LASER MICROVIA BOHREN UND ABLIEREN VON SILIKON MIT 355 NM PICO UND NANOSECOND PULSES

Abstrakt

  Die Laserablation von Silizium ist aufgrund des schnell wachsenden Interesses an der Laserbearbeitung in der Photovoltaik- und Elektronikindustrie zu einem intensiven Forschungsthema geworden. Verschiedene Lasertypen werden unter anderem für die Kantenisolation, das Nuten, Bohren verwendet, wobei die Pulsbreite vom ultrakurzen Femtosekundenbereich bis zu langen Mikrosekundenpulsen reicht. Die Ergebnisse können abhängig von der von der Laserquelle gelieferten Wellenlänge und Impulsbreite erheblich variieren. In dieser Studie wurden zwei frequenzverdreifachte Nd: YVO4-Laser, die Impulse der Breite 9 bis 12 ps und 9 bis 28 ns liefern, zum Bohren von Löchern und zum Ausbilden von Rillen in Siliziumwafern verwendet. Die Dicke der Wafer betrug 200 um.

  Die Nuttiefe und -geometrie wurden mit einem optischen 3D-Profilierungssystem gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Materialabtragungsrate stark von der Pulsenergie und der Wiederholungsrate beeinflusst wurde, wenn der gepulste Laserstrahl im Nanosekundenbereich verwendet wurde. Mit einem Pikosekunden-Laserstrahl blieb die volumetrische Materialabtragsrate im Bereich von 100 bis 500 kHz ziemlich konstant, aber die Nutbreite und -tiefe variierten.

  Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie wurden zur Charakterisierung der Bohrlöcher verwendet. Mikrostrukturen wurden anhand ausgewählter Flächenelektronenbeugungsmuster untersucht. Den Messungen zufolge induzieren Nanosekundenpulse nicht nur thermische, sondern auch mechanische Schäden an den Lochwänden, während die Pikosekundenverarbeitung nur zu einer dünnen HAZ-Schicht führt, die teilweise mit amorphen Nanopartikeln bedeckt ist.

Einführung

  Die Lasermikrobearbeitung von Silizium ist insbesondere für Anwendungen wie Photovoltaikanwendungen und Mikroelektronik von Interesse. Die Laserablation beinhaltet zahlreiche gleichzeitige Prozesse, einschließlich Erwärmen, Schmelzen, Verdampfen und Ionisierung, wenn der Strahl mit festen, flüssigen, Dampf- und Plasmaphasen an oder nahe der Materialoberfläche interagiert [1]. Die Prozesseigenschaften werden durch die Intensität, Dauer und Wellenlänge des Laserimpulses bestimmt. Kommerziell erhältliche Laser für die Mikrobearbeitung umfassen Laser mit einer Impulsdauer in der Femto-, Pico- und Nanosekunden-Zeitskala. Typische Wellenlängen umfassen Variationen von uv bis nahe ir.

  Femtosekundenpulse sind in vielerlei Hinsicht optimal für die Materialbearbeitung. Im Fall von ultrakurzen Pulsen mit Sub-ps ist die Dauer des Pulses geringer als die charakteristische Thermisierungszeit des Materials, und die Bearbeitung kann mit sehr wenigen thermischen Effekten erfolgen. Insbesondere in dem Niedrigfluenzbereich, in dem die durchschnittliche Ablationsrate durch die optische Eindringtiefe bestimmt wird, sind die thermischen Effekte vernachlässigbar, und es treten nahe Wärmeeinflusszonen von Null auf. [2,3,4] Ein weiterer Vorteil der ultraschnellen Verarbeitung besteht darin, dass die fs-Impulse enden, bevor Material von der Oberfläche ausgestoßen wird. Die gesamte Energie des Impulses wird somit ohne jegliche Laser-Plasma-Wechselwirkung während des Impulses auf dem Probenziel abgeschieden. [1,5] Da die Wärmeleitungsverluste im Material minimal sind und keine Plasmaabschirmung auftritt, ist die Ablationsschwelle der Materialien bei Teilbreiten der Pulsbreiten am geringsten. Mit geringen Impulsenergien kann Material mit äußerster Präzision entfernt werden. Wenn die Pulsenergie oder die Fluenz erhöht wird, dominieren thermische Ablationsprozesse selbst bei Femtosekundenpulsen. Die gesamte Energie des Impulses wird immer noch in das Material abgegeben, die Ablationstiefe wird jedoch durch die effektive Wärmeindringtiefe anstelle der optischen Eindringtiefe bestimmt. Die Ablationsqualität nimmt ab, aber die Abtragungstiefe pro Puls nimmt stark zu [2].

Für Anwendungen in der Bearbeitung müssen Lasersysteme zuverlässig, robust und kostengünstig sein. Da der technische Aufwand mit der Verkürzung der Pulsdauer zunimmt, sollte diese nur so kurz wie nötig sein, um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erzielen [6]. Nanosekundenlaser erfüllen die oben genannten Kriterien größtenteils. Die Technologie ist etabliert und bewährt, ziemlich einfach und kostengünstig. In einigen Fällen ist der Impuls jedoch nicht kurz genug und die Verarbeitungsqualität dieser Laser erfüllt nicht die Anforderungen. Pikosekunden-Laserquellen haben sich als Kompromiss zwischen den beiden vorgenannten Alternativen bewährt.

  Materialbearbeitung mit Laserpulsen mit einer Breite von wenigen Pikosekunden ähnelt weitgehend der Verarbeitung mit hoher Fluenz von Femtosekunden. Die Ablationsschwelle ist etwas höher als für fs-Impulse, hauptsächlich aufgrund von Wärmeleitungsverlusten und Plasmaabschirmung [3]. Bei Impulsen von 1 ps sind die Plasmaeffekte vernachlässigbar und steigen während der Ablation von Gold auf einen Wert von 20% bei 10 ps an, und ähnliche Ergebnisse wurden auch für Silizium erhalten [1]. Insgesamt werden keine drastischen Änderungen in Bezug auf Qualität, thermische Effekte oder Effizienz beobachtet, wenn die Impulsbreite unter 10 ps bleibt, obwohl der Prozess als rein thermischer Natur angesehen werden kann [2,3,6,7]. In einigen Fällen kann die Qualität der ps-Verarbeitung die von fs-Lasern sogar übertreffen. Durch fs-Laser induzierte Druckstöße können zu mechanischen Schäden am Material und zu Gitterfehlern in Silizium führen [8].

  Die Verarbeitung von Nanosekunden-Lasern beinhaltet eine komplexe Mischung von gleichzeitig ablaufenden physikalischen Prozessen. Im Gegensatz zur Femtosekundenverarbeitung interagiert der lange Puls mit Material im festen, flüssigen, Dampf- und Plasmazustand. Je nach Bestrahlungsstärke sind im Ablationsprozess erhebliche Unterschiede zu erkennen. Für eine gegebene Impulsenergie steigt die maximale Schmelztiefe mit längeren Impulsen an, d. H. Mit geringerer Bestrahlungsstärke (Al-Target) [7]. Gleichzeitig sinkt der Rückstoßdruck, der von der Bestrahlungsstärke abhängt [9], und führt zu unvollständigem Schmelzeausstoß aus dem Wechselwirkungsbereich. Zusätzlich zu diesen Effekten ist die Ablationsschwelle höher als die mit fs- und ps-Pulsen beobachtete, hauptsächlich aufgrund von Plasmaabschirmung und größeren Wärmeleitungsverlusten. [7] Studien zum Vergleich von fs- und ns-Impulsen in Bohrungen zeigen sogar doppelt so schnellere Ablationsraten für fs-Impulse im Vergleich zu ns-Impulsen (Silizium, 266 nm Strahlung, 11 J / cm2) [10,11]. Bei hohen Fluenzwerten steigt jedoch die Ablationsrate mit ns-Pulsen stark an und übertrifft siedie von fs und ps Impulsen [7].

  Während der Bearbeitung von ns steigt die Massenablationsrate mit der Laserleistungsdichte nach einer Abhängigkeit des Leistungsgesetzes bis zu einer Bestrahlungsstärke von 0,3 GW / cm2 an, nahezu unabhängig vom Targetmaterial (Messing und Glas, 248 nm KrF-Laser) [12]. An diesem Punkt beginnt die Plasmaabschirmung den letzteren Teil des Pulses zu absorbieren und der Puls wird gedämpft. Plasma reflektiert und streut den Strahl und reduziert die Ablationseffizienz. [12] Experimentelle Daten zeigen, dass die Ablationsrate linear ansteigt, bis eine Bestrahlungsstärke von 10 bis 20 GW / cm2 erreicht wird [13,14,15,16]. Zu diesem Zeitpunkt steigt die Ablationsrate stark an. Dieses Verhalten kann als homogenes Sprengkochen erklärt werden, das nach einer begrenzten Verzögerung für den Ausstoß großer Partikel verantwortlich ist. [14,15,16] Insgesamt kann der Massenausstoß während der Nanosekundenablation durch Elektronenemission im Pikosekundenbereich, atomarer / ionischer Massenausstoß im Nanosekundenbereich und großer Partikelausstoß im Mikrosekundenbereich charakterisiert werden Mikrosekunden [16]

Wenn kurze Nanosekundenpulse oder Pikosekundenpulse verwendet werden, ist die Bestrahlungsstärke typischerweise hoch genug, um die Plasmabildung zu initiieren und zur Plasmaabsorption zu führen. Der Plasmaeinfluss nimmt mit der Pulsdauer, der Leistungsdichte und der Wellenlänge zu. Die gesamte durch die Plasmafahne absorbierte Energie geht jedoch nicht aus dem Prozess verloren, sondern das Plasma kann das Targetmaterial tatsächlich erwärmen [16]. Wenn ein IR-Laser verwendet wird, heizt der Strahl hauptsächlich den Peak der expandierenden Wolke auf, was zu größeren Verlusten führt, während UV-Strahlung hauptsächlich an der Wurzel der Wolke absorbiert und durch die Plasmaabsorption mehr Energie an das Material liefert [17]. Bei einigen Prozessen kann auch die Plasmaabsorption ausgenutzt werden. Wenn beim Bohren mit engen Bohrungen laserinduziertes Plasma gebildet wird, dehnt sich heißes Plasma schnell im Kanal aus und transportiert einen großen Teil seiner Energie durch Umkippen und Strahlung zu den Wänden der Kapillare, was zur radialen Expansion der Bohrung beiträgt. Dieser Effekt kann die Ablation über einen breiten Tiefenbereich stabilisieren. [17]

  In dieser Studie wurde das Bohren und Ablationieren von Silizium untersucht. Ziel war es, die Pico- und Nanosekunden-Verarbeitung von Silizium mit 355 nm ultravioletter Strahlung zu vergleichen. Basierend auf zuvor genannten Daten würden in den meisten Fällen Pico- und Nanosekunden-Laserquellen die bevorzugte Wahl für die Siliziumverarbeitung sein und die UV-Wellenlänge wurde gewählt, um die Absorption zu erhöhen, die optische Eindringtiefe in das darunterliegende Material zu verringern, die Verluste aufgrund der Plasmaabsorption zu verringern und eine Wellenlänge zu erreichen längere Rayleighlänge zusammen mit einem kleineren Brennfleckdurchmesser. Die Ergebnisse wurden basierend auf optischen Messungen, SEM- und TEM-Untersuchungen bewertet.

  Versuchsaufbau

  Experimente mit Nanosekundenpulsen wurden mit einem q-geschalteten Spectra-Physics-HIPPO-Laser bei einer Wellenlänge von 355 nm durchgeführt. Der Strahl wurde durch einen Strahlexpander und einen galvanometrischen Scanner Scanlab Hurryscan 10 mit 100 mm telezentrischer Optik geliefert. Der berechnete Brennfleckdurchmesser betrug 10 µm. Die Pulsbreite des Lasers variierte mit einer Frequenz von 10,2 ns bei 50 kHz, 18,6 ns bei 100 kHz und 28,4 ns bei 200 kHz.

  Für die Picosekunden-Verarbeitungsexperimente wurde ein Lumera-Rapid-Laser verwendet. Die Ausgangswellenlänge des Strahls betrug 355 nm. Der optische Aufbau bestand aus einem Strahlaufweiter und einem Scanlab Scangine 10-Scanner mit einer 100-mm-Fokussierlinse. Der berechnete Brennfleckdurchmesser für den optischen Aufbau betrug 10 um. Die Impulsbreite des Lasers betrug 9 bis 12 ps. Bei allen Versuchen wurde eine Laserleistung von 460 mW verwendet.

  Das für die Experimente verwendete Material war ein 200 um dicker, polierter, ph-dotierter einkristalliner Siliziumwafer. Die Proben wurden nach der Verarbeitung in Aceton mit Ultraschall gereinigt. Lose Partikel und Staub wurden vor der optischen Messung von der Oberfläche gezogen.

  Experimente zur Bestimmung der Ablationsrate mit ns- und ps-Pulsen wurden durchgeführt, indem Rillen auf Siliziumwafern mit variablen Geschwindigkeiten und Wiederholungsraten abgetragen wurden. Nutprofile wurden mit einem optischen 3D-Profilierungssystem von Wyko NT3300 gemessen.

Löcher wurden mit einer speziellen Strahlenganggeometrie durch den Wafer gebohrt, um Material effizienter aus dem Loch zu entfernen. Der Strahl wurde so programmiert, dass er sich entlang eines Kreises von 30 µm für 54 000 Grad bewegt, was 150 Umdrehungen entspricht. Während dieser Bewegung wurde der Strahl entlang einer Kreisbahn mit einer Frequenz von 1500 Hz und einer Amplitude von 12 um oszilliert. Die Bohrzeit betrug 0,78 s. Die Fokusposition wurde für die Zeit der Bohrung auf der Oberfläche festgelegt. Da die Strahlbewegung mit Scannerspiegeln erzeugt wurde, ist nicht bekannt, wie genau der Strahl dem programmierten Pfad folgt. Die Strahlbewegung ist in Abbildung 1 dargestellt. Alle Experimente wurden in Umgebungsluft durchgeführt.

Abbildung 1. Strahlbewegung während des Bohrens. Der gelbe Bereich zeigt die Fleckgröße, der abgetragene Bereich ist grau dargestellt.

  Die Morphologie der Löcher wurde mit einem Hitachi S-2400-Rasterelektronenmikroskop (SEM) bei 25 kV aufgezeichnet. Die Mikrostruktur am Rand der Löcher wurde mit dem bei 200 kV betriebenen Transmissionselektronenmikroskop (TEM) von JEOL FasTEM untersucht. Das TEM ist mit einer Elektronen-Röntgen-Dispersionsspektrometrie (EDS) ausgestattet. Zur TEM-Probenvorbereitung wurden die Löcher mit M-Bond 610-Epoxidharz gefüllt, um die Wand der Löcher nicht durch Ionenstrahlfräsen zu entfernen, wie in der Literatur vorgeschlagen [8]. Die Scheiben wurden dann zwei Stunden bei 120 ° C gehärtet. Beide Scheiben wurden mit Sandpapier von 600er Körnung auf 2400er Körnung geschliffen. Die Enddicke der Scheiben betrug etwa 40 bis 70 um. Da die verdünnten Scheiben sehr zerbrechlich sind, wurden sie mit Kupferringen verklebt, um Halt zu erhalten. Die Scheiben wurden schließlich mit einer Ionenstrahlfräse (Gatan 691 Precision Ion Polishing System-PIPs) bei 5 kV mit 6 ° Neigung poliert, bis der Klebstoffbereich nicht vollständig entfernt wurde.

Resultate und Diskussion

  Rillen auf Silikon

  Nuten wurden auf Siliziumoberflächen bei Geschwindigkeiten von 20, 30, 45, 65, 100, 150, 225, 350 und 500 mm / s abgetragen.

  Die Wiederholungsraten für den Nanosekundenlaser wurden zwischen 20 und 200 kHz und für den Pikosekundenlaser zwischen 100 und 500 kHz variiert. Der Nanosekundenlaser konnte die 460 mW-Leistung bei einer Frequenz von 200 kHz nicht liefern, und die verfügbare Leistung des Pikosekundenlasers war unter 100 kHz begrenzt.

  Der Ablationsprozess wurde auf zwei Arten durch die Scangeschwindigkeit und -frequenz begrenzt. Erstens hatte die Überlappung von Puls zu Puls eine minimale Grenze, unterhalb derer der Materialausstoß aus der Rille unvollständig war, und sich beträchtliche Mengen an Siliciumoxiden innerhalb der Rille zu bilden begannen. Die Obergrenze für die Abtastgeschwindigkeit wurde durch die maximale Puls-Puls-Distanz festgelegt, oberhalb der Pulse statt einer durchgehenden Nut separate Punkte auf der Oberfläche bilden.

  Für die Verarbeitung im Nanosekundenbereich wurde festgestellt, dass im gesamten Parameterbereich von 20 bis 200 kHz reine konsistente Rillen ohne Oxidbildung nur dann erzielt wurden, wenn die Pulsüberlappung weniger als 80 bis 90% betrug. Der Prozess tolerierte eine größere Überlappung, wenn die Pulsenergie niedrig war, d. H. Die Frequenz hoch war. Der mögliche Parameterbereich für die Pikosekundenverarbeitung war breiter. Die Überlappung des Pulses bei 100 und 200 kHz konnte bis zu 97% betragen, bevor die Oxidbildung den Prozess störte.

Aufgrund der Parametergrenzen der beiden Laser konnte ein Kopf-Kopf-Vergleich nur im Frequenzbereich von 100 bis 200 kHz durchgeführt werden. Bei diesen Frequenzen abgetragene Rillen wurden genauer gemessen, um Informationen über die Rillentiefe und die Ablationsrate zu erhalten. Darüber hinaus wurden Nanosekundenexperimente mit einer Wiederholungsrate von 50 kHz durchgeführt und Pikosekundenexperimente wurden bis zu einer Wiederholungsrate von 500 kHz fortgesetzt. Die Abtastgeschwindigkeit wurde auf 225 mm / s eingestellt.

  Das Profil der Rille wurde über die abgetragene Linie gemessen, um die Tiefe und den Querschnittsbereich der abgetragenen und umgeformten Materialien zu zeigen. Der Begriff Rillenvolumen bezieht sich im Folgenden auf das Volumen, das unter der ursprünglichen Oberfläche abgetragen wird. Der Begriff "entferntes Material" bezieht sich auf die Siliziummenge, die vollständig aus der Quelle entfernt wurde. d. h. Nutfläche minus Neufassung. Die Volumenwerte werden hier in Einheiten von µm3 angegeben, dh der fraglichen Fläche, gemessen aus dem Querschnitt, multipliziert mit einer Länge von 1 µm entlang der Länge der Rille. Da die Profile aus einer Linienmessung über die Nut und nicht aus einer Messung des tatsächlichen Volumens abgeleitet werden, sind die Ergebnisse nicht genau. Sie stellen jedoch eine gute Schätzung des durchschnittlichen Querschnitts der Rillen dar.

  Die Ergebnisse zeigen, dass die Ablationsrate mit Nanosekundenpulsen signifikant durch die Frequenz oder die Pulsenergie beeinflusst wurde, während die Ablationsrate mit Pikosekundenpulsen unabhängig von der Frequenz innerhalb des getesteten Parameterbereichs war. Bei Nanosekundenpulsen nahm das Rillenvolumen mit der Pulsenergie deutlich zu. Eine Wiederholrate von 50 kHz, die einer Pulsenergie von 9,2 µJ entspricht, erzeugte eine Rille mit einer Querschnittsfläche von 26,3 µm². Bei dieser Fluenz war die Neufastungsmenge gering und das aus dem Querschnitt der Rille gemessene Volumen betrug 24,2 um3.

Das Erhöhen der Frequenz führte zu einer Rillengeometrie, die schmaler und flacher war als die mit höheren Impulsenergien erzeugte. Auch das relative Volumen der Neufassung im Vergleich zum Rillenvolumen nahm signifikant zu. Bei einer Wiederholungsrate von 200 kHz (2,3 & mgr; J) betrug das Rillenvolumen 5,8 & mgr; m 3, und unter Berücksichtigung der Neufassung betrug das Volumen des entfernten Materials nur 4,0 & mgr; m 3. In diesem Fall wurden mehr als 30% des aus der Nut entfernten Materials an den Rändern der Nut umgeformt und nicht abgetragen. Die Tiefe der Rille schwankte signifikant zwischen 0 und 3,5 µm. Daher wurde das Profil für das 200-kHz-Sample aus einem Durchschnittswert von drei Einzelmessungen abgeleitet, um eine bessere Abschätzung des ablatierten Volumens zu erhalten. Die Querschnitte der mit Nanosekundenpulsen abgetragenen Rillen sind in Abbildung 2 dargestellt. Mit einer Abtastgeschwindigkeit von 225 mm / s unter Verwendung von 50 und 200 kHz Wiederholungsraten abgetragene Rillen sind in Abbildung 3 bzw. Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 2: Gemessene Querschnitte von mit dem Nanosekundenlaser abgetragenen Rillen.

Abbildung 3. Mit Nanosekundenpulsen abgetragene Nut. Abtastgeschwindigkeit 225 mm / s, Wiederholrate 50 kHz.

Abbildung 4. Mit Nanosekundenpulsen abgetragene Nut.

  Abtastgeschwindigkeit 225 mm / s, Wiederholrate 200 kHz.

  Da die Linienenergie in jedem Fall gleich war, ging beim Ablationsprozess ein wesentlich größerer Teil der Laserenergie verloren, als die Wiederholungsrate allmählich von 50 auf 200 kHz erhöht wurde. Diese ErhöhungIn der Frequenz hat sich die Impulsbreite von geändert10,2 ns auf 28,4 ns und die Impulsenergie sinkt von 9,2 auf 2,3 µJ. Beide Faktoren verminderten die mittlere Bestrahlungsstärke im Bereich des Strahls, die sich von 1,15 auf 0,10 GW / cm2 änderte. Gleichzeitig wurde der Prozess instabiler und Schwankungen in der Rillentiefe und -breite wurden deutlicher.

  Längere Impulse können stärker in das laserinduzierte Plasma absorbiert oder von diesem reflektiert werden. Die Schwelle für die Plasmabildung liegt für viele Materialien in der Nähe von 0,3 GW / cm2 [12]. Da die durchschnittliche Bestrahlungsstärke bei 200 kHz nur 0,10 GW / cm 2 betrug und die Peak-Bestrahlungsstärke im Zentrum des Strahls 0,2 GW / cm 2 betrug, sollte die Plasmaabschirmung bei höheren Wiederholungsraten keine Rolle spielen, sondern eher bei niedrigen Frequenzen. Partikel, die über dem Wechselwirkungspunkt schweben, können jedoch den Ablationsprozess beeinflussen, insbesondere bei höheren Wiederholungsraten. Das Ausmaß solcher Interimpuls-Plasma- / Fahneneffekte konnte aufgrund der durchgeführten Experimente nicht abgeschätzt werden.

  Wahrscheinliche Ursachen für niedrige Materialabtragsraten bei hohen Frequenzen stehen im Zusammenhang mit der Impulsbestrahlung. Näher an der Ablationsschwelle mit längeren Pulsen zu arbeiten, führt dazu, dass ein größerer Teil der Pulsenergie zum Erwärmen des Materials in der festen und flüssigen Phase verwendet wird, als zum Verdampfen und Entfernen von Material. Gleichzeitig sinkt der Rückstoßdruck, der proportional zur Einstrahlung ist [9, 18], und verringert den Ausstoß der Schmelze aus der Rille.

  Die Materialentfernung mit ns-Pulsen war ungefähr doppelt so effizient wie mit Pikosekundenpulsen, wenn die Wiederholrate 100 kHz (4,6 µJ Pulsenergie) betrug. Nanosekundenpulse erzeugten ein Rillenvolumen von16,7 µm3 im Vergleich zu den 7,9 µm3 von Pikosekundenpulsen. Bei 200 kHz wurden die Rillen annähernd gleich groß, wobei die Pikosekundenrille ein Volumen von 6,2 um und die Nanosekundenrille 5,8 um aufwies.

  An den Kanten der Pikosekundenrille war jedoch eine geringere Menge an erneutem Silizium enthalten, und die absolute Materialentfernung mit Pikosekundenpulsen betrug 5,8 um und 4,0m3 mit Nanosekundenpulsen. Die Querschnitte der Rillen für Pikosekunden-Experimente sind in dargestelltund 5. Die entfernten Volumina und und die Rillenvolumina werden als Funktion der Wiederholungsrate und der Pulsenergie in 6 dargestellt. Ähnliche Ergebnisse bezüglich der Beziehung zwischen Pulsdauer und Entfernungsraten wurden unter Verwendung eines Zwei-Temperatur-Modells für die Aluminiumablation erhalten [19]. Die Pikosekunden-Laserablation ist im Vergleich zur Nanosekundenablation effizienter, wenn sie etwas oberhalb der Ablationsschwelle von Nanosekundenpulsen betrieben wird. Wenn die Laserfluenz die Ablation der Nanosekunden deutlich übersteigtSchwelle wird die Verarbeitung mit Nanosekundenpulsen wesentlich effizienter.

Abbildung 5: Gemessene Querschnitte der mit dem Pikosekundenlaser abgetragenen Rillen.

Abbildung 6: Querschnittsbereiche für Nuten und entferntes Material.

  Die Wiederholungsrate hatte nur einen geringen Einfluss auf die Materialabtragsrate mit Pikosekundenpulsen, und diese Änderungen können angenähert werden, um innerhalb von Messfehlern zu liegen. Das entnommene Volumen lag in allen Fällen zwischen 5,8 und 6,7 um3 und das Neufastungsvolumen betrug jeweils weniger als 10% des entfernten Materialvolumens. Da die Bestrahlungsstärke bei 100 bis 500 kHz-Frequenzen die Ablationsschwelle von Silizium bei weitem übersteigt, hängt die Ablationsrate eher von der Linienenergie als von der Pulsenergie ab, wie sie bei der Nanosekundenverarbeitung auftritt.

  Der Hauptunterschied zwischen Rillen, die mit niedrigen oder hohen Wiederholungsraten bearbeitet wurden, war die Breite der Rillen, wodurch die Rillen bei hohen Wiederholungsraten tiefer abgetragen wurden. Die bei 500 kHz abgetragene Rille zeigte eine Oberflächemit einer Breite von 15 um, wo eine Laserbehandlung sichtbar ist. Bei 300 und 200 kHz betrug die Breite dieses Bereichs 16 bzw. 18 um. Wenn die Frequenz auf 100 kHz verringert wurde, vergrößerte sich die Breite auf 25 um, wobei Laserablationsspuren bis zu 20 um von der Mittellinie der Spur entfernt waren. Ähnliche Effekte wurden auch bei Spuren beobachtet, die bei niedrigeren Abtastgeschwindigkeiten von 100 und 150 mm / s abgetragen wurden. Die Verbreiterung der abgetragenen Spur mit zunehmender Impulsenergie kann teilweise durch die Zunahme des effektiven Punktdurchmessers erklärt werden, d. H. Des Abschnitts des Gaußschen Profillaserstrahls, in dem die Bestrahlung die Ablationsschwelle überschreitet. Nach Berechnungen sollte der Effekt des effektiven Strahldurchmessers nur im Bereich von wenigen Mikrometern liegen. Eine wahrscheinliche Ursache für diesen Effekt wäre die Plasmaabsorption und die Strahlstreuung. Bei 500 und 100 kHz Frequenz abgetragene Spuren sind in den Abbildungen 7 bzw. 8 dargestellt.

Abbildung 7. Profil der mit ps-Pulsen bei 500 kHz Wiederholrate und 225 mm / s Abtastgeschwindigkeit abgetragenen Nut.

Figure 8. Profil einer mit ps-Pulsen abgetragenen Nut bei 100 kHz Wiederholrate und 225 mm / s Abtastgeschwindigkeit.

  Löcher in Silizium

  Löcher wurden unter Verwendung eines in Fig. 1 gezeigten Abtastpfads durch einen 200 um-Siliziumwafer gebohrt. Die lineare Geschwindigkeit des Strahls betrug 20 mm / s und die Umfangsgeschwindigkeit entlang des oszillierten Pfads betrug etwa 115 mm / s. Anfangs wurden Löcher mit beiden Lasern mit einer Wiederholrate von 100 kHz gebohrt, was zu einer Pulsenergie von 4,6 µJ führte. Der unvollständige Ausstoß von Schmelze und abgetragenem Material schränkte die Verwendung dieser Parameter beim Laserbohren im Nanosekundenbereich ein. Bei der verwendeten Umfangsgeschwindigkeit betrug die Überlappung von Puls zu Puls nahe 90%, und wie aus den Furchenversuchen hervorgeht, erforderte der Nanosekundenlaser eine Überlappung von weniger als 80%, um Material effizient abzutragen. Bei 100 kHz füllte sich das Loch mit Siliciumdioxid, wodurch der ankommende Laserstrahl blockiert und gestreut wurde und durch das Eindringen nicht erreicht werden konnte. Die Frequenz wurde auf 30 kHz reduziert, um saubere Durchgangslöcher in der Probe zu erzeugen. Dies führte zu einem Anstieg der Pulsenergie um 333% und einer Verringerung der Pulsbreite von 18,6 auf ungefähr 9 ns. Insgesamt der DurchschnittDie Intensität über die Fläche des Strahls wurde um einen Faktor 7 auf einen Wert von 2,2 MW / cm² erhöht. Die Spitzenintensität erreichte somit einen Wert von 4,3 MW / cm² in der Mitte des Gaußschen Profilstrahls.

  Mit Nanosekunden- und Pikosekundenpulsen gebohrte Löcher sind in Abbildung 9 bzw. Abbildung 10 dargestellt. Die Bohrzeit betrug in beiden Fällen 0,78 s. Die Unterschiede in den Locheintrittsdurchmessern ergeben sich aus den unterschiedlichen Scannerleistungen.

Abbildung 9. Eingang (links) und Ausgang (rechts) eines mit Nanosekundenpulsen gebohrten Lochs. Impulsenergie 15,3 µJ.

  Eine vorläufige Untersuchung der Eingangsseite zeigt, dass beide Bohrungen in der Qualität ziemlich ähnlich waren. Der Hauptunterschied bestand darin, dass die Rückverfestigungsformationen in den mit Nanosekunden verarbeiteten Proben axial abgeschieden wurden, während die mit Pikosekunden verarbeitete Probe radiale Ringe um die Lochwände aufwies. Die Ausgangsseiten wiesen größere Unterschiede aufImpulsbreite. Die Lochwände im Nanosekundenbereich wurden mit einer scheinbar nachgearbeiteten Schicht bedeckt. Im Fall des Pikosekunden-Lasers sind die Lochwände in der Nähe des Lochausgangs jedoch sehr glatt und zeigen keinerlei Anzeichen von wieder festem Material. Eine längere Bohrzeit hätte zu einer kreisförmigeren / elliptischen Austrittslochgeometrie mit Pikosekundenpulsen geführt. In beiden Fällen wurde der Strahl nach 150 Umdrehungen abgeschaltet, im Wesentlichen ohne Nacharbeit.

Abbildung 10. Eingang (links) und Ausgang (rechts) eines mit Pikosekundenpulsen gebohrten Lochs. Impulsenergie 4,6 µJ.

  TEM-Beobachtungen von der Mitte des 200 um-Wafers aus zeigten, dass die Mikrostruktur an den Rändern der Löcher, die durch Pikosekunden- und Nanosekundenimpulse hergestellt wurden, völlig unterschiedlich war. Abbildung 11 zeigt, dass Defekte (Versetzungen) durch Nanosekundenbohrungen eingeführt wurden, während das Hauptmerkmal des Pikosekunden-Impulsbohrlochs eine Schicht aus Nanopartikeln neben der Lochwand war.

Abbildung 11. Mikrostruktur von Randbereichen von Löchern, die durch Nanosekundenpulse (links) und Pikosekundenpulse (rechts) hergestellt werden.

  Fig. 12 zeigt die durch einen gepulsten Laserstrahl im Nanosekundenbereich eingebrachten Versetzungen. Es wurde festgestellt, dass dieDie Versetzungsrichtung war immer senkrecht zur Oberfläche des Lochs. Die Versetzungen befinden sich im Einkristallsilizium und können durch thermisch induzierte Spannungen während des Bohrens entstehen.

  Wie in 12 gezeigt, enthielt der mit "A" markierte Bereich einige kleine Körner, die kristallin sind, wie durch ausgewählte Elektronen-Diffraktionsmuster (SAED-Muster) angezeigt wird (12b). Eine EDS-Analyse aus dem Bereich "A" zeigte, dass dieser Bereich nur Si enthielt. Der Grund für die Bildung dieser kleinen Körner ist unbekannt. Es gibt jedoch zwei Möglichkeiten; Zum einen rekristallisieren sie sich aus dem durch die Nanosekunden-Impulse zuerst aufgeschmolzenen Recast-Material, zum anderen wird der Bereich A direkt vom Si-Wafer in kleine Körner zerlegt.

  Abbildung 12. a) Versetzungen am Rand der Löcher, die durch einen gepulsten Nanosekundenlaserstrahl eingebracht werden. b) ausgewähltes Flächenelektronenbeugungsmuster aus der Fläche "A".

Die Beobachtung eines anderen Bereichs in der Probe, die mit Nanosekundenpulsen gebohrt wurde, ist in Abbildung 13 dargestellt. Das aus Bereich „B“ erhaltene SAED-Muster zeigt, dass die Nanopartikel in diesem Bereich hauptsächlich aus Si-Nanopartikeln bestehen, obwohl das EDS-Spektrum in diesem Bereich ebenfalls eine geringe Menge an O zeigte. Möglicherweise hat der Klebstoff Sauerstoff oder eine geringe Menge SiO2 beigesteuert.

  In Fig. 14 zeigt die mit "D" markierte Fläche amorphe Merkmale, die Si und eine kleine Menge O enthalten, die ebenfalls aus der Leimfläche stammen könnten.

Abbildung 13. a) Ein weiterer Bereich am Rand eines mit Nanosekunden-Laserpulsen gebohrten Lochs, b) SAED-Muster aus Bereich „B“.

Abbildung 14. Versetzungen und amorphes Si am Rand eines mit Nanosekundenpulsen gebohrten Lochs. SAED-Muster der Bereiche C und D werden gezeigt.

  Obwohl Nanosekundenpulse thermische und mechanische Schäden an den Lochwänden verursachen, betrug die Dicke der beschädigten Schicht zwischen der äußeren Ostschicht des modifizierten Materials und einkristallinem Silizium an allen untersuchten Stellen weniger als 1 um. Dies legt nahe, dass der hohe Rückstoßdruck, der durch UV-Laserimpulse mit niedriger Wiederholungsrate erzeugt wird, die Schmelze effizient aus dem Loch entfernt und keine wesentliche Neugeschichtung auf der Wand des Lochs gebildet wird. Es ist auch möglich, dass aufgrund der Wellenlänge von 355 nm nur eine geringe Wärmekonvektion zu den Lochwänden durch Plasmaabsorption erzeugt wird und die wärmebeeinflusste Zone dünn bleibt.

  15 zeigt eine genaue Untersuchung der Lochkante, die mit dem Pikosekunden-Laserstrahl hergestellt wurde. Der Siliziumwafer war unbeschädigt und bei TEM-Untersuchungen wurden keine mechanischen Defekte gefunden. Das Einkristall-Siliziumwurde durch eine 50 bis 100 nm dicke Schicht umrissen. Diese Schicht schien dem in früheren Veröffentlichungen beschriebenen Schmelzfilm ähnlich zu sein [8]. Es kann somit davon ausgegangen werden, dass es sich bei dem Film um geschmolzenes Silizium handelt, das sich in einen amorphen Zustand zurückverfestigt hat. Der Film ist in Abbildung 15 mit Pfeilen dargestellt. Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa 100 nm wurden im Kleber in der Nähe der Rückverfestigungsschicht gefunden (Abbildung 15). Das ausgewählte Elektronenbeugungsmuster (SAED) aus dem Bereich mit Nanopartikeln zeigt ein amorphes Merkmal, was darauf hinweist, dass die Nanopartikel nicht kristallin waren (Abbildung 15 b). . Wie aus der EDS-Analyse in 16 hervorgeht, enthielt der Klebstoffbereich C, O und eine kleine Menge Cl, während aus dem Klebstoffbereich detektiertes Si aus dem Si-Wafer stammen sollte. Cu (Peak in Abbildung 16 nicht sichtbar) sollte von dem auf die Probe geklebten Kupferring stammen. Wie aus Abbildung 16 b) hervorgeht, zeigt die EDS-Analyse im Nanopartikel-Bereich Si, C und O. Obwohl C und O vom Leim stammen können, ist ein Vergleich zwischen dem Verhältnis von C und O im Leimbereich und dem Verhältnis von C möglich und O im Bereich der Nanopartikel legt nahe, dass mindestens ein Teil der amorphen Nanopartikel desoxidiert wurde.

  Das SAED-Muster aus dem Randbereich des Lochs zeigt das Beugungsmuster eines Einkristalls (Abbildung 15 c).

Abbildung 15. Mikrostrukturanalysen am Rand des mit Pikosekundenpulsen gebohrten Lochs. a) Nanopartikel am Lochrand und ausgewählte Elektronenbeugungsmuster aus b) Nanopartikelbereich und c) Si-Wafer.

Figure 16. EDS-Analysen auf a) Leimfläche, b) Nanopartikeln und c) Si-Waferfläche.

  Aufgrund von TEM-Untersuchungen kann gefolgert werden, dass die Pikosekundenverarbeitung im Vergleich zu Nanosekundenpulsen vernachlässigbare thermische Auswirkungen auf das Ausgangsmaterial ohne Anzeichen einer mechanischen Beschädigung verursacht. Die Verarbeitung im Nanosekundenbereich verursacht sowohl thermische als auch mechanische Schäden an den Lochwänden in Form von Versetzungen, Umschichtung und Rekristallisation des Materials, während das Pikosekunden-Bohren nur eine dünne Verfestigungsschicht von 100 nm an der Lochwand verursacht. Die Oberfläche wurde teilweise von amorphen Nanopartikeln bedeckt, die vermutlich aus mindestens teilweise oxidiertem Silizium bestehen. Alle diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass während des gepulsten Nanosekundenbohrens mehr Prozesse ablaufen, die von einem höheren Wärmeeintrag in das Material herrühren, als während des gepulsten Pikosekundenbohrens.

Schlussfolgerungen

  Nuten und Löcher wurden in 200 um einkristallinen Siliziumwafern unter Verwendung von gepulsten 355-nm-Nanosekunden- und Pikosekunden-Lasern hergestellt. Die Verarbeitungsergebnisse wurden mit optischen Messungen, TEM-Mikroskopie und REM-Mikroskopie gemessen und charakterisiert.

  Die Ergebnisse zeigen, dass die Ablationsrate während der Ablation von Nanosekunden wesentlich von der Pulsenergie beeinflusst wird. Die Zunahme der Materialabtragsrate betrug mehr als 600%, als die Impulsenergie von 2,3 auf 9,2 µJ erhöht wurde, indem die Frequenz von 200 auf 50 kHz verringert wurde. Wärmeverluste haben einen großen Einfluss auf die Abtragungsrate bei Bestrahlungsstärken in der Nähe der Ablationsschwelle, da ein größerer Anteil des Impulses das Material in der festen und flüssigen Phase erwärmt, anstatt zu verdampfen und Material zu entfernen. Daher kann die Abhängigkeit zwischen Pulsenergie und Materialabtragsrate erwartet werden.

  Die Pikosekundenablation zeigte keine ähnliche Beziehung zwischen der Ablationsrate und der Pulsenergie. Die Ablationsrate blieb im Wesentlichen zwischen Wiederholungsraten von 100 und 500 kHz, die mit 4,6 bzw. 0,9 uJ Pulsenergien korrelieren. Der Haupteffekt der Pulsenergie war die Breite der abgetragenen Linie, die mit zunehmender Energie zunahm.

  Die Ablationseffizienz im Nanosekundenbereich übertraf die der Pikosekunden-Ablation bei einer Frequenz von 100 kHz. Bei einer Frequenz von 200 kHz war die Materialabtragsrate des ps-Lasers jedoch schneller. Bei beiden Prozessen, dem Bohren und der Rillenablation, lag der optimale Parameterbereich für die Ablation von Nanosekunden bei einer Wiederholungsrate von weniger als 100 kHz, während der Pikosekundenlaser bei 100 kHz und darüber gute Ergebnisse lieferte.

  Durch REM-Aufnahmen wird die Qualität der mit Nanosekunden und Pico gebohrten Löcher bewertetzweite Impulse waren ziemlich ähnlich. Wenn der Nanosekundenlaser bei 30 kHz und der Pikosekundenlaser bei einer Frequenz von 100 kHz betrieben wurden, waren die Bohrzeiten gleich. Nanosekunden-Laserbohren wurden langsamer und schließlich unmöglich, wenn die Wiederholungsrate erhöht wurde. Die Pulsüberlappung überschritt den definierten realisierbaren Wert von 80% und auch die resultierende niedrige Pulsenergie und Bestrahlungsstärke reichten nicht aus, um Material aus der Kapillare zu entfernen, vermutlich aufgrund einer verringerten Rückstoßkraft.

  TEM-Untersuchungen haben gezeigt, dass Nanosekunden-Laserbohren zu thermischen und mechanischen Schäden an der Siliziumscheibe führen. Die betroffene Schicht an der Lochwand war bis zu 1 um dick und enthielt amorphe Merkmale, polykristallines Silizium sowie monokristalline Bereiche mit Versetzungen.

  Das gepulste Picosekunden-Bohren verursachte keine mechanischen Schäden am Material. Das Loch wurde von einer dünnen Schicht umrissen, die angeblich aus amorphem wiederverfestigtem Silizium besteht. Die Dicke der Schicht betrug 50 bis 100 nm. Es wurde keine weitere Beschädigung des Materials festgestellt.