LASER MICROVIA DI FORATURA E ABLAZIONE DEL SILICIO MEDIANTE PULSANTI PICO E NANOSECONDI DA 355 NM

Astratto

  L'ablazione laser del silicio è diventata un argomento di ricerca intenso a causa del crescente interesse per la lavorazione laser nelle industrie del fotovoltaico e dell'elettronica. Diversi tipi di laser vengono utilizzati per l'isolamento dei bordi, la scanalatura, la perforazione tra le altre applicazioni, con l'ampiezza degli impulsi che va dal regime ultracorti al femtosecondo fino a lunghi impulsi al microsecondo. I risultati possono variare in modo significativo in base alla lunghezza d'onda e alla durata dell'impulso fornita dalla sorgente laser. In questo studio, due laser Nd: YVO4 triplicati in frequenza, con impulsi di larghezza da 9 a 12 ps e da 9 a 28 ns, sono stati utilizzati per praticare fori e formare solchi nei wafer di silicio. Lo spessore dei wafer era 200 μm.

  La profondità e la geometria della scanalatura sono state misurate utilizzando un sistema di profilatura ottica 3D. I risultati hanno rivelato che il tasso di rimozione del materiale era fortemente influenzato dall'energia dell'impulso e dalla frequenza di ripetizione quando veniva utilizzato il raggio laser a impulsi di nanosecondo. Con il raggio laser a picosecondi il tasso di rimozione del materiale volumetrico rimaneva piuttosto costante nell'intervallo da 100 a 500 kHz, ma la larghezza e la profondità della scanalatura variavano.

  Microscopia elettronica a scansione e trasmissione sono stati utilizzati per caratterizzare i fori praticati. Le microstrutture sono state studiate da modelli selezionati di diffrazione di elettroni di area. Secondo le misurazioni, gli impulsi al nanosecondo inducono non solo danni termici ma anche meccanici alle pareti dei fori, mentre l'elaborazione in picosecondi produce solo un sottile strato di HAZ, che è parzialmente coperto da nanoparticelle amorfe.

introduzione

  La microlavorazione laser del silicio è di particolare interesse in applicazioni come applicazioni fotovoltaiche e microelettronica. L'ablazione laser coinvolge numerosi processi concomitanti tra cui riscaldamento, fusione, vaporizzazione e ionizzazione in quanto il raggio interagisce con le fasi solide, liquide, di vapore e plasma nella o vicino alla superficie del materiale [1]. Le caratteristiche del processo sono determinate dall'intensità, durata e lunghezza d'onda dell'impulso laser. I laser disponibili in commercio per la microlavorazione includono laser con durate degli impulsi nella scala cronologica di femto, pico e nanosecondo. Le lunghezze d'onda tipiche includono variazioni da uv a vicino ir.

Gli impulsi a femtosecondi sono ottimali per l'elaborazione dei materiali in molti aspetti. Nel caso di impulsi ultracorti sub-ps, la durata dell'impulso è inferiore al tempo di termizzazione caratteristico del materiale e la lavorazione può essere eseguita con pochissimi effetti termici. Soprattutto nel regime di bassa fluenza in cui il tasso di ablazione medio è determinato dalla profondità di penetrazione ottica, gli effetti termici sono trascurabili e si verificano quasi zero zone colpite dal calore. [2,3,4] Un altro vantaggio dell'elaborazione ultraveloce è che gli impulsi fs terminano prima che qualsiasi materiale venga espulso dalla superficie. L'energia completa dell'impulso viene quindi depositata sul target del campione senza alcuna interazione laser-plasma durante l'impulso. [1,5] Poiché le perdite di conduzione del calore all'interno del materiale sono minime e non si verifica la schermatura del plasma, la soglia di ablazione dei materiali è la più bassa a larghezze dell'impulso sub-ps. Il materiale può essere rimosso con estrema precisione utilizzando energie a basso impulso. Man mano che aumenta l'energia dell'impulso o la fluenza, i processi di ablazione termica diventano più dominanti anche con impulsi a femtosecondi. L'energia completa dell'impulso è ancora consegnata al materiale, ma la profondità di ablazione è determinata dall'effettiva profondità di penetrazione del calore anziché dalla profondità di penetrazione ottica. La qualità dell'ablazione è diminuita ma la profondità ablazione per impulso aumenta notevolmente [2].

  Per le applicazioni nella lavorazione, i sistemi laser devono essere affidabili, robusti ed economici. Poiché lo sforzo tecnico aumenta con l'accorciamento della durata dell'impulso, quest'ultimo dovrebbe essere il più breve possibile, solo per ottenere un risultato soddisfacente [6]. I laser a nanosecondi soddisfano per la maggior parte i criteri sopra elencati. La tecnologia è ben collaudata e comprovata, piuttosto semplice nel design ed economica. Tuttavia, in alcuni casi, l'impulso non è abbastanza breve e la qualità di elaborazione di questi laser non soddisfa i requisiti. Le sorgenti laser a picosecondi si sono dimostrate un compromesso tra le due alternative sopra menzionate.

  L'elaborazione dei materiali con impulsi laser di larghezza di pochi picosecondi assomiglia molto a quella dell'elaborazione a femtosecondi ad alta fluenza. La soglia di ablazione è leggermente superiore a quella degli impulsi di fs, principalmente a causa delle perdite di conduzione del calore e della schermatura del plasma [3]. A impulsi di 1 ps gli effetti plasmatici sono trascurabili, portandosi ad un valore del 20% a 10 ps durante l'ablazione dell'oro e risultati simili sono stati ottenuti anche per il silicio [1]. Nel complesso, non si osservano cambiamenti drastici in termini di qualità, effetti termici o efficienza quando la larghezza dell'impulso rimane inferiore a 10 ps, ​​anche se il processo può essere considerato di natura puramente termica [2,3,6,7]. In alcuni casi la qualità dell'elaborazione ps può persino superare quella dei laser fs. i picchi di pressione indotti da fs-laser possono causare danni meccanici al materiale e difetti del reticolo nel silicio [8].

  L'elaborazione laser a nanosecondi comporta una complessa miscela di processi fisici simultanei. In contrasto con il processo al femtosecondo, l'impulso lungo interagisce con il materiale negli stati solido, liquido, vapore e plasma. Notevoli differenze possono essere viste nel processo di ablazione a seconda dell'irraggiamento. Per una data energia dell'impulso, la massima profondità di fusione aumenta con impulsi più lunghi, cioè minore irradiamento (target Al) [7]. Allo stesso tempo, la pressione di rinculo, che dipende dall'irradianza [9], diminuisce causando l'espulsione del fuso incompleta dall'area di interazione. Oltre a questi effetti, la soglia di ablazione è superiore a quella osservata utilizzando impulsi Fs e Ps, principalmente a causa della schermatura del plasma e delle maggiori perdite di conduzione del calore. [7] Gli studi che confrontano gli impulsi di fs e ns durante la perforazione mostrano frequenze di ablazione anche due volte più veloci per gli impulsi di fs rispetto agli impulsi di ns (silicio, radiazione 266 nm, 11 J / cm2) [10,11]. Tuttavia, a valori di alta fluenza, il tasso di ablazione con impulsi ns aumenta fortemente e superaquello di fs e ps pulses [7].

  Durante l'elaborazione di ns la velocità di ablazione di massa aumenta con la densità di potenza del laser a seguito di una dipendenza dalla legge di potenza fino a un'irradianza di 0,3 GW / cm2, quasi indipendente dal materiale target (ottone e vetro, 248 nm KrF laser) [12]. A questo punto, la schermatura del plasma inizia ad assorbire l'ultima parte dell'impulso e l'impulso si attenua. Il plasma rifletterà e disperderà il raggio riducendo l'efficienza dell'ablazione. [12] I dati sperimentali mostrano che il tasso di ablazione continua ad aumentare in modo lineare fino a raggiungere un'irradiazione compresa tra 10 e 20 GW / cm2 [13,14,15,16]. A questo punto il tasso di ablazione aumenta bruscamente. Questo comportamento può essere spiegato come omogeneità di ebollizione esplosiva, che è responsabile per l'espulsione di particelle di grandi dimensioni dopo un ritardo finito. [14,15,16] Nel complesso, l'eiezione di massa durante l'ablazione a nanosecondi può essere caratterizzata da emissione di elettroni su una scala temporale di picosecondi, espulsione di massa atomica / ionica su scala temporale di nanosecondi ed espulsione di particelle grandi su un intervallo di microsecondi, continuando fino a decine di microsecondi [16]

  Quando vengono utilizzati impulsi brevi a nanosecondo o picosecondi, l'irradiamento è in genere sufficientemente elevato da innescare la formazione del plasma e determinare l'assorbimento plasmatico. L'influenza del plasma aumenta con la durata dell'impulso, la densità di potenza e la lunghezza d'onda. Tutta l'energia assorbita dal plume plasmatico, tuttavia, non viene persa dal processo, ma il plasma può infatti riscaldare il materiale bersaglio [16]. Se viene utilizzato un laser IR, il raggio riscalda principalmente il picco del pennone in espansione con conseguenti maggiori perdite, mentre la radiazione UV principalmente assorbe alla radice del pennacchio fornendo più energia al materiale attraverso l'assorbimento del plasma [17]. L'assorbimento del plasma può anche essere sfruttato in alcuni processi. Quando il plasma indotto dal laser si forma nella perforazione a foro stretto, il plasma caldo si espande rapidamente all'interno del canale e trasporta una grande frazione della sua energia per covazione e radiazione sulle pareti del capillare, contribuendo all'espansione radiale del foro. Questo effetto può stabilizzare l'ablazione su un'ampia gamma di profondità. [17]

  La perforazione e l'ablazione del silicio sono state studiate in questo studio. L'obiettivo era confrontare l'elaborazione di pico e nanosecondi del silicio usando una radiazione ultravioletta di 355 nm. Sulla base dei precedenti dati di riferimento, le sorgenti laser pico e nanosecondo sarebbero nella maggior parte dei casi le scelte preferenziali per l'elaborazione del silicio e la lunghezza d'onda UV selezionata per aumentare l'assorbimento, ridurre la profondità di penetrazione ottica nel materiale sottostante, diminuire le perdite dovute all'assorbimento del plasma e raggiungere un lunghezza Rayleigh più lunga con un diametro spot più piccolo. I risultati sono stati valutati sulla base di misurazioni ottiche, indagini SEM e TEM.

  Setup sperimentale

  Esperimenti con impulsi al nanosecondo sono stati effettuati utilizzando un laser HIPPO Spectra-Physics q-switched a 355 nm di lunghezza d'onda. Il fascio è stato consegnato tramite un espansore del fascio e uno scanner galvanometrico Scanlab Hurryscan 10 con ottica telecentrica da 100 mm. Il diametro del punto focale calcolato con l'impostazione era 10 μm. L'ampiezza dell'impulso del laser variava con la frequenza di 10,2 ns a 50 kHz, 18,6 ns a 100 kHz e 28,4 ns a 200 kHz.

Per gli esperimenti di elaborazione del picosecondo è stato utilizzato un laser Lumera Rapid. La lunghezza d'onda di uscita del raggio era 355 nm. La configurazione ottica comprendeva un expander di raggi e uno scanner Scanlab Scangine 10 con obiettivo di messa a fuoco telecentrico da 100 mm. Il diametro del punto focale calcolato per l'impostazione ottica era 10 μ m. La larghezza dell'impulso del laser era da 9 a 12 ps. La potenza del laser di 460 mW è stata utilizzata in tutti gli esperimenti.

  Il materiale utilizzato per gli esperimenti era un wafer di silicio monocristallino lucidato a FO con spessore di 200 micron. I campioni sono stati puliti con ultrasuoni in acetone dopo l'elaborazione. Particelle sciolte e polvere sono state spazzate via dalla superficie prima della misurazione ottica.

  Gli esperimenti per la definizione della velocità di ablazione con impulsi ns e ps sono stati effettuati mediante scanalature ablazione su wafer di silicio con velocità e frequenze di ripetizione variabili. I profili di scanalatura sono stati misurati utilizzando un sistema di profili 3D ottico Wyko NT3300.

  I fori sono stati trapanati attraverso il wafer utilizzando una specifica geometria del percorso del raggio per rimuovere il materiale in modo più efficiente dal foro. Il raggio è stato programmato per spostarsi lungo un cerchio di 30 μm per 54.000 gradi, pari a 150 rotazioni. Durante questo movimento il fascio era oscillato lungo un percorso circolare ad una frequenza di 1500 Hz e un'ampiezza di 12 μ m. Il tempo di perforazione è stato di 0,78 s. La posizione focale è stata impostata sulla superficie per il momento della perforazione. Poiché il movimento del raggio è stato creato utilizzando specchi scanner, non si sa con quale precisione il raggio segua il percorso programmato. Il moto del raggio è presentato nella figura 1. Tutti gli esperimenti sono stati condotti nell'aria ambientale.

Figura 1. Movimento del raggio durante la perforazione. L'area gialla mostra le dimensioni dello spot, l'area ablata è mostrata in grigio.

La morfologia dei fori è stata registrata da Hitachi S-2400 Scanning Electron Microscope (SEM) che opera a 25kV. La microstruttura sul bordo dei fori è stata studiata da JEOL FasTEM Transmission Electron Microscope (TEM) che opera a 200kV. Il TEM è equipaggiato con una spettrometria dispersa elettromagnetica (EDS). Per la preparazione del campione TEM, i fori sono stati riempiti con resina epossidica M-Bond 610 per proteggere la parete dei fori non rimossi dalla fresatura a fascio di ioni come suggerito in letteratura [8]. I dischi sono stati quindi induriti per due ore a 120 ° C. Entrambi i lati dei dischi sono stati smerigliati con carta vetrata da 600 grit fino a 2400 grit. Lo spessore finale dei dischi era di circa 40-70μ m. Poiché i dischi assottigliati sono molto fragili, sono stati incollati su anelli di rame per ottenere supporto. I dischi sono stati infine lucidati con la fresa a raggio ionico (Gatan 691 Precision Ion Polishing System-PIPs) a 5kV con inclinazione di 6 ° fino a quando l'area della colla non è stata completamente rimossa.

risultati e discussione

  Scanalature su silicio

  Le scanalature sono state asportate su superfici di silicio a velocità di 20, 30, 45, 65, 100, 150, 225, 350 e 500 mm / s.

  Le frequenze di ripetizione per il laser a nanosecondi erano variabili tra 20 e 200 kHz e per il laser a picosecondi da 100 a 500 kHz. Il laser a nanosecondi non poteva fornire una potenza di 460 mW oltre la frequenza di 200 kHz e la potenza disponibile dal laser a picosecondi era limitata sotto i 100 kHz.

  Il processo di ablazione era limitato dalla velocità di scansione e dalla frequenza in due modi. Innanzitutto, la sovrapposizione impulso-impulso aveva un limite minimo al di sotto del quale l'espulsione del materiale dal solco era incompleta e quantità significative di ossidi di silicio iniziarono a formarsi all'interno della scanalatura. Il limite superiore per la velocità di scansione è stato impostato dalla distanza massima da polso a impulso, al di sopra della quale gli impulsi formano punti separati sulla superficie anziché una scanalatura continua.

  Per l'elaborazione del nanosecondo si è riscontrato che nell'intero intervallo di parametri compreso tra 20 e 200 kHz, sono state ottenute scanalature consistenti pulite senza formazione di ossido solo quando la sovrapposizione dell'impulso era inferiore all'80-90%. Il processo ha tollerato una maggiore sovrapposizione quando l'energia dell'impulso era bassa, cioè la frequenza era alta. L'area del parametro ammissibile per l'elaborazione del picosecondo era più ampia. La sovrapposizione di impulsi a frequenze di 100 e 200 kHz potrebbe arrivare al 97% prima che la formazione di ossido inizi a interferire con il processo.

  A causa dei limiti dei parametri dei due laser, un confronto testa a testa potrebbe essere effettuato solo nell'intervallo di frequenze compreso tra 100 e 200 kHz. I solchi ablati a queste frequenze sono stati misurati più dettagliatamente per fornire informazioni sulla profondità della scanalatura e sulla velocità di ablazione. Oltre a questi, sono stati eseguiti esperimenti su nanosecondi anche con frequenza di ripetizione di 50 kHz e gli esperimenti con picosecondi sono proseguiti fino a 500 kHz di frequenza di ripetizione. La velocità di scansione era impostata a 225 mm / s.

  Il profilo del solco è stato misurato attraverso la linea ablata per rivelare la profondità e l'area della sezione trasversale dei materiali ablati e rifusi. Il termine volume del solco qui in dopo si riferisce al volume ablato sotto la superficie originale. Il termine materiale rimosso si riferisce alla quantità di silicio rimosso completamente dalla fonte; cioè area di scanalatura meno area di rifusione. I valori di volume qui sono presentati nelle unità di μ m3, che è l'area in questione misurata dalla sezione trasversale moltiplicata per una lunghezza di 1 μ m lungo la longitudine del solco. Poiché i profili derivano da una misurazione della linea attraverso il solco e non da una misurazione del volume effettivo, i risultati non sono precisi. Tuttavia, rappresentano una buona stima della sezione trasversale media delle scanalature.

I risultati mostrano che la velocità di ablazione con impulsi al nanosecondo è stata significativamente influenzata dalla frequenza o dall'energia dell'impulso, mentre la frequenza di ablazione con impulsi al picosecondo era indipendente dalla frequenza all'interno dell'area del parametro testato. Con impulsi al nanosecondo, il volume del solco aumentava notevolmente con l'energia dell'impulso. La frequenza di ripetizione di 50 kHz, pari a 9,2 μJ di energia dell'impulso, ha creato una scanalatura con un'area della sezione trasversale di 26,3 μm2. A questa fluenza la quantità di rifusione era piccola e il volume rimosso misurato dalla sezione trasversale del solco era 24,2 μm3.

Aumentando la frequenza si ottenne una geometria del solco, che era più stretta e meno profonda di quella creata con energie a impulsi più elevate. Anche il volume relativo di rifusione rispetto al volume del solco è aumentato significativamente. A una frequenza di ripetizione di 200 kHz (2,3 μJ) il volume del solco era 5,8 μm3 e tenendo in considerazione la rifusione, il volume del materiale rimosso era solo 4,0 μ m3. In questo caso più del 30% del materiale rimosso dalla scanalatura veniva rifuso sui bordi della scanalatura e non rimosso. La profondità della scanalatura oscillava significativamente da 0 a 3,5 μm. Pertanto, il profilo per il campione da 200 kHz è stato ricavato da un valore medio di tre misurazioni individuali, al fine di ottenere una stima migliore del volume ablato. Le sezioni trasversali dei solchi ablati con impulsi al nanosecondo sono presentate in Figura 2. Le scanalature ablatte a una velocità di scansione di 225 mm / s utilizzando velocità di ripetizione di 50 e 200 kHz sono presentate in Figura 3 e Figura 4, rispettivamente.

Figura 2: sezioni trasversali misurate di solchi ablati con il laser a nanosecondi.

Figura 3. Groove ablato da impulsi al nanosecondo. Velocità di scansione 225 mm / s, frequenza di ripetizione 50 kHz.

Figura 4. Groove ablato da impulsi al nanosecondo.

  Velocità di scansione 225 mm / s, frequenza di ripetizione 200 kHz.

  Poiché l'energia di linea in ciascun caso era uguale, una parte sostanzialmente maggiore dell'energia laser veniva persa nel processo di ablazione quando la velocità di ripetizione veniva aumentata gradualmente da 50 a 200 kHz. Questo aumentonella frequenza ha causato la variazione della larghezza dell'impulsoDa 10.2 ns a 28.4 ns e l'energia dell'impulso da diminuire da 9.2 a 2.3 μJ. Entrambi questi fattori hanno ridotto l'irradiazione media nell'area del fascio, che è passata da 1,15 a 0,10 GW / cm2. Allo stesso tempo, il processo divenne più instabile e le fluttuazioni della profondità e della larghezza della scanalatura erano più evidenti.

  Gli impulsi più lunghi possono essere assorbiti o riflessi dal plasma indotto dal laser in misura maggiore. La soglia per la formazione del plasma per molti materiali è nell'approssimazione di 0,3 GW / cm2 [12]. Poiché l'irraggiamento medio a 200 kHz era di soli 0,10 GW / cm2 e l'irradiamento del picco al centro del fascio era di 0,2 GW / cm2, la schermatura del plasma non dovrebbe avere un ruolo a frequenze di ripetizione più elevate, ma piuttosto a basse frequenze. Le particelle sospese al di sopra del punto di interazione possono, tuttavia, influire sul processo di ablazione, specialmente a frequenze di ripetizione più elevate. L'entità di tali effetti al plasma / plume inter-impulso non può essere stimata sulla base degli esperimenti condotti.

Cause più probabili per bassi tassi di rimozione del materiale alle alte frequenze sono legati all'irraggiamento del polso. Lavorare più vicino alla soglia di ablazione con impulsi più lunghi porta a una situazione in cui una parte maggiore dell'energia dell'impulso viene utilizzata per riscaldare il materiale nelle fasi solido e liquido piuttosto che evaporare e rimuovere il materiale. Allo stesso tempo la pressione di rinculo, che è proporzionale all'irraggiamento [9,18], diminuisce riducendo l'espulsione del fuso dalla scanalatura.

  La rimozione del materiale con impulsi ns era circa il doppio più efficiente rispetto agli impulsi picosecondi quando la frequenza di ripetizione era di 100 kHz (4,6 μJ di energia dell'impulso). Gli impulsi al nanosecondo hanno creato un volume di groove di16,7 μm3 rispetto ai 7,9 μm3 degli impulsi del picosecondo. A 200 kHz, le scanalature sono diventate approssimativamente uguali in volume con la scanalatura del picosecondo di 6,2 μm3 di volume e la scanalatura del nanosecondo di 5,8 μ m3.

  Tuttavia, una piccola quantità di silicio rifuso era presente ai bordi della scanalatura del picosecondo e la rimozione assoluta del materiale con impulsi al picosecondo era di 5,8 μ m 3 e 4,0μ m3 con impulsi al nanosecondo. Le sezioni trasversali dei solchi per gli esperimenti al picosecondo sono presentate ine Figura 5. I volumi rimossi e i volumi di groove sono presentati come una funzione della frequenza di ripetizione e dell'energia dell'impulso nella Figura 6. Risultati simili sulla relazione tra durata dell'impulso e velocità di rimozione sono stati ottenuti utilizzando un modello a due temperature per l'ablazione dell'alluminio [19]. L'ablazione laser a picosecondi è più efficiente rispetto all'ablazione a nanosecondi quando opera leggermente al di sopra della soglia di ablazione degli impulsi a nanosecondi. Quando la fluenza del laser supera notevolmente l'ablazione a nanosecondisoglia, l'elaborazione con impulsi al nanosecondo diventa sostanzialmente più efficiente.

Figura 5: sezioni trasversali misurate di scanalature asolate con il laser a picosecondi.

Figura 6: aree della sezione trasversale per scanalature e materiale rimosso.

  Il tasso di ripetizione ha avuto solo un leggero effetto sulla velocità di rimozione del materiale con impulsi al picosecondo e questi cambiamenti possono essere approssimati per essere all'interno di errori di misurazione. Il volume rimosso era in tutti i casi compreso tra 5,8 e 6,7 μm3 e il volume di rifusione era in ogni caso inferiore al 10% del volume del materiale rimosso. Poiché l'irradiamento a frequenze comprese tra 100 e 500 kHz supera di gran lunga la soglia di ablazione del silicio, la velocità di ablazione è correlata all'energia della linea piuttosto che all'energia dell'impulso, come sperimentato durante l'elaborazione del nanosecondo.

  La differenza principale tra le scanalature lavorate a basse o alte frequenze di ripetizione era la larghezza della scanalatura, rendendo le scanalature ablate ad alte frequenze di ripetizione più profonde. Il solco ablato a 500 kHz mostrava un'area superficialedi larghezza 15 μ m, dove è visibile il trattamento laser. A 300 e 200 kHz, la larghezza di questa area era rispettivamente di 16 e 18 μm. Quando la frequenza è stata ridotta a 100 kHz, la larghezza è aumentata a 25 μm, con tracce di ablazione laser fino a 20 μ m dalla linea centrale della traccia. Effetti simili sono stati osservati in tracce ablatte a velocità di scansione inferiori di 100 e 150 mm / s. L'ampliamento della pista ablata con aumento di energia a impulsi può essere parzialmente spiegato dall'aumento del diametro del punto effettivo, cioè la porzione del raggio laser a profilo gaussiano, in cui l'irradiazione supera la soglia di ablazione. Secondo i calcoli, l'effetto del diametro effettivo del raggio dovrebbe essere solo nell'intervallo di pochi micron. Una causa più probabile di questo effetto sarebbe l'assorbimento plasmatico e la diffusione del fascio. I brani ablati con frequenza 500 e 100 kHz sono presentati rispettivamente in Figura 7 e Figura 8.

Figura 7. Profilo del solco ablato con impulsi PS a 500 kHz di frequenza di ripetizione e velocità di scansione di 225 mm / s.

Figura 8. Profilo di un solco ablato con impulsi PS con frequenza di ripetizione di 100 kHz e velocità di scansione di 225 mm / s.

  Fori in silicone

  I fori sono stati perforati attraverso un wafer di silicio da 200 μ m utilizzando un percorso di scansione mostrato in Figura 1. La velocità lineare del fascio era di 20 mm / se la velocità circonferenziale lungo il percorso oscillato era di circa 115 mm / s. Inizialmente i fori venivano eseguiti con entrambi i laser a una frequenza di ripetizione di 100 kHz risultante in un'energia dell'impulso di 4,6 μJ. L'espulsione incompleta di materiale fuso e ablato ha limitato l'uso di questi parametri nella perforazione laser a nanosecondi. Alla velocità della circonferenza utilizzata, la sovrapposizione di impulsi a impulsi era vicina al 90% e, come si vede dagli esperimenti di scanalatura, il laser a nanosecondi richiedeva meno dell'80% di sovrapposizione per ablare il materiale in modo efficiente. A 100 kHz il foro si riempì di blocchi di biossido di silicio e la dispersione del raggio laser in entrata e la penetrazione non potevano essere raggiunti. La frequenza è stata ridotta a 30 kHz per creare fori passanti puliti nel campione. Ciò ha comportato un aumento del 333% dell'energia dell'impulso e della riduzione della larghezza dell'impulso da 18,6 a circa 9 ns. Nel complesso, la medial'intensità attraverso l'area del fascio è stata aumentata di un fattore di 7 ad un valore di 2,2 MW / cm2. L'intensità di picco ha quindi raggiunto un valore di 4,3 MW / cm2 al centro del raggio del profilo gaussiano.

  I fori forati con impulsi in nanosecondi e picosecondi sono presentati rispettivamente in Figura 9 e Figura 10. Il tempo di perforazione è stato di 0,78 s in entrambi i casi. Le differenze nei diametri di entrata del foro derivano da differenze nelle prestazioni dello scanner.

Figura 9. Ingresso (a sinistra) e uscita (a destra) di un foro praticato utilizzando impulsi al nanosecondo. Energia pulsata 15,3 μJ.

  Le indagini preliminari sul lato dell'entrata mostrano che entrambi i fori erano di qualità piuttosto simile. La differenza principale era che le formazioni di risolidificazione nei campioni trattati a nanosecondo erano assialmente depositate, mentre il campione trattato al picosecondo mostrava anelli radiali attorno alle pareti del foro. I lati di uscita hanno rivelato differenze maggiori a seconda dellarghezza di impulso. Le pareti del buco del nanosecondo sono state coperte con quello che sembra essere uno strato di rifusione. Ma nel caso del laser a picosecondo, le pareti dei fori vicino all'uscita del foro sono molto lisce e non mostrano alcun segno di materiale resolidificato. Un tempo di perforazione più lungo avrebbe comportato una geometria del foro di uscita più circolare / ellittica con impulsi al picosecondo. In entrambi i casi il raggio è stato interrotto dopo 150 giri praticamente senza rifiniture.

Figura 10. Ingresso (a sinistra) e uscita (a destra) di un foro praticato con impulsi picosecondi. Energia dell'impulso 4,6 μJ.

Le osservazioni TEM dal centro del wafer da 200 μm indicavano che la microstruttura ai bordi dei fori fabbricati da picosecondi e impulsi al nanosecondo era totalmente diversa. La Figura 11 mostra che i difetti (dislocazioni) sono stati introdotti dalla perforazione al nanosecondo, mentre la caratteristica principale del foro del picosecondo era uno strato di nanoparticelle adiacenti alla parete del foro.

Figura 11. La microstruttura delle aree dei bordi dei fori fabbricata da impulsi al nanosecondo (a sinistra) e impulsi a picosecondo (a destra).

  La Figura 12 mostra le dislocazioni introdotte dal raggio laser a impulsi al nanosecondo. Si è constatato che illa direzione della dislocazione era sempre perpendicolare alla superficie del buco. Le dislocazioni si trovano nel silicio monocristallino e possono derivare da stress termici indotti durante la perforazione.

  Come mostrato nella Figura 12, l'area contrassegnata con "A" conteneva alcuni piccoli granelli che sono cristallini come indicato da modelli selezionati di diffrazione di elettroni di area (SAED), Figura 12 b). L'analisi EDS dall'area "A" ha mostrato che quest'area conteneva solo Si. La ragione della formazione di questi piccoli grani è sconosciuta. Tuttavia ci sono due possibilità; uno è che si ricristallizzano dal materiale di ricostituzione fuso per la prima volta dagli impulsi al nanosecondo, l'altro è che l'area A è stata scomposta in piccoli grani direttamente dal wafer di Si.

  Figura 12. a) Dislocazioni sul bordo dei fori introdotte da un raggio laser a impulsi al nanosecondo. b) modello di diffrazione di elettroni dell'area selezionata dall'area "A".

  L'osservazione su un'altra area del campione perforato con impulsi al nanosecondo è mostrata nella Figura 13. Il pattern SAED ottenuto dall'area "B" mostra che le nanoparticelle in quest'area erano principalmente nanoparticelle Si, sebbene lo spettro EDS mostrasse anche una piccola quantità di O in quest'area. L'ossigeno potrebbe essere stato contribuito dalla colla o da una piccola quantità di SiO2.

  Nella Figura 14, l'area contrassegnata come "D" mostra caratteristiche amorfe contenenti Si e una piccola quantità di O, che potrebbe anche essere fornita dall'area della colla.

Figura 13. a) Un'altra area sul bordo di un foro praticata da impulsi laser a nanosecondi, b) motivi SAED dall'area "B".

Figura 14. Dislocazioni e Si amorfo sul bordo di un foro perforato da impulsi al nanosecondo. Vengono mostrati i modelli SAED delle aree C e D.

  Anche se gli impulsi al nanosecondo producono danni termici e meccanici alle pareti dei fori, lo spessore dello strato danneggiato tra lo strato esterno del materiale modificato e il silicio monocristallino si trovava in tutte le posizioni investigate inferiori a 1 μ m. Ciò suggerisce che l'alta pressione di rinculo generata da impulsi laser UV a bassa frequenza di ripetizione rimuove la fusione in modo efficiente dal foro e non si forma uno strato di rifusione significativo sulla parete del foro. È anche possibile che, a causa della lunghezza d'onda di 355 nm, solo una piccola quantità di convezione di calore alle pareti del foro venga generata attraverso l'assorbimento del plasma e la zona interessata dal calore rimanga sottile.

La Figura 15 mostra un'ispezione ravvicinata sul bordo del foro fabbricato dal raggio laser del picosecondo. Il wafer di silicio non è stato danneggiato e non sono stati rilevati difetti meccanici nelle indagini TEM. Il silicio monocristallinoè stato delineato da uno strato spesso da 50 a 100 nm. Questo strato è apparso simile al film di fusione descritto nelle precedenti pubblicazioni [8]. Si può quindi presumere che il film fosse di silicio fuso che si è ristabilito in uno stato amorfo. Il film è mostrato in figura 15 con le frecce. Nanoparticelle con un diametro di circa 100 nm sono state trovate nella colla vicino allo strato di risolidificazione, Figura 15. Il modello di diffrazione di elettroni dell'area selezionata (SAED) dall'area contenente nanoparticelle mostra una caratteristica amorfa, che indica che le nanoparticelle erano non cristalline, Figura 15 b) . Come indicato dall'analisi EDS, Figura 16, l'area della colla conteneva C, O e una piccola quantità di Cl, mentre il Si rilevato dall'area della colla avrebbe dovuto provenire dal wafer Si. Cu (picco non visibile in Figura 16) dovrebbe provenire dall'anello di rame incollato sul campione. Nell'area delle nanoparticelle, come indicato dalla Figura 16 b), l'analisi EDS mostra Si, C e O. Sebbene il C e l'O possano provenire dalla colla, il confronto tra il rapporto di C e O nell'area della colla e il rapporto di C e O nell'area delle nanoparticelle suggerisce che, almeno una parte delle nanoparticelle amorfe è stata disossidata.

  Il modello SAED dall'area del bordo del foro mostra il modello di diffrazione del cristallo singolo, Figura 15 c).

Figura 15. Analisi della microstruttura sul bordo del foro praticato da picosecondi di impulsi. a) Nanoparticelle sul bordo del foro, e selezionati modelli di diffrazione di elettroni di area da b) area di nanoparticelle ec) Si wafer.

Figura 16. Analisi EDS su a) area di colla, b) nanoparticelle ec) Area di wafer di silicio.

  Sulla base delle indagini TEM, si può concludere che, rispetto agli impulsi al nanosecondo, la lavorazione del picosecondo causa effetti termici trascurabili sul materiale genitore senza segni di danno meccanico. L'elaborazione in nanosecondi genera danni sia termici che meccanici alle pareti dei fori sotto forma di dislocazioni, rifusione e materiale ricristallizzato, mentre la perforazione in picosecondo causa solo un sottile strato di resolidificazione di < 100 nm alla parete del foro. La superficie divenne parzialmente coperta da nanoparticelle amorfe, che presumibilmente consistono in silicio almeno parzialmente ossidato. Tutte queste osservazioni indicano che più processi, che provengono da un maggiore apporto di calore nel materiale, si verificano durante la perforazione a impulsi al nanosecondo rispetto alla perforazione a picosecondi.

  conclusioni

  Scanalature e fori sono stati fabbricati in wafer di silicio monocristallino da 200 μm usando laser a impulsi pulsati a nanosecondo e picosecondi da 355 nm. I risultati dell'elaborazione sono stati misurati e caratterizzati mediante misure ottiche, microscopia TEM e microscopia SEM.

  I risultati mostrano che la velocità di ablazione è sostanzialmente influenzata dall'energia dell'impulso durante l'ablazione a nanosecondi. L'aumento del tasso di rimozione del materiale era superiore al 600% quando l'energia dell'impulso era aumentata da 2,3 a 9,2 μJ diminuendo la frequenza da 200 a 50 kHz. Le perdite termiche hanno un effetto importante sulla velocità di rimozione ad irradianti vicino alla soglia di ablazione, poiché una maggiore frazione dell'impulso sta riscaldando il materiale nelle fasi solido e liquido invece di evaporare e rimuovere il materiale. Pertanto, è prevedibile la dipendenza tra l'energia dell'impulso e il tasso di rimozione del materiale.

L'ablazione al picosecondo non ha mostrato una relazione simile tra il tasso di ablazione e l'energia dell'impulso. La velocità di ablazione è rimasta essenzialmente simile tra le frequenze di ripetizione di 100 e 500 kHz, che sono correlate alle energie dell'impulso 4,6 e 0,9 μJ, rispettivamente. L'effetto principale dell'energia dell'impulso era la larghezza della linea ablata, che aumentava con l'aumentare dell'energia.

  L'efficienza di ablazione al nanosecondo ha superato quella dell'ablazione al picosecondo alla frequenza di 100 kHz, ma a una frequenza di 200 kHz la velocità di rimozione del materiale del laser ps è stata più veloce. In entrambi i processi, l'ablazione con perforazione e scanalatura, l'area parametrica ottimale per l'ablazione a nanosecondi era a una frequenza di ripetizione inferiore a 100 kHz, dove il laser a picosecondi forniva buoni risultati a 100 kHz e oltre.

  Valutazione mediante immagini SEM, la qualità dei fori praticati con nanosecondi e picoi secondi impulsi erano piuttosto simili. Quando il laser a nanosecondi veniva utilizzato a 30 kHz e il laser a picosecondi a una frequenza di 100 kHz, i tempi di perforazione erano uguali. La perforazione laser a nanosecondi divenne più lenta e alla fine impossibile quando il tasso di ripetizione fu aumentato. La sovrapposizione di impulsi superava il valore ammissibile definito dell'80% e anche l'energia a basso impulso e l'irradiamento risultanti erano inadeguati nella rimozione del materiale dal capillare, presumibilmente a causa di una diminuita forza di rinculo.

  Le indagini TEM hanno dimostrato che la perforazione laser a nanosecondi ha provocato danni termici e meccanici al wafer di silicio. Lo strato interessato sulla parete del foro aveva uno spessore massimo di 1 μ m e conteneva caratteristiche amorfe, silicio policristallino e aree monocristalline con dislocazioni.

  La perforazione pulsata al picosecondo non ha causato danni meccanici al materiale. Il buco è stato delineato da uno strato sottile, che presumibilmente è costituito da silicio amorfo resolidificato. Lo spessore dello strato era compreso tra 50 e 100 nm. Nessun ulteriore danno al materiale è stato trovato.