں تھرمل بڑھے ہوئے مسئلے کو ختم کرسکتی ہے۔ تجرباتی نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ 4H-SIC سپرلنس اپنی عمدہ تھرمل چالکتا کی وجہ سے بہترین تھرمل استحکام اور آپٹیکل کارکردگی کو حاصل کرتا ہے۔ سپرلنس اعلی کارکردگی کے تجارتی مقصد لینس کے آپٹیکل اشارے کو بینچ مارک کرتا ہے ، اور نانوکولم سپر سیلز پر مبنی ، یہ موثر توجہ مرکوز کرتا ہے جو پولرائزیشن کے لئے غیر حساس ہے۔ بڑے پیمانے پر 4H-SIC سپرلنس کی تیاری کا مسئلہ سیمیکمڈکٹر پروسیسنگ ٹکنالوجی کے ذریعے بڑے پیمانے پر پیداوار کے ساتھ مطابقت رکھتا ہے۔ تجربات سے پتہ چلتا ہے کہ سپرلنس ڈیزائن کردہ فوکل کی لمبائی پر تزئین و آرائش سے محدود فوکس حاصل کرتا ہے اور انتہائی کم طاقت والے لیزر شعاع ریزی کے تحت بہترین استحکام کی نمائش کرتا ہے ، جس میں انتہائی چھوٹی فوکس شفٹ ہوتی ہے ، جو تجارتی مقصد کے لینسوں سے کہیں بہتر ہے۔ لیزر کاٹنے کی ایپلی کیشنز میں ، اس سپر لینس کا استعمال کرتے ہوئے کٹنگ مورفولوجی بہت کم بدل جاتی ہے۔ یہ نتائج روایتی معروضی لینسوں کے مقابلے میں 4H-SIC سپرلنس کی اعلی کارکردگی کو اجاگر کرتے ہیں ، جن کو استحکام کی اسی طرح کی سطح کو حاصل کرنے کے لئے عام طور پر پیچیدہ کولنگ سسٹم کی ضرورت ہوتی ہے۔ مزید تحقیق اور اصلاح کے ساتھ منتظر ، 4H-SIC سپر لینس کو توقع کی جاتی ہے کہ وہ اعلی طاقت والے لیزر سسٹم میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوں گے اور متعلقہ شعبوں کی ترقی کو فروغ دیں گے۔ اس کے کمپیکٹ ڈیزائن اور عمدہ آپٹیکل اور تھرمل کارکردگی کے ساتھ ، میٹاس سرفیس ڈیوائسز کی اس نئی نسل کو موجودہ صنعت میں اہم تھرمل مینجمنٹ کے مسائل کو مؤثر طریقے سے حل کرنے والے شعبوں جیسے فیلڈز پر لاگو کیا جاسکتا ہے۔

چن بوئو اور سن ژیاؤ ، جیانگ یونیورسٹی اور ویسٹ لیک یونیورسٹی کے مشترکہ ڈاکٹریٹ طلباء ، شریک فرسٹ مصنفین ہیں ، اور ویسٹ لیک یونیورسٹی کے پروفیسر کیو من ، جی ہوا لیبارٹری کے ایسوسی ایٹ محقق پین میان ، موڈ مائیکرو کے ڈاکٹر ڈو کائکی۔ نینو (ہانگجو) ٹکنالوجی کمپنی ، لمیٹڈ ، اور ویسٹ لیک یونیورسٹی انسٹی ٹیوٹ آف آپٹو الیکٹرانکس کے محقق ژاؤ ڈنگ اس مقالے کے شریک جوابی مصنف ہیں۔ اس تحقیقی کام کی تائید چین کے نیشنل نیچرل سائنس فاؤنڈیشن اور گوانگ ڈونگ صوبائی بنیادی اور اپلائیڈ بیسک ریسرچ فنڈ نے کی تھی ، اور فیوچر انڈسٹری ریسرچ سینٹر اور ایڈوانسڈ مائیکرو نانو پروسیسنگ اور ویسٹ لیک یونیورسٹی کے ٹیسٹنگ پلیٹ فارم کی طرف سے بھی اس کی بھر پور حمایت کی گئی تھی۔