Japonský výzkumný tým z Tokijské univerzity a výrobce skla AGC publikovali v červnu 2025 v prestižním časopise Science Advances objev, který mění základní předpoklady o tom, jak rychle a přesně lze laserem vrtat do skla. Výsledek je závratný: rychlost zpracování se podařilo zvýšit milionkrát! Cena zařízení a spotřeba energie přitom dramaticky klesají. Průmysl polovodičů tedy patrně čeká zásadní změna.
Moderní polovodičový průmysl stojí před zásadní výzvou. S nástupem generativní umělé inteligence, cloudových výpočtů a výkonné mobilní elektroniky roste poptávka po čipech, které jsou rychlejší, kompaktnější a energeticky úspornější. Jedním ze slibných směrů, jak tyto požadavky splnit, je tzv. chipletová architektura — místo monolitického čipu se na jeden substrát integruje více menších specializovaných čipů propojených hustou sítí mikroskopických vodivých průchodek. Pro tento účel se dosud používaly substráty ze syntetické pryskyřice (organické materiály). Jenže jejich vlastnosti — tepelná roztažnost, planárnost, mechanická stabilita — jsou pro nejnáročnější aplikace nedostatečné. Pohled průmyslu se proto čím dál více obrací ke sklu jako substrátu. Sklo nabízí výjimečnou tvarovou stabilitu a rovinnost povrchu, nízkou tepelnou roztažnost, elektrickou izolaci i výborné dielektrické vlastnosti. Americký Intel veřejně avizoval nasazení skleněných substrátů pro čipy příští generace do roku 2028, japonský AGC a americký Corning investují do jejich výroby stovky milionů USD.
Problém jediný, ale zásadní: sklo nelze obrábět
Sklo je tvrdé, křehké a průhledné. Průhlednost ale znamená, že většina laserového záření jím prostě prochází, aniž je absorbováno — a tedy aniž zanechává stopy. Konvenční femtosekundové lasery tento problém obcházejí brutální silou: extrémně vysokou hustotou výkonu, při které dochází k nelineární absorpci světla v materiálu. Výsledek je funkční, ale bolestně pomalý a energeticky náročný. Vyvrtání průchodky o průměru pouhých 10 μm a hloubce 1 mm trvá konvenční metodou 20 s — a na jednom substrátu jich mohou být desetitisíce.
Fyzika průlomu: přechodné vzrušení elektronů
Výzkumný tým pod vedením lektora Yusukeho Ita z Fakulty inženýrství Tokijské univerzity ve spolupráci s výzkumnou skupinou AGC přišel s přístupem, který je fyzikálně zásadně odlišný. Místo aby se snažil laser přimět překonat průhlednost skla hrubou silou, rozhodli se výzkumníci průhlednost skla dočasně zrušit — na nepatrný zlomek sekundy a přesně tam, kde potřebují vrtat. Metoda dostala název TSL (transient and selective laser processing) a její princip lze popsat ve dvou krocích: Krok 1 — Přípravný pulz (pikosekundový laser): na přesně definované místo ve skle je nejprve vyslán prostorově tvarovaný ultrakrátký laserový pulz pikosekundové délky. Tento pulz prochází sklem, ale cestou ionizuje materiál — generuje podél své dráhy kanál volných elektronů. Tyto elektrony dramaticky mění optické vlastnosti skla: oblast, která byla před zlomkem sekundy průhledná, se stává v daném momentu vysoce absorpční pro záření v jiných vlnových délkách. Krok 2 — Ablační pulz (mikrosekundový laser): bezprostředně poté — v řádu pikosekund — přichází druhý laser, tentokrát s mikrosekundovými pulzy a vlnovou délkou, která by normálně sklem procházela bez účinku. Jenže teď narazí na kanál excitovaných elektronů. Energie je selektivně absorbována přesně podél připraveného kanálu, materiál se okamžitě přehřeje a vypaří — vzniká průchodka bez trhlin, s hladkými stěnami a přesně definovanou geometrií. Celý dvoustupňový proces trvá 20 μs. Ve srovnání s konvenčními 20 s tedy milionkrát rychleji.
Na výkonu laseru záleží
Jeden z nejdůležitějších — a nejméně očekávaných — přínosů nové metody je obrovské snížení požadovaného výkonu laseru. Konvenční femtosekundové systémy pro vrtání skla dosahují špičkových výkonů v řádu TW — právě proto, aby překonaly průhlednost materiálu nelineárními optickými jevy. Taková zařízení jsou rozměrná, drahá (v řádu desítek mil. Kč) a energeticky náročná. Jejich provoz v průmyslovém prostředí 24/7 vyžaduje robustní infrastrukturu chlazení a napájení. Nová TSL metoda dosahuje stejného (nebo lepšího) výsledku s lasery, jejichž výkon je o čtyři řády nižší — tedy s 1 000× až 10 000× slabšími zdroji. To znamená, že procesní zařízení může být podstatně kompaktnější, levnější a energeticky úspornější. Pro masovou výrobu polovodičových substrátů, kde jsou desítky nebo stovky laserových stanic v jedné továrně, jde o ekonomicky transformační rozdíl.
Proč právě teď a proč právě sklo
Nový objev nepřichází do vzduchoprázdna. Jde o výsledek desetileté spolupráce Tokijské univerzity a AGC, jednoho z největších světových výrobců skla (floatové sklo, elektronická skla, farmaceutické obaly). Jejich společný výzkumný program byl zahájen již v roce 2015. Průlomový článek z roku 2018 (Applied Physics Letters) přinesl první verzi TSL metody — tehdy se podařilo zkrátit dobu vrtání tisíckrát oproti klasickým femtosekundovým laserům. Studie z roku 2025 jde o tři řády dál. Načasování je přitom strategicky přesné: Intel, Samsung, TSMC a další lídři v polovodičovém průmyslu plánují masivní přechod na skleněné substráty v horizontu 2027—2030. AGC je jedním z předpokládaných dodavatelů. Tým Yusukeho Ita otevřeně uvádí, že cílem je mít průmyslové laserové zpracovatelské zařízení připravené před rokem 2028, kdy se očekává masová komercializace skleněných substrátů pro čipy.
Za hranice skla: diamant, safír, SiC
Výzkumníci zdůrazňují, že metoda TSL není omezena pouze na sklo. Princip přechodného vzrušení elektronů a selektivní absorpce energie je aplikovatelný na jakýkoli průhledný materiál s podobnými optickými vlastnostmi. Kandidáti pro budoucí aplikace jsou přitom mimořádně zajímaví: diamant — nejtvrdší přírodní materiál, extrémně obtížně obrobitelný, klíčový pro kvantové počítání (NV centra), výkonové elektroniky a extrémní prostředí, safír (Al2O3) — substrát pro LED čipy, optická okénka pro kosmické aplikace, hodinářský průmysl, karbid křemíku (SiC) — klíčový materiál pro výkonové polovodičové součástky v elektromobilitě a obnovitelné energetice. Možnost precizního mikrovrtání těchto materiálů s dosud nedosažitelnou rychlostí a přesností by otevřela nové možnosti v celé řadě průmyslových odvětví.
Environmentální rozměr
Stávající průmyslová metoda výroby průchodek ve skleněných substrátech — laser modification + wet etching — kombinuje laserové předúpravy materiálu s následným mokrým chemickým leptáním v kyselých nebo alkalických roztocích. Výsledkem jsou toxické odpadní kapaliny klasifikované jako nebezpečný odpad, vyžadující nákladnou neutralizaci a likvidaci. Nová TSL metoda celý chemický krok eliminuje. Proces pracuje výhradně s laserovým zářením, odstraněný materiál přechází do plynné fáze nebo pevných mikročástic zachytitelných standardní filtrací. Pro průmyslové provozy v zemích s přísnou chemickou legislativou — včetně EU s nařízením REACH — je to argument ekonomický i regulatorní zároveň.
Velký potenciál má ještě svá ale…
Yusuke Ito, vedoucí výzkumného týmu a lektor na Graduate School of Engineering Tokijské univerzity, výsledky shrnuje lapidárně: „Demonstrovali jsme, že řízením prostorové a časové distribuce světla lze dramaticky změnit fyzikální vlastnosti materiálu na extrémně krátkou dobu v řádu pikosekund — a tím dosáhnout ultrarychlého a ultrapřesného obrábění. Koncept přechodné změny vlastností materiálu má potenciál přinést paradigmatický posun ve výzkumu a vývoji výrobních technologií.“ Přes mimořádné výsledky jsou však výzkumníci i průmysloví partneři střízliví v odhadech časové osy. Před plným průmyslovým nasazením je třeba vyřešit několik klíčových otázek: Škálování na produkční rychlosti: prokázaná rychlost 20 μs na otvor je oslnivá v laboratorním měřítku. Průmyslové substráty ovšem mohou vyžadovat desítky tisíc průchodek. Řešením by mohlo být souběžné zpracování, tedy vícenásobné laserové hlavy nebo multiplexované paprsky, které by mohly zpřístupnit potřebnou výkonnost výrobní linky. Integrace do výrobního toku: nová laserová stanice musí být kompatibilní s existující infrastrukturou, nasaditelná do prostředí s čistotou třídy ISO 5—7, umožňovat automatickou manipulaci se substráty, dosahovat inline inspekce kvality. Spolehlivost a životnost systému: průmyslový provoz vyžaduje laserové zdroje s MTBF (mean time between failures), tedy střední dobou mezi poruchami v řádu desítek tisíc hodin. Cíl je nicméně jasně stanoven: vyrobit funkční průmyslový laserový systém před rokem 2028. /Michael Málek/
