LASER MICROVIA WIERCENIE I PĘKNIĘCIE SILIKONU Z WYKORZYSTANIEM 355 NM PICO I NANOSECOND PULSES

Abstrakcyjny

  Laserowa ablacja krzemu stała się intensywnym tematem badawczym ze względu na gwałtownie rosnące zainteresowanie obróbką laserową w przemyśle fotowoltaicznym i elektronicznym. Różne typy laserów są używane do izolacji krawędzi, rowkowania, wiercenia w innych zastosowaniach, z szerokością impulsu od ultrakrótkiego reżimu femtosekundowego do długich impulsów mikrosekundowych. Wyniki mogą się znacznie różnić w zależności od długości fali i szerokości impulsu dostarczanej przez źródło laserowe. W tym badaniu do wiercenia otworów i formowania rowków w płytkach krzemowych użyto dwóch potrójnie potrójnych laserów Nd: YVO4, dostarczających impulsy o szerokości od 9 do 12 ps i od 9 do 28 ns. Grubość wafli wynosiła 200 μm.

  Głębokość i geometria rowka zostały zmierzone za pomocą optycznego systemu profilowania 3D. Wyniki wykazały, że na szybkość usuwania materiału duży wpływ miała energia impulsu i częstość powtórzeń w przypadku użycia nanosekundowej pulsującej wiązki laserowej. Przy pikosekundowej wiązce lasera szybkość usuwania materiału objętościowego pozostawała raczej stała w zakresie od 100 do 500 kHz, ale szerokość i głębokość rowka były różne.

  Do scharakteryzowania wywierconych otworów wykorzystano skaningową i transmisyjną mikroskopię elektronową. Mikrostruktury badano na podstawie wybranych wzorów dyfrakcji elektronów. Zgodnie z pomiarami, impulsy nanosekundowe wywołują nie tylko uszkodzenia termiczne, ale także mechaniczne ścianek otworów, podczas gdy przetwarzanie pikosekundy powoduje tylko cienką warstwę HAZ, która jest częściowo pokryta amorficznymi nanocząstkami.

Wprowadzenie

  Mikrominiowanie laserowe krzemu jest szczególnie interesujące w zastosowaniach takich jak aplikacje fotowoltaiczne i mikroelektronika. Ablacja laserowa obejmuje wiele równoległych procesów, w tym ogrzewanie, stapianie, waporyzację i jonizację, ponieważ wiązka oddziałuje z fazami ciała stałego, cieczy, pary i osocza na powierzchni materiału lub w jego pobliżu [1]. Charakterystyki procesu są określane przez intensywność, czas trwania i długość fali impulsu laserowego. Dostępne na rynku lasery do mikromaszynowania obejmują lasery z czasem trwania impulsu w skali czasu femto, piko i nanosekundy. Typowe długości fal zawierają wariacje od UV do blisko Ir.

Impulsy femtosekundowe są optymalne do obróbki materiałów pod wieloma względami. W przypadku ultrakrótkich impulsów sub ps, czas trwania impulsu jest mniejszy niż charakterystyczny czas termiczny materiału, a obróbka może być wykonana z bardzo niewielkimi efektami termicznymi. Zwłaszcza w reżimie niskiej fluencji, w którym średnia szybkość ablacji jest określona przez głębokość penetracji optycznej, efekty cieplne są nieistotne i bliskie zeru strefy wpływu ciepła są doświadczane. [2,3,4] Kolejną zaletą ultraszybkiego przetwarzania jest to, że impulsy fs kończą się, zanim jakikolwiek materiał zostanie wyrzucony z powierzchni. Całkowita energia impulsu jest zatem umieszczana w docelowym obiekcie bez oddziaływania lasera z plazmą podczas impulsu. [1,5] Ponieważ straty przewodzenia ciepła w materiale są minimalne i nie występuje ekranowanie plazmowe, próg ablacji materiałów jest najniższy na szerokości impulsu sub-ps. Materiał można usunąć z niezwykłą precyzją przy użyciu energii o niskim impulsie. Wraz ze wzrostem energii impulsu lub fluencji, procesy ablacji termicznej stają się bardziej dominujące nawet przy impulsach femtosekundowych. Całkowita energia impulsu jest nadal dostarczana do materiału, ale głębokość ablacji jest określona przez efektywną głębokość przenikania ciepła zamiast głębokości penetracji optycznej. Jakość ablacji jest zmniejszona, ale głębokość ablacji na impuls wzrasta silnie [2].

  Do zastosowań w obróbce skrawaniem, systemy laserowe muszą być niezawodne, wytrzymałe i niedrogie. Ponieważ wysiłek techniczny wzrasta wraz ze skróceniem czasu trwania impulsu, ten ostatni powinien być tak krótki, jak to konieczne, tylko dla osiągnięcia satysfakcjonującego wyniku [6]. Nanosekundowe lasery w większości spełniają powyższe kryteria. Technologia jest dobrze ugruntowana i sprawdzona, raczej prosta w projektowaniu i opłacalna. Jednak w niektórych przypadkach impuls nie jest wystarczająco krótki, a jakość przetwarzania tych laserów nie spełnia wymagań. Źródła laserowe Picosecond sprawdziły się jako kompromis między dwoma wyżej wymienionymi alternatywami.

  Przetwarzanie materiałów za pomocą impulsów laserowych o szerokości kilku pikosekund przypomina nieco przetwarzanie femtosekundowe o wysokiej fluencji. Próg ablacji jest nieco wyższy niż dla impulsów fs, głównie z powodu strat przewodzenia ciepła i ekranowania plazmowego [3]. Przy impulsach 1 ps efekty plazmy są nieistotne, podnosząc do wartości 20% przy 10 ps podczas ablacji złota i podobne wyniki uzyskano również dla krzemu [1]. Ogólnie rzecz biorąc, nie obserwuje się drastycznych zmian pod względem jakości, efektów cieplnych ani wydajności, gdy szerokość impulsu pozostaje mniejsza niż 10 ps, ​​chociaż proces ten można uznać za czysto termiczny [2,3,6,7]. W niektórych przypadkach jakość przetwarzania ps może nawet przewyższać jakość laserów fs. Fs-laser wywołany skokami ciśnienia może spowodować mechaniczne uszkodzenie materiału i uszkodzenia siatki w krzemie [8].

Nanosekundowe przetwarzanie laserowe obejmuje złożoną mieszaninę równoległych procesów fizycznych. W przeciwieństwie do przetwarzania femtosekundowego długi impuls oddziałuje z materiałem w stanie stałym, ciekłym, parowym i plazmy. Znaczne różnice można zaobserwować w procesie ablacji w zależności od natężenia napromienienia. Dla danej energii impulsu maksymalna głębokość topnienia wzrasta wraz z dłuższymi impulsami, tj. Niższym natężeniem promieniowania (target Al)) [7]. W tym samym czasie zmniejsza się ciśnienie odrzutu, które jest zależne od natężenia promieniowania [9], powodując niecałkowite wyrzucanie materiału z obszaru oddziaływania. Oprócz tych efektów próg ablacji jest wyższy niż ten obserwowany przy użyciu impulsów fs i ps, głównie z powodu ekranowania plazmowego i większych strat przewodzenia ciepła. [7] Badania porównujące impulsy fs i ns podczas wiercenia pokazują nawet dwa razy szybsze tempo ablacji dla impulsów fs w porównaniu z impulsami ns (krzem, promieniowanie 266 nm, 11 J / cm2) [10,11]. Jednak przy wysokich wartościach fluencji szybkość ablacji impulsami ns wzrasta silnie i przekraczaten z impulsów fs i ps [7].

  W czasie przetwarzania masa ablacji wzrasta wraz z gęstością mocy lasera po zależności od mocy mocy do natężenia promieniowania 0,3 GW / cm2, prawie niezależnego od materiału docelowego (mosiądz i szkło, laser KrF 248 nm) [12]. W tym momencie ekranowanie plazmowe zaczyna wchłaniać drugą część impulsu i puls staje się osłabiony. Plazma będzie odbijać i rozpraszać wiązkę, zmniejszając wydajność ablacji. [12] Dane eksperymentalne pokazują, że tempo ablacji rośnie w sposób liniowy, aż do osiągnięcia natężenia napromieniowania od 10 do 20 GW / cm2 [13,14,15,16]. W tym momencie intensywność ablacji gwałtownie rośnie. To zachowanie można wytłumaczyć jako homogeniczny wybuchowy wrzenia, który jest odpowiedzialny za wyrzucanie dużych cząstek po skończonym opóźnieniu. [14,15,16] Ogólnie rzecz biorąc, wyrzucanie masy podczas ablacji nanosekundy można scharakteryzować poprzez emisję elektronów w skali czasu pikosekundy, wyrzucanie masy atomowej / jonowej w nanosekundowej skali czasowej i duże wyrzucanie cząstek w mikrosekundowej skali czasowej, kontynuując do kilkudziesięciu mikrosekundy [16]

  Gdy stosuje się krótkie impulsy nanosekundowe lub pikosekundowe, natężenie promieniowania jest zwykle wystarczająco wysokie, aby zapoczątkować tworzenie plazmy i doprowadzić do absorpcji osocza. Wpływ plazmy rośnie wraz z czasem trwania impulsu, gęstością mocy i długością fali. Cała energia absorbowana przez pióropusz plazmowy nie jest jednak tracona z procesu, ale plazma może faktycznie ogrzewać materiał docelowy [16]. W przypadku zastosowania lasera ir, wiązka głównie ogrzewa szczyt rozprężania smugi, powodując większe straty, podczas gdy promieniowanie uv pochłania głównie w korzeniu pióropusza dostarczając więcej energii do materiału poprzez absorpcję plazmy [17]. Absorpcję plazmy można również wykorzystać w niektórych procesach. Kiedy plazma indukowana laserem jest formowana w wąskim wierceniu, gorąca plazma rozszerza się szybko w kanale i transportuje dużą część swojej energii przez przyciąganie i promieniowanie do ścianek kapilary, przyczyniając się do promieniowego rozszerzania się otworu. Ten efekt może stabilizować ablację w szerokim zakresie głębokości. [17]

W tym badaniu badano wiercenie i ablację krzemu. Celem było porównanie przetwarzania krzemowego i nanosekundowego przy użyciu promieniowania ultrafioletowego 355 nm. Opierając się na wcześniej wspomnianych danych, pico i nanosekundowe źródła laserowe byłyby w większości przypadków preferowanymi wyborami przetwarzania krzemu i długości fali UV, w celu zwiększenia absorpcji, zmniejszenia głębokości penetracji optycznej do leżącego poniżej materiału, zmniejszenia strat z powodu absorpcji plazmy i osiągnięcia dłuższa długość Rayleigha wraz z mniejszą ogniskową średnicą plamki. Wyniki oceniono na podstawie pomiarów optycznych, badań SEM i TEM.

  Zestaw doświadczalny

  Eksperymenty z impulsami nanosekundowymi przeprowadzono za pomocą q-komutowanego lasera HIPPO Spectra-Physics przy długości fali 355 nm. Belkę dostarczono za pomocą ekspandera wiązki i skanera galwanometrycznego Scanlab Hurryscan 10 ze 100-milimetrową optyką telecentryczną. Kalcualna średnica plamki ogniskowej z układem wynosiła 10 μm. Szerokość impulsu lasera zmieniała się z częstotliwością 10,2 ns przy 50 kHz, 18,6 ns przy 100 kHz i 28,4 ns przy 200 kHz.

  Do eksperymentów obróbki pikosekund używano lasera Lumera Rapid. Długość fali wyjściowej wiązki wynosiła 355 nm. Układ optyczny składał się z ekspandera wiązki i skanera Scanlab Scangine 10 z soczewką skupiającą 100 mm. Obliczona ogniskowa średnica plamki dla układu optycznego wynosiła 10 μ m. Szerokość impulsu lasera wynosiła 9 do 12 ps. Moc lasera 460 mW była używana we wszystkich eksperymentach.

  Materiałem użytym do eksperymentów była polikrystaliczna płytka krzemowa o średnicy 200 mikrometrów. Próbki oczyszczono ultradźwiękowo w acetonie po przetworzeniu. Luźne cząsteczki i kurz zostały przesunięte z powierzchni przed pomiarem optycznym.

  Eksperymenty do określenia szybkości ablacji za pomocą impulsów ns i ps przeprowadzono przez wycięcie rowków na płytkach krzemowych o zmiennej prędkości i szybkościach powtarzania. Profile rowkowe zostały zmierzone za pomocą optycznego systemu profilowania 3D Wyko NT3300.

  Otworami wykonano trepan przewiercony przez płytkę przy użyciu specyficznej geometrii ścieżki wiązki w celu wydajniejszego usuwania materiału z otworu. Belka została zaprogramowana tak, aby poruszała się po okręgu o średnicy 30 μm dla 54 000 stopni, równej 150 obrotom. Podczas tego ruchu promień był oscylowany wzdłuż kołowej ścieżki z częstotliwością 1500 Hz i amplitudą 12 μ m. Czas wiercenia wynosił 0,78 s. Ogniskowa pozycja została ustawiona na powierzchni na czas wiercenia. Ponieważ ruch wiązki został utworzony za pomocą lusterek skanera, nie jest wiadomo, w jaki sposób promień podąża za zaprogramowaną ścieżką. Ruch belki przedstawiono na rysunku 1. Wszystkie doświadczenia przeprowadzono w otaczającym powietrzu.

Rysunek 1. Ruch belki podczas wiercenia. Żółty obszar pokazuje rozmiar plamki, ablowany obszar jest wyświetlany na szaro.

  Morfologię otworów rejestrowano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego Hitachi S-2400 (SEM) o mocy 25 kV. Mikrostruktura na krawędzi otworów została zbadana przez JEOL FasTEM Transmission Electron Microscope (TEM) działający przy 200kV. TEM jest wyposażony w rentgenowską spektrometrię dyspersyjną (EDS). W celu przygotowania próbki TEM otwory wypełniono żywicą epoksydową M-Bond 610, aby zabezpieczyć ścianę otworów, które nie są usuwane przez mielenie jonowe, jak sugeruje to literatura [8]. Następnie krążki utwardzano przez dwie godziny w temperaturze 120 ° C. Obie strony tarcz zostały zmielone papierem ściernym o ziarnie od 600 do 2400 Grit. Końcowa grubość krążków wynosiła około 40-70 μm. Ponieważ pocienione dyski są bardzo kruche, zostały przyklejone do miedzianych pierścieni w celu uzyskania podparcia. Dyski zostały ostatecznie wypolerowane za pomocą frezarki jonowej (system do polerowania jonów precyzyjnych Gatan 691-PIP) przy napięciu 5 kV z przechyleniem 6 °, aż do całkowitego usunięcia obszaru kleju.

Wyniki i dyskusja

  Rowki na krzemu

  Rowki usuwano na powierzchniach krzemu przy prędkościach 20, 30, 45, 65, 100, 150, 225, 350 i 500 mm / s.

  Częstotliwość powtórzeń dla nanosekundowego lasera wahała się między 20 a 200 kHz, a dla pikosekundowego lasera od 100 do 500 kHz. Nanosekundowy laser nie był w stanie zapewnić mocy 460 MW powyżej częstotliwości 200 kHz, a dostępna moc z pikosekundowego lasera była ograniczona poniżej 100 kHz.

  Proces ablacji został ograniczony przez prędkość i częstotliwość skanowania na dwa sposoby. Po pierwsze, nakładanie się pulsu na puls miało minimalne ograniczenie, poniżej którego wydalanie materiału z rowka było niekompletne i znaczna ilość tlenków krzemu zaczęła formować się wewnątrz rowka. Górna granica prędkości skanowania została ustalona przez maksymalną odległość pulsu na puls, powyżej którego pulsy tworzą oddzielne punkty na powierzchni zamiast ciągłego rowka.

  W przypadku nanosekundowego przetwarzania stwierdzono, że w całym zakresie parametrów od 20 do 200 kHz, czyste spójne rowki bez tworzenia tlenków były osiągane tylko wtedy, gdy nakładanie się impulsów było mniejsze niż 80 do 90%. Proces tolerował większe nakładanie się, gdy energia impulsu była niska, tj. Częstotliwość była wysoka. Możliwy obszar parametrów przetwarzania pikosekundy był szerszy. Impulsowanie zachodzące na częstotliwościach 100 i 200 kHz może wynosić do 97%, zanim tworzenie się tlenku zaczęło zakłócać proces.

  Ze względu na limity parametrów dwóch laserów porównanie bezpośrednie można wykonać tylko w zakresie częstotliwości od 100 do 200 kHz. Rowki zniesione przy tych częstotliwościach zostały zmierzone bardziej szczegółowo, aby dostarczyć informacji o głębokości rowka i szybkości ablacji. Oprócz tego eksperymenty z nanosekundami były również wykonywane z częstotliwością powtarzania 50 kHz, a eksperymenty z pikosekundą kontynuowano do częstotliwości powtarzania 500 kHz. Prędkość skanowania została ustawiona na 225 mm / s.

  Profil rowka mierzono na linii ablacji, aby odsłonić głębokość i przekrój poprzeczny ablowanych i przekształconych materiałów. Określenie objętość rowka tutaj w dalszej części odnosi się do objętości ablowanej poniżej pierwotnej powierzchni. Określenie usunięty materiał odnosi się do ilości krzemu usuniętego całkowicie ze źródła; tj. obszar rowka bez przekształconego obszaru. Wartości objętościowe przedstawione są tutaj w jednostkach μ m3, co jest wielkością mierzoną z przekroju pomnożoną przez długość 1 μ m wzdłuż długości rowka. Ponieważ profile są wyprowadzane z pomiaru linii na wyżłobieniu, a nie z pomiaru rzeczywistej objętości, wyniki nie są dokładne. Stanowią one jednak dobre oszacowanie średniego przekroju rowków.

  Wyniki pokazują, że na szybkość ablacji z nanosekundowymi impulsami duży wpływ miała częstotliwość lub energia impulsu, podczas gdy szybkość ablacji z piksekundowymi impulsami była niezależna od częstotliwości w badanym obszarze parametrów. Dzięki impulsom nanosekundowym objętość rowka znacznie wzrosła wraz z energią impulsu. Prędkość powtarzania 50 kHz, równa energii impulsu 9,2 μJ, wytworzyła rowek o polu przekroju 26,3 μm2. Przy tej fluencji ilość przekształcenia była mała, a usunięta objętość mierzona z przekroju rowka wynosiła 24,2 urn3.

Zwiększenie częstotliwości skutkowało geometrią rowka, która była węższa i płytsza niż ta wytworzona przy wyższych energiach impulsu. Również względna objętość przekształcenia w porównaniu do objętości rowka znacząco wzrosła. Przy częstotliwości powtarzania 200 kHz (2,3 jj) objętość rowka wynosiła 5,8 jjm3 i biorąc pod uwagę przeliczenie, objętość usuniętego materiału wynosiła tylko 4,0 jjm3. W tym przypadku ponad 30% materiału usuniętego z rowka było przekształcane na krawędziach rowka i nie było odrzucane. Głębokość rowka wahała się znacznie od 0 do 3,5 μm. Dlatego profil dla próbki 200 kHz pochodzi ze średniej wartości trzech pojedynczych pomiarów, w celu uzyskania lepszego oszacowania ablacji objętości. Przekroje rowków ablowanych nanosekundowymi impulsami przedstawiono na fig. 2. Rowki ścinane z prędkością skanowania 225 mm / s przy użyciu szybkości powtarzania 50 i 200 kHz są przedstawione odpowiednio na Figurach 3 i 4.

Rycina 2: Zmierzone przekroje rowków wyciętych laserem nanosekundowym.

Rycina 3. Rowek usunięty przez nanosekundowe impulsy. Prędkość skanowania 225 mm / s, częstotliwość powtarzania 50 kHz.

Rysunek 4. Rowek usunięty przez nanosekundowe impulsy.

  Prędkość skanowania 225 mm / s, częstotliwość powtarzania 200 kHz.

  Ponieważ energia linii w każdym przypadku była równa, znacznie większa część energii laserowej była tracona w procesie ablacji, gdy częstotliwość powtarzania zwiększała się stopniowo od 50 do 200 kHz. Ten wzrostw częstotliwości spowodowało zmianę szerokości impulsu10,2 ns do 28,4 ns, a energia impulsu do zmniejszenia z 9,2 do 2,3 uJ. Oba te czynniki zmniejszyły średnie natężenie napromienienia w obszarze wiązki, które zmieniło się z 1,15 na 0,10 GW / cm2. W tym samym czasie proces stał się bardziej niestabilny, a wahania głębokości i szerokości rowka były bardziej widoczne.

  Dłuższe impulsy mogą zostać w większym stopniu zaabsorbowane lub odbite od plazmy indukowanej laserem. Próg tworzenia plazmy dla wielu materiałów wynosi około 0,3 GW / cm2 [12]. Ponieważ średnie natężenie napromienienia przy 200 kHz wynosiło jedynie 0,10 GW / cm2, a szczytowe natężenie napromienienia w środku wiązki wynosiło 0,2 GW / cm2, ekranowanie plazmowe nie powinno odgrywać roli przy wyższych częstotliwościach powtarzania, ale raczej przy niskich częstotliwościach. Cząstki unoszące się nad punktem interakcji mogą jednak wpływać na proces ablacji, zwłaszcza przy wyższych częstotliwościach powtórzeń. Zakres takich efektów plazmy / pióropusza między pulsami nie mógł być oszacowany na podstawie przeprowadzonych eksperymentów.

  Bardziej prawdopodobne przyczyny niskiej szybkości usuwania materiału przy wysokich częstotliwościach są związane z napromieniowaniem impulsowym. Praca bliżej progu ablacji przy dłuższych impulsach prowadzi do sytuacji, w której większa część energii impulsu jest używana do ogrzewania materiału w fazie stałej i ciekłej, niż do odparowania i usunięcia materiału. Równocześnie zmniejsza się ciśnienie odrzutu, proporcjonalne do napromieniowania [9,18], zmniejszając wydalanie stopu z rowka.

Usuwanie materiału za pomocą impulsów ns było około dwukrotnie wydajniejsze niż przy impulsach pikosekundowych, gdy częstotliwość powtarzania wynosiła 100 kHz (energia impulsu 4,6 μJ). Nanosekundowe impulsy wytworzyły objętość rowka16,7 μm3 w porównaniu do 7,9 μm3 piksekundowych impulsów. Przy 200 kHz, rowki stały się w przybliżeniu równe objętości, przy czym pikosekundowy rowek ma objętość 6,2 jjm3 a nanosekundowy rowek 5,8 jjm3.

  Jednak mniejsza ilość przekształconego krzemu występowała na krawędziach pikosekundowych, a bezwzględne usuwanie materiału za pomocą pikosekundowych impulsów wynosiło 5,8 u.m 3 i 4,0μ m3 z nanosekundowymi impulsami. Przekroje poprzeczne rowków do eksperymentów z pikosekundą przedstawiono wi Rysunek 5. Usunięcie objętości i objętości rowków przedstawiono w funkcji szybkości powtarzania i energii impulsu na Rysunku 6. Podobne wyniki dotyczące zależności między czasem trwania impulsu a szybkościami usuwania uzyskano stosując model z dwiema temperaturami do ablacji aluminium [19]. Laserowa ablacja Picosekunda jest bardziej wydajna w porównaniu z ablacją nanosekundową, gdy działa nieco powyżej progu ablacji nanosekundowych impulsów. Gdy fluencja laserowa znacząco przekracza ablację nanosekundowąpróg, przetwarzanie za pomocą nanosekundowych impulsów staje się znacznie bardziej wydajne.

Rysunek 5: Zmierzone przekroje rowków wykalibrowanych za pomocą pikosekundowego lasera.

Rysunek 6: Przekroje poprzeczne rowków i usuniętego materiału.

  Częstotliwość powtarzania miała jedynie niewielki wpływ na szybkość usuwania materiału przy pikosekundowych impulsach i te zmiany mogą być przybliżone, aby mieściły się w granicach błędów pomiaru. Usunięta objętość we wszystkich przypadkach wynosiła od 5,8 do 6,7 μm3, a objętość przekształcenia była w każdym przypadku mniejsza niż 10% objętości usuniętego materiału. Ponieważ natężenie promieniowania na częstotliwościach od 100 do 500 kHz znacznie przewyższa próg ablacji krzemu, stopień ablacji jest związany z energią linii, a nie z energią impulsu, która występowała podczas przetwarzania nanosekund.

  Główną różnicą między rowkami obrobionymi przy niskich lub wysokich częstotliwościach powtarzania była szerokość rowka, co powodowało, że wyżłobienia ulegały ablacji z większą głębokością powtarzania. Rowek usunięty przy 500 kHz wykazywał pole powierzchnio szerokości 15 μ m, gdzie widoczna jest obróbka laserowa. Przy 300 i 200 kHz szerokość tego obszaru wynosiła odpowiednio 16 i 18 μm. Kiedy częstotliwość została zmniejszona do 100 kHz, szerokość wzrosła do 25 μm, ze śladami ablacji laserowej do 20 μm od linii środkowej toru. Podobne efekty zaobserwowano w ścieżkach poddanych ablacji przy niższych prędkościach skanowania równych 100 i 150 mm / s. Poszerzenie toru ablacyjnego ze wzrostem energii impulsu może być częściowo wyjaśnione przez zwiększenie efektywnej średnicy plamki, to jest części wiązki laserowej profilu gaussowskiego, w której napromienianie przekracza próg ablacji. Według obliczeń efekt efektywnej średnicy wiązki powinien wynosić tylko kilka mikronów. Bardziej prawdopodobną przyczyną tego efektu byłaby absorpcja plazmy i rozpraszanie wiązki. Ścieżki z częstotliwością 500 i 100 kHz przedstawiono odpowiednio na Rysunku 7 i Rysunku 8.

Rysunek 7. Profil rowka zsynchronizowany z impulsami ps z częstotliwością powtarzania 500 kHz i prędkością skanowania 225 mm / s.

Rysunek 8. Profil rowka zsynchronizowany z impulsami ps z częstotliwością powtarzania 100 kHz i prędkością skanowania 225 mm / s.

  Otwory w krzemu

  Otwory wiercono za pomocą płytki krzemowej o masie 200 mikrometrów, stosując ścieżkę skanowania przedstawioną na rysunku 1. Prędkość liniowa wiązki wynosiła 20 mm / s, a prędkość obwodowa wzdłuż oscylowanej ścieżki wynosiła w przybliżeniu 115 mm / s. Początkowo otwory wierciły się obydwoma laserami przy częstotliwości powtarzania 100 kHz, co daje energię impulsu 4,6 μJ. Niekompletne usunięcie materiału stopionego i ablowanego ograniczyło zastosowanie tych parametrów w nanosekundowym wierceniu laserowym. Przy stosowanej prędkości obwodowej, nakładanie się impulsu na puls było bliskie 90% i jak wynika z eksperymentów z rowkiem, laser nanosekundowy wymagał mniej niż 80% nakładania, aby efektywnie usunąć materiał. Przy 100 kHz otwór wypełnił się dwutlenkiem krzemu blokując i rozpraszając napływającą wiązkę lasera i nie można było uzyskać penetracji. Częstotliwość została zmniejszona do 30 kHz w celu utworzenia czystych otworów przelotowych w próbce. Dało to 333% wzrost energii impulsu i zmniejszenie szerokości impulsu z 18,6 do około 9 ns. Ogólnie rzecz biorąc, średniaintensywność na powierzchni wiązki została zwiększona o współczynnik 7 do wartości 2,2 MW / cm2. Intensywność szczytowa osiągnęła zatem wartość 4,3 MW / cm2 w środku belki gaussowskiej.

  Otwory wywiercone nanosekundami i pikosekundowymi impulsami przedstawiono odpowiednio na rysunkach 9 i 10. Czas wiercenia wynosił w obu przypadkach 0,78 s. Różnice w średnicach otworów wejściowych wynikają z różnic w wydajności skanera.

Rysunek 9. Wejście (po lewej) i wyjście (po prawej) odwiertu wywierconego za pomocą nanosekundowych impulsów. Energia impulsów 15,3 mJ.

  Wstępne badanie strony wejściowej pokazuje, że oba otwory były dość podobne pod względem jakości. Główną różnicą było to, że formacje ponownego zestalania w nanoskładanych próbkach były osadzane osiowo, podczas gdy próbka przetworzona w pikosekundie wykazywała promieniowe pierścienie wokół ścian otworów. Strony wyjścia ujawniły większe różnice w zależności odszerokość impulsu. Nanosekundowe ściany otworu pokryte były warstwą przekształconą. Ale w przypadku pikosekundowego lasera ścianki otworów w pobliżu wyjścia z otworu są bardzo gładkie i nie wykazują żadnych śladów żadnego zestalonego materiału. Dłuższy czas wiercenia skutkowałby bardziej okrągłym / eliptycznym geometrią otworu wyjściowego z piksekundowymi impulsami. W obu przypadkach belka została wyłączona po 150 obrotach, przy czym zasadniczo nie poddano renowacji.

Rysunek 10. Wejście (po lewej) i wyjście (po prawej) otworu wywierconego przy użyciu pikosekundowych impulsów. Energia impulsu 4,6 μJ.

  Obserwacje TEM ze środka płytki o grubości 200 μ m wskazywały, że mikrostruktura na krawędziach otworów wytworzonych przez pikosekundę i nanosekundowe impulsy była całkowicie odmienna. Rysunek 11 pokazuje, że defekty (dyslokacje) zostały wprowadzone przez wiercenie nanosekundowe, podczas gdy główną cechą w wierconym otworku z pikosekundą był warstwa nanocząstek przylegających do ścianki otworu.

Rysunek 11. Mikrostruktura obszarów brzegowych otworów wytworzonych przez impulsy nanosekundowe (po lewej) i pikosekundowe (po prawej).

  Figura 12 pokazuje dyslokacje wprowadzone przez nanosekundową pulsującą wiązkę laserową. Stwierdzono, żekierunek przemieszczenia zawsze był prostopadły do ​​powierzchni otworu. Dyslokacje znajdują się w krzemie monokryształowym i mogą powstawać w wyniku naprężeń indukowanych termicznie podczas wiercenia.

  Jak pokazano na rysunku 12, obszar oznaczony "A" zawierał pewne małe ziarna, które są krystaliczne, jak wskazano w wybranych obszarach dyfrakcji elektronowej (SAED), Figura 12b). Analiza EDS z obszaru "A" wykazała, że ​​obszar ten zawierał tylko Si. Przyczyna powstawania tych małych ziaren nie jest znana. Istnieją jednak dwie możliwości; jednym z nich jest to, że rekrystalizowały z przerobionego materiału najpierw stopionego przez nanosekundowe impulsy, a drugie to, że obszar A został rozbity na małe ziarna bezpośrednio z płytki Si.

  Rysunek 12. a) Zwichnięcia na krawędzi otworów wprowadzanych przez nanosekundową pulsującą wiązkę lasera. b) wybrany wzór dyfrakcji elektronowej obszaru z obszaru "A".

  Obserwację na innym obszarze w próbce wywierconej nanosekundowymi impulsami pokazano na rysunku 13. Wzór SAED uzyskany z obszaru "B" pokazuje, że nanocząstki w tym obszarze były głównie nanocząstkami Si, chociaż widmo EDS również wykazało niewielką ilość O w tym obszarze. Tlen mógł zostać wniesiony przez klej lub niewielką ilość SiO2.

  Na rysunku 14, obszar oznaczony jako "D" pokazuje amorficzne cechy zawierające Si i małą ilość O, która może również pochodzić z obszaru kleju.

Rysunek 13. a) Kolejny obszar na krawędzi otworu wywierconego przez nanosekundowe impulsy laserowe, b) wzorce SAED z obszaru "B".

Ryc. 14. Zwichnięcia i amorficzny Si na krawędzi otworu wywierconego przez nanosekundowe impulsy. Przedstawiono wzory SAED obszarów C i D.

  Pomimo, że nanosekundowe impulsy powodują termiczne i mechaniczne uszkodzenia ścian otworów, grubość uszkodzonej warstwy między zewnętrzną warstwą zmodyfikowanego materiału i pojedynczym krystalicznym krzemem była we wszystkich badanych lokalizacjach poniżej 1 μm. Sugeruje to, że wysokie ciśnienie odrzutu generowane przez impulsy laserowe o niskiej częstotliwości replikacji uv skutecznie usuwa roztopione z otworu i nie tworzy się żadna znacząca warstwa przekształcania na ściance otworu. Możliwe jest również, że ze względu na długość fali 355 nm, tylko niewielka ilość konwekcji ciepła do ścian otworowych jest generowana przez absorpcję plazmy, a strefa wpływu ciepła pozostaje cienka.

  Figura 15 pokazuje dokładną inspekcję na krawędzi otworu wytworzonej przez pikosekundową wiązkę laserową. Płytka krzemowa była nieuszkodzona i nie wykryto żadnych wad mechanicznych w badaniach TEM. Jednokrystaliczny krzemzostała nakreślona przez warstwę o grubości 50 do 100 nm. Ta warstwa była podobna do warstwy stopu opisanej w poprzednich publikacjach [8]. Można zatem założyć, że folia była stopionym krzemem, który ponownie zestalił się w stan amorficzny. Film pokazano na rysunku 15 strzałkami. Nanocząstki o średnicy około 100 nm znaleziono w kleju w pobliżu warstwy reolidyfikującej, Rysunek 15. Wybrany wzór dyfrakcji elektronowej (SAED) z obszaru zawierającego nanocząstki wykazuje cechę amorficzną, co wskazuje, że nanocząstki były niekrystaliczne, rysunek 15 b) . Jak wskazano w analizie EDS, rysunek 16, obszar kleju zawierał C, O i małą ilość Cl, podczas gdy Si wykryty z obszaru kleju powinien pochodzić z płytki Si. Cu (szczyt niewidoczny na rysunku 16) powinien pochodzić z miedzianego pierścienia przyklejonego do próbki. W obszarze nanocząstek, jak pokazano na rysunku 16 b), analiza EDS pokazuje Si, C i O. Chociaż C i O mogą pochodzić z kleju, porównanie stosunku C i O w obszarze kleju i stosunku C a O w obszarze nanocząstek sugeruje, że co najmniej część bezpostaciowych nanocząstek została odtleniona.

Wzór SAED z obszaru krawędzi otworu pokazuje wzór dyfrakcji pojedynczego kryształu, rysunek 15 c).

Rysunek 15. Analizy mikrostruktury na krawędzi otworu wywierconego przez pikosekundowe impulsy. a) Nanocząsteczki na krawędzi otworu i wybrane wzorce dyfrakcji elektronów z obszaru b) powierzchni nanocząstek i płytki c) Si.

Rysunek 16. Analizy EDS na a) obszarze kleju, b) nanocząsteczkach i c) powierzchni płytki krzemowej.

  Na podstawie badań TEM można wnioskować, że w porównaniu z impulsami nanosekundowymi przetwarzanie pikosekundowe powoduje znikome efekty termiczne dla materiału macierzystego bez śladów uszkodzeń mechanicznych. Nanosekundowe przetwarzanie powoduje zarówno uszkodzenia termiczne, jak i mechaniczne ścianek otworów w postaci dyslokacji, przekształcania i rekrystalizacji materiału, podczas gdy wiercenie pikosekundowe powoduje jedynie cienką, <100 nm, warstwę ponownego zestalania do ścianki otworu. Powierzchnia została częściowo pokryta przez amorficzne nanocząsteczki, które prawdopodobnie składają się z co najmniej częściowo utlenionego krzemu. Wszystkie te obserwacje wskazują, że więcej procesów, które pochodzą z większego ciepła dostarczanego do materiału, występuje podczas nanosekundowego wiercenia pulsacyjnego niż podczas wiercenia pulsującego w piksekundach.

  Wnioski

  Rowki i dziury zostały wytworzone w 200 μm pojedynczych krystalicznych płytkach krzemowych przy użyciu 355 nm nanosekundy i laserów z pulsacją piksekundową. Wyniki przetwarzania zostały zmierzone i scharakteryzowane za pomocą pomiarów optycznych, mikroskopii TEM i mikroskopii SEM.

  Wyniki pokazują, że na ablację istotny wpływ ma energia impulsu podczas ablacji przez nanosekundę. Zwiększenie szybkości usuwania materiału wyniosło ponad 600%, gdy energia impulsu została zwiększona z 2,3 do 9,2 jj przez zmniejszenie częstotliwości z 200 do 50 kHz. Straty cieplne mają duży wpływ na szybkość usuwania przy napromieniowaniu bliskim progowi ablacji, ponieważ większa część impulsu ogrzewa materiał w fazie stałej i ciekłej, zamiast odparowywać i usuwać materiał. Dlatego można oczekiwać zależności między energią impulsu i szybkością usuwania materiału.

  Ablacja Picosekunda nie wykazywała podobnej zależności między szybkością ablacji a energią impulsu. Szybkość ablacji pozostała zasadniczo podobna do częstości powtórzeń 100 i 500 kHz, co odpowiada odpowiednio energii impulsów 4,6 i 0,9 μJ. Głównym efektem energii impulsu była szerokość linii ablacji, która zwiększała się wraz ze wzrostem energii.

  Nanosekundowa wydajność ablacji przewyższała efektywność ablacji pikosekundy przy częstotliwości 100 kHz, ale przy częstotliwości 200 kHz szybkość usuwania materiału lasera ps była szybsza. W obu procesach, ablacji wiercenia i rowkowania, optymalny obszar parametrów dla ablacji nanosekundy wynosił mniej niż 100 kHz, przy czym jako laser pikosekundowy osiągały dobre wyniki przy 100 kHz i powyżej.

  Ocena za pomocą obrazów SEM, jakość otworów wywierconych nanosekundą i pikodrugie impulsy były dość podobne. Kiedy laser nanosekundowy działał przy 30 kHz i pikosekundowym laserze przy częstotliwości 100 kHz, czasy wiercenia były równe. Nanosekundowe wiercenie laserowe stało się wolniejsze i ostatecznie niemożliwe, gdy zwiększyła się częstotliwość powtórzeń. Nakładanie się impulsów przekraczało określoną możliwą do osiągnięcia wartość 80%, a także wynikająca z tego niska energia impulsu i natężenie napromienienia były niewystarczające w usuwaniu materiału z kapilary, przypuszczalnie z powodu zmniejszonej siły odrzutu.

Badania TEM wykazały, że nanosekundowe wiercenie laserowe spowodowało termiczne i mechaniczne uszkodzenie płytki krzemowej. Dotknięta warstwa na ścianie otworu miała grubość do 1 μm i zawierała amorficzne cechy, krzem polikrystaliczny, a także obszary monokrystaliczne z dyslokacjami.

  Wiercenie pulsacyjne Picosekunda nie spowodowało mechanicznego uszkodzenia materiału. Otwór został nakreślony cienką warstwą, która podobno składa się z amorficznego, zestalonego krzemu. Grubość warstwy wynosiła 50 do 100 nm. Nie znaleziono dalszych uszkodzeń materiału.