PERFURAÇÃO DE MICROVIA A LASER E ABLAÇÃO DE SILICONE USANDO 355 PULSOS NO PICO E NANOSEGUNDO

Abstrato

  A ablação a laser de silício tornou-se um tópico de pesquisa intenso devido ao rápido crescimento do interesse no processamento a laser nas indústrias de energia fotovoltaica e eletrônica. Diferentes tipos de lasers estão sendo usados ​​para isolamento de bordas, usinagem de canais, perfuração, entre outras aplicações, com a largura de pulso variando do regime de femtosegundos ultracurtos até pulsos de microssegundos longos. Os resultados podem variar significativamente dependendo do comprimento de onda e da largura de pulso fornecida pela fonte de laser. Neste estudo, dois lasers Nd: YVO4 triplicados em frequência, com pulsos de 9 a 12 ps (9 a 28 ps) e 9 a 28 ns - foram usados ​​para fazer furos e formar sulcos em pastilhas de silício. A espessura das bolachas foi de 200 µm.

  A profundidade e a geometria do sulco foram medidas usando um sistema de perfil óptico 3D. Os resultados revelaram que a taxa de remoção de material foi grandemente influenciada pela energia de pulso e taxa de repetição quando o feixe de laser pulsado de nanossegundos foi usado. Com o feixe laser de picossegundo, a taxa de remoção de material volumétrico permaneceu bastante constante na faixa de 100 a 500 kHz, mas a largura e a profundidade do sulco variaram.

  Microscopia eletrônica de varredura e transmissão foram utilizadas para caracterizar os orifícios perfurados. Microestruturas foram investigadas por padrões de difração de elétrons de área selecionados. De acordo com as medições, pulsos de nanossegundos induzem não apenas danos térmicos, mas também mecânicos às paredes dos furos, enquanto o processamento de picossegundos resulta apenas em uma fina camada de HAZ, parcialmente coberta com nanopartículas amorfas.

Introdução

  A micro-usinagem a laser de silício é de particular interesse em aplicações como aplicações fotovoltaicas e microeletrônica. A ablação por laser envolve vários processos simultâneos, incluindo aquecimento, fusão, vaporização e ionização, uma vez que o feixe interage com as fases sólida, líquida, vapor e plasma na superfície do material ou próximo dele [1]. As características do processo são determinadas pela intensidade, duração e comprimento de onda do pulso do laser. Lasers comercialmente disponíveis para micro-usinagem incluem lasers com durações de pulso na escala de tempo femto, pico e nanossegundo. Comprimentos de onda típicos incluem variações de uv para próximo.

  Os pulsos de femtosegundos são ideais para o processamento de materiais em muitos aspectos. No caso de pulsos ultracurtos sub-ps, a duração do pulso é menor que o tempo característico de termostatização do material e a usinagem pode ser feita com pouquíssimos efeitos térmicos. Especialmente no regime de baixa fluência no qual a taxa média de ablação é determinada pela profundidade de penetração óptica, os efeitos térmicos são desprezíveis e perto de zero as zonas afetadas pelo calor são experimentadas. [2,3,4] Outra vantagem do processamento ultrarrápido é que os pulsos fs terminam antes de qualquer material ser expulso da superfície. A energia completa do pulso é assim depositada no alvo da amostra sem qualquer interação laser-plasma durante o pulso. [1,5] Uma vez que as perdas de condução de calor dentro do material são mínimas e nenhuma proteção de plasma ocorre, o limiar de ablação dos materiais é o menor em larguras de pulso sub-ps. O material pode ser removido com extrema precisão usando energias de pulso baixas. À medida que a energia do pulso, ou a fluência, é aumentada, os processos de ablação térmica tornam-se mais dominantes mesmo com pulsos de femtosegundos. A energia completa do pulso ainda é fornecida ao material, mas a profundidade de ablação é determinada pela profundidade de penetração efetiva do calor, em vez da profundidade de penetração óptica. A qualidade da ablação é diminuída, mas a profundidade ablacionada por pulso aumenta fortemente [2].

Para aplicações em usinagem, os sistemas a laser precisam ser confiáveis, robustos e acessíveis. Uma vez que o esforço técnico aumenta com o encurtamento da duração do pulso, este último deve ser tão curto quanto necessário, apenas para alcançar um resultado satisfatório [6]. Os lasers de nanossegundo preenchem os critérios acima para a maior parte. A tecnologia é bem estabelecida e comprovada, bastante simples no design e econômica. No entanto, em alguns casos, o pulso não é curto o suficiente e a qualidade de processamento desses lasers não atende aos requisitos. As fontes laser de picossegundos provaram ser um compromisso entre as duas alternativas mencionadas anteriormente.

  O processamento de materiais com pulsos de laser de largura alguns picossegundos se assemelha muito ao processamento de femtosegundos de alta fluência. O limiar de ablação é ligeiramente maior do que para pulsos de fs, principalmente devido a perdas por condução de calor e blindagem de plasma [3]. A 1 ps pulsos os efeitos do plasma são insignificantes, elevando-se a um valor de 20% a 10 ps durante a ablação de ouro e achados semelhantes foram obtidos para o silício também [1]. No geral, nenhuma mudança drástica em termos de qualidade, efeitos térmicos ou eficiência é observada quando a largura do pulso permanece menor que 10 ps, ​​mesmo que o processo possa ser considerado de natureza puramente térmica [2,3,6,7]. Em alguns casos, a qualidade do processamento de ps pode até exceder o dos lasers fs. Os surtos de pressão induzidos por fs-laser podem causar danos mecânicos ao material e defeitos de treliça em silício [8].

  O processamento a laser de nanossegundo envolve uma mistura complexa de processos físicos simultâneos. Em contraste com o processamento de femtosegundos, o pulso longo interage com o material nos estados sólido, líquido, vapor e plasma. Diferenças consideráveis ​​podem ser vistas no processo de ablação dependendo da irradiância. Para uma determinada energia de pulso, a profundidade máxima de fusão aumenta com pulsos mais longos, isto é, menor irradiância (alvo Al) [7]. Ao mesmo tempo, a pressão de recuo, que depende da irradiância [9], diminui causando ejeção incompleta da área de interação. Além desses efeitos, o limiar de ablação é maior do que o observado pelos pulsos de fs e ps, principalmente devido à blindagem de plasma e maiores perdas por condução de calor. [7] Estudos comparando pulsos de fs e ns na perfuração mostram taxas de ablação até duas vezes mais rápidas para pulsos de fs em comparação com pulsos de ns (silício, radiação de 266 nm, 11 J / cm2) [10,11]. No entanto, em altos valores de fluência, a taxa de ablação com pulsos ns aumenta fortemente e excedeo de pulsos fs e ps [7].

  Durante o processamento de ns, a taxa de ablação de massa aumenta com a densidade de potência do laser, dependendo da dependência da lei de potência até uma irradiância de 0,3 GW / cm2, quase independente do material alvo (latão e vidro, laser KrF de 248 nm) [12]. Nesse ponto, a blindagem de plasma começa a absorver a última parte do pulso e o pulso fica atenuado. O plasma refletirá e dispersará o feixe, reduzindo a eficiência da ablação. [12] Dados experimentais mostram que a taxa de ablação continua a aumentar de forma linear até que uma irradiância de 10 a 20 GW / cm2 seja atingida [13,14,15,16]. Neste ponto, a taxa de ablação aumenta acentuadamente. Esse comportamento pode ser explicado como ebulição explosiva homogênea, que é responsável pela ejeção de partículas grandes após um atraso finito. [14,15,16] No geral, a ejeção de massa durante a ablação de nanossegundos pode ser caracterizada por emissão de elétrons em escala de tempo de picosegundos, ejeção de massa atômica / iônica em escala de nanossegundos e ejeção de partículas grandes em microssegundos, continuando até dezenas de microssegundos [16]

Quando pulsos curtos de nanossegundos ou pulsos de picossegundos são usados, a irradiância é tipicamente alta o suficiente para iniciar a formação de plasma e resultar na absorção do plasma. A influência do plasma aumenta com a duração do pulso, densidade de potência e comprimento de onda. Toda a energia absorvida pela pluma de plasma não é, no entanto, perdida do processo, mas o plasma pode de fato aquecer o material alvo [16]. Se um laser ir for usado, o feixe aquece principalmente o pico da pluma em expansão, resultando em maiores perdas, enquanto a radiação UV absorve principalmente na raiz da pluma, entregando mais energia ao material através da absorção do plasma [17]. A absorção de plasma também pode ser explorada em alguns processos. Quando o plasma induzido por laser é formado em perfuração estreita, o plasma quente se expande rapidamente dentro do canal e transporta uma grande fração de sua energia pela cobiça e radiação para as paredes do capilar, contribuindo para a expansão radial do diâmetro interno. Este efeito pode estabilizar a ablação em uma ampla faixa de profundidades. [17]

  Perfuração e ablação de silício foi investigada neste estudo. O objetivo foi comparar o processamento de pico e nanossegundo de silício com radiação ultravioleta de 355 nm. Com base nos dados referenciados anteriormente, as fontes de pico e nanossegundo seriam, na maioria dos casos, as escolhas preferenciais para processamento de silício e comprimento de onda UV para aumentar a absorção, diminuir a profundidade de penetração óptica no material subjacente, diminuir as perdas devido à absorção do plasma e atingir um comprimento de Rayleigh mais longo junto com um diâmetro de foco focal menor. Os resultados foram avaliados com base em medições ópticas, investigações de SEM e TEM.

  Configuração experimental

  Experimentos com pulsos de nanossegundos foram realizados usando um laser HIPPO Spectra-Physics q-switched em comprimento de onda de 355 nm. O feixe foi entregue através de um expansor de feixe e um scanner galvanométrico Scanlab Hurryscan 10 com óptica telecêntrica de 100 mm. O diâmetro do ponto focal calcualted com a configuração foi de 10 µm. A largura de pulso do laser variou com a freqüência de 10,2 ns a 50 kHz, 18,6 ns a 100 kHz e 28,4 ns a 200 kHz.

  Para os experimentos de processamento de picossegundos foi utilizado um laser Lumera Rapid. O comprimento de onda de saída do feixe foi de 355 nm. A configuração óptica compreendia um expansor de feixe e um scanner Scanlab Scangine 10 com uma lente de focagem telecêntrica de 100 mm. O diâmetro do ponto focal calculado para a configuração óptica foi de 10 µm. A largura de pulso do laser era de 9 a 12 ps. A potência do laser de 460 mW foi usada em todos os experimentos.

  O material utilizado para as experiências foi uma pastilha de silício cristalino dopado com Ph polido com Ph com 200 µm de espessura. As amostras foram limpas ultrassonicamente em acetona após o processamento. Partículas soltas e poeira foram retiradas da superfície antes da medição óptica.

  Experimentos para definir a taxa de ablação com pulsos ns e ps foram realizados pela ablação de sulcos em lâminas de silício com velocidades variáveis ​​e taxas de repetição. Perfis Groove foram medidos usando um sistema de perfil óptico 3D Wyko NT3300.

Os furos foram perfurados através da placa usando uma geometria específica do caminho do feixe para remover o material mais eficientemente do furo. O feixe foi programado para se mover ao longo de um círculo de 30 µm para 54.000 graus, igual a 150 rotações. Durante este movimento, o feixe foi oscilado ao longo de um percurso circular a uma frequência de 1500 Hz e uma amplitude de 12 µm. O tempo de perfuração foi de 0,78 s. A posição focal foi ajustada para a superfície durante o tempo da perfuração. Como o movimento do feixe foi criado usando espelhos do scanner, não se sabe com que precisão o feixe segue o caminho programado. O movimento do feixe é apresentado na Figura 1. Todas as experiências foram realizadas em ar ambiente.

Figura 1. Movimento do feixe durante a perfuração. A área amarela mostra o tamanho do ponto, a área ablacionada é mostrada em cinza.

  A morfologia dos orifícios foi registada pelo Microscópio Electrónico de Varrimento (SEM) Hitachi S-2400 operando a 25 kV. A microestrutura na borda dos furos foi estudada pelo Microscópio Eletrônico de Transmissão JEOL FasTEM (TEM) operando a 200kV. O MET é equipado com uma Espectrometria Dispersiva de Raios X de Elétrons (EDS). Para a preparação da amostra de TEM, os orifícios foram preenchidos com epóxi M-Bond 610 para proteger a parede dos orifícios não sendo removida por fresamento de feixe de íons, como sugerido na literatura [8]. Os discos foram então curados durante duas horas a 120 ° C. Ambos os lados dos discos foram moídos por papel de areia desde 600 Grit até 2400 Grit. A espessura final dos discos era de cerca de 40-70 µm. Como os discos afinados são muito frágeis, eles foram colados a anéis de cobre para obter suporte. Os discos foram finalmente polidos por fresadora de feixe de íons (Sistema de Polimento de Precisão Ion Gatan 691 - PIPs) a 5kV com inclinação de 6 ° até a área de cola não ser totalmente removida.

Resultados e discussão

  Sulcos em silício

  Os sulcos foram retirados em superfícies de silício nas velocidades de 20, 30, 45, 65, 100, 150, 225, 350 e 500 mm / s.

  As taxas de repetição para o laser de nanossegundos foram variadas entre 20 e 200 kHz, e para o laser de picosegundos de 100 a 500 kHz. O laser de nanossegundo não conseguiu fornecer a potência de 460 mW acima da frequência de 200 kHz e a energia disponível do laser de picossegundos foi limitada abaixo de 100 kHz.

  O processo de ablação foi limitado pela velocidade de varredura e frequência de duas maneiras. Primeiro, o pulso para sobreposição de pulsos tinha um limite mínimo abaixo do qual a expulsão do material da ranhura estava incompleta e quantidades significativas de óxidos de silício começaram a se formar dentro da ranhura. O limite superior para a velocidade de varredura foi definido pelo pulso máximo até a distância do pulso, acima do qual os pulsos formam pontos separados na superfície em vez de um sulco contínuo.

  Para o processamento de nanossegundos, verificou-se que em todo o intervalo de parâmetros de 20 a 200 kHz, ranhuras limpas e consistentes sem formação de óxido foram alcançadas apenas quando a sobreposição de pulsos foi inferior a 80 a 90%. O processo tolerou uma sobreposição maior quando a energia do pulso estava baixa, isto é, a frequência era alta. A área viável de parâmetros para o processamento de picossegundos foi mais ampla. A sobreposição de pulsos nas frequências de 100 e 200 kHz poderia ser de até 97% antes da formação de óxido começar a interferir no processo.

Devido aos limites de parâmetro dos dois lasers, uma comparação cabeça a cabeça só poderia ser feita na faixa de freqüência de 100 a 200 kHz. Os sulcos ablacionados nessas freqüências foram medidos com mais detalhes para fornecer informações sobre a profundidade do sulco e a taxa de ablação. Além destes, experimentos de nanossegundos foram executados também na taxa de repetição de 50 kHz e os experimentos de picossegundos continuaram até a taxa de repetição de 500 kHz. A velocidade de varredura foi ajustada para 225 mm / s.

  O perfil da ranhura foi medido através da linha ablacionada para revelar a profundidade e a área da secção transversal dos materiais ablacionados e reformulados. O termo volume do sulco aqui em após refere-se ao volume ablacionado abaixo da superfície original. O termo material removido refere-se à quantidade de silício removida completamente da fonte; isto é, área de ranhura menos área de remodelação. Valores de volume aqui são apresentados nas unidades de µ m3, que é a área em questão medida a partir da seção transversal multiplicada por um comprimento de 1 µm ao longo da longitude da ranhura. Como os perfis são derivados de uma medição de linha na ranhura e não de uma medição do volume real, os resultados não são precisos. No entanto, eles representam uma boa estimativa da seção transversal média dos sulcos.

  Os resultados mostram que a taxa de ablação com pulsos de nanossegundos foi significativamente impactada pela freqüência ou pela energia do pulso, enquanto a taxa de ablação com pulsos de picossegundos foi independente da freqüência dentro da área do parâmetro testado. Com pulsos de nanossegundos, o volume do sulco aumentou acentuadamente com a energia do pulso. A taxa de repetição de 50 kHz, igual a 9,2 µJ de energia de pulso, criou uma ranhura com uma área transversal de 26,3 µm2. Nesta fluência, a quantidade de reformulação foi pequena e o volume removido medido a partir da seção transversal da ranhura foi de 24,2 µm3.

O aumento da frequência resultou em uma geometria de ranhura, que era mais estreita e mais rasa do que a criada com energias de pulso mais altas. Além disso, o volume relativo de reformulação em comparação com o volume do sulco aumentou significativamente. A uma taxa de repetição de 200 kHz (2,3 µJ) o volume do sulco foi de 5,8 µm3 e considerando a reformulação, o volume do material removido foi de apenas 4,0 µ m3. Neste caso, mais de 30% do material removido da ranhura estava sendo reformulado nas bordas da ranhura e não ablacionado. A profundidade da ranhura flutuou significativamente entre 0 e 3,5 µm. Portanto, o perfil para a amostra de 200 kHz foi derivado de um valor médio de três medidas individuais, a fim de obter uma melhor estimativa do volume ablacionado. As seções transversais dos sulcos ablacionados com pulsos de nanossegundos são apresentadas na Figura 2. Os sulcos ablacionados à velocidade de varredura de 225 mm / s usando taxas de repetição de 50 e 200 kHz são apresentados na Figura 3 e na Figura 4, respectivamente.

Figura 2: Seções transversais medidas de ranhuras ablacionadas com o laser de nanossegundos.

Figura 3. Ranhura ablacionada por pulsos de nanossegundos. Velocidade de varredura de 225 mm / s, taxa de repetição de 50 kHz.

Figura 4. Ranhura ablacionada por pulsos de nanossegundos.

  Velocidade de varredura de 225 mm / s, taxa de repetição de 200 kHz.

  Como a energia da linha em cada caso era igual, uma parte substancialmente maior da energia do laser estava sendo perdida no processo de ablação quando a taxa de repetição aumentava gradualmente de 50 para 200 kHz. Este aumentona freqüência fez com que a largura de pulso mudasse de10,2 ns a 28,4 ns e a energia do pulso para diminuir de 9,2 para 2,3 µJ. Ambos os fatores reduziram a irradiância média na área do feixe, que passou de 1,15 para 0,10 GW / cm2. Ao mesmo tempo, o processo tornou-se mais instável e as flutuações na profundidade e largura do sulco foram mais evidentes.

  Pulsos mais longos podem ser absorvidos ou refletidos do plasma induzido por laser em maior extensão. O limite para a formação de plasma para muitos materiais é na proximidade de 0,3 GW / cm2 [12]. Como a irradiância média a 200 kHz foi de apenas 0,10 GW / cm2 e o pico de irradiância no centro do feixe foi de 0,2 GW / cm2, a blindagem de plasma não deve desempenhar um papel em taxas de repetição mais altas, mas em baixas freqüências. Partículas pairando acima do ponto de interação podem, no entanto, afetar o processo de ablação, especialmente em altas taxas de repetição. A extensão desses efeitos de plasma / pluma interpulso não pôde ser estimada com base nos experimentos realizados.

  Causas mais prováveis ​​para baixas taxas de remoção de material em altas freqüências estão relacionadas à irradiância do pulso. Trabalhar mais perto do limiar de ablação com pulsos mais longos leva a uma situação em que uma maior parte da energia do pulso está sendo usada para aquecer o material nas fases sólida e líquida do que para evaporar e remover o material. Ao mesmo tempo, a pressão de recuo, que é proporcional à irradiação [9,18], é diminuída, reduzindo a expulsão da fusão do sulco.

  A remoção de material com pulsos de ns foi aproximadamente duas vezes mais eficiente que com pulsos de picossegundos quando a taxa de repetição foi de 100 kHz (4,6 µJ de energia de pulso). Pulsos de nanossegundos criaram um volume de sulco16,7 µm3 em comparação com os pulsos de 7,9 µm3 de picossegundos. A 200 kHz, as ranhuras tornaram-se aproximadamente iguais em volume, com a ranhura de picosegundos sendo 6,2 µ m3 em volume e a ranhura de nanossegundos 5,8 µ m3.

  No entanto, uma menor quantidade de silicone recozido estava presente nas bordas do sulco dos picosegundos e a remoção absoluta do material com pulsos de picosegundos foi de 5,8 µm 3 e 4,0µ m3 com pulsos de nanossegundos. As seções transversais dos sulcos para experimentos de picossegundos são apresentadase Figura 5. Os volumes removidos ee volumes de sulcos são apresentados como uma função da taxa de repetição e energia de pulso na Figura 6. Achados semelhantes sobre a relação entre a duração do pulso e taxas de remoção foram obtidos usando um modelo de duas temperaturas para ablação de alumínio [19] A ablação por laser de picossegundo é mais eficiente em comparação com a ablação de nanossegundos quando operando ligeiramente acima do limiar de ablação de pulsos de nanossegundos. Quando a fluência do laser excede notavelmente a ablação de nanossegundoslimiar, o processamento com pulsos de nanossegundos torna-se substancialmente mais eficiente.

Figura 5: Seções transversais medidas de ranhuras ablacionadas com o laser de picossegundos.

Figura 6: Áreas da seção transversal para ranhuras e material removido.

  A taxa de repetição teve apenas um pequeno efeito na taxa de remoção de material com pulsos de picossegundos e essas mudanças podem ser aproximadas dentro dos erros de medição. O volume removido foi em todos os casos entre 5,8 e 6,7 µm3 e o volume de remodelação foi em cada caso inferior a 10% do volume de material removido. Como a irradiância nas frequências de 100 a 500 kHz excede em muito o limiar de ablação do silício, a taxa de ablação está relacionada com a energia da linha e não com a energia do pulso, conforme experimentado durante o processamento de nanossegundos.

  A principal diferença entre ranhuras usinadas em baixas ou altas taxas de repetição foi a largura da ranhura, tornando as ranhuras ablacionadas em altas taxas de repetição mais profundas. O sulco ablacionado a 500 kHz mostrou uma área de superfíciede largura 15 µm, onde o tratamento a laser é visível. Em 300 e 200 kHz, a largura dessa área era de 16 e 18 µm, respectivamente. Quando a frequência foi reduzida para 100 kHz, a largura aumentou para 25 µm, com traços de ablação a laser até 20 µm da linha central da via. Efeitos semelhantes foram observados em pistas ablacionadas a velocidades de varredura menores de 100 e 150 mm / s também. O alargamento do rasto ablacionado com o aumento da energia de impulsos pode ser parcialmente explicado pelo aumento do diâmetro do ponto eficaz, isto é, a porção do feixe laser de perfil gaussiano, em que a irradiação excede o limiar de ablação. De acordo com os cálculos, o efeito do diâmetro efetivo do feixe deve estar somente na faixa de poucos mícrons. Uma causa mais provável para esse efeito seria a absorção do plasma e a dispersão do feixe. As faixas ablacionadas na frequência de 500 e 100 kHz são apresentadas na Figura 7 e na Figura 8, respectivamente.

Figura 7. Perfil do sulco ablacionado com pulsos ps à taxa de repetição de 500 kHz e velocidade de varredura de 225 mm / s.

Figura 8. Perfil de uma ranhura ablacionada com pulsos ps à taxa de repetição de 100 kHz e velocidade de varredura de 225 mm / s.

  Furos em silício

  Os orifícios foram perfurados através de pastilhas de silício de 200 µm usando um caminho de varredura mostrado na Figura 1. A velocidade linear do feixe foi de 20 mm / s e a velocidade circunferencial ao longo do trajeto oscilado foi de aproximadamente 115 mm / s. Inicialmente foram perfurados furos com ambos os lasers a uma taxa de repetição de 100 kHz, resultando em uma energia de pulso de 4,6 µJ. A expulsão incompleta do material derretido e ablado limitou o uso desses parâmetros na perfuração a laser de nanossegundos. Na velocidade circunferencial utilizada, o pulso de sobreposição de pulso foi próximo a 90% e, como visto nas experiências de sulco, o laser de nanossegundo exigiu menos de 80% de sobreposição para ablação eficiente do material. A 100 kHz, o orifício foi preenchido com bloqueio de dióxido de silício e a dispersão do feixe de laser e a penetração não puderam ser alcançados. A frequência foi reduzida para 30 kHz para criar furos limpos na amostra. Isso resultou em um aumento de 333% na energia do pulso e redução na largura do pulso de 18,6 para aproximadamente 9 ns. No geral, a médiaa intensidade na área do feixe foi aumentada em um fator de 7 para um valor de 2,2 MW / cm2. A intensidade do pico atingiu assim um valor de 4,3 MW / cm2 no centro do feixe do perfil gaussiano.

  Furos perfurados com pulsos de nanossegundos e picossegundos são apresentados na Figura 9 e na Figura 10, respectivamente. O tempo de perfuração foi de 0,78 s em ambos os casos. As diferenças nos diâmetros de entrada do furo resultam de diferenças nos desempenhos do scanner.

Figura 9. Entrada (esquerda) e saída (direita) de um furo feito com pulsos de nanossegundos. Energia de pulso 15,3 µJ.

  A investigação preliminar do lado da entrada mostra que ambos os buracos eram bastante semelhantes em qualidade. A principal diferença foi que as formações de resolidificação nas amostras processadas em nanossegundos foram depositadas axialmente, enquanto a amostra processada em picossegundos mostrou anéis radiais ao redor das paredes dos furos. Os lados de saída revelaram maiores diferenças dependendo dolargura do pulso. As paredes de buracos de nanossegundos foram cobertas com o que parece ser uma camada reformulada. Mas, no caso do laser picossegundo, as paredes do orifício perto da saída do orifício são muito suaves e não mostram sinais de qualquer material solidificado. Tempo de perfuração mais longo resultaria em uma geometria de orifício de saída mais circular / elíptica com pulsos de picossegundos. Em ambos os casos, o feixe foi desligado após 150 revoluções, basicamente sem retoques.

Figura 10. Entrada (esquerda) e saída (direita) de um furo feito com pulsos de picossegundos. Energia de pulso 4,6 µJ.

  Observações de TEM do centro da pastilha de 200 µm indicaram que a microestrutura nas bordas dos orifícios fabricados por pulsos de picosegundos e nanossegundos eram totalmente diferentes. A Figura 11 mostra que defeitos (deslocamentos) foram introduzidos por nanossegundos de perfuração, enquanto a principal característica do furo perfurado de picossegundos foi uma camada de nanopartículas adjacentes à parede do furo.

Figura 11. A microestrutura de áreas de borda de furos fabricados por pulsos de nanossegundos (esquerda) e pulsos de picossegundos (direita).

  A figura 12 mostra os deslocamentos introduzidos pelo feixe laser de nanossegundos pulsado. Verificou-se que odireção de deslocamento sempre foi perpendicular à superfície do buraco. As deslocações estão localizadas no silício de cristal único e podem surgir de tensões induzidas termicamente durante a perfuração.

  Como mostrado na Figura 12, a área marcada “A” continha alguns grãos pequenos que são cristalinos, conforme indicado pelos padrões de difração de elétrons de área (SAED), Figura 12 b). A análise EDS da área “A” mostrou que esta área continha apenas Si. A razão da formação destes pequenos grãos é desconhecida. No entanto, existem duas possibilidades; uma delas é que elas recristalizaram do material reformulado primeiro derretido pelos pulsos de nanossegundos, a outra é que a área A foi decomposta em pequenos grãos diretamente da bolacha de Si.

  Figura 12. a) Luxações na borda dos furos introduzidos por feixe de laser pulsado de nanossegundos. b) padrão de difração de elétrons da área selecionada da área “A”.

A observação em outra área na amostra perfurada por pulsos de nanossegundos é mostrada na Figura 13. O padrão SAED obtido da área “B” mostra que as nanopartículas nesta área eram principalmente nanopartículas de Si, embora o espectro EDS também mostrasse uma pequena quantidade de O nessa área. Oxigênio pode ter sido contribuído pela cola, ou uma pequena quantidade de SiO2.

  Na Figura 14, a área marcada como “D” mostra características amorfas contendo Si e uma pequena quantidade de O, que também pode ser contribuída a partir da área de cola.

Figura 13. a) Outra área na borda de um furo perfurado por pulsos de laser de nanossegundos, b) padrões SAED da área “B”.

Figura 14. Deslocações e Si amorfo na borda de um orifício perfurado por pulsos de nanossegundos. Os padrões SAED das áreas C e D são mostrados.

  Embora os pulsos de nanossegundos produzam danos térmicos e mecânicos nas paredes dos furos, a espessura da camada danificada entre a camada externa do material modificado e o silício cristalino único foi em todos os locais investigados com menos de 1 µm. Isto sugere que a alta pressão de recuo gerada pela baixa taxa de repetição de pulsos de laser uv remove eficientemente o derretimento do furo e nenhuma camada de recozimento significativa é formada na parede do furo. É também possível que, devido ao comprimento de onda de 355 nm, apenas uma pequena quantidade de convecção de calor para as paredes do buraco seja gerada através da absorção do plasma, e a zona afectada pelo calor permaneça fina.

  A Figura 15 mostra uma inspeção detalhada na borda do furo fabricado pelo feixe de laser de picossegundos. A bolacha de silício não foi danificada e nenhum defeito mecânico foi encontrado nas investigações do TEM. O silício de cristal únicofoi delineada por uma camada de 50 a 100 nm de espessura. Esta camada apareceu semelhante ao filme de fusão descrito em publicações anteriores [8]. Pode assim assumir-se que o filme era silício fundido que se solidificou num estado amorfo. O filme é mostrado na Figura 15 com setas. Nanopartículas com diâmetro em torno de 100 nm foram encontradas na cola próxima à camada de resolidificação, Figura 15. O padrão de difração de elétrons da área selecionada (SAED) da área contendo nanopartículas apresenta característica amorfa, indicando que as nanopartículas eram não cristalinas, Figura 15 b) . Conforme indicado pela análise EDS, na Figura 16, a área de cola continha C, O e uma pequena quantidade de Cl, enquanto o Si detectado a partir da área de cola deveria ter vindo da pastilha de Si. Cu (pico não visível na Figura 16) deve ter vindo do anel de cobre colado na amostra. Na área de nanopartículas, conforme indicado na Figura 16 b), a análise EDS mostra Si, C e O. Embora o C e O possam vir da cola, a comparação entre a razão de C e O na área de cola e a razão de C e O na área de nanopartículas sugere que, pelo menos parte das nanopartículas amorfas foram desoxidadas.

  O padrão SAED da área da borda do furo mostra o padrão de difração do cristal único, Figura 15 c).

Figura 15. Análises de microestrutura na borda do furo perfurado por pulsos de picossegundos. a) Nanopartículas na borda do furo e padrões de difração de elétrons da área selecionada de b) área de nanopartículas e c) Si wafer.

Figura 16. Análises EDS em a) área de cola, b) nanopartículas e c) Si wafer area.

  Com base nas investigações do TEM, pode-se concluir que, em comparação com pulsos de nanossegundos, o processamento de picossegundos causa efeitos térmicos insignificantes no material parental, sem sinais de dano mecânico. O processamento de nanossegundos gera danos térmicos e mecânicos nas paredes do furo na forma de deslocamentos, material recristalizado e recristalizado, enquanto a perfuração de picossegundos causa apenas uma fina camada de resolidificação de <100 nm na parede do furo. A superfície ficou parcialmente coberta por nanopartículas amorfas, que presumivelmente consistem em pelo menos parcialmente silício oxidado. Todas essas observações indicam que mais processos, que se originam de maior entrada de calor no material, ocorrem durante a perfuração pulsada de nanossegundos do que durante a perfuração pulsada de picossegundos.

  Conclusões

  Foram fabricados sulcos e orifícios em pastilhas de silício cristalino individuais de 200 µm, utilizando laser pulsado de 355 nm nanossegundos e picossegundos. Os resultados do processamento foram medidos e caracterizados usando medições ópticas, microscopia TEM e microscopia SEM.

  Os resultados mostram que a taxa de ablação é substancialmente afetada pela energia do pulso durante a ablação de nanossegundos. O aumento na taxa de remoção de material foi superior a 600% quando a energia do pulso foi aumentada de 2,3 para 9,2 µJ diminuindo a frequência de 200 para 50 kHz. As perdas térmicas têm um efeito importante na taxa de remoção em irradiações próximas ao limiar de ablação, pois uma fração maior do pulso é o aquecimento do material nas fases sólida e líquida, em vez de evaporação e remoção do material. Portanto, a dependência entre energia de pulso e taxa de remoção de material pode ser esperada.

A ablação de picossegundos não exibiu uma relação similar entre a taxa de ablação e a energia do pulso. A taxa de ablação permaneceu essencialmente similar entre as taxas de repetição de 100 e 500 kHz, que se correlacionam com energias de pulso de 4,6 e 0,9 µJ, respectivamente. O principal efeito da energia do pulso foi a largura da linha ablacionada, que aumentou com o aumento da energia.

  A eficiência de ablação de nanossegundos excedeu a da ablação de picossegundos na freqüência de 100 kHz, mas na freqüência de 200 kHz a taxa de remoção de material do laser ps foi mais rápida. Em ambos os processos, perfuração e ablação de sulco, a área de parâmetro ideal para a ablação de nanossegundos foi a taxa de repetição inferior a 100 kHz, onde o laser de picossegundo forneceu bons resultados a 100 kHz e acima.

  Avaliando por imagens SEM, a qualidade dos furos perfurados com nanossegundos e picosegundo pulsos foi bastante semelhante. Quando o laser de nanossegundo foi operado a 30 kHz e o laser de picossegundo na freqüência de 100 kHz, os tempos de perfuração foram iguais. A perfuração a laser em nanossegundos tornou-se mais lenta e, eventualmente, impossível quando a taxa de repetição aumentou. A sobreposição de pulsos excedeu o valor viável definido de 80% e também a baixa energia de pulso e a irradiância resultantes foram inadequadas na remoção do material do capilar, presumivelmente devido a uma diminuição da força de recuo.

  Investigações do TEM mostraram que a perfuração a laser de nanossegundos resultou em danos térmicos e mecânicos na pastilha de silício. A camada afetada na parede do orifício tinha até 1 µm de espessura e continha características amorfas, silício policristalino, bem como áreas monocristalinas com luxações.

  A perfuração pulsada de picossegundos não causou danos mecânicos ao material. O buraco foi delineado por uma camada fina, que supostamente consiste em silício resoluído amorfo. A espessura da camada foi de 50 a 100 nm. Nenhum dano adicional ao material foi encontrado.