LASER MICROVIA BOREN EN SCHRIJVEN VAN SILICON MET GEBRUIK VAN 355 NM PICO EN NANOSECOND PULSEN

Abstract

  Laserablatie van silicium is een intens onderzoeksonderwerp geworden vanwege de snel groeiende belangstelling voor laserverwerking in de fotovoltaïsche en elektronische industrie. Verschillende soorten lasers worden gebruikt voor randisolatie, groeven, boren onder andere toepassingen, met de pulsbreedte gaande van het ultrakorte femtoseconde regime tot lange microsecondepulsen. De resultaten kunnen aanzienlijk variëren, afhankelijk van de golflengte en pulsbreedte geleverd door de laserbron. In dit onderzoek werden twee Nd: YVO4-lasers met drievoudige frequentie, die pulsen van 9 tot 12 ps breed en 9 tot 28 ns leverden, gebruikt om gaten te boren en groeven in siliciumwafels te vormen. De dikte van de wafers was 200 μm.

  Groefdiepte en geometrie werden gemeten met behulp van een optisch 3D-profileerstelsel. De resultaten toonden aan dat de mate van materiaalverwijdering sterk werd beïnvloed door de pulsenergie en de herhalingsfrequentie wanneer de gepulseerde laserstraal van nanoseconde werd gebruikt. Met picoseconde laserstraal bleef de volumetrische materiaalverwijderingssnelheid vrij constant in het bereik van 100 tot 500 kHz, maar de groefbreedte en -diepte varieerden.

  Scanning en transmissie-elektronenmicroscopie werden gebruikt om de geboorde gaten te karakteriseren. Microstructuren werden onderzocht door elektronenbuigingspatronen van geselecteerd gebied. Volgens de metingen induceren nanosecondepulsen niet alleen thermische, maar ook mechanische schade aan de gatwanden, terwijl picoseconde verwerking alleen resulteert in een dunne HAZ-laag, die gedeeltelijk bedekt is met amorfe nanodeeltjes.

Invoering

  Laser-microbewerking van silicium is van bijzonder belang in toepassingen zoals fotovoltaïsche toepassingen en micro-elektronica. Laserablatie omvat talrijke gelijktijdige processen, waaronder verwarming, smelten, verdamping en ionisatie als de bundel interageert met vaste stof-, vloeistof-, damp- en plasmafasen op of nabij het materiaaloppervlak [1]. De proceskarakteristieken worden bepaald door de intensiteit, duur en golflengte van de laserpuls. In de handel verkrijgbare lasers voor micromachining omvatten lasers met pulsduren in de femto, pico en nanoseconde tijdschaal. Typische golflengten omvatten variaties van uv tot bijna ir.

Femtosecondepulsen zijn in veel opzichten optimaal voor materiaalverwerking. In het geval van sub-ps ultrakorte pulsen is de duur van de puls minder dan de karakteristieke thermische tijd van het materiaal en kan machinaal bewerken worden uitgevoerd met zeer weinig thermische effecten. In het bijzonder in het lage fluentie regime waarin de gemiddelde ablatiesnelheid wordt bepaald door de optische penetratiediepte, zijn de thermische effecten verwaarloosbaar en worden bijna nul door warmte beïnvloede zones ervaren. [2,3,4] Een ander voordeel van ultrasnelle verwerking is dat de fs-pulsen eindigen voordat enig materiaal uit het oppervlak wordt gedreven. De volledige energie van de puls wordt aldus afgezet op het monsterdoel zonder enige laser-plasma-interactie gedurende de puls. [1,5] Omdat de warmtegeleidingsverliezen binnen het materiaal minimaal zijn en er geen plasmaafscherming optreedt, is de ablatiedrempel van materialen de laagste bij een sub-ps pulsbreedte. Materiaal kan met extreme precisie worden verwijderd met behulp van lage pulsenergieën. Naarmate de pulsenergie of de fluentie wordt verhoogd, worden thermische ablatieprocessen dominanter, zelfs met femtosecondepulsen. De volledige energie van de puls wordt nog steeds in het materiaal afgeleverd, maar de ablatiediepte wordt bepaald door de effectieve warmte-penetratiediepte in plaats van de optische penetratiediepte. De ablatiekwaliteit is verminderd, maar de geablateerde diepte per puls neemt sterk toe [2].

  Voor toepassingen bij het bewerken, moeten lasersystemen betrouwbaar, robuust en betaalbaar zijn. Aangezien de technische inspanning toeneemt met een verkorting van de pulsduur, moet deze laatste zo kort zijn als nodig, alleen voor het behalen van een bevredigend resultaat [6]. Nanoseconde-lasers voldoen grotendeels aan de bovenstaande criteria. De technologie is goed ingeburgerd en bewezen, vrij eenvoudig in ontwerp en kostenbesparend. In sommige gevallen is de puls echter niet kort genoeg en voldoet de verwerkingskwaliteit van deze lasers niet aan de vereisten. Picoseconde laserbronnen hebben zichzelf bewezen als een compromis tussen de twee bovengenoemde alternatieven.

  Materiaalverwerking met laserpulsen met een breedte van enkele picoseconde lijkt veel op dat van high-fluence femtoseconde verwerking. De ablatiedrempel is iets hoger dan voor fs-pulsen, voornamelijk als gevolg van warmtegeleidingsverliezen en plasmaveiling [3]. Bij pulsen van 1 ps zijn de plasma-effecten verwaarloosbaar, waardoor de waarde tot 20% stijgt bij 10 ps tijdens ablatie van goud en ook voor silicium zijn vergelijkbare bevindingen verkregen [1]. Over het algemeen worden geen drastische veranderingen in termen van kwaliteit, thermische effecten of efficiëntie waargenomen wanneer de pulsbreedte minder dan 10 ps bedraagt, hoewel het proces als zuiver thermisch van aard kan worden beschouwd [2,3,6,7]. In sommige gevallen kan de kwaliteit van de ps-verwerking zelfs groter zijn dan die van fs-lasers. Door fs-laser veroorzaakte drukstoten kunnen mechanische schade aan het materiaal en roosterfouten in silicium veroorzaken [8].

Nanoseconde laserbewerking omvat een complex mengsel van gelijktijdige fysieke processen. In tegenstelling tot femtoseconde verwerking, interageert de lange puls met materiaal in vaste, vloeibare, damp- en plasmastaten. Aanzienlijke verschillen zijn te zien in het ablatieproces afhankelijk van de bestralingssterkte. Voor een gegeven pulsenergie neemt de maximale smeltdiepte toe met langere pulsen, d.w.z. lagere bestralingssterkte (Al-doel) [7]. Tegelijkertijd neemt de terugslagdruk af, die afhankelijk is van de bestralingssterkte [9], waardoor onvolledige smeltuitstoot uit het interactiegebied wordt veroorzaakt. Naast deze effecten, is de ablatiedrempel hoger dan die waargenomen met behulp van fs en ps pulsen, voornamelijk als gevolg van plasmaafscherming en grotere warmtegeleidingsverliezen. [7] Studies die fs en ns-pulsen vergelijken bij het boren tonen zelfs twee maal snellere ablatiecijfers voor fs-pulsen in vergelijking met ns-pulsen (silicium, 266 nm straling, 11 J / cm2) [10,11]. Bij hoge fluence-waarden neemt de snelheid van ablatie met ns-pulsen echter sterk toe en overschrijdt dezedie van fs en ps pulsen [7].

  Tijdens de verwerking van ns neemt de massabelatiesnelheid toe met de laserdichtheid na een machtswetafhankelijkheid tot een bestralingssterkte van 0,3 GW / cm2, vrijwel onafhankelijk van het doelmateriaal (messing en glas, KrF-laser van 248 nm) [12]. Op dit punt begint plasma afscherming het laatste deel van de puls te absorberen en wordt de puls verzwakt. Plasma zal de straal reflecteren en verspreiden, waardoor de ablatie-efficiëntie vermindert. [12] Experimentele gegevens laten zien dat de ablatiesnelheid lineair blijft toenemen totdat een bestralingssterkte van 10 tot 20 GW / cm2 wordt bereikt [13,14,15,16]. Op dit punt neemt de ablatie snel toe. Dit gedrag kan worden verklaard als homogeen explosief koken, dat verantwoordelijk is voor het uitwerpen van grote deeltjes na een eindige vertraging. [14,15,16] Over het algemeen kan massa-ejectie tijdens nanoseconde ablatie worden gekenmerkt door elektronenemissie op een picoseconde tijdschaal, atomaire / ionische massa-ejectie op een nanoseconde tijdschaal en grote deeltjesuitwerping op een microseconde-tijdschaal, die tot tientallen microseconden [16]

  Wanneer korte nanosecondepulsen of picosecondepulsen worden gebruikt, is de bestraling typisch hoog genoeg om plasmavorming te initiëren en resulteert in plasma-absorptie. De plasma-invloed neemt toe met de pulsduur, de vermogensdichtheid en de golflengte. Alle energie geabsorbeerd door de plasmapluim verdwijnt echter niet uit het proces, maar het plasma kan het doelmateriaal zelfs verwarmen [16]. Als een ir-laser wordt gebruikt, verwarmt de bundel voornamelijk de piek van de expanderende pluim, wat resulteert in grotere verliezen, terwijl uv-straling hoofdzakelijk absorbeert aan de wortel van de pluim die via plasma-absorptie meer energie aan het materiaal levert [17]. Plasma-absorptie kan ook worden gebruikt in sommige processen. Wanneer lasergeïnduceerd plasma wordt gevormd in boren met een smalle boring, expandeert heet plasma snel binnenin het kanaal en transporteert het een groot deel van zijn energie door covectie en straling naar de wanden van het capillair, hetgeen bijdraagt ​​aan de radiale uitzetting van de boring. Dit effect kan de ablatie op een groot aantal diepten stabiliseren. [17]

Boren en ablatie van silicium is in dit onderzoek onderzocht. Het doel was om pico en nanoseconde verwerking van silicium te vergelijken met 355 nm ultraviolette straling. Op basis van eerder genoemde gegevens zouden pico en nanoseconde laserbronnen in de meeste gevallen de voorkeurskeuzes voor siliciumverwerking en uv-golflengte zijn gekozen om de absorptie te verhogen, de optische penetratiediepte in het onderliggende materiaal te verlagen, verliezen als gevolg van plasma-absorptie te verminderen en een langere Rayleigh-lengte samen met een kleinere brandpuntdiameter. Resultaten zijn geëvalueerd op basis van optische metingen, SEM- en TEM-onderzoeken.

  Experimentele opstelling

  Experimenten met nanosecondepulsen werden uitgevoerd met behulp van een q-switched Spectra-Physics HIPPO-laser bij 355 nm golflengte. De bundel werd afgeleverd via een bundelverbreder en een Scanlab Hurryscan 10 galvanometrische scanner met 100 mm telecentrische optica. De verkalkte brandpuntdiameter met de opstelling was 10 μm. De pulsbreedte van de laser varieerde, met een frequentie van 10,2 ns bij 50 kHz, 18,6 ns bij 100 kHz en 28,4 ns bij 200 kHz.

  Voor de picoseconde verwerkingsexperimenten werd een Lumera Rapid-laser gebruikt. De uitgangsgolflengte van de bundel was 355 nm. De optische opstelling bestond uit een bundelverbreder en Scanlab Scangine 10-scanner met een telecentrische focusseerlens van 100 mm. De berekende brandpuntdiameter voor de optische opstelling was 10 μm. De pulsbreedte van de laser was 9 tot 12 ps. In alle experimenten werd een laservermogen van 460 mW gebruikt.

  Het materiaal dat werd gebruikt voor de experimenten was een 200 μm dikke gepolijste Ph-gedoteerde enkele kristallijne siliciumwafer. Monsters werden ultrasoon gereinigd in aceton na verwerking. Losse deeltjes en stof werden van het oppervlak geveegd vóór optische meting.

  Experimenten voor het definiëren van de ablatiesnelheid met ns- en ps-pulsen werden uitgevoerd door ablatie van groeven op siliciumwafels met variabele snelheden en herhalingsfrequenties. Groefprofielen werden gemeten met behulp van een Wyko NT3300 optisch 3D-profileer systeem.

  Gaten werden met een trepan door de wafer geboord met behulp van een specifieke straalbaangeometrie om materiaal efficiënter uit het gat te verwijderen. De straal is geprogrammeerd om langs een cirkel van 30 μm te bewegen voor 54 000 graden, gelijk aan 150 rotaties. Tijdens deze beweging werd de bundel oscilleerden langs een cirkelvormig pad met een frequentie van 1500 Hz en een amplitude van 12 μm. De boortijd was 0,78 sec. De focale positie was ingesteld op het oppervlak gedurende de tijd van het boren. Omdat de bundelbeweging met behulp van scannerspiegels is gemaakt, is het onbekend hoe nauwkeurig de bundel het geprogrammeerde pad volgt. De bundelbeweging wordt weergegeven in figuur 1. Alle experimenten werden uitgevoerd in omgevingslucht.

Figuur 1. Straalbeweging tijdens het boren. Het gele gebied geeft de spotgrootte aan, het geablateerde gebied wordt grijs weergegeven.

  De morfologie van de gaten werd vastgelegd door de Hitachi S-2400 Scanning Electron Microscope (SEM) die werkt bij 25 kV. De microstructuur aan de rand van de gaten werd bestudeerd door JEOL FasTEM Transmission Electron Microscope (TEM), werkend bij 200 kV. De TEM is uitgerust met een Electron X-Ray Dispersive Spectrometry (EDS). Voor TEM-monsterbereiding werden de gaten gevuld met M-Bond 610-epoxy om de wand van de gaten te beschermen die niet door ionenbundelfrezen worden verwijderd, zoals in de literatuur wordt gesuggereerd [8]. De schijven werden vervolgens gedurende twee uur bij 120 ° C gehard. Beide zijden van de schijven werden geslepen door schuurpapier van 600 Grit tot 2400 Grit. De uiteindelijke dikte van de schijven was ongeveer 40-70 μm. Omdat de verdunde schijven erg fragiel zijn, werden ze aan koperen ringen vastgelijmd om ondersteuning te krijgen. De schijven werden uiteindelijk gepolijst door een ionenbundelfreesmachine (Gatan 691 Precision Ion Polishing System-PIP's) bij 5kV met 6 ° kanteling totdat het lijmgebied niet volledig werd verwijderd.

resultaten en discussie

  Groeven op silicium

  Groeven werden geablateerd op siliciumoppervlakken met snelheden van 20, 30, 45, 65, 100, 150, 225, 350 en 500 mm / s.

  Herhalingsfrequenties voor de nanoseconde laser werden gevarieerd tussen 20 en 200 kHz, en voor de picoseconde laser van 100 tot 500 kHz. De nanoseconde laser kon het 460 mW vermogen boven de 200 kHz frequentie niet leveren en het beschikbare vermogen van de picoseconde laser was beperkt tot minder dan 100 kHz.

  Het ablatieproces werd op twee manieren beperkt door de scansnelheid en -frequentie. Ten eerste had de puls-naar-pulsoverlapping een minimale limiet waaronder materiaaluitstoting uit de groef onvolledig was en significante hoeveelheden siliciumoxiden begonnen te vormen in de groef. De bovengrens voor de scansnelheid werd ingesteld door de maximale puls tot pulsafstand, waarboven pulsen afzonderlijke vlekken op het oppervlak vormen in plaats van een continue groef.

  Voor nanoseconde verwerking werd gevonden dat in het gehele parameterbereik van 20 tot 200 kHz, consistente groeven zonder oxidevorming alleen werden gereinigd wanneer de pulsoverlapping minder dan 80 tot 90% was. Het proces tolereerde grotere overlapping wanneer de pulsenergie laag was, d.w.z. de frequentie was hoog. Het haalbare parametergebied voor picoseconde verwerking was breder. De pulsoverlapping bij 100 en 200 kHz frequenties zou tot 97% kunnen zijn voordat oxidevorming het proces begon te verstoren.

  Vanwege de parameterlimieten van de twee lasers, kon een vergelijking van kop tot hoofd alleen in het frequentiebereik van 100 tot 200 kHz worden uitgevoerd. Groeven die werden geablateerd bij deze frequenties werden in meer detail gemeten om informatie te verschaffen over de groefdiepte en ablatiesnelheid. Naast deze werden nanosecondexperimenten ook uitgevoerd met een herhalingsfrequentie van 50 kHz en werden picosecondexperimenten voortgezet tot een herhalingsfrequentie van 500 kHz. De scansnelheid was ingesteld op 225 mm / s.

  Het profiel van de groef werd gemeten over de geablateerde lijn om het diepte- en dwarsdoorsnedeoppervlak van de geablateerde en opnieuw gevormde materialen te onthullen. De term groove volume hier in after verwijst naar het volume ablated onder het oorspronkelijke oppervlak. De term verwijderd materiaal verwijst naar de hoeveelheid silicium die volledig uit de bron is verwijderd; d.w.z. groefgebied minus herschikking gebied. Volumewaarden worden hier weergegeven in de eenheden van μ m3, wat het betreffende gebied is gemeten van de doorsnede vermenigvuldigd met een lengte van 1 μm langs de lengtegraad van de groef. Aangezien de profielen zijn afgeleid van een lijnmeting over de groef en niet van een meting van het werkelijke volume, zijn de resultaten niet precies. Ze vertegenwoordigen echter een goede schatting van de gemiddelde doorsnede van de groeven.

  De resultaten laten zien dat de ablatiesnelheid met nanosecondepulsen aanzienlijk werd beïnvloed door de frequentie of de pulsenergie, terwijl de ablatie met picosecondepulsen onafhankelijk was van de frequentie binnen het geteste parametergebied. Met nanosecondepulsen nam het groefvolume aanzienlijk toe met de pulsenergie. 50 kHz herhalingsfrequentie, gelijk aan 9.2 μJ pulsenergie, creëerde een groef met een doorsnede van 26,3 μm2. Bij deze fluentie was de hoeveelheid haking klein en het verwijderde volume gemeten vanaf de dwarsdoorsnede van de groef was 24,2 μm3.

Toename van de frequentie resulteerde in een groefgeometrie, die smaller en ondieper was dan die gecreëerd met hogere pulsenergieën. Ook het relatieve volume van herschikking in vergelijking met het groefvolume nam aanzienlijk toe. Bij een herhalingsfrequentie van 200 kHz (2,3 μJ) was het groefvolume 5,8 μm3 en rekening houdend met de herschikking was het volume van het verwijderde materiaal slechts 4,0 μm3. In dit geval werd meer dan 30% van het materiaal dat uit de groef was verwijderd op de randen van de groef herschikt en niet weggeëlateerd. De diepte van de groef fluctueerde aanzienlijk tussen 0 tot 3,5 μm. Daarom werd het profiel voor het 200 kHz monster afgeleid van een gemiddelde waarde van drie individuele metingen, om een ​​betere schatting van het geablateerde volume te verkrijgen. De dwarsdoorsneden van de groeven die zijn geablateerd met nanosecondepulsen zijn weergegeven in figuur 2. Groeven die zijn geablateerd met een snelheid van 225 mm / s met gebruikmaking van herhalingsfrequenties van 50 en 200 kHz worden gepresenteerd in respectievelijk figuur 3 en figuur 4.

Figuur 2: Gemeten doorsneden van groeven geablateerd met de nanoseconde laser.

Figuur 3. Groove geablateerd door nanoseconde pulsen. Scansnelheid 225 mm / s, herhalingsfrequentie 50 kHz.

Figuur 4. Groove geablateerd door nanoseconde pulsen.

  Scansnelheid 225 mm / s, herhalingsfrequentie 200 kHz.

  Omdat de lijnenergie in beide gevallen gelijk was, ging een aanzienlijk groter deel van de laserenergie verloren in het ablatieproces wanneer de herhalingsfrequentie geleidelijk werd verhoogd van 50 naar 200 kHz. Deze toenamein de frequentie veroorzaakte de pulsbreedte om van te veranderen10,2 ns tot 28,4 ns en de pulsenergie neemt af van 9,2 naar 2,3 μJ. Beide factoren verminderden de gemiddelde bestralingssterkte in het gebied van de straal, die veranderde van 1,15 tot 0,10 GW / cm2. Tegelijkertijd werd het proces onstabieler en waren fluctuaties in de groefdiepte en -breedte duidelijker.

  Langere pulsen kunnen in grotere mate worden geabsorbeerd in of gereflecteerd door het lasergeïnduceerde plasma. De drempel voor plasmavorming voor veel materialen ligt in de buurt van 0,3 GW / cm2 [12]. Aangezien de gemiddelde instraling bij 200 kHz slechts 0,10 GW / cm2 was en de piekbestraling in het midden van de bundel 0,2 GW / cm2 was, zou plasmascherming geen rol moeten spelen bij hogere herhalingsfrequenties, maar eerder bij lage frequenties. Deeltjes die boven het interactiepunt zweven, kunnen echter het ablatieproces beïnvloeden, vooral bij hogere herhalingsfrequenties. De omvang van dergelijke plasma-pluimseffecten tussen de pulsen kon niet worden geschat op basis van de uitgevoerde experimenten.

  Meer waarschijnlijke oorzaken voor lage materiaalverwijderingssnelheden bij hoge frequenties houden verband met de pulsbestraling. Door met langere pulsen dichter bij de ablatiedrempel te werken, ontstaat een situatie waarin een groter deel van de pulsenergie wordt gebruikt om het materiaal in de vaste en vloeibare fase te verwarmen dan om te verdampen en materiaal te verwijderen. Tegelijkertijd wordt de terugslagdruk, die evenredig is met de bestraling [9, 18], verminderd, waardoor de uitdrijving van de smelt uit de groef wordt verminderd.

Materiaalverwijdering met ns-pulsen was ongeveer twee keer zo efficiënt dan met picosecondepulsen wanneer de herhalingsfrequentie 100 kHz was (4,6 μJ pulsenergie). Nanoseconde-pulsen creëerden een groove-volume van16,7 μm3 vergeleken met de 7,9 μm3 picosecondepulsen. Bij 200 kHz werden de groeven ongeveer gelijk in volume, waarbij de picoseconde groef 6,2 μm3 in volume was en de nanoseconde groef 5,8 μm3.

  Er was echter een kleinere hoeveelheid herschilderd silicium aanwezig aan de randen van de picoseconde groeven en de absolute materiaalverwijdering met picosecondepulsen was 5,8 urn en 4,0μ m3 met pulsen van nanoseconde. De dwarsdoorsneden van de groeven voor picosecondexperimenten zijn weergegeven inen Figuur 5. De verwijderde volumes en groefvolumes worden gepresenteerd als een functie van de herhalingsfrequentie en pulsenergie in figuur 6. Soortgelijke bevindingen over de relatie tussen pulsduur en verwijderingssnelheden zijn verkregen met behulp van een twee-temperatuurmodel voor aluminiumablatie [19]. Picoseconde laserablatie is efficiënter in vergelijking met nanoseconde ablatie wanneer deze iets boven de ablatiedrempel van nanosecondepulsen werkt. Wanneer de laserfluentie met name de ablatie van nanoseconde overschrijdtdrempelwaarde, verwerking met nanosecondepulsen wordt aanzienlijk efficiënter.

Figuur 5: Gemeten dwarsdoorsneden van groeven geablateerd met de picoseconde laser.

Figuur 6: Doorsnedegebieden voor groeven en verwijderd materiaal.

  De herhalingsfrequentie had slechts een klein effect op de snelheid van materiaalverwijdering met picosecondepulsen en deze veranderingen kunnen worden geschat als zijnde binnen meetfouten. Het verwijderde volume was in alle gevallen tussen 5,8 en 6,7 μm3 en het herschikte volume was in elk geval minder dan 10% van het verwijderde materiaalvolume. Aangezien de bestralingssterkte bij frequenties van 100 tot 500 kHz de ablatiedrempel van silicium ver overschrijdt, is de ablatiesnelheid gerelateerd aan de lijnenergie in plaats van de pulsenergie, zoals ervaren tijdens nanoseconde verwerking.

  Het grootste verschil tussen groeven die met lage of hoge herhalingsfrequenties zijn bewerkt, was de breedte van de groef, waardoor de groeven bij hoge herhalingsfrequenties dieper werden weggenomen. De groef geablateerd op 500 kHz toonde een oppervlakmet een breedte van 15 μm, waar laserbehandeling zichtbaar is. Bij 300 en 200 kHz was de breedte van dit gebied respectievelijk 16 en 18 μm. Toen de frequentie werd teruggebracht tot 100 kHz, nam de breedte toe tot 25 μm, met sporen van laserablatie tot 20 μm vanaf de middellijn van de baan. Vergelijkbare effecten werden waargenomen in sporen die waren geablateerd met lagere scansnelheden van 100 en 150 mm / s. Verbreding van het geablateerde spoor met toenemende pulsenergie kan gedeeltelijk worden verklaard door de toename van de effectieve vlekdiameter, d.w.z. het gedeelte van de gaussiaanse profiellaserstraal, waarin de bestraling de ablatiedrempel overschrijdt. Volgens berekeningen zou het effect van de effectieve bundeldiameter slechts in het bereik van enkele microns moeten zijn. Een meer waarschijnlijke oorzaak voor dit effect is de absorptie van plasma en bundelverstrooiing. Nummers die zijn geablateerd met een frequentie van 500 en 100 kHz worden weergegeven in respectievelijk figuur 7 en figuur 8.

Figuur 7. Profiel van groef geablateerd met ps-pulsen bij een herhalingsfrequentie van 500 kHz en een snelheid van 225 mm / sec.

Figuur 8. Profiel van een groef geablateerd met ps-pulsen bij 100 kHz herhalingsfrequentie en 225 mm / s scansnelheid.

  Gaten in silicium

  Gaten werden geboord door een siliciumwafel van 200 μm met behulp van een scanbaan getoond in figuur 1. De lineaire snelheid van de bundel was 20 mm / s en de omtrekssnelheid langs het geoscilleerde pad was ongeveer 115 mm / s. In eerste instantie werden gaten geboord met beide lasers met een herhalingsfrequentie van 100 kHz, wat resulteerde in een pulsenergie van 4,6 μJ. Onvolledige uitdrijving van smelt- en geablateerd materiaal beperkte het gebruik van deze parameters bij laserboren in nanoseconde. Bij de gebruikte omtreksnelheid was de puls-tot-puls overlapping bijna 90% en zoals te zien was bij de groefexperimenten, vereiste de nanoseconde laser minder dan 80% overlapping om materiaal op efficiënte wijze te ablateren. Bij 100 kHz werd het gat gevuld met siliciumdioxideblokkering en verstrooiing van de binnenkomende laserstraal en kon door penetratie niet worden bereikt. De frequentie werd teruggebracht tot 30 kHz om schoon doorlopende gaten in het monster te creëren. Dit resulteerde in een 333% toename in de pulsenergie en reductie in de pulsbreedte van 18,6 tot ongeveer 9 ns. Over het algemeen genomen het gemiddeldede intensiteit over het gebied van de bundel werd met een factor 7 verhoogd tot een waarde van 2,2 MW / cm2. De piekintensiteit bereikte aldus een waarde van 4,3 MW / cm2 in het midden van de gaussiaanse profielbundel.

  Gaten die zijn geboord met nanoseconde en picosecondepulsen zijn weergegeven in respectievelijk figuur 9 en figuur 10. De boortijd was in beide gevallen 0,78 seconden. De verschillen in de diameter van de opening van de opening zijn het gevolg van verschillen in de prestaties van de scanner.

Afbeelding 9. Ingang (links) en uitgang (rechts) van een geboord gat met nanosecondepulsen. Puls-energie 15,3 μJ.

  Voorafgaand onderzoek van de ingangszijde laat zien dat beide gaten in kwaliteit vergelijkbaar waren. Het belangrijkste verschil was dat de resolidificatievormen in de nanoseconde verwerkte monsters axiaal waren afgezet, terwijl het verwerkte monster van picoseconde radiale ringen rond de gatwanden vertoonde. De uitgangszijden onthulden grotere verschillen afhankelijk van depulsbreedte. De nanoseconde gatwanden waren bedekt met wat een herschikking lijkt te zijn. Maar in het geval van de picoseconde laser zijn de gatwanden nabij de uitgang van het gat zeer glad en vertonen ze geen tekenen van enig opnieuw gestold materiaal. Langere boortijd zou hebben geresulteerd in een meer cirkelvormige / elliptische geometrie van het uitgangsgat met picoseconde pulsen. In beide gevallen werd de straal na 150 omwentelingen uitgeschakeld met in principe geen overspuiten.

Afbeelding 10. Ingang (links) en uitgang (rechts) van een geboord gat met behulp van picosecondepulsen. Puls-energie 4,6 μJ.

  TEM-waarnemingen uit het midden van de 200 μm-wafer gaven aan dat de microstructuur aan de randen van de gaten gefabriceerd door picoseconde en nanosecondepulsen totaal verschillend waren. Figuur 11 toont dat defecten (dislocaties) werden geïntroduceerd door boren op nanoseconde, terwijl het belangrijkste kenmerk in het picoseconde puls geboorde gat een laag nanodeeltjes was grenzend aan de gatwand.

Figuur 11. De microstructuur van randgebieden van gaten vervaardigd met nanosecondepulsen (links) en picosecondepulsen (rechts).

  Figuur 12 toont de dislocaties geïntroduceerd door gepulseerde laserstraal van nanoseconde. Het bleek dat dedislocatierichting was altijd loodrecht op het oppervlak van het gat. De dislocaties bevinden zich in het monokristallijne silicium en kunnen voortkomen uit thermisch geïnduceerde spanningen tijdens het boren.

  Zoals getoond in Figuur 12, bevatte het gebied gemarkeerd met "A" enkele kleine korrels die kristallijnen zijn zoals aangegeven door patronen van elektronen diffractie met een geselecteerd oppervlak (SAED), Figuur 12 b). EDS-analyse uit "A" -gebied toonde aan dat dit gebied alleen Si bevatte. De reden voor de vorming van deze kleine korrels is onbekend. Er zijn echter twee mogelijkheden; een is dat ze herkristalliseerd uit het gereconstrueerde materiaal dat voor het eerst is gesmolten door de nanosecondepulsen, de andere is dat het gebied A direct vanaf de Si-plak in kleine korrels werd afgebroken.

  Figuur 12. a) Dislocaties op de rand van de gaten die worden geïntroduceerd door een gepulseerde laserstraal van nanoseconde. b) elektronenbuigingspatroon met geselecteerde gebieden uit gebied "A".

  Observatie op een ander gebied in het monster geboord met nanosecondepulsen wordt getoond in Figuur 13. SAED-patroon verkregen uit gebied "B" toont aan dat de nanodeeltjes in dit gebied hoofdzakelijk Si-nanodeeltjes waren hoewel EDS-spectrum ook een kleine hoeveelheid O in dit gebied toonde. Zuurstof kan zijn veroorzaakt door de lijm, of een kleine hoeveelheid SiO2.

  In figuur 14 toont het gebied gemarkeerd als "D" amorfe kenmerken die Si bevatten en een kleine hoeveelheid O, die ook zou kunnen worden bijgedragen vanuit het lijmoppervlak.

Figuur 13. a) Een ander gebied aan de rand van een gat geboord met nanoseconde laserpulsen, b) SAED-patronen van gebied "B".

Figuur 14. Dislocaties en amorf Si aan de rand van een gat geboord met nanoseconde pulsen. SAED-patronen van gebieden C en D worden getoond.

  Hoewel nanosecondepulsen thermische en mechanische schade aan de gatwanden veroorzaken, was de dikte van de beschadigde laag tussen de buitenste laag van het gemodificeerde materiaal en enkel kristallijn silicium op alle onderzochte locaties minder dan 1 μm. Dit suggereert dat de hoge terugslagdruk die wordt gegenereerd door uv-laserpulsen met lage herhalingsfrequentie smelt efficiënt uit het gat verwijdert en er geen significante hergroeplaag op de wand van het gat wordt gevormd. Het is ook mogelijk dat vanwege de 355 nm golflengte slechts een kleine hoeveelheid warmte-convectie naar de gatwanden wordt gegenereerd door plasma-absorptie, en de door warmte beïnvloede zone blijft dun.

  Figuur 15 toont een nauwkeurige inspectie aan de rand van het gat vervaardigd door de picoseconde laserstraal. De siliciumwafel was onbeschadigd en er werden geen mechanische defecten gevonden in TEM-onderzoeken. Het monokristallijne siliciumwerd geschetst door een 50 tot 100 nm dikke laag. Deze laag leek op de smeltfilm die in eerdere publicaties werd beschreven [8]. Er kan dus worden aangenomen dat de film gesmolten silicium was dat opnieuw gestold is tot een amorfe toestand. De film wordt getoond in Figuur 15 met pijlen. Nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 100 nm werden aangetroffen in de lijm dichtbij de resolidificatielaag, Figuur 15. Het elektronenbuigingspatroon met geselecteerde gebieden (SAED) van het gebied dat nanodeeltjes bevat vertoont een amorf kenmerk, wat aangeeft dat de nanodeeltjes niet-kristallijnen waren, Figuur 15 b) . Zoals aangegeven door EDS-analyse, figuur 16, bevatte het lijmgebied C, O en een kleine hoeveelheid Cl, terwijl Si gedetecteerd uit het lijmgebied afkomstig zou moeten zijn van de Si-wafer. Cu (piek niet zichtbaar in figuur 16) moet afkomstig zijn van de koperen ring die op het monster is gelijmd. In het nanodeeltjesgebied, zoals aangegeven door figuur 16b), vertoont EDS-analyse Si, C en O. Hoewel de C en O uit de lijm kunnen komen, is een vergelijking tussen de verhouding van C en O in het lijmgebied en de verhouding van C en O in het nanodeeltjesgebied suggereert dat ten minste een deel van de amorfe nanodeeltjes gedeoxideerd is.

Het SAED-patroon van het randgebied van het gat toont diffractiepatroon van eenkristal, figuur 15 c).

Figuur 15. Microstructuuranalyse op de rand van het gat geboord door picosecondepulsen. a) Nanodeeltjes aan de rand van het gat en elektronenbuigingspatronen van het geselecteerde gebied uit b) nanodeeltjesgebied en c) Si-wafer.

Figuur 16. EDS-analyses op a) lijmgebied, b) nanodeeltjes en c) Si-wafergebied.

  Op basis van TEM-onderzoeken kan worden geconcludeerd dat in vergelijking met nanosecondepulsen picoseconde verwerking verwaarloosbare thermische effecten veroorzaakt voor het moedermateriaal zonder tekenen van mechanische schade. Nanoseconde verwerking genereert zowel thermische als mechanische schade aan de gatwanden in de vorm van dislocaties, herschikking en herkristalliseerd materiaal, terwijl picoseconde boren slechts een dunne <100 nm, resolidificatielaag veroorzaakt naar de wand van het gat. Het oppervlak werd gedeeltelijk bedekt door amorfe nanodeeltjes, die vermoedelijk uit ten minste gedeeltelijk geoxideerd silicium bestaan. Al deze waarnemingen geven aan dat meer processen, die hun oorsprong vinden in een grotere warmte-inbreng in het materiaal, optreden tijdens pulsed drilling van nanoseconde dan tijdens picosecond gepulseerd boren.

  conclusies

  Groeven en gaten zijn gefabriceerd in 200 μm enkele kristallijne siliciumwafels met 355 nm nanoseconde en picoseconde gepulseerde lasers. Verwerkingsresultaten zijn gemeten en gekarakteriseerd met behulp van optische metingen, TEM-microscopie en SEM-microscopie.

  De resultaten tonen aan dat de ablatiesnelheid aanzienlijk wordt beïnvloed door de pulsenergie tijdens nanoseconde ablatie. De toename in materiaalverwijderingssnelheid was meer dan 600% wanneer de pulsenergie werd verhoogd van 2,3 tot 9,2 μJ door de frequentie te verlagen van 200 tot 50 kHz. Thermische verliezen hebben een belangrijk effect op de verwijderingssnelheid bij bestralingsniveaus dichtbij de ablatiedrempel, aangezien een grotere fractie van de puls het materiaal verwarmt in de vaste en vloeibare fasen in plaats van verdampend en verwijderend materiaal. Daarom kan de afhankelijkheid tussen pulsenergie en materiaalverwijderingssnelheid worden verwacht.

  Picoseconde ablatie vertoonde geen vergelijkbare relatie tussen de ablatiesnelheid en de pulsenergie. De ablatiesnelheid bleef in wezen vergelijkbaar tussen herhalingsfrequenties van 100 en 500 kHz, die respectievelijk correleren met 4,6 en 0,9 μJ pulsenergieën. Het belangrijkste effect van de pulsenergie was de breedte van de geablateerde lijn, die toenam met toenemende energie.

  De ablatie-efficiëntie van nanoseconden overschreed die van picoseconde ablatie bij een frequentie van 100 kHz, maar bij een frequentie van 200 kHz was de materiaalverwijderingssnelheid van de ps-laser sneller. In beide processen, boren en groefablatie, was het optimale parametergebied voor nanosecondeablatie bij een herhalingsfrequentie van minder dan 100 kHz, waarbij de picoseconde laser goede resultaten leverde bij 100 kHz en hoger.

  Met behulp van SEM-afbeeldingen evalueert u de kwaliteit van gaten geboord met nanoseconde en picotweede pulsen was vrij gelijkaardig. Wanneer de nanoseconde laser op 30 kHz en de picoseconde laser op 100 kHz frequentie werkte, waren de boortijden gelijk. Nanoseconde laserboren werd langzamer en uiteindelijk onmogelijk toen de herhalingssnelheid werd verhoogd. De pulsoverlapping overschreed de gedefinieerde haalbare waarde van 80% en ook de resulterende lage pulsenergie en bestraling waren onvoldoende voor het verwijderen van materiaal uit de capillair, vermoedelijk als gevolg van een afgenomen terugstootkracht.

TEM-onderzoeken toonden aan dat nanoseconde laserboren leidde tot thermische en mechanische schade aan de siliciumwafel. De aangetaste laag op de gatwand had een dikte tot 1 μm en bevatte amorfe kenmerken, polykristallijn silicium evenals monokristallijne gebieden met dislocaties.

  Picosecond gepulseerd boren bleek geen mechanische schade aan het materiaal te veroorzaken. Het gat was omlijnd door een dunne laag, die zogenaamd bestaat uit amorf gereconstitueerd silicium. De dikte van de laag was 50 tot 100 nm. Er is geen verdere schade aan het materiaal gevonden.