TALADRADO DE LAS MICROVÍAS LÁSER Y ABLACIÓN DE SILICIO UTILIZANDO 355 NM PICO Y NANOSECONDO PULSOS

Abstracto

  La ablación con láser de silicio se ha convertido en un tema de investigación intenso debido al interés cada vez mayor en el procesamiento del láser en las industrias fotovoltaica y electrónica. Diferentes tipos de láser se utilizan para el aislamiento de bordes, ranurado, perforación entre otras aplicaciones, con un ancho de pulso que va desde el régimen de femtosegundo ultracorto hasta pulsos de microsegundos largos. Los resultados pueden variar significativamente según la longitud de onda y el ancho de pulso entregados por la fuente del láser. En este estudio, dos láseres Nd: YVO4 triplicados en frecuencia, entregando pulsos de ancho de 9 a 12 ps y de 9 a 28 ns, se usaron para perforar agujeros y formar surcos en obleas de silicio. El grosor de las obleas fue de 200 μm.

  La profundidad y la geometría del surco se midieron usando un sistema óptico de perfiles 3D. Los resultados revelaron que la velocidad de eliminación del material estaba muy influenciada por la energía del pulso y la velocidad de repetición cuando se utilizaba el rayo láser pulsado de nanosegundos. Con el rayo láser de picosegundo, la tasa de eliminación de material volumétrico se mantuvo bastante constante en el rango de 100 a 500 kHz, pero el ancho y la profundidad de la ranura variaron.

  Se usaron microscopía electrónica de barrido y transmisión para caracterizar los agujeros perforados. Las microestructuras se investigaron mediante patrones de difracción de electrones de área seleccionada. De acuerdo con las mediciones, los pulsos de nanosegundos no solo inducen daños térmicos, sino también mecánicos a las paredes del orificio, mientras que el procesamiento de picosegundos solo da como resultado una capa delgada de HAZ, que está parcialmente cubierta con nanopartículas amorfas.

Introducción

  El micromecanizado láser de silicio es de particular interés en aplicaciones tales como aplicaciones fotovoltaicas y microelectrónica. La ablación con láser implica numerosos procesos simultáneos que incluyen calentamiento, fusión, vaporización e ionización a medida que el haz interactúa con las fases sólida, líquida, de vapor y de plasma en la superficie del material o cerca de él [1]. Las características del proceso están determinadas por la intensidad, la duración y la longitud de onda del pulso del láser. Los láseres disponibles en el mercado para micromecanizado incluyen láseres con duraciones de pulso en el femto, pico y nanosegundo. Las longitudes de onda típicas incluyen variaciones de uv a near ir.

Los pulsos de femtosegundos son óptimos para el procesamiento del material en muchos aspectos. En el caso de pulsos ultracortos sub-ps, la duración del pulso es menor que el tiempo de termalización característico del material y el mecanizado se puede realizar con muy pocos efectos térmicos. Especialmente en el régimen de baja fluencia en el que la tasa de ablación promedio está determinada por la profundidad de penetración óptica, los efectos térmicos son insignificantes y se experimentan zonas con un calentamiento cercano a cero. [2,3,4] Otra ventaja del procesamiento ultrarrápido es que los pulsos fs terminan antes de expulsar cualquier material de la superficie. La energía completa del pulso se deposita así en el objetivo de la muestra sin ninguna interacción láser-plasma durante el pulso. [1,5] Dado que las pérdidas de conducción de calor dentro del material son mínimas y no se produce blindaje de plasma, el umbral de ablación de los materiales es el más bajo a anchos de pulso sub-ps. El material puede eliminarse con extrema precisión utilizando energías de pulso bajo. A medida que aumenta la energía del pulso, o la fluencia, los procesos de ablación térmica se vuelven más dominantes incluso con pulsos de femtosegundos. La energía completa del pulso todavía se entrega en el material, pero la profundidad de ablación está determinada por la profundidad efectiva de penetración de calor en lugar de la profundidad de penetración óptica. La calidad de la ablación disminuye, pero la profundidad abducida por pulso aumenta fuertemente [2].

  Para aplicaciones en maquinado, los sistemas láser deben ser confiables, robustos y asequibles. Dado que el esfuerzo técnico aumenta con el acortamiento de la duración del pulso, este último debe ser tan corto como sea necesario, solo, para lograr un resultado satisfactorio [6]. Los láseres de nanosegundos cumplen los criterios anteriores en su mayor parte. La tecnología está bien establecida y probada, es de diseño simple y rentable. Sin embargo, en algunos casos, el pulso no es lo suficientemente corto y la calidad de procesamiento de estos láseres no cumple con los requisitos. Fuentes de picosegundo láser han demostrado ser un compromiso entre las dos alternativas antes mencionadas.

  El procesamiento de materiales con pulsos láser de ancho de unos pocos picosegundos se asemeja a gran parte del procesamiento de femtosegundos de alta fluencia. El umbral de ablación es ligeramente más alto que para los pulsos fs, principalmente debido a las pérdidas de conducción de calor y blindaje de plasma [3]. A 1 ps de pulsos, los efectos del plasma son insignificantes, elevándose hasta un valor del 20% a 10 ps durante la ablación del oro y también se han obtenido hallazgos similares para el silicio [1]. En general, no se observan cambios drásticos en términos de calidad, efectos térmicos ni eficiencia cuando el ancho de pulso permanece por debajo de 10 ps, ​​a pesar de que el proceso puede considerarse de naturaleza puramente térmica [2,3,6,7]. En algunos casos, la calidad del procesamiento ps puede incluso exceder la de los láser fs. Las sobrecargas de presión inducidas por láser fs pueden causar daños mecánicos al material y defectos reticulares en el silicio [8].

  El procesamiento láser de nanosegundos implica una compleja mezcla de procesos físicos concurrentes. En contraste con el procesamiento de femtosegundos, el pulso largo interactúa con el material en estado sólido, líquido, vapor y plasma. Se pueden observar diferencias considerables en el proceso de ablación dependiendo de la irradiancia. Para una energía de pulso dada, la profundidad máxima de fusión aumenta con pulsos más largos, es decir, una menor irradiancia (objetivo Al) [7]. Al mismo tiempo, la presión de retroceso, que depende de la irradiancia [9], disminuye causando la expulsión incompleta de la masa fundida del área de interacción. Además de estos efectos, el umbral de ablación es más alto que el observado utilizando pulsos fs y ps, principalmente debido a la protección del plasma y mayores pérdidas de conducción de calor. [7] Los estudios que comparan los impulsos fs y ns en la perforación muestran incluso tasas de ablación dos veces más rápidas para pulsos fs en comparación con pulsos ns (silicio, 266 nm de radiación, 11 J / cm2) [10,11]. Sin embargo, a altos valores de fluencia, la tasa de ablación con pulsos ns aumenta fuertemente y excedeel de los pulsos fs y ps [7].

  Durante el procesamiento de ns, la tasa de ablación aumenta con la densidad de potencia del láser tras una dependencia de la ley de potencia hasta una irradiancia de 0.3 GW / cm2, casi independiente del material objetivo (latón y vidrio, láser KrF a 248 nm) [12]. En este punto, el blindaje de plasma comienza a absorber la última parte del pulso y el pulso se atenúa. El plasma reflejará y dispersará el haz, reduciendo la eficiencia de la ablación. [12] Los datos experimentales muestran que la tasa de ablación continúa aumentando de forma lineal hasta que se alcanza una irradiancia de 10 a 20 GW / cm2 [13,14,15,16]. En este punto, la tasa de ablación aumenta bruscamente. Este comportamiento se puede explicar como la ebullición explosiva homogénea, que es responsable de la eyección de partículas grandes después de un retraso finito. [14,15,16] En general, la eyección de masa durante la ablación de nanosegundos se puede caracterizar por emisión de electrones en una escala de tiempo de picosegundos, eyección de masa atómica / iónica en una escala de tiempo de nanosegundos y eyección de partículas grandes en una escala de tiempo de microsegundos, continuando hasta decenas de microsegundos [16]

  Cuando se utilizan impulsos de nanosegundos cortos o pulsos de picosegundos, la irradiancia es típicamente lo suficientemente alta como para iniciar la formación del plasma y dar como resultado la absorción del plasma. La influencia del plasma aumenta con la duración del pulso, la densidad de potencia y la longitud de onda. Toda la energía absorbida por la pluma de plasma no se pierde, sin embargo, del proceso, pero el plasma de hecho puede calentar el material objetivo [16]. Si se utiliza un láser IR, el rayo calienta principalmente el pico de la pluma expansiva, dando como resultado mayores pérdidas, mientras que la radiación ultravioleta se absorbe principalmente en la raíz de la pluma y proporciona más energía al material a través de la absorción del plasma [17]. La absorción de plasma también se puede aprovechar en algunos procesos. Cuando el plasma inducido por láser se forma en una perforación de calibre estrecho, el plasma caliente se expande rápidamente dentro del canal y transporta una gran fracción de su energía por covección y radiación a las paredes del capilar, lo que contribuye a la expansión radial del orificio. Este efecto puede estabilizar la ablación en un amplio rango de profundidades. [17]

  La perforación y ablación de silicio se ha investigado en este estudio. El objetivo fue comparar el procesamiento pico y nanosegundo del silicio usando radiación ultravioleta de 355 nm. En base a los datos referenciados anteriores, las fuentes láser de pico y nanosegundos serían en la mayoría de los casos las elecciones preferenciales para el procesamiento de silicio y la longitud de onda ultravioleta para aumentar la absorción, disminuir la profundidad de penetración óptica en el material subyacente, disminuir las pérdidas debidas a la absorción de plasma y alcanzar una una longitud de Rayleigh más larga junto con un diámetro de punto focal más pequeño. Los resultados se han evaluado en base a mediciones ópticas, SEM y las investigaciones TEM.

  Configuración experimental

  Los experimentos con pulsos de nanosegundos se llevaron a cabo utilizando un láser Spectra-Physics HIPPO conmutado q a 355 nm de longitud de onda. La viga se entregó a través de un expansor de haz y un escáner galvanométrico Scanlab Hurryscan 10 con óptica telecéntrica de 100 mm. El diámetro del punto focal calcificado con la configuración fue de 10 μm. El ancho de pulso del láser varió con una frecuencia de 10.2 ns a 50 kHz, 18.6 ns a 100 kHz y 28.4 ns a 200 kHz.

Para los experimentos de procesamiento de picosegundos se usó un láser Lumera Rapid. La longitud de onda de salida del haz fue de 355 nm. La configuración óptica comprendía un expansor de haz y un escáner Scanlab Scangine 10 con una lente de enfoque telecéntrico de 100 mm. El diámetro del punto focal calculado para la configuración óptica fue de 10 μ m. El ancho de pulso del láser fue de 9 a 12 ps. La potencia del láser de 460 mW se usó en todos los experimentos.

  El material utilizado para los experimentos fue una oblea de silicio cristalino mono dopado con Ph dopado de 200 μm de espesor. Las muestras se limpiaron ultrasónicamente en acetona después del procesamiento. Las partículas sueltas y el polvo se eliminaron de la superficie antes de la medición óptica.

  Los experimentos para definir la tasa de ablación con pulsos ns y ps se llevaron a cabo ablacionando ranuras en obleas de silicio con velocidades variables y tasas de repetición. Los perfiles de surco se midieron usando un sistema óptico de perfiles 3D Wyko NT3300.

  Los agujeros se trepan a través de la oblea utilizando una geometría específica de la trayectoria del haz para eliminar el material de manera más eficiente del agujero. El haz fue programado para moverse a lo largo de un círculo de 30 μm durante 54 000 grados, lo que equivale a 150 rotaciones. Durante este movimiento, el haz se hizo oscilar a lo largo de una trayectoria circular a una frecuencia de 1500 Hz y una amplitud de 12 μ m. El tiempo de perforación fue 0.78 s. La posición focal se estableció en la superficie durante el tiempo de la perforación. Dado que el movimiento del haz se creó con los espejos del escáner, no se sabe con qué precisión el haz sigue la ruta programada. El movimiento del haz se presenta en la Figura 1. Todos los experimentos se llevaron a cabo en el aire ambiente.

Figura 1. Movimiento de la viga durante la perforación. El área amarilla muestra el tamaño del punto, el área eliminada se muestra en gris.

  La morfología de los agujeros fue registrada por el Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) Hitachi S-2400 que opera a 25 kV. La microestructura en el borde de los agujeros fue estudiada por JEOL FasTEM Transmission Electron Microscope (TEM) que opera a 200kV. El TEM está equipado con una espectrometría de dispersión de rayos X de electrones (EDS). Para la preparación de la muestra TEM, los orificios se llenaron con M-Bond 610 epoxi para proteger la pared de los agujeros que no se eliminan mediante el fresado de haces de iones como se sugiere en la literatura [8]. Los discos se curaron durante dos horas a 120 ° C. Ambos lados de los discos se molieron con papel de lija desde 600 Grit hasta 2400 Grit. El espesor final de los discos fue de aproximadamente 40-70 μ m. Como los discos adelgazados son muy frágiles, se pegaron a anillos de cobre para obtener soporte. Finalmente, los discos se pulieron con una máquina de iones de iones (Gatan 691 Precision Ion Polishing System-PIP) a 5 kV con una inclinación de 6 ° hasta que no se eliminó por completo el área del adhesivo.

Resultados y discusión

  Surcos en silicio

  Los surcos fueron sometidos a ablación en superficies de silicio a velocidades de 20, 30, 45, 65, 100, 150, 225, 350 y 500 mm / s.

  Las tasas de repetición para el láser de nanosegundos se variaron entre 20 y 200 kHz, y para el láser de picosegundo de 100 a 500 kHz. El láser de nanosegundos no podía entregar la potencia de 460 mW por encima de la frecuencia de 200 kHz y la potencia disponible del láser de picosegundos estaba limitada por debajo de 100 kHz.

El proceso de ablación estuvo limitado por la velocidad y la frecuencia de exploración de dos maneras. En primer lugar, el solapamiento pulso a pulso tenía un límite mínimo por debajo del cual la expulsión del material de la ranura era incompleta y comenzaron a formarse cantidades significativas de óxidos de silicio dentro de la ranura. El límite superior para la velocidad de exploración fue establecido por el pulso máximo a la distancia de pulso, por encima del cual los pulsos forman puntos separados en la superficie en lugar de una ranura continua.

  Para el procesamiento de nanosegundos, se encontró que en todo el rango de parámetros de 20 a 200 kHz, se lograron surcos limpios y consistentes sin formación de óxido solo cuando la superposición de pulsos era menor de 80 a 90%. El proceso toleraba una mayor superposición cuando la energía del pulso era baja, es decir, la frecuencia era alta. El área de parámetros factible para el procesamiento de picosegundo fue más amplia. El pulso superpuesto a frecuencias de 100 y 200 kHz podría ser de hasta 97% antes de que la formación de óxido comenzara a interferir con el proceso.

  Debido a los límites de los parámetros de los dos láseres, una comparación de cabeza a cabeza podría hacerse solo en el rango de frecuencia de 100 a 200 kHz. Los surcos sometidos a ablación en estas frecuencias se midieron con más detalle para proporcionar información sobre la profundidad del surco y la tasa de ablación. Además de estos, se llevaron a cabo experimentos de nanosegundos también a una velocidad de repetición de 50 kHz y se continuaron los experimentos de picosegundos hasta una velocidad de repetición de 500 kHz. La velocidad de escaneo se ajustó a 225 mm / s.

  El perfil del surco se midió a través de la línea ablacionada para revelar la profundidad y el área de sección transversal de los materiales ablacionados y refundidos. El término volumen de ranura aquí en adelante se refiere al volumen eliminado por debajo de la superficie original. El término material eliminado se refiere a la cantidad de silicio eliminado por completo de la fuente; es decir, área de ranura menos área de refundición. Los valores de volumen aquí se presentan en las unidades de μ m3, que es el área en cuestión medida desde la sección transversal multiplicada por una longitud de 1 μ m a lo largo de la longitud de la ranura. Como los perfiles se derivan de una medición de línea a través de la ranura y no de una medición del volumen real, los resultados no son precisos. Sin embargo, representan una buena estimación de la sección transversal promedio de los surcos.

  Los resultados muestran que la tasa de ablación con pulsos de nanosegundos fue significativamente afectada por la frecuencia o la energía del pulso, mientras que la tasa de ablación con pulsos de picosegundos fue independiente de la frecuencia dentro del área de parámetros probados. Con pulsos de nanosegundos, el volumen del surco aumentó marcadamente con la energía del pulso. La velocidad de repetición de 50 kHz, que equivale a 9.2 μJ de energía de pulso, creó una ranura con un área de sección transversal de 26.3 μm2. Con esta fluencia, la cantidad de refundición fue pequeña y el volumen eliminado medido desde la sección transversal de la ranura fue de 24,2 μm3.

El aumento de la frecuencia dio como resultado una geometría de ranura, que era más estrecha y menos profunda que la creada con energías de pulso más altas. También el volumen relativo de la refundición en comparación con el volumen del surco aumentó significativamente. A una velocidad de repetición de 200 kHz (2,3 μJ), el volumen de ranura fue de 5,8 μm3 y teniendo en cuenta la refundición, el volumen del material eliminado fue solo de 4,0 μ m3. En este caso, más del 30% del material retirado de la ranura se estaba refundiendo en los bordes de la ranura y no se eliminó por ablación. La profundidad de la ranura fluctuó significativamente entre 0 y 3.5 μm. Por lo tanto, el perfil para la muestra de 200 kHz se derivó de un valor promedio de tres mediciones individuales, con el fin de obtener una mejor estimación del volumen eliminado. Las secciones transversales de los surcos ablacionados con pulsos de nanosegundos se presentan en la Figura 2. Las ranuras sometidas a ablación a 225 mm / s de velocidad de exploración usando velocidades de repetición de 50 y 200 kHz se presentan en la Figura 3 y la Figura 4, respectivamente.

Figura 2: secciones transversales medidas de ranuras ablacionadas con el láser de nanosegundo.

Figura 3. Groove ablacionado por pulsos de nanosegundos. Velocidad de barrido 225 mm / s, velocidad de repetición 50 kHz.

Figura 4. Groove ablacionado por pulsos de nanosegundos.

  Velocidad de barrido 225 mm / s, velocidad de repetición 200 kHz.

  Como la energía de la línea en cada caso era igual, una parte sustancialmente mayor de la energía del láser se estaba perdiendo en el proceso de ablación cuando la tasa de repetición se incrementaba gradualmente de 50 a 200 kHz. Este aumentoen la frecuencia causó que el ancho del pulso cambiara de10.2 ns a 28.4 ns y la energía del pulso para disminuir de 9.2 a 2.3 μJ. Ambos factores redujeron la irradiancia media en el área del haz, que cambió de 1,15 a 0,10 GW / cm2. Al mismo tiempo, el proceso se volvió más inestable y las fluctuaciones en la profundidad y el ancho del surco fueron más evidentes.

  Los pulsos más largos pueden absorberse o reflejarse desde el plasma inducido por láser en mayor medida. El umbral para la formación de plasma para muchos materiales está en la proximidad de 0.3 GW / cm2 [12]. Dado que la irradiancia promedio a 200 kHz era solo de 0,10 GW / cm2 y la irradiación máxima en el centro del haz era de 0.2 GW / cm2, el blindaje de plasma no debería jugar un papel a mayores tasas de repetición, sino más bien a bajas frecuencias. Las partículas que se ciernen sobre el punto de interacción pueden, sin embargo, afectar el proceso de ablación, especialmente a mayores tasas de repetición. El alcance de tales efectos de plasma / pluma entre pulsos no pudo estimarse basándose en los experimentos realizados.

  Las causas más probables de bajas tasas de eliminación de material a altas frecuencias están relacionadas con la irradiancia del pulso. Trabajar más cerca del umbral de ablación con pulsos más largos conduce a una situación en la que se utiliza una mayor parte de la energía del pulso para calentar el material en las fases sólida y líquida que para evaporar y eliminar el material. Al mismo tiempo, la presión de retroceso, que es proporcional a la irradiación [9,18], se reduce reduciendo la expulsión de la fusión de la ranura.

  La eliminación de material con impulsos ns fue aproximadamente dos veces más eficiente que con pulsos de picosegundos cuando la tasa de repetición fue de 100 kHz (energía de pulso 4.6 μJ). Los pulsos de nanosegundos crearon un volumen de surco de16,7 μm3 en comparación con los 7,9 μm3 de pulsos de picosegundos. A 200 kHz, las ranuras se volvieron aproximadamente iguales en volumen, siendo el surco de picosegundo de 6,2 μ m3 en volumen y la ranura de nanosegundos de 5,8 μ m3.

  Sin embargo, una menor cantidad de silicio refundido estaba presente en los bordes del surco del picosegundo y la eliminación absoluta del material con pulsos de picosegundos fue de 5,8 μ m 3 y 4,0.μ m3 con pulsos de nanosegundos. Las secciones transversales de los surcos para experimentos de picosegundo se presentan eny Figura 5. Los volúmenes y ranuras eliminados se presentan como una función de la tasa de repetición y la energía del pulso en la Figura 6. Se obtuvieron hallazgos similares sobre la relación entre la duración del pulso y las tasas de eliminación utilizando un modelo de dos temperaturas para la ablación de aluminio [19]. La ablación con láser de picosegundos es más eficiente en comparación con la ablación de nanosegundos cuando se opera ligeramente por encima del umbral de ablación de los pulsos de nanosegundos. Cuando la fluencia del láser supera notablemente la ablación de nanosegundosumbral, el procesamiento con pulsos de nanosegundos se vuelve sustancialmente más eficiente.

Figura 5: secciones transversales medidas de ranuras eliminadas con el láser de picosegundo.

Figura 6: áreas de sección transversal para ranuras y material eliminado.

  La tasa de repetición tuvo solo un ligero efecto sobre la tasa de eliminación de material con pulsos de picosegundos y estos cambios pueden aproximarse para estar dentro de los errores de medición. El volumen eliminado fue en todos los casos entre 5,8 y 6,7 μm3 y el volumen de refundición fue en cada caso inferior al 10% del volumen de material eliminado. Como la irradiancia a frecuencias de 100 a 500 kHz supera con creces el umbral de ablación de silicio, la tasa de ablación se relaciona con la energía de línea en lugar de la energía de pulso, como se experimentó durante el procesamiento de nanosegundos.

  La principal diferencia entre las ranuras mecanizadas a velocidades de repetición bajas o altas era el ancho de la ranura, lo que hacía que las ranuras se ablacionaran a altas tasas de repetición más profundas. La ranura ablacionada a 500 kHz mostró un área de superficiede ancho 15 μ m, donde el tratamiento con láser es visible. A 300 y 200 kHz, el ancho de esta área fue de 16 y 18 μm, respectivamente. Cuando la frecuencia se redujo a 100 kHz, el ancho aumentó a 25 μm, con trazas de ablación láser de hasta 20 μ m desde la línea central de la pista. Se observaron efectos similares en las pistas ablacionadas a velocidades de escaneo inferiores de 100 y 150 mm / s también. El ensanchamiento de la pista ablacionada con el aumento de la energía del pulso se puede explicar parcialmente por el aumento del diámetro efectivo del punto, es decir, la porción del haz láser de perfil gaussiano, en el que la irradiación excede el umbral de ablación. De acuerdo con los cálculos, el efecto del diámetro efectivo del haz debe ser solo en el rango de pocas micras. Una causa más probable de este efecto sería la absorción de plasma y la dispersión del haz. Las pistas ablacionadas a frecuencias de 500 y 100 kHz se presentan en la Figura 7 y la Figura 8, respectivamente.

Figura 7. Perfil de la ranura ablacionada con impulsos ps a una velocidad de repetición de 500 kHz y una velocidad de exploración de 225 mm / s.

Figura 8. Perfil de una ranura ablacionada con impulsos ps a una velocidad de repetición de 100 kHz y una velocidad de exploración de 225 mm / s.

  Agujeros en silicio

  Los orificios se perforaron a través de una oblea de silicio de 200 μm utilizando una ruta de exploración que se muestra en la Figura 1. La velocidad lineal del haz fue de 20 mm / sy la velocidad circunferencial a lo largo de la trayectoria oscilada fue de aproximadamente 115 mm / s. Inicialmente, se perforaron agujeros con ambos láseres a una velocidad de repetición de 100 kHz que dio como resultado una energía de pulso de 4,6 μJ. La expulsión incompleta de material derretido y ablacionado limitó el uso de estos parámetros en la perforación con láser de nanosegundos. A la velocidad circunferencial utilizada, la superposición de pulso a pulso fue cercana al 90% y, como se puede ver en los experimentos de surco, el láser de nanosegundos requirió menos del 80% de superposición para eliminar el material de manera eficiente. A 100 kHz, el orificio se llenó con dióxido de silicio bloqueando y dispersando el rayo láser entrante y no pudo alcanzarse la penetración. La frecuencia se redujo a 30 kHz para crear agujeros pasantes limpios en la muestra. Esto dio como resultado un aumento del 333% en la energía del pulso y una reducción en el ancho del pulso de 18.6 a aproximadamente 9 ns. En general, el promediola intensidad en el área del haz se incrementó en un factor de 7 a un valor de 2.2 MW / cm2. La intensidad máxima alcanzó así un valor de 4.3 MW / cm2 en el centro del haz de perfil gaussiano.

  Los agujeros perforados con nanosegundos y pulsos de picosegundos se presentan en la Figura 9 y la Figura 10, respectivamente. El tiempo de perforación fue de 0.78 s en ambos casos. Las diferencias en los diámetros de entrada del orificio resultan de las diferencias en el rendimiento del escáner.

Figura 9. Entrada (izquierda) y salida (derecha) de un agujero perforado con pulsos de nanosegundos. Energía de pulso 15.3 μJ.

  La investigación preliminar del lado de la entrada muestra que ambos agujeros eran bastante similares en calidad. La principal diferencia fue que las formaciones de resolidificación en las muestras procesadas en nanosegundos se depositaron axialmente, mientras que la muestra procesada en picosegundos mostró anillos radiales alrededor de las paredes del orificio. Los lados de salida revelaron mayores diferencias dependiendo delancho de pulso. Las paredes del hoyo de nanosegundo estaban cubiertas con lo que parece ser una capa refundida. Pero en el caso del láser de picosegundos, las paredes del agujero cerca de la salida del agujero son muy suaves y no muestran signos de ningún material resolidificado. Un tiempo de perforación más largo hubiera resultado en una geometría de orificio de salida más circular / elíptica con pulsos de picosegundos. En ambos casos, la viga se apagó después de 150 revoluciones sin básicamente reacabado.

Figura 10. Entrada (izquierda) y salida (derecha) de un agujero perforado con pulsos de picosegundos. Energía de pulso 4.6 μJ.

  Las observaciones de TEM desde el centro de la oblea de 200 μm indicaron que la microestructura en los bordes de los agujeros fabricados por pulsos de picosegundos y nanosegundos era totalmente diferente. La Figura 11 muestra que los defectos (dislocaciones) se introdujeron mediante la perforación de nanosegundos, mientras que la característica principal en el agujero perforado de picosegundos era una capa de nanopartículas adyacente a la pared del agujero.

Figura 11. La microestructura de las áreas del borde de los agujeros fabricados por pulsos de nanosegundos (izquierda) y pulsos de picosegundos (derecha).

  La Figura 12 muestra las dislocaciones introducidas por un rayo láser pulsado de nanosegundos. Se encontró que ella dirección de la dislocación siempre era perpendicular a la superficie del orificio. Las dislocaciones están ubicadas en el silicio monocristalino y pueden surgir de tensiones inducidas térmicamente experimentadas durante la perforación.

  Como se muestra en la Figura 12, el área marcada con "A" contenía algunos granos pequeños que son cristalinos según lo indicado por los patrones de difracción de electrones de área seleccionada (SAED), Figura 12 b). El análisis EDS del área "A" mostró que esta área solo contenía Si. La razón de la formación de estos pequeños granos es desconocida. Sin embargo, hay dos posibilidades; uno es que recristalizaron del material refundido primero fundido por los pulsos de nanosegundos, el otro es que el área A se descompuso en pequeños granos directamente de la oblea de Si.

  Figura 12. a) Dislocaciones en el borde de los agujeros introducidos por haz de láser pulsado de nanosegundos. b) Patrón de difracción de electrones del área seleccionada del área "A".

  La observación de otra área en la muestra perforada por pulsos de nanosegundos se muestra en la Figura 13. El patrón SAED obtenido del área "B" muestra que las nanopartículas en esta área eran principalmente nanopartículas de Si, aunque el espectro EDS también mostró una pequeña cantidad de O en esta área. El oxígeno podría haber sido aportado por el pegamento, o una pequeña cantidad de SiO2.

En la Figura 14, el área marcada como "D" muestra características amorfas que contienen Si y una pequeña cantidad de O, que también podría ser aportado por el área de la cola.

Figura 13. a) Otra área en el borde de un agujero perforado por pulsos láser de nanosegundos, b) Patrones SAED del área "B".

Figura 14. Dislocaciones y Si amorfo en el borde de un agujero perforado por pulsos de nanosegundos. Se muestran los patrones SAED de las áreas C y D.

  Aunque los pulsos de nanosegundos producen daños térmicos y mecánicos en las paredes del orificio, el espesor de la capa dañada entre la capa más externa del material modificado y el silicio monocristalino se encontró en todas las ubicaciones investigadas a menos de 1 μm. Esto sugiere que la alta presión de retroceso generada por la baja frecuencia de repetición de los pulsos de láser remueve eficientemente la fusión del orificio y no se forma una capa de refundición significativa en la pared del orificio. También es posible que debido a la longitud de onda de 355 nm, solo se genere una pequeña cantidad de convección de calor a las paredes del orificio a través de la absorción del plasma, y ​​la zona afectada por el calor permanezca delgada.

  La figura 15 muestra una inspección minuciosa en el borde del orificio fabricado por el rayo láser de picosegundos. La oblea de silicio no estaba dañada y no se encontraron defectos mecánicos en las investigaciones de TEM. El silicio monocristalinofue delineado por una capa de 50 a 100 nm de espesor. Esta capa apareció similar a la película de fusión descrita en publicaciones anteriores [8]. Por lo tanto, puede suponerse que la película era silicio fundido que se ha vuelto a solidificar en un estado amorfo. La película se muestra en la Figura 15 con flechas. Se encontraron nanopartículas con un diámetro de alrededor de 100 nm en el pegamento cerca de la capa de resolidificación, Figura 15. El patrón de difracción de electrones del área seleccionada (SAED) del área que contiene nanopartículas muestra una característica amorfa, lo que indica que las nanopartículas no eran cristalinas, Figura 15 b) . Como se indica por el análisis de EDS, figura 16, el área de cola contenía C, O y una pequeña cantidad de Cl, mientras que el Si detectado a partir del área de la cola debería provenir de la oblea de Si. El Cu (pico no visible en la Figura 16) debería provenir del anillo de cobre pegado a la muestra. En el área de nanopartículas, como se indica en la Figura 16 b), el análisis EDS muestra Si, C y O. Aunque C y O pueden provenir del pegamento, la comparación entre la proporción de C y O en el área de cola y la relación de C y O en el área de las nanopartículas sugiere que, al menos parte de las nanopartículas amorfas se han desoxidado.

  El patrón SAED del área del borde del agujero muestra el patrón de difracción del cristal único, Figura 15 c).

Figura 15. Análisis de microestructura en el borde del agujero perforado por pulsos de picosegundos. a) Nanopartículas en el borde del agujero, y patrones de difracción de electrones de área seleccionados desde b) área de nanopartículas yc) oblea de Si.

Figura 16. Análisis de EDS en a) área de pegamento, b) nanopartículas yc) área de oblea de Si.

  En base a las investigaciones de TEM, se puede concluir que, en comparación con los pulsos de nanosegundos, el procesamiento de picosegundo causa efectos térmicos insignificantes en el material original sin signos de daño mecánico. El procesamiento de nanosegundos genera daños térmicos y mecánicos en las paredes del agujero en forma de dislocaciones, refundición y recristalización del material, mientras que la perforación de picosegundos provoca solo una capa fina, de < 100 nm, de resolidificación en la pared del agujero. La superficie quedó parcialmente cubierta por nanopartículas amorfas, que presumiblemente consisten en silicio al menos parcialmente oxidado. Todas estas observaciones indican que se producen más procesos, que se originan a partir de un mayor aporte de calor en el material, durante la perforación con pulsos de nanosegundos que durante la perforación con impulsos de picosegundos.

Conclusiones

  Los surcos y agujeros se han fabricado en obleas de silicio monocristalino de 200 μm utilizando láseres pulsados ​​de 355 nm de nanosegundos y picosegundos. Los resultados de procesamiento han sido medidos y caracterizados usando mediciones ópticas, microscopía TEM y microscopía SEM.

  Los resultados muestran que la tasa de ablación se ve sustancialmente afectada por la energía del pulso durante la ablación de nanosegundos. El aumento en la velocidad de eliminación del material fue más del 600% cuando la energía del pulso se incrementó de 2.3 a 9.2 μJ al disminuir la frecuencia de 200 a 50 kHz. Las pérdidas térmicas tienen un efecto importante en la velocidad de eliminación a las irradiaciones cercanas al umbral de ablación, ya que una mayor fracción del pulso está calentando el material en las fases sólida y líquida en lugar de evaporarse y eliminar el material. Por lo tanto, se puede esperar la dependencia entre la energía del pulso y la velocidad de eliminación del material.

  La ablación con Picosegundo no mostró una relación similar entre la tasa de ablación y la energía del pulso. La tasa de ablación se mantuvo esencialmente similar entre las tasas de repetición de 100 y 500 kHz, que se correlacionan con energías de pulso de 4.6 y 0.9 μJ, respectivamente. El efecto principal de la energía del pulso fue el ancho de la línea ablacionada, que aumentó con el aumento de la energía.

  La eficiencia de ablación de nanosegundos excedió la de la ablación de picosegundos a una frecuencia de 100 kHz, pero a una frecuencia de 200 kHz, la velocidad de eliminación de material del láser ps fue más rápida. En ambos procesos, la perforación y la ablación de surcos, el área de parámetros óptimos para la ablación de nanosegundos fue a una velocidad de repetición inferior a 100 kHz, mientras que el láser de picosegundo arrojó buenos resultados a 100 kHz y superiores.

  Evaluando por imágenes SEM, la calidad de los agujeros perforados con nanosegundos y picosegundos pulsos fue bastante similar. Cuando el láser de nanosegundos fue operado a 30 kHz y el láser de picosegundos a una frecuencia de 100 kHz, los tiempos de perforación fueron iguales. La perforación con láser de nanosegundos se hizo más lenta y finalmente imposible cuando se aumentó la tasa de repetición. La superposición de impulsos excedió el valor factible definido del 80% y también la energía de pulso baja resultante y la irradiancia fueron inadecuadas para eliminar material del capilar, presumiblemente debido a una menor fuerza de retroceso.

  Las investigaciones TEM mostraron que la perforación con láser de nanosegundos resultó en daño térmico y mecánico a la oblea de silicio. La capa afectada en la pared del agujero tenía un espesor de hasta 1 μm y presentaba características amorfas, silicio policristalino y áreas monocristalinas con dislocaciones.

  No se encontró que la perforación pulsada con picosegundos cause daños mecánicos al material. El agujero estaba delineado por una delgada capa, que supuestamente consiste en silicio resolidificado amorfo. El espesor de la capa fue de 50 a 100 nm. No se encontraron daños adicionales al material.