LASEROVÉ VRTÁNÍ MICROVIA A ABLACE SILIKONU S POUŽITÍM 355 NM PICO A NANOSECOND PULSES

Abstraktní

  Laserová ablace křemíku se stala intenzivním výzkumným tématem kvůli rychle rostoucímu zájmu o laserové zpracování ve fotovoltaických a elektronických průmyslových odvětvích. Různé typy laserů se používají pro izolaci okrajů, drážkování, vrtání mezi jinými aplikacemi, přičemž šířka impulzů se pohybuje od ultra krátkého femtosekundového režimu až po dlouhé mikrosekundové impulsy. Výsledky se mohou výrazně lišit v závislosti na vlnové délce a šířce impulzů dodávaných zdrojem laseru. V této studii byly použity dva lasery Nd: YVO4 s frekvenčním výpletem, které dodávají impulzy o šířce 9 až 12 ps a 9 až 28 ns, pro vrtání otvorů a vytvoření drážek v křemíkových destičkách. Tloušťka destiček byla 200 μm.

  Hloubka a geometrie drážky byly měřeny pomocí optického 3D profilovacího systému. Výsledky ukázaly, že rychlost odebrání materiálu byla značně ovlivněna pulzní energií a frekvencí opakování, když byl použit nanosekundový pulzní laserový paprsek. S pikosekundovým laserovým paprskem míra odběru objemového materiálu zůstala poměrně konstantní v rozmezí 100 až 500 kHz, ale šířka a hloubka drážky se lišila.

  Skenovací a přenosová elektronová mikroskopie byla použita k charakterizaci vrtaných otvorů. Mikrostruktury byly zkoumány vybranými vzorky elektronové difrakce oblasti. Podle naměřených hodnot impulzy nanosekund indukují nejen tepelné, ale i mechanické poškození stěn otvorů, zatímco pikosekundové zpracování vede pouze k tenké vrstvě HAZ, která je částečně pokryta amorfními nanočásticemi.

Úvod

  Laserové mikroprocesace křemíku je zvláště zajímavé v aplikacích, jako jsou fotovoltaické aplikace a mikroelektronika. Laserová ablace zahrnuje řadu souběžných procesů včetně zahřívání, tavení, odpařování a ionizace, protože paprsek interaguje s pevnými, kapalnými, párami a plazmatickými fázemi na povrchu materiálu nebo v jeho blízkosti [1]. Charakteristiky procesu jsou určeny intenzitou, trvaním a vlnovou délkou laserového pulsu. Komerčně dostupné lasery pro micromachining zahrnují lasery s trvanlivostí pulsu ve femto, pico a nanosekundovém čase. Typické vlnové délky zahrnují variace od UV do blízkosti ir.

Femtosekundové impulsy jsou optimální pro zpracování materiálu v mnoha ohledech. V případě ultra-krátkých impulzů sub-ps je doba trvání impulsu menší než charakteristický terminační čas materiálu a obrábění může být provedeno s velmi malým tepelným efektem. Zejména v režimu s nízkou fluencí, při níž je průměrná míra ablace určena hloubkou optické penetrace, jsou tepelné účinky zanedbatelné a dochází ke zbytkům s nulovým teplem. [2,3,4] Další výhodou ultrarychlého zpracování je to, že fs impulzy končí před tím, než je materiál vyhozen z povrchu. Celková energie impulzu je tak uložena na cílové vzorkovací vzorek bez jakékoliv interakce laser-plazma během pulzu. [1,5] Vzhledem k tomu, že ztráty tepelného vedení v materiálu jsou minimální a nedochází k plazmovému stínění, je prah ablace materiálů nejmenší v šířkách pulsů subsp. Materiál může být odstraněn s extrémní přesností pomocí energií s nízkým impulsem. Vzhledem k tomu, že pulzní energie nebo fluence jsou zvýšeny, procesy tepelné ablace se stanou dominantnějšími dokonce i při femtosekundových pulsech. Celá energie impulsu je stále dodávána do materiálu, ale hloubka ablace je určena efektivní hloubkou pronikání tepla místo hloubky optické penetrace. Kvalita ablace je snížena, ale hloubka ablace na puls se silně zvyšuje [2].

  Pro aplikace v obrábění musí být laserové systémy spolehlivé, robustní a cenově dostupné. Vzhledem k tomu, že se technická námaha zvyšuje se zkrácením doby trvání impulsu, měla by být délka pulzu co nejkratší, pouze pro dosažení uspokojivého výsledku [6]. Nanosekundové lasery z velké části splňují výše uvedená kritéria. Technologie je dobře zavedená a osvědčená, spíše jednoduchá konstrukce a nákladově efektivní. V některých případech však pulz není dostatečně krátký a kvalita zpracování těchto laserů nesplňuje požadavky. Picosekundové laserové zdroje se osvědčily jako kompromis mezi oběma výše uvedenými alternativami.

  Zpracování materiálů pomocí laserových impulzů o šířce několika pikosekundů připomíná mnoho zpracování femtosekundového zpracování s vysokou fluencí. Prah ablace je mírně vyšší než u fs impulzů, zejména v důsledku ztrát tepelného vedení a plazmového stínění [3]. U 1 ps pulsů jsou plazmatické efekty zanedbatelné, vzrůstající až na 20% při 10 ps během ablace zlata a podobné nálezy byly získány i pro křemík [1]. Celkově nejsou pozorovány žádné drastické změny kvality, tepelných účinků ani účinnosti, když šířka impulzů zůstává méně než 10 ps, ​​i když proces může být považován za čistě tepelný charakter [2,3,6,7]. V některých případech kvalita zpracování ps může dokonce překračovat kvalitu fs lasery. Fs-laser indukované tlakové rázy mohou způsobit mechanické poškození materiálu a poškození mřížky v křemíku [8].

  Nanosekundové laserové zpracování zahrnuje komplexní směs souběžných fyzikálních procesů. Na rozdíl od femtosekundového zpracování, dlouhý impuls interaguje s materiálem v pevných, kapalných, parních a plazmových stavech. Značné rozdíly lze pozorovat v procesu ablace v závislosti na ozařování. Pro danou impulsní energii se maximální hloubka taveniny zvyšuje s delšími impulzy, tj. S nižší ozáření (Al cíl) [7]. Současně klesá tlak zpětného rázu, který je závislý na ozařování [9], což způsobuje neúplné vysunutí taveniny z oblasti interakce. Navíc k těmto účinkům je prah ablace vyšší než hodnota pozorovaná za použití impulsů fs a ps, a to hlavně kvůli plazmovému stínění a vyšším ztrátám tepelné vodivosti. [7] Studie srovnávající fs a ns impulzy ve vrtání ukazují dokonce dvakrát rychlejší míru ablace pro fs impulzy ve srovnání s ns pulzy (křemík, 266 nm záření, 11 J / cm2) [10,11]. Při vysokých hodnotách fluencí se však rychlost ablace s ns pulzy silně zvyšuje a přesahujeto fs a ps impulsů [7].

  Během procesu ns se rychlost hromadné ablace zvyšuje s hustotou výkonu laseru po závislostech na elektrickém zákoně až na ozáření 0,3 GW / cm2, téměř nezávislé na cílovém materiálu (mosaz a sklo, 248 nm KrF laser) [12]. V tomto okamžiku plazmové stínění začne absorbovat druhou část pulzu a impuls se ztlumí. Plazma odráží a rozptýlí paprsek snížení účinnosti ablace. [12] Experimentální data ukazují, že míra ablace se lineárně zvyšuje až do dosažení ozáření 10 až 20 GW / cm2 [13,14,15,16]. V tomto okamžiku se míra ablace výrazně zvyšuje. Toto chování lze vysvětlit jako homogenní výbušné varu, které je odpovědné za vysunutí velkých částic po konečném zpoždění. [14,15,16] Celkově může být hromadné vyhazování během ablace na nanosekundách charakterizováno emisí elektronů v pikosekundovém časovém měřítku, vysunutím atomové / iontové hmoty v časovém rozmezí nanosekund a vylučováním velkých částic v časovém rozmezí mikrosekundů až po desítky mikrosekundy [16]

  Při použití krátkých nanosekundových impulzů nebo pikosekundových impulzů je ozařování typicky dostatečně vysoké, aby iniciovalo tvorbu plazmy a mělo za následek absorpci plazmy. Vliv plazmatu se zvyšuje s trváním impulzu, hustotou výkonu a vlnovou délkou. Celá energie pohlcená plazmovým dýmem se však z procesu neztratila, ale plazma může ve skutečnosti ohřát cílový materiál [16]. Použije-li se laserový paprsek, paprsek hlavně ohřeje vrchol expandujícího oblouku, což vede k větším ztrátám, zatímco UV záření se hlavně absorbuje v kořene dýmu, čímž dodává více energie do materiálu absorpcí plazmy [17]. Absorpce plazmy může být také využita v některých procesech. Když se při úzkém vrtání vytváří plazma indukovaná laserem, horká plazma se rychle rozšiřuje uvnitř kanálu a přenáší velkou část své energie žíravostí a zářením na stěny kapiláry, což přispívá k radiálnímu rozšíření vrtání. Tento efekt může stabilizovat ablaci v širokém rozsahu hloubek. [17]

  V této studii byla zkoumána vrtání a ablace křemíku. Cílem bylo porovnat pikové a nanosekundové zpracování křemíku pomocí 355 nm ultrafialového záření. Na základě předchozích referenčních údajů by byly laserové zdroje pico a nanosekundy ve většině případů přednostními možnostmi pro zpracování křemíku a vlnová délka UV byla zvolena pro zvýšení absorpce, snížení hloubky optické penetrace do podkladového materiálu, snížení ztrát způsobených absorpcí plazmy a dosažení delší Rayleighovou délku spolu s menším ohniskem. Výsledky byly vyhodnoceny na základě optických měření, SEM a TEM vyšetření.

  Experimentální nastavení

  Pokusy s nanosekundovými pulsy byly prováděny za použití q-switched Spectra-Physics HIPPO laseru při vlnové délce 355 nm. Svazek byl přenesen pomocí rozšiřovače paprsků a galvanometrického skeneru Scanlab Hurryscan 10 s 100cm telecentrickou optikou. Kalkulovaný průměr ohniskové vzdálenosti s nastavením byl 10 μm. Šířka impulzů laseru se měnila s frekvencí 10,2 ns při 50 kHz, 18,6 ns při 100 kHz a 28,4 ns při 200 kHz.

Pro experimenty s pikosekundovým zpracováním byl použit laser Lumera Rapid. Výstupní vlnová délka paprsku byla 355 nm. Optické nastavení zahrnovalo expanzní paprsek a skener Scanlab Scangine 10 se 100 centovým telecentrickým zaostřovacím objektivem. Vypočítaný průměr ohniskové vzdálenosti pro optické nastavení byl 10 μm. Šířka impulsu laseru byla 9 až 12 ps. Výkon laseru 460 mW byl použit ve všech experimentech.

  Materiálem použitým pro experimenty byla leštěná Ph-dopovaná monokrystalická křemíková destička 200 μm. Vzorky byly po zpracování zpracovány ultrazvukem v acetonu. Volné částice a prach byly před měřením opracovány z povrchu.

  Pokusy pro definici míry ablace s ns a ps pulzy byly prováděny odstraněním drážek na křemíkových plátnech s proměnlivou rychlostí a rychlostí opakování. Profily groove byly měřeny za použití optického 3D profilovacího systému Wyko NT3300.

  Otvory byly vyvrtány přes plátno pomocí specifické geometrie dráhy paprsku, aby se z otvoru odstranil materiál účinněji. Světelný paprsek byl naprogramován tak, aby se pohyboval po kružnici 30 μm na 54 000 stupňů, což se rovnalo 150 otáčkám. Během tohoto pohybu byl paprsek oscilován podél kruhové dráhy s frekvencí 1500 Hz a amplitudou 12 μm. Doba vrtání činila 0,78 s. Ohnisková poloha byla nastavena na povrch po dobu vrtání. Protože pohyb paprsku byl vytvořen pomocí zrcadel skeneru, není známo, jak přesně paprsek sleduje naprogramovanou dráhu. Pohyb paprsku je znázorněn na obr. 1. Všechny experimenty byly prováděny ve vnějším ovzduší.

Obrázek 1. Pohyb nosníku při vrtání. Žlutá oblast zobrazuje velikost místa, abělovaná oblast je zobrazena šedě.

  Morfologie otvorů byla zaznamenávána skenovacím elektronovým mikroskopem Hitachi S-2400 (SEM) pracujícím na 25 kV. Mikrostruktura na okraji otvorů byla studována pomocí JEOL FasTEM přenosového elektronového mikroskopu (TEM) pracujícího na 200 kV. TEM je vybaven elektronovou rentgenovou disperzní spektrometrií (EDS). Pro přípravu vzorku TEM byly otvory naplněny epoxidem M-Bond 610 k ochraně stěny otvorů, které nebyly odstraněny mletím iontovým svazkem, jak bylo navrženo v literatuře [8]. Disky byly poté vytvrzeny po dobu dvou hodin při teplotě 120 ° C. Obě strany disků byly broušeny pískovým papírem od 600 gramů až po 2400 zrna. Konečná tloušťka disků byla přibližně 40-70 μm. Vzhledem k tomu, že ztenčené disky jsou velmi křehké, byly nalepeny na měděné kroužky, aby získaly podporu. Disky byly nakonec vyleštěny pomocí frézky s iontovým paprskem (Gatan 691 Precision Ion Polishing System - PIPs) při 5 kV se sklonem 6 °, dokud plocha lepidla nebyla zcela odstraněna.

Výsledky a diskuse

  Drážky na křemíku

  Drážky byly odstraněny na silikonových površích rychlostí 20, 30, 45, 65, 100, 150, 225, 350 a 500 mm / s.

  Rychlost opakování nanosekundového laseru se pohybovala mezi 20 a 200 kHz a pro pikosekundový laser 100 až 500 kHz. Nanosekundový laser nemohl přinést výkon 460 mW nad frekvenci 200 kHz a dostupný výkon z pikosekundového laseru byl omezen pod 100 kHz.

Proces ablace byl omezován rychlostí a frekvencí skenování dvěma způsoby. Za prvé, překročení impulzů k pulsům mělo minimální limit pod kterým bylo vyloučení materiálu z drážky neúplné a ve drážce se začaly vytvářet značné množství oxidů křemíku. Horní hranice rychlosti skenování byla nastavena maximální vzdáleností impulsů a pulsů, nad nimiž impulsy vytvářejí oddělená místa na povrchu místo kontinuální drážky.

Pro zpracování v nanosekundách bylo zjištěno, že v celém rozsahu parametrů od 20 do 200 kHz byly čisté konzistentní drážky bez tvorby oxidu dosaženy pouze tehdy, když překrývání impulzů bylo méně než 80 až 90%. Proces toleroval větší překrývání, když byla pulzní energie nízká, tj. Frekvence byla vysoká. Možná oblast parametrů pro zpracování pikosekund byla širší. Pulz překrývající se při kmitočtech 100 a 200 kHz by mohl činit až 97% předtím, než začne vznikat oxidace v procesu.

  Vzhledem k parametrickým limitům obou laserů může být porovnání "head to head" provedeno pouze ve frekvenčním rozsahu 100 až 200 kHz. Drážky ablovované na těchto frekvencích byly podrobněji měřeny, aby poskytly informace o hloubce drážky a míře ablace. Navíc byly experimenty s nanosekundami prováděny také při frekvenci opakování 50 kHz a experimenty s pikosekundami pokračovaly až do 500 kHz opakovací frekvence. Rychlost skenování byla nastavena na 225 mm / s.

  Profil drážky byl měřen napříč odstraněnou čárou, aby se zjistila hloubka a plocha průřezu ablovaných a přepracovaných materiálů. Výraz "drážka", který se zde označuje, se vztahuje k objemu, který se odchyluje pod původním povrchem. Termín odebraný materiál označuje množství křemíku zcela odstraněného ze zdroje; tj. oblast drážky mínus oblast přepracování. Hodnoty objemu jsou zde uvedeny v jednotkách μm3, což je příslušná oblast měřená od průřezu násobenou délkou 1 μm podél délky drážky. Vzhledem k tomu, že profily jsou odvozeny z měření čáry přes drážku a ne od měření skutečného objemu, výsledky nejsou přesné. Avšak představují dobrý odhad průměrného průřezu drážek.

  Výsledky ukazují, že rychlost ablace s nanosekundovými pulzy byla významně ovlivněna frekvencí nebo pulzní energií, zatímco rychlost ablace s pikosekundovými pulzy byla nezávislá na frekvenci v oblasti testovaných parametrů. U nanosekundových pulsů se objem drážky výrazně zvýšil impulsní energií. Rychlost opakování 50 kHz, rovnající se impulsní energii 9,2 μJ, vytvořila drážku o průřezu 26,3 μm2. Při této fluktuaci bylo množství přepracování malé a odebraný objem měřený z průřezu drážky byl 24,2 μm3.

Zvýšení frekvence vedlo k geometrii drážky, která byla užší a mělčí než ta, která byla vytvořena s vyššími pulzními energiemi. Také relativní objem přepracování ve srovnání s objemem drážky se výrazně zvýšil. Při opakovacím kmitočtu 200 kHz (2,3 μJ) byl objem drážky 5,8 μm3 a vzhledem k přepracování byl objem odebraného materiálu pouze 4,0 μm3. V tomto případě bylo více než 30% materiálu odstraněného z drážky přepracováno na okrajích drážky a nebylo odstraněno. Hloubka drážky se výrazně pohybovala v rozmezí 0 až 3,5 μm. Proto byl profil pro vzorek 200 kHz odvozen od průměrné hodnoty tří individuálních měření, aby se získal lepší odhad ablubovaného objemu. Příčné řezy drážkovaných ablací s nanosekundovými pulsy jsou znázorněny na obr. 2. Dráty ablated při snímací rychlosti 225 mm / s s opakujícími se frekvencemi 50 a 200 kHz jsou uvedeny na obr. 3 a obr. 4, resp.

Obr. 2: Naměřené průřezy drážk nasazených nanosekundovým laserem.

Obrázek 3. Drážka abolovaná nanosekundovými pulzy. Rychlost skenování 225 mm / s, frekvence opakování 50 kHz.

Obrázek 4. Drážka abolovaná nanosekundovými pulzy.

  Rychlost skenování 225 mm / s, frekvence opakování 200 kHz.

  Jelikož energie linky byla v každém případě stejná, podstatně větší část laserové energie byla ztracena v ablačním procesu, když frekvence opakování byla postupně zvyšována z 50 na 200 kHz. Toto zvýšeníve frekvenci způsobené změnou šířky impulsu10,2 ns až 28,4 ns a impulsní energie k poklesu z 9,2 na 2,3 μJ. Oba tyto faktory snížily průměrnou ozařování v oblasti paprsku, které se změnilo z 1,15 na 0,10 GW / cm2. Současně se postup stal nestálějším a výkyvy v hloubce a šířce drážky byly zřetelnější.

  Dlouhé impulsy mohou být ve větší míře absorbovány do plazmy indukované laserem nebo odraženy. Prahová hodnota pro tvorbu plazmy pro mnoho materiálů je přibližně 0,3 GW / cm2 [12]. Vzhledem k tomu, že průměrná ozařování při 200 kHz byla pouze 0,10 GW / cm2 a vrcholová ozařování ve středu paprsku byla 0,2 GW / cm2, plazmové stínění by nemělo hrát roli při vyšších opakovacích rychlostech, ale spíše při nízkých frekvencích. Částice vznášející se nad interakčním bodem však mohou ovlivnit proces ablace, zejména při vyšších opakovacích rychlostech. Rozsah takových interpulsních účinků plazmy a periody nelze odhadnout na základě provedených experimentů.

  Pravděpodobnější příčiny nízké rychlosti odstraňování materiálu při vysokých kmitočtech souvisejí s pulzní záření. Pracovat blíže k prahu ablace s delšími impulzy vede k situaci, kdy je větší část pulzní energie používána k ohřevu materiálu v pevné a kapalné fázi než na odpařování a odstranění materiálu. Současně je tlak zpětného rázu, který je úměrný ozáření [9, 18], čímž se snižuje vylučování taveniny z drážky.

  Odstranění materiálu s ns impulsy bylo přibližně dvakrát účinnější než u pikosekundových impulzů, kdy opakovací frekvence byla 100 kHz (4,6 μJ impulsní energie). Nanosekundové impulsy vytvořily objem drážky16,7 μm 3 ve srovnání s 7,9 μm pikosekundových pulsů. Při 200 kHz se drážky přibližně rovnali objemu s pikosekundovou drážkou o objemu 6,2 mikrometrů a nanosekundovou drážkou 5,8 μm.

  Na pikosekundových okrajích drážky však bylo přítomno menší množství přepracovaného křemíku a absolutní odebrání materiálu s pikosekundovými pulsy bylo 5,8 μm 3 a 4,0μ m3 s impulsem nanosekund. Průřezy drážek pro experimenty s pikosekundy jsou uvedeny va obr. 5. Odstraněné objemy a objemy drážky jsou uváděny jako funkce opakovací frekvence a pulzní energie na obr. 6. Podobné výsledky týkající se vztahu mezi trvání impulsu a rychlostí odebrání byly získány za použití dvojteplotního modelu pro ablaci hliníku [19]. Picosekundová laserová ablace je účinnější ve srovnání s ablací nanosekund, když pracuje mírně nad ablačním prahem impulzů nanosekund. Když laserová fluence výrazně překračuje nanosekundovou ablaciprahu, zpracování s nanosekundovými pulzy se stává podstatně účinnějším.

Obr. 5: Naměřené průřezy drážkování absobované pikosekundovým laserem.

Obrázek 6: Plochy průřezu pro drážky a odstraněný materiál.

  Opakovací rychlost měla jen nepatrný vliv na rychlost odebrání materiálu s pikosekundovými pulzy a tyto změny lze aproximovat tak, aby se nacházely uvnitř chyb měření. Odstraněný objem byl ve všech případech mezi 5,8 a 6,7 ​​μm3 a přepracovaný objem byl v každém případě menší než 10% objemu odebraného materiálu. Vzhledem k tomu, že ozařování při kmitočtech 100 až 500 kHz daleko přesahuje prahovou hodnotu ablace křemíku, míra ablace se vztahuje k energii linky spíše než ke impulzní energii, jak se vyskytlo během zpracování v nanosekundách.

  Hlavní rozdíl mezi drážkami obrobenými při nízkých nebo vysokých opakujících se rychlostech byl šířka drážky, čímž se drážky při vysoké rychlosti opakování hlubší. Drážka odfiltrovaná při 500 kHz vykazovala plochu povrchuo šířce 15 μm, kde je vidět laserová úprava. U 300 a 200 kHz byla šířka této oblasti 16 a 18 μm. Když byla frekvence snížena na 100 kHz, šířka se zvýšila na 25 μm se stopami laserové ablace do 20 μm od středové osy dráhy. Podobné účinky byly zaznamenány u tras ablated při nižších skenovacích rychlostech 100 a 150 mm / s. Rozšíření ablated dráhy se zvyšující se pulzní energií může být částečně vysvětleno zvýšením efektivního bodového průměru, tj. Části Gaussova profilového laserového paprsku, ve kterém ozařování přesahuje prahovou hodnotu ablace. Podle výpočtů by efekt účinného průměru svazku měl být pouze v rozmezí několika mikronů. Pravděpodobnější příčinou tohoto účinku by byla absorpce plazmy a rozptyl paprsku. Stopy ablate s kmitočtem 500 a 100 kHz jsou uvedeny na obrázku 7, resp.

Obrázek 7. Profil drážky abloval s ps pulzy při 500 kHz opakovací frekvenci a 225 mm / s skenovací rychlost.

Obr. 8. Profil drážky abloval s ps pulzy při 100 kHz opakovací frekvenci a 225 mm / s skenovací rychlost.

  Otvory v křemíku

  Otvory byly vyvrtány přes křemíkovou destičku 200 μm za použití skenovací dráhy znázorněné na obr. 1. Lineární rychlost paprsku byla 20 mm / s a ​​obvodová rychlost podél oscilační dráhy byla přibližně 115 mm / s. Zpočátku byly vyvrtány otvory s oběma lasery rychlostí opakování 100 kHz, což mělo za následek pulzní energii 4,6 μJ. Neúplné vyloučení taveniny a ablatovaného materiálu omezilo použití těchto parametrů v nanosekundovém laserovém vrtání. Při použité obvodové rychlosti došlo k překrytí impulzů k impulsu téměř 90% a jak bylo patrné z experimentů s drážkou, nanosekundový laser vyžadoval méně než 80% překrytí, aby účinně odstranil materiál. Při 100 kHz se díra naplnila blokováním oxidu křemičitého a rozptýlením přicházejícího laserového paprsku nemohla být dosažena penetrace. Frekvence byla snížena na 30 kHz, aby se vytvořily čisté průchozí otvory ve vzorku. To vedlo k 333% zvýšení pulzní energie a snížení šířky impulsu z 18,6 na přibližně 9 ns. Celkově průměrintenzita v oblasti nosníku byla zvýšena o faktor 7 na hodnotu 2,2 MW / cm2. Špičková intenzita dosáhla hodnoty 4,3 MW / cm2 ve středu gaussovského profilového paprsku.

  Otvory vyvrtané nanosekundovými a pikosekundovými pulzy jsou uvedeny na obr. 9 a na obr. 10, resp. Doba vrtání byla v obou případech 0,78 s. Rozdíly v průměru vstupních otvorů jsou výsledkem rozdílu v výkonnosti skeneru.

Obrázek 9. Vstup (vlevo) a výstup (vpravo) díry vyvrtané pomocí nanosekundových impulzů. Impulsní energie 15,3 μJ.

  Předběžné šetření vstupní strany ukazuje, že oba díry byly spíše podobné jakosti. Hlavním rozdílem bylo, že resolidizační formace v nanosekundových zpracovaných vzorcích byly axiálně naneseny, zatímco pikosekundový zpracovaný vzorek vykazoval radiální kroužky kolem stěn otvorů. Výstupní strany odhalily větší rozdíly v závislosti našířka pulzu. Steny nanosekundových otvorů byly pokryty vrstvou přepracované vrstvy. Avšak v případě pikosekundového laseru jsou stěny otvorů v blízkosti výstupu otvoru velmi hladké a nevykazují žádné známky jakéhokoliv resolidovaného materiálu. Dlouhá doba vrtání by vedla k větší kruhové / elipsovité geometrii výstupních otvorů s pikosekundovými impulsy. V obou případech byl paprsek po 150 otáčkách vypnut, přičemž v podstatě nebylo provedeno žádné opláštění.

Obrázek 10. Vstup (vlevo) a výstup (vpravo) díry vyvrtané pomocí impulsů pikosekundy. Impulsní energie 4,6 μJ.

  Pozorování TEM ze středu plátku 200 μm ukázala, že mikrostruktura na okrajích otvorů vyrobených pikosekundovými a nanosekundovými pulzy byla zcela odlišná. Obrázek 11 ukazuje, že defekty (dislokace) byly zavedeny nanosekundovým vrtáním, zatímco hlavním rysem v pikosekundovém impulzním vrtném otvoru byla vrstva nanočástic přiléhajících ke stěně děr.

Obrázek 11. Mikrostruktura okrajových ploch otvorů vyrobených nanosekundovými impulsy (vlevo) a pikosekundovými pulsy (vpravo).

  Obrázek 12 ukazuje dislokace zavedené nanosekundovým pulsním laserovým paprskem. Bylo zjištěno, žeSměr rozložení byl vždy kolmý k povrchu otvoru. Dislokace se nacházejí v monokrystalovém křemíku a mohou vznikat z tepelně indukovaných napětí naměřených během vrtání.

  Jak je znázorněno na obr. 12, oblast označená "A" obsahuje některé malé zrny, které jsou krystalické, jak je naznačeno vzorky vybraných oblastí elektronové difrakce (SAED), obrázek 12b). Analýza EDS z oblasti "A" ukázala, že tato oblast obsahuje pouze Si. Důvod vzniku těchto malých zrn je neznámý. Nicméně existují dvě možnosti; jeden z nich je to, že se překrystalují z přepracovaného materiálu nejprve roztaveného nanosekundovými pulzy, druhým je, že oblast A byla rozdělena na malé zrno přímo z plátku Si.

  Obrázek 12. a) Dislokace na okraji otvorů zavedených nanosekundovým pulsním laserovým paprskem. b) vzor vybraného elektronového difraktogramu z oblasti "A".

  Pozorování na jiné oblasti ve vzorku vyvrtané nanosekundovými pulzy je ukázáno na obr. 13. Vzorek SAED získaný z oblasti "B" ukazuje, že nanočástice v této oblasti byly převážně Si nanočástice, i když EDS spektrum také ukázalo malé množství O v této oblasti. Kyslík mohl přispět lepidlem nebo malým množstvím oxidu křemičitého.

  Na obrázku 14 je oblast označená jako "D" zobrazena amorfní charakteristiky obsahující Si a malé množství O, které mohou být také přispívány z oblasti lepidla.

Obrázek 13. a) Další oblast na okraji díry vyvrtaného nanosekundovými laserovými impulsy, b) SAED vzory z oblasti "B".

Obrázek 14. Dislokace a amorfní Si na okraji otvoru vyvrtaného nanosekundovými pulzy. Zobrazí se SAED vzory oblastí C a D.

  I když nanosekundové impulzy způsobují tepelné a mechanické poškození stěn otvorů, tloušťka poškozené vrstvy mezi vnější vrstvou z modifikovaného materiálu a jednoduchým krystalickým křemíkem byla ve všech zkoumaných místech méně než 1 μm. To naznačuje, že vysoký tlak zpětného rázu generovaný nízkými opakovacími rychlostmi uv laserovými impulsy odstraňuje efektivně taveninu z díry a na stěně otvoru se nevytváří žádná významná přepracovací vrstva. Je také možné, že kvůli vlnové délce 355 nm je pouze malým množstvím tepelné konvekce ke stěnám otvorů vytvořeno absorpcí plazmy a tepelně postižená zóna zůstává tenká.

  Obr. 15 znázorňuje podrobnou kontrolu na okraji otvoru vyrobeném pikosekundovým laserovým paprskem. Křemíková destička byla nepoškozená a nebyly zjištěny mechanické vady při vyšetřování TEM. Jednokrystalový křemíkbylo načrtnuto vrstvou o tloušťce 50 až 100 nm. Tato vrstva se podobala taveninovému filmu popsanému v předchozích publikacích [8]. Lze tedy předpokládat, že film je roztavený křemík, který se znovu zpevňuje do amorfního stavu. Film je znázorněn na obrázku 15 šipkami. Nanopartikuly s průměrem kolem 100 nm byly nalezeny v lepidle v těsné blízkosti vrstvy pro opětovnou stabilizaci, obr. 15. Vybrané plošné elektronové difrakční spektrum (SAED) z oblasti obsahujícího nanočástice vykazuje amorfní vlastnost, což naznačuje, že nanočástice jsou nekrystalické, obrázek 15 b) . Jak je patrné z EDS analýzy, obr. 16, plocha lepidla obsahovala C, O a malé množství Cl, zatímco Si detegované z oblasti lepidla měly pocházet z plátku Si. Cu (špička, která není viditelná na obrázku 16) měla pocházet z měděného kroužku přilepeného na vzorek. V oblasti nanočástic, jak je ukázáno na obrázku 16 b), EDS analýza ukazuje Si, C a O. I když C a O mohou pocházet z lepidla, srovnání poměru C a O v oblasti lepidla a poměr C a O v oblasti nanočástic naznačuje, že alespoň část amorfních nanočástic byla deoxidována.

Vzorek SAED z okrajové oblasti otvoru vykazuje difrakční vzorek monokrystalu, obrázek 15 c).

Obrázek 15. Analýza mikrostruktur na okraji otvoru vrtaného pikosekundovými impulsy. a) Nanočástice na okraji otvoru a vybrané vzorky elektronové difrakce oblasti z b) oblasti nanočástic a c) Si wafer.

Obrázek 16. EDS analýzy na a) oblasti lepidla, b) nanočástice a c) oblasti oblázky Si.

  Na základě šetření TEM lze konstatovat, že oproti nanosekundovým pulsům způsobuje pikosekundové zpracování zanedbatelné tepelné účinky na mateřský materiál bez známky mechanického poškození. Nanosekundové zpracování generuje jak tepelné, tak mechanické poškození stěn otvorů ve formě dislokací, přepracování a rekrystalizace materiálu, zatímco vrtání pikosekund způsobuje pouze stěnu otvoru pouze tenkou vrstvu opevnění <100 nm. Povrch byl částečně pokryt amorfními nanočásticemi, které pravděpodobně sestávají z alespoň částečně oxidovaného křemíku. Všechna tato pozorování naznačují, že více procesů, které pocházejí z většího přívodu tepla do materiálu, se vyskytují během nanosekundové pulzní vrtání než během pikosekundového pulzního vrtání.

  Závěry

  Drážky a otvory byly vyrobeny v 200 μm monokrystalických křemíkových destičkách s použitím 355 nm nanosekundových a pikosekundových impulsních laserů. Výsledky měření byly měřeny a charakterizovány pomocí optických měření, TEM mikroskopie a SEM mikroskopie.

  Výsledky ukazují, že rychlost ablace je podstatně ovlivněna impulsní energií během ablace na nanosekundách. Zvýšení rychlosti odebrání materiálu bylo více než 600%, když se pulzní energie zvýšila z 2,3 na 9,2 μJ snížením frekvence z 200 na 50 kHz. Tepelné ztráty mají zásadní vliv na rychlost odstraňování při ozáření blízko prahu ablace, protože větší část pulzu zahřívá materiál v pevné a kapalné fázi namísto odpařování a odstraňování materiálu. Proto lze očekávat závislost mezi impulsní energií a rychlostí odebrání materiálu.

  Pikosekundová ablace nevykazovala podobný vztah mezi mírou ablace a pulzní energií. Rychlost ablace zůstala v podstatě podobná mezi opakujícími se frekvencemi 100 a 500 kHz, které odpovídají energiím impulsů 4,6 a 0,9 μJ. Hlavním účinkem impulzní energie byla šířka ablatení linky, která se zvyšovala se zvyšující se energií.

  Účinnost ablace na nanosekundy překročila účinnost pikosekundové ablace při frekvenci 100 kHz, ale při frekvenci 200 kHz byla rychlost odebrání materiálu ps laseru rychlejší. V obou procesech, při vrtání a ablaci drážky, byla optimální plocha parametru pro ablaci nanosekund ve frekvenci opakování menší než 100 kHz, přičemž pikosekundový laser přinesl dobré výsledky při 100 kHz a vyšších hodnotách.

  Hodnocení pomocí obrazů SEM, kvalita děr vrtaných nanosekundou a picodruhé pulsy byly spíše podobné. Když byl nanosekundový laser provozován na 30 kHz a pikosekundový laser s frekvencí 100 kHz, doba vrtání byla stejná. Nanosekundové laserové vrtání se zpomalilo a nakonec bylo nemožné, když se zvýšila frekvence opakování. Překryvování impulzů přesáhlo definovanou hodnotu 80% a také výsledná nízká pulzní energie a ozařování nebyly dostatečné při odstraňování materiálu z kapiláry, pravděpodobně kvůli snížené zpětné rázové síle.

Výzkumy TEM ukázaly, že nanosekundové laserové vrtání mělo za následek tepelné a mechanické poškození křemíkové destičky. Zmíněná vrstva na stěně díry měla tloušťku až 1 μm a obsahovala amorfní vlastnosti, polykrystalický křemík stejně jako monokrystalické oblasti s dislokací.

  Nebylo zjištěno, že pulzní vrtání s pikosekundem způsobilo mechanické poškození materiálu. Otvor byl načrtnut tenkou vrstvou, která se pravděpodobně skládá z amorfního zpevněného křemíku. Tloušťka vrstvy byla 50 až 100 nm. Nebylo nalezeno žádné další poškození materiálu.