FORAGE DE MICROVIA PAR LASER ET ABLATION DE SILICIUM A L'AIDE DE PULSES PICO ET NANOSECONDES A 355 NM

Abstrait

  L'ablation au laser du silicium est devenue un sujet de recherche intense en raison de l'intérêt croissant pour le traitement au laser dans les industries photovoltaïque et électronique. Différents types de lasers sont utilisés pour l'isolation de bords, le rainurage, le perçage, parmi d'autres applications, avec une largeur d'impulsion allant du régime femtoseconde ultra-bref à des impulsions longues, d'une microseconde. Les résultats peuvent varier de manière significative en fonction de la longueur d'onde et de la largeur d'impulsion délivrées par la source laser. Dans cette étude, deux lasers Nd: YVO4 triplés en fréquence, délivrant des impulsions de largeur comprise entre 9 et 12 ps et entre 9 et 28 ns, ont été utilisés pour percer des trous et former des rainures dans des tranches de silicium. L'épaisseur des plaquettes était de 200 um.

  La profondeur et la géométrie des rainures ont été mesurées à l'aide d'un système de profilage optique 3D. Les résultats ont révélé que le taux d'enlèvement de matière était fortement influencé par l'énergie des impulsions et le taux de répétition lorsque le faisceau laser pulsé d'une nanoseconde était utilisé. Avec un faisceau laser picoseconde, le taux d’enlèvement volumétrique du matériau est resté relativement constant dans la plage de 100 à 500 kHz, mais la largeur et la profondeur de la rainure varient.

  La microscopie électronique à balayage et à transmission a été utilisée pour caractériser les trous forés. Les microstructures ont été étudiées selon des schémas de diffraction d'électrons sélectionnés. Selon les mesures, les impulsions nanosecondes induisent non seulement des dommages thermiques mais également mécaniques aux parois des trous, tandis que le traitement picoseconde ne produit qu'une mince couche HAZ partiellement recouverte de nanoparticules amorphes.

introduction

  Le micro-usinage laser du silicium présente un intérêt particulier dans des applications telles que les applications photovoltaïques et la microélectronique. L'ablation au laser implique de nombreux processus simultanés comprenant le chauffage, la fusion, la vaporisation et l'ionisation lorsque le faisceau interagit avec les phases solide, liquide, vapeur et plasma à la surface du matériau ou à proximité de celle-ci [1]. Les caractéristiques du processus sont déterminées par l'intensité, la durée et la longueur d'onde de l'impulsion laser. Les lasers disponibles dans le commerce pour le micro-usinage comprennent des lasers avec des durées d'impulsion aux échelles de temps femto, pico et nanosecondes. Les longueurs d'onde typiques comprennent les variations d'uv à proche ir.

Les impulsions femtosecondes sont optimales pour le traitement des matériaux à de nombreux égards. Dans le cas d'impulsions ultra-courtes inférieures à ps, la durée de l'impulsion est inférieure au temps caractéristique de thermalisation du matériau et l'usinage peut être effectué avec très peu d'effets thermiques. Surtout dans le régime à faible fluence dans lequel le taux moyen d'ablation est déterminé par la profondeur de pénétration optique, les effets thermiques sont négligeables et des zones affectées thermiquement proches de zéro sont atteintes. [2,3,4] Un autre avantage du traitement ultra-rapide est que les impulsions fs se terminent avant que tout matériau ne soit expulsé de la surface. L'énergie complète de l'impulsion est ainsi déposée sur la cible de l'échantillon sans aucune interaction laser-plasma pendant l'impulsion. [1,5] Étant donné que les pertes de conduction thermique dans le matériau sont minimes et qu’aucun blindage contre le plasma ne se produit, le seuil d’ablation des matériaux est le plus bas pour des largeurs d’impulsions inférieures à ps. Le matériau peut être enlevé avec une extrême précision en utilisant de faibles énergies d'impulsion. À mesure que l'énergie des impulsions, ou la fluence, augmente, les processus d'ablation thermique deviennent plus dominants, même avec des impulsions femtosecondes. L'énergie complète de l'impulsion est toujours délivrée dans le matériau, mais la profondeur d'ablation est déterminée par la profondeur de pénétration de chaleur effective au lieu de la profondeur de pénétration optique. La qualité de l'ablation diminue, mais la profondeur éliminée par impulsion augmente fortement [2].

  Pour les applications d'usinage, les systèmes laser doivent être fiables, robustes et abordables. Etant donné que l'effort technique augmente avec la réduction de la durée de l'impulsion, celle-ci doit être aussi courte que nécessaire, uniquement pour obtenir un résultat satisfaisant [6]. Les lasers à nanosecondes répondent pour la plupart aux critères ci-dessus. La technologie est bien établie et éprouvée, de conception plutôt simple et rentable. Cependant, dans certains cas, l'impulsion n'est pas assez courte et la qualité de traitement de ces lasers ne répond pas aux exigences. Les sources laser picoseconde se sont révélées être un compromis entre les deux alternatives susmentionnées.

  Le traitement des matériaux avec des impulsions laser d'une largeur de quelques picosecondes ressemble en grande partie à celui du traitement femtoseconde à haute fluence. Le seuil d'ablation est légèrement supérieur à celui des impulsions fs, principalement en raison des pertes de conduction thermique et du blindage au plasma [3]. Lors de l'ablation de l'or, les effets du plasma sont négligeables à une impulsion de 1 ps, atteignant une valeur de 20% à 10 ps. Des résultats similaires ont également été obtenus pour le silicium [1]. Globalement, aucun changement drastique en termes de qualité, d'effets thermiques ni d'efficacité n'est observé lorsque la largeur d'impulsion reste inférieure à 10 ps, ​​même si le processus peut être considéré comme de nature purement thermique [2,3,6,7]. Dans certains cas, la qualité du traitement ps peut même dépasser celle des lasers fs. Les surpressions induites par le laser fs peuvent provoquer des dommages mécaniques au matériau et des défauts de réseau dans le silicium [8].

  Le traitement au laser à la nanoseconde implique un mélange complexe de processus physiques simultanés. Contrairement au traitement femtoseconde, la longue impulsion interagit avec le matériau à l'état solide, liquide, à la vapeur et au plasma. Des différences considérables peuvent être observées dans le processus d'ablation en fonction de l'éclairement énergétique. Pour une énergie d'impulsion donnée, la profondeur de fusion maximale augmente avec des impulsions plus longues, c'est-à-dire un éclairement énergétique plus faible (cible Al) [7]. Dans le même temps, la pression de recul, qui dépend de l'éclairement énergétique [9], diminue, ce qui provoque une éjection incomplète de la matière en fusion à partir de la zone d'interaction. Outre ces effets, le seuil d'ablation est supérieur à celui observé avec les impulsions fs et ps, principalement en raison du blindage du plasma et de pertes de conduction thermique plus importantes. [7] Les études comparant les impulsions fs et ns dans le forage montrent des taux d'ablation même deux fois plus rapides pour les impulsions fs que les impulsions ns (silicium, rayonnement 266 nm, 11 J / cm2) [10,11]. Cependant, à des valeurs de fluence élevées, le taux d’ablation avec ns impulsions augmente fortement et dépassecelui des impulsions fs et ps [7].

Au cours du traitement ns, le taux d'ablation en masse augmente avec la densité de puissance laser suivant une loi de puissance allant jusqu'à un éclairement énergétique de 0,3 GW / cm2, presque indépendant du matériau cible (laiton et verre, laser KrF 248 nm) [12]. À ce stade, le blindage au plasma commence à absorber la dernière partie du pouls et le pouls devient atténué. Le plasma réfléchira et dispersera le faisceau, réduisant l'efficacité de l'ablation. [12] Les données expérimentales montrent que le taux d'ablation continue à augmenter de manière linéaire jusqu'à atteindre une irradiance de 10 à 20 GW / cm2 [13,14,15,16]. À ce stade, le taux d'ablation augmente fortement. Ce comportement peut s’expliquer par une ébullition explosive homogène, responsable de l’éjection de grosses particules après un délai fini. [14,15,16] Globalement, l’éjection de masse au cours de l’ablation en nanosecondes peut être caractérisée par une émission d’électrons à l’échelle de la picoseconde, une éjection de masse atomique / ionique à l’échelle de temps nanoseconde et une éjection de grosses particules à l’échelle de temps de microsecondes [16]

  Lorsque des impulsions courtes, de l'ordre de la nanoseconde ou des impulsions picosecondes, sont utilisées, l'éclairement énergétique est généralement suffisamment élevé pour initier la formation de plasma et entraîner son absorption. L'influence du plasma augmente avec la durée de l'impulsion, la densité de puissance et la longueur d'onde. Cependant, toute l’énergie absorbée par le panache de plasma n’est pas perdue du processus, mais le plasma peut en fait chauffer le matériau cible [16]. Si un laser infrarouge est utilisé, le faisceau chauffe principalement le pic du panache en expansion, ce qui entraîne des pertes plus importantes, tandis que le rayonnement ultraviolet absorbe principalement à la racine du panache, fournissant plus d'énergie au matériau via l'absorption plasmatique [17]. L'absorption plasmatique peut également être exploitée dans certains processus. Lorsqu'un plasma induit par laser est formé dans un forage étroit, le plasma chaud se dilate rapidement à l'intérieur du canal et transporte une grande partie de son énergie par covection et rayonnement jusqu'aux parois du capillaire, contribuant à la dilatation radiale du forage. Cet effet peut stabiliser l'ablation sur une large gamme de profondeurs. [17]

  Le forage et l'ablation de silicium ont été étudiés dans cette étude. L’objectif était de comparer le traitement pico et nanoseconde du silicium en utilisant le rayonnement ultraviolet à 355 nm. Sur la base des données référencées précédentes, les sources laser pico et nanoseconde seraient dans la plupart des cas les choix préférentiels pour le traitement du silicium et la longueur d'onde ultraviolette a été choisie pour augmenter l'absorption, diminuer la profondeur de pénétration optique dans le matériau sous-jacent, diminuer les pertes dues à l'absorption plasmatique et atteindre une longueur de Rayleigh plus longue avec un diamètre de point focal plus petit. Les résultats ont été évalués sur la base de mesures optiques, d'investigations SEM et TEM.

  Montage expérimental

  Des expériences avec des impulsions de nanosecondes ont été effectuées en utilisant un laser HIPPO Spectra-Physics q-switch à une longueur d'onde de 355 nm. Le faisceau a été acheminé via un expandeur et un scanner galvanométrique Scanlab Hurryscan 10 avec optique télécentrique de 100 mm. Le diamètre du point focal calculé avec la configuration était de 10 µm. La largeur d'impulsion du laser variait avec une fréquence de 10,2 ns à 50 kHz, de 18,6 ns à 100 kHz et de 28,4 ns à 200 kHz.

Pour les expériences de traitement picoseconde, un laser Lumera Rapid a été utilisé. La longueur d'onde de sortie du faisceau était de 355 nm. La configuration optique comprenait un extenseur de faisceau et un scanner Scanlab Scangine 10 avec une lentille de mise au point télécentrique de 100 mm. Le diamètre du point focal calculé pour la configuration optique était de 10 µm. La largeur d'impulsion du laser était de 9 à 12 ps. Une puissance laser de 460 mW a été utilisée dans toutes les expériences.

  Le matériau utilisé pour les expériences était une tranche de silicium monocristallin polie, dopée au Ph, épaisse de 200 µm d'épaisseur. Les échantillons ont été nettoyés par ultrasons dans de l'acétone après traitement. Les particules et la poussière en vrac ont été balayées de la surface avant la mesure optique.

  Des expériences pour définir le taux d'ablation avec des impulsions ns et ps ont été réalisées en ablant des rainures sur des tranches de silicium à vitesses et vitesses de répétition variables. Les profils Groove ont été mesurés à l'aide d'un système de profilage 3D optique Wyko NT3300.

  Les trous ont été percés en trépan à travers la plaquette en utilisant une géométrie de chemin de faisceau spécifique pour éliminer les matériaux plus efficacement du trou. Le faisceau a été programmé pour se déplacer sur un cercle de 30 µm à 54 000 degrés, soit 150 rotations. Au cours de ce mouvement, le faisceau a oscillé sur une trajectoire circulaire à une fréquence de 1500 Hz et une amplitude de 12 µm. Le temps de forage était de 0,78 s. La position focale était fixée à la surface pour le moment du forage. Étant donné que le mouvement du faisceau a été créé à l'aide de miroirs de scanner, on ignore comment le faisceau suit précisément le trajet programmé. Le mouvement du faisceau est présenté à la figure 1. Toutes les expériences ont été effectuées à l'air ambiant.

Figure 1. Mouvement du faisceau pendant le forage. La zone jaune indique la taille du point, la zone supprimée apparaît en gris.

  La morphologie des trous a été enregistrée par le microscope électronique à balayage (MEB) Hitachi S-2400 fonctionnant à 25 kV. La microstructure au bord des trous a été étudiée par le microscope électronique à transmission (TEM) JEOL FasTEM fonctionnant à 200 kV. Le TEM est équipé d'une spectrométrie de dispersion par rayons X à électrons (EDS). Pour la préparation des échantillons TEM, les trous ont été remplis d'époxy M-Bond 610 afin de protéger la paroi des trous qui ne sont pas éliminés par broyage par faisceau d'ions, comme suggéré dans la littérature [8]. Les disques ont ensuite été durcis pendant deux heures à 120 ° C. Les deux côtés des disques ont été broyés avec du papier sablé de 600 à 2400 grits. L'épaisseur finale des disques était d'environ 40 à 70 µm. Les disques amincis étant très fragiles, ils ont été collés sur des anneaux de cuivre afin d’obtenir un support. Les disques ont finalement été polis par une fraiseuse à faisceau ionique (système PIP de système de polissage ionique de précision Gatan 691) à 5 kV avec une inclinaison de 6 ° jusqu'à ce que la zone de colle ne soit pas complètement éliminée.

résultats et discussion

  Rainures sur silicium

  Les rainures ont été enlevées sur des surfaces de silicium à des vitesses de 20, 30, 45, 65, 100, 150, 225, 350 et 500 mm / s.

  Les taux de répétition pour le laser nanoseconde variaient entre 20 et 200 kHz et pour le laser picoseconde entre 100 et 500 kHz. Le laser nanoseconde ne pouvait pas fournir la puissance de 460 mW à une fréquence supérieure à 200 kHz et la puissance disponible du laser picoseconde était limitée à moins de 100 kHz.

Le processus d'ablation était limité par la vitesse et la fréquence de balayage de deux manières. Premièrement, le chevauchement des impulsions avait une limite minimale en dessous de laquelle l’expulsion de matériau du sillon était incomplète et des quantités significatives d’oxydes de silicium ont commencé à se former à l’intérieur du sillon. La limite supérieure de la vitesse de balayage était définie par la distance maximale entre impulsions, au-dessus de laquelle les impulsions forment des points distincts sur la surface au lieu d'un sillon continu.

  Pour le traitement en nanosecondes, il a été constaté que dans toute la plage de paramètres comprise entre 20 et 200 kHz, des rainures nettes et cohérentes sans formation d’oxyde étaient réalisées uniquement lorsque le chevauchement des impulsions était inférieur à 80 à 90%. Le processus a toléré un chevauchement plus important lorsque l’énergie des impulsions était basse, c’est-à-dire que la fréquence était élevée. La zone de paramètres réalisable pour le traitement en picosecondes était plus large. Le chevauchement des impulsions aux fréquences de 100 et 200 kHz pourrait atteindre 97% avant que la formation d’oxydes ne commence à perturber le processus.

  En raison des limites de paramètres des deux lasers, une comparaison tête à tête ne peut être effectuée que dans la gamme de fréquences de 100 à 200 kHz. Les rainures enlevées à ces fréquences ont été mesurées plus en détail pour fournir des informations sur la profondeur des rainures et le taux d'ablation. En plus de cela, des expériences en nanosecondes ont également été exécutées à un taux de répétition de 50 kHz et des expériences en picosecondes ont été poursuivies jusqu'à un taux de répétition de 500 kHz. La vitesse de balayage a été réglée à 225 mm / s.

  Le profil de la rainure a été mesuré sur la ligne d'ablation pour révéler la profondeur et la section transversale des matériaux ablatés et refondus. Le terme volume de gorge ci-après fait référence au volume éliminé sous la surface d'origine. Le terme "matériau retiré" désigne la quantité de silicium éliminée complètement de la source; c'est-à-dire la zone de gorge moins la zone de refonte. Les valeurs de volume ici sont présentées en unités de µ m3, qui est la surface en question mesurée à partir de la section transversale multipliée par une longueur de 1 µm le long de la longitude du sillon. Étant donné que les profils sont dérivés d'une mesure de ligne dans le sillon et non d'une mesure du volume réel, les résultats ne sont pas précis. Cependant, ils représentent une bonne estimation de la section transversale moyenne des rainures.

  Les résultats montrent que le taux d'ablation avec des impulsions de nanosecondes était significativement influencé par la fréquence ou l'énergie des impulsions, alors que le taux d'ablation avec des impulsions de picoseconde était indépendant de la fréquence dans la zone de paramètre testée. Avec des impulsions d'une nanoseconde, le volume du groove augmentait nettement avec l'énergie de l'impulsion. Un taux de répétition de 50 kHz, équivalant à 9,2 µJ d'énergie d'impulsion, a créé un sillon avec une surface de section transversale de 26,3 µm2. À cette fluence, la quantité de refonte était faible et le volume retiré mesuré à partir de la section transversale du sillon était de 24,2 µm3.

L'augmentation de la fréquence a entraîné une géométrie de gorge plus étroite et moins profonde que celle créée avec des énergies d'impulsion plus élevées. De plus, le volume relatif de refonte par rapport au volume de gorge a augmenté de manière significative. À un taux de répétition de 200 kHz (2,3 µJ), le volume de la gorge était de 5,8 µm3 et, compte tenu de la refonte, le volume du matériau éliminé n'était que de 4,0 µ m3. Dans ce cas, plus de 30% de la matière retirée de la gorge était en train d'être refondue sur les bords de la gorge et non enlevée. La profondeur du sillon a fluctué de manière significative entre 0 et 3,5 µm. Par conséquent, le profil de l'échantillon de 200 kHz a été dérivé d'une valeur moyenne de trois mesures individuelles, afin d'obtenir une meilleure estimation du volume supprimé. Les sections transversales des rainures supprimées avec des impulsions nanoseconde sont présentées à la figure 2. Les rainures supprimées à une vitesse de balayage de 225 mm / s à l'aide de vitesses de répétition de 50 et 200 kHz sont présentées aux figures 3 et 4, respectivement.

Figure 2: Coupes transversales mesurées de rainures ablatées au laser nanoseconde.

Figure 3. Rainure ablée par impulsions nanoseconde. Vitesse de balayage 225 mm / s, taux de répétition 50 kHz.

Figure 4. Rainure ablée par impulsions d'une nanoseconde.

  Vitesse de balayage 225 mm / s, taux de répétition 200 kHz.

  Comme l’énergie de ligne dans chaque cas était égale, une partie sensiblement plus grande de l’énergie du laser était perdue lors du processus d’ablation lorsque le taux de répétition était augmenté progressivement de 50 à 200 kHz. Cette augmentationdans la fréquence a fait changer la largeur d'impulsion de10,2 ns à 28,4 ns et l’énergie des impulsions doit décroître de 9,2 à 2,3 µJ. Ces deux facteurs ont réduit l'éclairement énergétique moyen dans la zone du faisceau, qui est passé de 1,15 à 0,10 GW / cm2. Dans le même temps, le processus est devenu plus instable et les fluctuations de la profondeur et de la largeur de la rainure étaient plus évidentes.

  Des impulsions plus longues peuvent être absorbées ou réfléchies dans le plasma induit par laser dans une plus grande mesure. Le seuil de formation de plasma pour de nombreux matériaux est d'environ 0,3 GW / cm2 [12]. Étant donné que l'éclairement énergétique moyen à 200 kHz n'était que de 0,10 GW / cm2 et que l'éclairement énergétique de pointe au centre du faisceau était de 0,2 GW / cm2, le blindage au plasma ne devrait pas jouer de rôle aux vitesses de répétition plus élevées, mais plutôt aux basses fréquences. Les particules planant au-dessus du point d'interaction peuvent toutefois affecter le processus d'ablation, en particulier à des taux de répétition plus élevés. L'étendue de ces effets plasma / panache inter-impulsions n'a pas pu être estimée sur la base des expériences menées.

  Des causes plus probables de faibles taux d'enlèvement de matière à hautes fréquences sont liées à l'éclairement énergétique des impulsions. Travailler plus près du seuil d'ablation avec des impulsions plus longues conduit à une situation dans laquelle une plus grande partie de l'énergie des impulsions est utilisée pour chauffer le matériau dans les phases solide et liquide plutôt que pour s'évaporer et éliminer le matériau. Dans le même temps, la pression de recul, proportionnelle à l'irradiation [9,18], diminue, ce qui réduit l'expulsion de la matière en fusion à partir de la gorge.

  L'enlèvement de matière avec des impulsions ns était environ deux fois plus efficace qu'avec des impulsions picosecondes lorsque le taux de répétition était de 100 kHz (énergie d'impulsion de 4,6 µJ). Les impulsions nanoseconde ont créé un volume de groove de16,7 µm3 par rapport aux 7,9 µm3 d’impulsions picoseconde. À 200 kHz, le volume des rainures est devenu à peu près égal, la rainure picoseconde représentant 6,2 µ m3 de volume et la rainure nanoseconde 5,8 µ m3.

  Cependant, une quantité moindre de silicium de refonte était présente aux bords des rainures picosecondes et l'élimination absolue du matériau avec des impulsions picosecondes était de 5,8 µ m 3 et 4,0µ m3 avec des impulsions nanoseconde. Les sections des rainures pour les expériences picosecondes sont présentées danset Figure 5. Les volumes retirés et les volumes de rainures sont présentés en fonction du taux de répétition et de l'énergie des impulsions à la Figure 6. Des résultats similaires concernant la relation entre la durée des impulsions et les taux d'élimination ont été obtenus à l'aide d'un modèle à deux températures pour l'ablation de l'aluminium. [19]. L'ablation laser picoseconde est plus efficace que l'ablation nanoseconde lorsqu'elle fonctionne légèrement au-dessus du seuil d'ablation des impulsions nanosecondes. Lorsque la fluence laser dépasse notablement l'ablation nanosecondeseuil, le traitement avec des impulsions nanosecondes devient sensiblement plus efficace.

Figure 5: Coupes transversales mesurées des rainures ablatées au laser picoseconde.

Figure 6: Zones de section transversale des rainures et du matériau enlevé.

  Le taux de répétition n'a eu qu'un léger effet sur le taux d'enlèvement de matière avec des impulsions picosecondes et ces changements peuvent être approximés pour se situer dans les limites des erreurs de mesure. Le volume éliminé était dans tous les cas compris entre 5,8 et 6,7 µm3 et le volume de refonte était dans chaque cas inférieur à 10% du volume de matériau éliminé. L'éclairement énergétique aux fréquences de 100 à 500 kHz dépassant de loin le seuil d'ablation du silicium, le taux d'ablation est lié à l'énergie de la ligne plutôt qu'à l'énergie des impulsions, comme lors du traitement à la nanoseconde.

  La principale différence entre les rainures usinées à des taux de répétition faibles ou élevés réside dans la largeur de la rainure, ce qui rend les rainures ablatées à des taux de répétition élevés plus profonds. La rainure ablatée à 500 kHz a montré une surfacede largeur 15 µm, où le traitement au laser est visible. À 300 et 200 kHz, la largeur de cette zone était de 16 et 18 µm, respectivement. Lorsque la fréquence a été réduite à 100 kHz, la largeur a été portée à 25 µm, avec des traces d'ablation au laser jusqu'à 20 µm de l'axe de la piste. Des effets similaires ont également été observés sur les pistes soumises à une ablation à des vitesses de balayage inférieures à 100 et 150 mm / s. L'élargissement de la piste éliminée avec l'augmentation de l'énergie des impulsions peut être partiellement expliqué par l'augmentation du diamètre effectif du point, c'est-à-dire la partie du faisceau laser à profil gaussien dans laquelle l'irradiation dépasse le seuil d'ablation. Selon les calculs, l’effet du diamètre effectif du faisceau ne devrait être que de quelques microns. Une cause plus probable de cet effet serait l’absorption du plasma et la diffusion du faisceau. Les pistes supprimées à une fréquence de 500 et 100 kHz sont présentées aux figures 7 et 8, respectivement.

Figure 7. Profil de la gorge ablatée avec des impulsions ps à une fréquence de répétition de 500 kHz et une vitesse de balayage de 225 mm / s.

Figure 8. Profil d'une rainure ablatée avec des impulsions ps à une fréquence de répétition de 100 kHz et une vitesse de balayage de 225 mm / s.

  Trous en silicium

  Des trous ont été forés dans une tranche de silicium de 200 µm en utilisant le chemin de balayage illustré à la figure 1. La vitesse linéaire du faisceau était de 20 mm / s et la vitesse circonférentielle le long du chemin oscillé était d'environ 115 mm / s. Initialement, des trous ont été forés avec les deux lasers à un taux de répétition de 100 kHz, générant une énergie d'impulsion de 4,6 µJ. Une expulsion incomplète du matériau fondu et du matériau ablaté limitait l'utilisation de ces paramètres dans le forage laser à la nanoseconde. À la vitesse circonférentielle utilisée, le chevauchement impulsion à impulsion était proche de 90% et, comme le montrent les expériences de rainure, le laser nanoseconde nécessitait un chevauchement inférieur à 80% pour permettre l’ablation efficace du matériau. À 100 kHz, le trou s'est rempli de dioxyde de silicium bloquant et dispersant le faisceau laser entrant et, par pénétration, impossible à obtenir. La fréquence a été réduite à 30 kHz afin de créer des trous traversants nets dans l'échantillon. Cela a entraîné une augmentation de 333% de l'énergie des impulsions et une réduction de la largeur d'impulsion de 18,6 à environ 9 ns. Dans l'ensemble, la moyennel’intensité sur la surface du faisceau a été multipliée par 7 pour atteindre 2,2 MW / cm2. L'intensité maximale a ainsi atteint une valeur de 4,3 MW / cm2 au centre du faisceau de profil gaussien.

  Les trous percés avec des impulsions de nanosecondes et de picosecondes sont présentés aux figures 9 et 10, respectivement. Le temps de forage était de 0,78 s dans les deux cas. Les différences dans les diamètres d'entrée des trous résultent de différences dans les performances du scanner.

Figure 9. Entrée (à gauche) et sortie (à droite) d'un trou foré avec des impulsions nanosecondes. Énergie d'impulsion 15,3 µJ.

  L’étude préliminaire du côté de l’entrée montre que les deux trous étaient plutôt de qualité similaire. La principale différence était que les formations de resolidification dans les échantillons traités en nanosecondes avaient été déposées axialement, alors que l'échantillon traité en picosecondes présentait des anneaux radiaux autour des parois des trous. Les côtés de sortie ont révélé de plus grandes différences en fonction de lalargeur d'impulsion. Les parois du trou d'une nanoseconde étaient recouvertes de ce qui semble être une couche de refonte. Mais dans le cas du laser picoseconde, les parois du trou près de la sortie du trou sont très lisses et ne montrent aucun signe de matériau resolidifié. Une durée de forage plus longue aurait entraîné une géométrie de trou de sortie plus circulaire / elliptique avec des impulsions picosecondes. Dans les deux cas, le faisceau a été arrêté après 150 tours sans pratiquement aucune retouche.

Figure 10. Entrée (à gauche) et sortie (à droite) d'un trou foré avec des impulsions picosecondes. Energie d'impulsion 4,6 µJ.

  Les observations de MET effectuées au centre de la tranche de 200 µm ont révélé que la microstructure au bord des trous fabriqués par des impulsions picosecondes et nanosecondes était totalement différente. La figure 11 montre que les défauts (dislocations) ont été introduits par un forage à la nanoseconde, tandis que la caractéristique principale du trou foré à impulsions picosecondes était une couche de nanoparticules adjacente à la paroi du trou.

Figure 11. Microstructure des zones de bord des trous fabriqués avec des impulsions de nanosecondes (à gauche) et des impulsions de picosecondes (à droite).

  La figure 12 montre les dislocations introduites par un faisceau laser pulsé nanoseconde. Il a été constaté que leLa direction de la luxation était toujours perpendiculaire à la surface du trou. Les dislocations sont situées dans le silicium monocristallin et peuvent résulter de contraintes thermiques induites lors du forage.

  Comme le montre la figure 12, la zone marquée «A» contient quelques petits grains qui sont cristallins, comme indiqué par les motifs de diffraction électronique en zone sélectionnée (SAED), Figure 12 b). L'analyse EDS de la zone «A» a montré que cette zone ne contenait que du Si. La raison de la formation de ces petits grains est inconnue. Cependant, il y a deux possibilités; l'une est qu'ils ont recristallisé dans le matériau de refonte d'abord fondu par les impulsions d'une nanoseconde, l'autre que la zone A a été décomposée en petits grains directement à partir de la tranche de Si.

  Figure 12. a) Dislocations sur le bord des trous introduits par un faisceau laser pulsé nanoseconde. b) schéma de diffraction d'électrons de la zone sélectionnée à partir de la zone “A”

  La figure 13 montre l'observation d'une autre zone de l'échantillon foré par des impulsions nanosecondes. Le diagramme SAED obtenu à partir de la zone «B» montre que les nanoparticules dans cette zone étaient principalement des nanoparticules de Si, bien que le spectre EDS indique également une faible quantité de O dans cette zone. L'oxygène pourrait provenir de la colle ou d'une petite quantité de SiO2.

  Sur la figure 14, la zone marquée «D» montre des entités amorphes contenant du Si et une petite quantité de O, qui pourraient également provenir de la zone de collage.

Figure 13. a) Une autre zone au bord d'un trou foré par des impulsions laser d'une nanoseconde, b) Diagrammes SAED de la zone “B”.

Figure 14. Dislocations et Si amorphe au bord d'un trou foré par des impulsions d'une nanoseconde. Les motifs SAED des zones C et D sont illustrés.

  Bien que des impulsions nanosecondes produisent des dommages thermiques et mécaniques sur les parois du trou, l'épaisseur de la couche endommagée entre la couche la plus externe du matériau modifié et le silicium monocristallin était inférieure à 1 µm dans tous les sites étudiés. Cela suggère que la pression de recul élevée générée par les impulsions laser ultraviolets à faible taux de répétition élimine efficacement la matière fondue du trou et qu'aucune couche de refonte significative n'est formée sur la paroi du trou. Il est également possible qu'en raison de la longueur d'onde de 355 nm, seule une petite quantité de convection de chaleur sur les parois du trou soit générée par absorption de plasma et que la zone affectée par la chaleur reste mince.

  La figure 15 montre une inspection minutieuse sur le bord du trou fabriqué par le faisceau laser picoseconde. La plaquette de silicium n’a pas été endommagée et aucun défaut mécanique n’a été décelé lors des enquêtes TEM. Le silicium monocristallina été délimité par une couche de 50 à 100 nm d'épaisseur. Cette couche est apparue similaire au film fondu décrit dans les publications précédentes [8]. On peut donc supposer que le film était du silicium fondu qui s'est resolidifié dans un état amorphe. Le film est montré à la figure 15 avec des flèches. Des nanoparticules d’un diamètre d’environ 100 nm ont été trouvées dans la colle près de la couche de resolidification, Figure 15. Le diagramme de diffraction électronique (SAED) sélectionné de la zone contenant les nanoparticules présente une caractéristique amorphe, indiquant que les nanoparticules étaient non cristallines, Figure 15 b). . Comme indiqué par l'analyse EDS, figure 16, la zone de colle contenait C, O et une petite quantité de Cl, tandis que Si détecté dans la zone de colle devait provenir de la tranche de Si. Le cuivre (pic non visible à la figure 16) doit provenir de la bague de cuivre collée sur l’échantillon. Dans la zone des nanoparticules, comme indiqué à la figure 16 b), l'analyse EDS montre Si, C et O. Bien que C et O puissent provenir de la colle, la comparaison entre le rapport C et O dans la zone de la colle et le rapport C et O dans la zone des nanoparticules suggère qu'au moins une partie des nanoparticules amorphes a été désoxydée.

Le motif SAED de la zone de bord du trou montre le motif de diffraction du monocristal, Figure 15 c).

Figure 15. Analyses de la microstructure sur le bord du trou foré par des impulsions picoseconde. a) Nanoparticules au bord du trou et schémas de diffraction d'électrons à zone sélectionnée de b) zone de nanoparticules et c) plaquette de Si.

Figure 16. Analyses EDS sur a) une zone de colle, b) des nanoparticules et c) une zone de plaquette de Si.

  Sur la base d’enquêtes TEM, on peut conclure que, par rapport aux impulsions de nanosecondes, le traitement picoseconde n’entraîne que des effets thermiques négligeables sur le matériau de base, sans aucun signe de dommage mécanique. Le traitement à la nanoseconde génère des dommages thermiques et mécaniques aux parois du trou sous forme de dislocations, de matériaux refendus et recristallisés, tandis que le forage picoseconde ne provoque qu'une mince couche de resolidification sur la paroi du trou. La surface est devenue partiellement recouverte par des nanoparticules amorphes, qui sont probablement constituées de silicium au moins partiellement oxydé. Toutes ces observations indiquent que davantage de processus, résultant d'une plus grande entrée de chaleur dans le matériau, se produisent pendant le forage pulsé nanoseconde par rapport au forage picoseconde pulsé.

  Conclusions

  Des rainures et des trous ont été fabriqués dans des tranches de silicium monocristallin de 200 µm à l’aide de lasers puisés de 355 nm nanosecondes et picosecondes. Les résultats de traitement ont été mesurés et caractérisés à l'aide de mesures optiques, de microscopie TEM et de microscopie SEM.

  Les résultats montrent que le taux d'ablation est sensiblement affecté par l'énergie de l'impulsion lors de l'ablation en nanosecondes. L'augmentation du taux d'enlèvement de matière était supérieure à 600% lorsque l'énergie de l'impulsion passait de 2,3 à 9,2 µJ en réduisant la fréquence de 200 à 50 kHz. Les pertes thermiques ont un effet majeur sur le taux d’élimination pour les irradiations proches du seuil d’ablation, car une fraction plus importante de l’impulsion chauffe le matériau en phases solide et liquide au lieu de s’évaporer et d’enlever le matériau. Par conséquent, on peut s’attendre à une dépendance entre l’énergie des impulsions et le taux d’élimination des matériaux.

  L'ablation en picoseconde n'a pas montré de relation similaire entre le taux d'ablation et l'énergie des impulsions. Le taux d'ablation est resté essentiellement similaire entre les taux de répétition de 100 et 500 kHz, ce qui correspond aux énergies d'impulsion de 4,6 et 0,9 µJ, respectivement. L'effet principal de l'énergie des impulsions était la largeur de la ligne supprimée, qui augmentait avec l'énergie.

  L'efficacité de l'ablation en nanosecondes était supérieure à celle de l'ablation en picosecondes à une fréquence de 100 kHz, mais à une fréquence de 200 kHz, le taux d'enlèvement de matière du laser ps était plus rapide. Dans les deux processus, forage et ablation de rainure, la zone de paramètre optimale pour l'ablation à la nanoseconde était inférieure à 100 kHz, alors que le laser picoseconde donnait de bons résultats à 100 kHz et plus.

  Evaluer par SEM, la qualité des trous percés à la nanoseconde et au picoles secondes impulsions étaient assez similaires. Lorsque le laser nanoseconde était exploité à 30 kHz et le laser picoseconde à une fréquence de 100 kHz, les durées de forage étaient égales. Le forage laser à la nanoseconde est devenu plus lent et finalement impossible lorsque le taux de répétition a été augmenté. Le chevauchement des impulsions a dépassé la valeur réalisable définie de 80%. De plus, la faible énergie d'impulsion et l'éclairement énergétique qui en résultent étaient insuffisants pour éliminer la matière du capillaire, probablement à cause d'une diminution de la force de recul.

Les enquêtes TEM ont montré que le forage laser à la nanoseconde entraînait des dommages thermiques et mécaniques à la tranche de silicium. La couche affectée sur la paroi du trou avait une épaisseur allant jusqu'à 1 µm et contenait des caractéristiques amorphes, du silicium polycristallin ainsi que des zones monocristallines présentant des dislocations.

  Le forage pulsé picoseconde n’a pas causé de dommages mécaniques au matériau. Le trou était délimité par une couche mince, supposée être constituée de silicium amorphe resolidifié. L'épaisseur de la couche était de 50 à 100 nm. Aucun autre dommage au matériel n'a été trouvé.