تصفح الكمية:26 الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 2018-07-09 المنشأ:محرر الموقع
نبذة مختصرة
لقد أصبح الاستئصال بالليزر للسيليكون موضوع بحث مكثف بسبب الاهتمام المتزايد بسرعة في معالجة الليزر في الصناعات الفولتية الضوئية والإلكترونيات. يتم استخدام أنواع مختلفة من الليزر لعزل الحواف ، والحز ، والحفر بين التطبيقات الأخرى ، مع عرض النبض يتراوح من نظام الفمتوثانية الفائق القصر إلى نبضات دقيقة مايكروية طويلة. قد تختلف النتائج بشكل كبير تبعاً لطول الموجة وعرض النبض المسلم بواسطة مصدر الليزر. في هذه الدراسة ، تم استخدام ليزرين من النوع Nd: YVO4 من ثلاثة أجزاء ، بعرض نبضات العرض من 9 إلى 12 ps و 9 إلى 28 ns ، لحفر الثقوب وتشكيل الأخاديد في رقائق السيليكون. كان سمك الرقائق 200 ميكرومتر.
تم قياس عمق الأخدود والهندسة باستخدام نظام التنميط ثلاثي الأبعاد البصري. أوضحت النتائج أن معدل إزالة المادة قد تأثر بشكل كبير من طاقة النبض ومعدل التكرار عندما تم استخدام حزمة الليزر النانوية النانوية. مع شعاع الليزر picosecond بقي معدل إزالة المواد الحجمية ثابتة إلى حد ما في نطاق من 100 إلى 500 كيلو هرتز ، ولكن اختلاف العرض والعمق الأخدود.
تم استخدام المسح الضوئي والمجهري الإلكتروني المجهري لتوصيف الثقوب المحفورة. تم دراسة التركيبات المجهرية بواسطة أنماط محددة من حيود الإلكترون في المنطقة. ووفقاً للقياسات ، فإن نبضات النانوسيكند لا تسبب حرًا حراريًا فحسب ، بل أيضًا ضررًا ميكانيكيًا لجدران الثقب ، بينما ينتج عن المعالجة بالبيكو ثانية فقط طبقة رقيقة من HAZ ، والتي يتم تغطيتها جزئيًا مع جسيمات نانوية غير متبلرة.
المقدمة
الميكروسكوب بالليزر بالسيليكون له أهمية خاصة في التطبيقات مثل التطبيقات الضوئية والإلكترونيات الدقيقة. يتضمن الاستئصال بالليزر العديد من العمليات المتزامنة بما في ذلك التسخين والصهر والتبخير والتأين حيث تتفاعل الحزمة مع مراحل صلبة وسائلة وبخار وبلازما عند أو بالقرب من سطح المادة [1]. يتم تحديد خصائص العملية من خلال كثافة ومدة وطول موجة نبضة الليزر. تتضمن أشعة الليزر المتوفرة تجارياً للميكروماتينج الليزر مع فترات النبض في المقياس الزمني لـ femto و pico و nanosecond. تتضمن الأطوال الموجية النموذجية اختلافات من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة.
تعتبر نبضات Femtosecond مثالية لمعالجة المواد في العديد من الجوانب. في حالة نبضات القصر الفائق الفرعي ، تكون مدة النبضة أقل من زمن التميّز المميز للمادة ويمكن عمل الآلات باستخدام تأثيرات حرارية قليلة جدًا. وبشكل خاص في النظام المنخفض الفلطية الذي يتم فيه تحديد متوسط معدل الاجتثاث بواسطة عمق الاختراق البصري ، فإن التأثيرات الحرارية لا تذكر وأن مناطق قريبة من الصفر تعاني من الحرارة. [2،3،4] ميزة أخرى لمعالجة فائق السرعة هي أن النبضات fs تنتهي قبل أن يتم طرد أي مادة من السطح. وبالتالي يتم ترسيخ الطاقة الكاملة للنبض إلى الهدف العينة دون أي تفاعل ليزر بلازما أثناء النبض. [١.٥] بما أن فقدان التوصيل الحراري داخل المادة يكون ضئيلاً ولا يحدث أي تدريع للبلازما ، فإن عتبة تذويب المواد هي الأقل عند عرض النبضات الفرعية. يمكن إزالة المواد بدقة متناهية باستخدام طاقات النبضة المنخفضة. مع زيادة طاقة النبض ، أو التكاثر ، تصبح عمليات الاجتثاث الحراري أكثر هيمنة حتى مع نبضات الفيمتو ثانية. لا يزال يتم تسليم الطاقة الكاملة للنبض إلى المادة ، ولكن يتم تحديد عمق الاجتثاث بواسطة عمق اختراق الحرارة الفعال بدلاً من عمق الاختراق البصري. يتم تقليل جودة الاجتثاث ولكن يزداد عمق النبضات بشكل كبير [2].
للتطبيقات في التصنيع ، يجب أن تكون أنظمة الليزر موثوقة وقوية ومعقولة التكلفة. بما أن الجهد التقني يزداد مع تقصير مدة النبض ، يجب أن يكون الأخير قصيرًا بقدر الضرورة ، فقط ، لتحقيق نتيجة مرضية [6]. يلبي ليزر Nanosecond المعايير المذكورة أعلاه في معظم الأحيان. التكنولوجيا راسخة ومثبتة ، بسيطة إلى حد ما في التصميم وفعالة من حيث التكلفة. ومع ذلك ، في بعض الحالات ، لا تكون النبضات قصيرة بما يكفي ولا تتوافق جودة معالجة هذه الليزرات مع المتطلبات. أثبتت مصادر ليزر Picosecond نفسها على أنها تسوية بين البدائل المذكورة أعلاه.
تشبه معالجة المواد بنبضات ليزر عرضها بضعة بيكو ثانية بكثير من معالجة الفمتوثانية عالية الفلورة. عتبة الاستئصال أعلى بقليل من النبضات fs-pulses ، ويرجع ذلك أساسا إلى خسائر توصيل الحرارة وحجب البلازما [3]. في 1 ps نبضات آثار البلازما لا يكاد يذكر ، رفع قيمة تصل إلى 20 ٪ في 10 PS خلال الاجتثاث من الذهب وقد تم الحصول على نتائج مماثلة للسيليكون كذلك [1]. وعموما ، لا يلاحظ أي تغييرات جذرية من حيث الجودة والتأثيرات الحرارية ولا الكفاءة عندما يظل عرض النبضة أقل من 10 PS ، على الرغم من أن العملية يمكن اعتبارها حرارية بحتة في طبيعتها [2،3،6،7]. في بعض الحالات ، يمكن أن تتعدى جودة المعالجة بالبرمجة ps من الليزرات fs. يمكن أن تتسبب زيادات الضغط المستحثة بالليزر fs في إحداث ضرر ميكانيكي لعيوب المواد والشبيكة في السيليكون [8].
تشتمل معالجة ليزر النانو ثانية على خليط معقد من العمليات الفيزيائية المتزامنة. على النقيض من معالجة الفيمتو ثانية ، يتفاعل النبض الطويل مع المادة في حالات صلبة وسائلة وبخار وبلازما. يمكن رؤية اختلافات كبيرة في عملية الاجتثاث اعتمادا على الإشعاع. بالنسبة إلى طاقة نبضية معينة ، يزيد أقصى عمق ذوبان مع نبضات أطول ، أي انخفاض الإشعاع (الهدف) [7]. في الوقت نفسه ، يقلل ضغط الارتداد ، الذي يعتمد على الإشعاع [9] ، مما يؤدي إلى خروج غير كامل من منطقة التفاعل. بالإضافة إلى هذه التأثيرات ، فإن عتبة الاجتثاث تكون أعلى من تلك التي لوحظت باستخدام fs و pulses ps ، ويرجع ذلك أساسا إلى حجب البلازما وارتفاع خسائر التوصيل الحراري. [7] تظهر الدراسات التي تقارن بين fs و ns pulses في الحفر ضعف معدلات الاجتثاث لنبضات fs مرتين مقارنة بالنبضات ns (السيليكون ، 266 nm للإشعاع ، 11 J / cm2) [10،11]. ومع ذلك ، عند قيم التكاثر العالي ، يزداد معدل الاجتثاث مع النبضات ns بقوة ويزيدأن fs و ps نبضات [7].
خلال المعالجة بالنواة يرفع معدل الاجتثاث الشامل بكثافة طاقة الليزر بعد اعتماد قانون الطاقة حتى يصل إلى تشعيع قدره 0.3 جيجاوات / سم 2 ، مستقل تقريبا عن المادة المستهدفة (النحاس والزجاج ، 248 نانومتر ، ليزر كلف) [12]. عند هذه النقطة ، يبدأ حجب البلازما في امتصاص الجزء الأخير من النبض وتصبح النبضة ضعيفة. سوف تعكس البلازما وتشتت الشعاع تقلل كفاءة الاجتثاث. [12] تظهر البيانات التجريبية أن معدل الاجتثاث يستمر في الزيادة بطريقة خطية حتى يصل إلى 10 إلى 20 جيجاوات / سم 2 للإشعاع [13،14،15،16]. عند هذه النقطة يزداد معدل الاجتثاث بشكل حاد. يمكن تفسير هذا السلوك على أنه غليان متفجر متجانس ، وهو المسؤول عن طرد الجسيمات الكبيرة بعد تأخير محدود. [14،15،16] بشكل عام ، يمكن وصف القذف الجماعي خلال الاجتثاث النانوسيكند عن طريق انبعاث الإلكترون على مقياس الوقت بيكو ثانية ، الطرد الكتلي الذري / الأيوني على مقياس زمني نانوثاني ، وإخراج الجسيمات الكبيرة على مقياس زمني من ميكروثانية ، والاستمرار إلى عشرات ميكروثانية [16]
عندما يتم استخدام نبضات النانوثانية القصيرة أو نبضات البيكو ثانية ، يكون الإشعاع عادة مرتفعًا بما يكفي لبدء تكوين البلازما وينتج عنه امتصاص البلازما. يزيد تأثير البلازما مع مدة النبض وكثافة القدرة وطول الموجة. غير أن كل الطاقة التي يمتصها عمود البلازما ليست مفقودة من العملية ، ولكن يمكن للبلازما في الواقع تسخين المادة المستهدفة [16]. إذا تم استخدام ليزر الأشعة تحت الحمراء ، فإن الحزمة تسخن بشكل رئيسي ذروة التمدد مما يؤدي إلى خسائر أكبر ، في حين أن الأشعة فوق البنفسجية تمتص بشكل أساسي عند جذر الرماد مما يوفر المزيد من الطاقة إلى المادة عبر امتصاص البلازما [17]. يمكن استغلال امتصاص البلازما في بعض العمليات. عندما تتشكل البلازما التي يسببها الليزر في حفر التجويف الضيقة ، تتوسع البلازما الساخنة بسرعة داخل القناة وتنقل جزءًا كبيرًا من طاقتها عن طريق الرحم والإشعاع إلى جدران الشعيرات الدموية ، مما يساهم في التوسع الشعاعي للحفرة. يمكن لهذا التأثير أن يثبت الاستئصال على مدى واسع من الأعماق. [17]
وقد تم التحقيق في الحفر والاغراق من السيليكون في هذه الدراسة. وكان الهدف من ذلك هو مقارنة المعالجة بالبيانو والنانو ثانية بالسيليكون باستخدام الأشعة فوق البنفسجية 355 نانومتر. استناداً إلى البيانات المرجعية السابقة ، فإن pico ومصادر ليزر nanosecond في معظم الحالات يتم اختيار الخيارات التفضيلية لمعالجة السيليكون والطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية لزيادة الامتصاص ، وتقليل عمق الاختراق الضوئي إلى المادة الأساسية ، وتقليل الخسائر الناتجة عن امتصاص البلازما والوصول إلى أطول طول Rayleigh مع قطر نقطة بؤرية أصغر. وقد تم تقييم النتائج على أساس القياسات البصرية والتحقيقات SEM و TEM.
الإعداد التجريبية
أجريت تجارب على نبضات النانوسيكند باستخدام ليزر HIPPO Spectra-Physics H-PH طور q بجهد 355 نانومتر. تم تسليم الحزمة من خلال موسع شعاع و Scanlab Hurryscan 10 galvanometric scanner مع 100 ملم بصريات مركزية. كان القطر البؤري ذو القيمة المحسوبة مع الإعداد 10 µm. تفاوت عرض النبضة للليزر مع كون التردد 10.2 ns عند kHz 50 ، و 18،6 ns عند kHz 100 و 28،4 ns عند kHz 200.
بالنسبة لتجارب معالجة البيكو ثانية ، تم استخدام ليزر Lumera Rapid. كان طول الموجة الناتج من الحزمة 355 نانومتر. وشمل الإعداد البصري موسع شعاع و Scanlab Scangine 10 الماسح الضوئي مع عدسة تركيز تركيز 100 ملم. كان قطر النقطة المحسوبة المحسوب للإعداد البصري 10 µ m. كان عرض النبض من الليزر 9 إلى 12 PS. تم استخدام طاقة الليزر من 460 ميغاواط في جميع التجارب.
كانت المواد المستخدمة للتجارب عبارة عن رقاقة سليكون بلورية أحادية متبلورة بسماكة 200 ميكرومتر. تم تنظيف العينات في الأسيتون بعد المعالجة. تم سحب الجسيمات الرملية والغبار من السطح قبل القياس البصري.
أجريت تجارب لتحديد معدل الاجتثاث بالنبض ns و pbs من خلال الأخاديد المائلة على رقائق السليكون ذات السرعات المتغيرة ومعدلات التكرار. تم قياس ملفات تعريف Groove باستخدام نظام تعريف ثلاثي الأبعاد بصري لـ Wyko NT3300.
تم حفر الثقوب من خلال الرقاقة باستخدام هندسة مسار شعاع محددة لإزالة المواد بشكل أكثر كفاءة من الفتحة. تم برمجة الحزمة للتحرك على طول دائرة من 30 ميكرومتر لـ 54000 درجة ، أي ما يعادل 150 دوران. خلال هذه الحركة تم اهتزاز الحزمة على طول مسار دائري عند تردد 1500 هرتز وسعة 12 ميكرومتر. كان وقت الحفر 0.78 ثانية. تم ضبط الموضع البؤري على السطح لوقت الحفر. منذ أن تم إنشاء حركة الشعاع باستخدام مرايا الماسح الضوئي ، فإنه من غير المعروف مدى دقة تتبع الحزمة للمسير المبرمج. يتم تقديم حركة الشعاع في الشكل 1. أجريت جميع التجارب في الهواء المحيط.
الشكل 1. حركة الشعاع أثناء الحفر. تعرض المنطقة الصفراء حجم البقعة ، تظهر المنطقة المختلطة باللون الرمادي.
تم تسجيل مورفولوجية الثقوب بواسطة هيتاشي S-2400 Scanning Electron Microscope (SEM) التي تعمل على 25kV. تمت دراسة البنية المجهرية على حافة الثقوب بواسطة JEOL FasTEM Transmission Electron Microscope (TEM) الذي يعمل على 200kV. وقد تم تجهيز TEM مع جهاز قياس الأشعة السينية Electron X-Ray Spectersometry (EDS). بالنسبة لتحضير عينة TEM ، تم ملء الثقوب بإبوكسي M-Bond 610 لحماية جدار الثقوب التي لا يتم إزالتها عن طريق طحن الأيونات كما هو مقترح في الأدبيات [8]. ثم تم الشفاء من الأقراص لمدة ساعتين عند 120 درجة مئوية. طرحت جانبي الأقراص بواسطة ورق رملي من 600 حصى وصولاً إلى 2400 حصى. كانت السماكة النهائية للأقراص حوالي 40-70µم. بما أن الأقراص الرقيقة هشة للغاية ، فقد تم لصقها على حلقات من النحاس للحصول على الدعم. تم تلميع الأقراص في النهاية بواسطة آلة طحن الشعاع الأيوني (Gatan 691 Precision Ion Polishing System-PIPs) عند 5kV مع 6 ° إمالة حتى لا تتم إزالة منطقة الغراء بشكل كامل.
النتائج والمناقشة
الأخاديد على السيليكون
تمت إزالة الأخاديد على سطوح السليكون بسرعات 20 و 30 و 45 و 65 و 100 و 150 و 225 و 350 و 500 مم / ثانية.
تفاوتت معدلات تكرار الليزر النانوسيكوند بين 20 و 200 كيلو هرتز ، وبالنسبة إلى ليزر البيكو ثانية من 100 إلى 500 كيلو هرتز. لم يتمكن ليزر nanosecond من توصيل قدرة mW 460 فوق تردد kHz 200 وكانت الطاقة المتاحة من ليزر picosecond أقل من 100 kHz.
كانت عملية الاجتثاث محدودة بسرعة المسح والتردد بطريقتين. أولاً ، كان للنبض المتداخل للنبضات حدًا أدنى من الحد الأدنى الذي كان تحته الطرد المادي من الأخدود غير مكتمل ، وبدأت كميات كبيرة من أكاسيد السليكون تتشكل داخل الأخدود. تم تعيين الحد الأعلى لسرعة المسح عن طريق الحد الأقصى للنبض إلى مسافة النبض ، والتي تكون فوقها نبضات منفصلة على السطح بدلاً من الأخدود المستمر.
وبالنسبة للمعالجة بالنانو ثانية ، وجد أنه في نطاق المعلمة بكامله من 20 إلى 200 كيلو هرتز ، لم تتحقق أخاديد متسقة نظيفة بدون تشكيل أكسيد إلا عندما تكون نسبة تداخل النبضة أقل من 80 إلى 90٪. تحملت هذه العملية تداخلاً أكبر عندما كانت طاقة النبضة منخفضة ، أي أن التردد كان مرتفعًا. كانت منطقة المعلمات الممكنة للمعالجة بالبيكو ثانية على نطاق أوسع. يمكن أن يصل تداخل النبضة عند ترددات 100 و 200 kHz إلى 97٪ قبل أن يبدأ تشكيل الأكسيد في التداخل مع العملية.
نظرًا لحدود المعلمات للليزرين ، يمكن إجراء مقارنة رأسية فقط في نطاق التردد من 100 إلى 200 كيلو هرتز. تم قياس الأخاديد المتضخمة في هذه الترددات بمزيد من التفصيل لتوفير معلومات حول عمق الأخدود ومعدل الاجتثاث. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء تجارب النانوسيكند أيضا بمعدل تكرار قدره kHz 50 واستمرت تجارب picosecond حتى معدل تكرار kHz 500. تم ضبط سرعة المسح الضوئي إلى 225 ملم / ثانية.
تم قياس بروفايل الأخدود عبر الخط المغزلي ليكشف عن عمق ومساحة المقطع العرضي للمواد المنبعثة والمغلفة. إن حجم groove هنا في بعد يشير إلى حجم ablated تحت السطح الأصلي. يشير المصطلح "مادة تم إزالتها" إلى كمية السليكون التي تمت إزالتها بالكامل من المصدر ؛ أي منطقة الأخدود ناقص منطقة إعادة الصياغة. يتم عرض قيم وحدات التخزين هنا في وحدات µ m3 ، وهي المساحة محل النظر التي تم قياسها من المقطع العرضي مضروبة بطول 1 µ m على طول خط طول الأخدود. بما أن البيانات الجانبية مشتقة من قياس خط عبر الأخدود وليس من قياس الحجم الفعلي ، فإن النتائج ليست دقيقة. ومع ذلك ، فإنها تمثل تقديرًا جيدًا لمتوسط المقطع العرضي للأخاديد.
تظهر النتائج أن معدل الاجتثاث بالنبضات النانوية الثانية تأثر بشكل كبير بالتردد أو طاقة النبض ، في حين أن معدل الاجتثاث بنبضات picosecond كان مستقلاً عن التردد داخل منطقة المعلمة المختبرة. مع نبضات النانوسيكند ، ازداد حجم الأخدود بشكل ملحوظ مع طاقة النبض. معدل تكرار kHz 50 ، يساوي 9.2 µJ طاقة النبض ، خلق أخدود مع منطقة مقطعية عرضية من 26.3 µm 2. عند هذه السلاسة كانت كمية إعادة الصياغة صغيرة وكان الحجم الذي تمت إزالته من المقطع العرضي للخزان 24.2 ميكرومتر.
نتج عن زيادة التكرار في هندسة groove ، والتي كانت أضيق وأقصر من التي تم إنشاؤها مع طاقات أعلى النبض. أيضا الحجم النسبي لإعادة الصهر مقارنة مع حجم الأخدود زيادة كبيرة. في معدل تكرار kHz 200 (2.3 µJ) كان حجم الأخدود 5.8 µm3 وأخذ إعادة الإضافة في الاعتبار ، كان حجم المادة المزالة 4.0 µ م 3 فقط. في هذه الحالة ، يتم إعادة تشكيل أكثر من 30٪ من المادة التي تمت إزالتها من الأخدود على حواف الأخدود وليس إزالتها. تذبذب عمق الأخدود بشكل ملحوظ بين 0 إلى 3.5 ميكرومتر. لذلك ، تم اشتقاق المظهر الجانبي لعينة 200 كيلوهرتز من متوسط قيمة ثلاثة قياسات فردية ، من أجل الحصول على تقدير أفضل للحجم المتضخم. يتم عرض المقاطع العرضية للأخاديد المُبَضَّلة بالنبضات النانوية الثانية في الشكل 2. ويعرض الشكل 3 والشكل 4 الأخاديد المُبطلة بسرعة المسح 225 مم / ثانية باستخدام معدلات تكرار kHz 50 و 200 على التوالي.
الشكل 2: المقاطع العرضية المقاسة من الأخاديد التي تم تضخيمها باستخدام الليزر النانوسيكوند.
الشكل 3. Groove ablated بواسطة نبضات النانوسيكند. سرعة المسح 225 مم / ثانية ، معدل تكرار 50 كيلوهرتز.
الشكل 4. Groove ablated بواسطة النبض النانوسيكند.
سرعة المسح 225 ملم / ثانية ، معدل تكرار 200 كيلو هرتز.
وبما أن طاقة الخط في كل حالة كانت متساوية ، فقد ضاع جزء كبير من طاقة الليزر في عملية الاجتثاث عندما ازداد معدل التكرار تدريجياً من 50 إلى kHz 200. هذه الزيادةفي التردد تسبب في تغيير عرض النبض10.2 ns إلى 28.4 ns والطاقة النبضية للإنخفاض من 9.2 إلى 2.3 µJ. كل من هذه العوامل قللت من متوسط الإشعاع في منطقة الحزمة ، والذي تغير من 1.15 إلى 0.10 جيجاوات / سم 2. في الوقت نفسه ، أصبحت العملية أكثر استقرارًا وكانت التقلبات في عمق الأخدود والعرض أكثر وضوحًا.
يمكن امتصاص نبضات أطول أو تنعكس من البلازما التي يسببها الليزر بدرجة أكبر. تكون عتبة تكوين البلازما للعديد من المواد على مقربة من 0.3 GW / cm2 [12]. وبما أن متوسط الإشعاع عند kHz 200 كان فقط 0.10 GW / cm2 وكان ذروة الإشعاع في مركز الحزمة 0.2 GW / cm2 ، يجب ألا يلعب التدريع البلازمي دورًا في معدلات التكرار الأعلى ، بل عند الترددات المنخفضة. ومع ذلك ، فإن الجسيمات التي تحوم فوق نقطة التفاعل يمكن أن تؤثر على عملية الاجتثاث ، خاصة عند معدلات الرسوب الأعلى. لا يمكن تقدير مدى مثل هذه الآثار بين البلازما / النبضات القائمة على أساس التجارب التي أجريت.
وترتبط الأسباب الأكثر احتمالا لانخفاض معدلات إزالة المواد في الترددات العالية للإشعاع النبضي. إن العمل على مقربة من عتبة الاجتثاث مع نبضات أطول يؤدي إلى وضع يتم فيه استخدام جزء أكبر من طاقة النبضة لتسخين المادة في المراحل الصلبة والسائلة بدلاً من تبخر وإزالة المواد. في نفس الوقت ، ينخفض ضغط الارتداد ، الذي يتناسب مع الإشعاع [9،18] ، مع الحد من طرد الذوبان من الأخدود.
كانت إزالة المادة بالنبضات النانوية أعلى مرتين تقريبًا من الكفاءة مقارنة مع نبضات picosecond عندما كان معدل التكرار 100 كيلوهرتز (4.6 نبضة في الدقيقة). نبضات النانوسيكند خلق حجم أخدود من16.7 ميكرومتر مقارنة مع 7.9 ميكرومتر 3 من نبضات البيكو ثانية. في 200 كيلو هرتز ، أصبحت الأخاديد متساوية تقريباً في الحجم مع الأخدود picosecond الذي يبلغ 6.2 µ م 3 في الحجم وأخدود nanosecond 5.8 µ m3.
ومع ذلك ، كانت كمية أقل من السيليكون المعاد تشكيله موجودة عند حواف الأخدود picosecond وكانت إزالة المادة المطلقة مع نبضات picosecond 5.8 µ m 3 و 4.0µ m3 مع نبضات النانوسيكند. يتم عرض المقاطع العرضية من الأخاديد للتجارب picosecond فيالشكل 5: يتم عرض الكميات المُزالة وأجزاء الأخدود كدالة لمعدل التكرار والطاقة النبضية في الشكل 6. وقد تم الحصول على نتائج مماثلة حول العلاقة بين مدة النبض ومعدلات الإزالة باستخدام نموذج درجة حرارة اثنين لاجتثاث الألومنيوم [19]. يعد التجاوز بالليزر Picosecond أكثر كفاءة بالمقارنة مع الاجتثاث بالنانو ثانية عند تشغيله قليلاً فوق عتبة تذويب النبض النانوسيكند. عندما يتجاوز تذبذب الليزر بشكل ملحوظ عملية استئصال النانوسيكندعتبة ، وتصبح المعالجة مع نبضات النانوسيكند أكثر كفاءة بشكل كبير.
الشكل 5: المقاطع العرضية المقاسة من الأخاديد التي تم تضخيمها باستخدام ليزر بيكو ثانية.
الشكل 6: مناطق المقطع العرضي للأخاديد والمواد المزالة.
وكان لمعدل التكرار تأثير طفيف فقط على معدل إزالة المادة بنبضات picosecond ويمكن تقريب هذه التغيرات لتكون ضمن أخطاء القياس. كان الحجم الذي تمت إزالته في جميع الحالات بين 5.8 و 6.7 ميكرومتر وكان حجم إعادة التعبئة في كل حالة أقل من 10٪ من حجم المواد المزالة. وبما أن الإشعاع عند ترددات kHz 100 إلى 500 يتجاوز بكثير عتبة الاستئصال الخاصة بالسيليكون ، فإن معدل الاجتثاث مرتبط بخط الطاقة بدلاً من طاقة النبض ، مثلما يحدث أثناء المعالجة بالنانوثانية.
كان الفرق الرئيسي بين الأخاديد المشغلة بمعدلات التكرار المنخفضة أو العالية هو عرض الأخدود ، مما أدى إلى اختلاط الأخاديد بمعدلات تكرار عالية بشكل أعمق. أظهر الأخدود الذي تم ملؤه عند 500 كيلو هرتز مساحة سطحمن العرض 15 µ م ، حيث يكون العلاج بالليزر مرئيا. في 300 و 200 kHz ، كان عرض هذه المنطقة 16 و 18 µm ، على التوالي. عندما تم تخفيض التردد إلى 100 كيلو هرتز ، زاد العرض إلى 25 ميكرومتر ، مع وجود آثار للاستخلاص بالليزر تصل إلى 20 ميكرومتر من خط المسار للمسار. شوهدت تأثيرات مشابهة في المسارات المملوءة بسرعات مسح أقل من 100 و 150 ملم / ثانية كذلك. يمكن تفسير توسيع المسار المغمور مع زيادة طاقة النبض جزئيا بزيادة قطر بقعة فعالة ، أي جزء من حزمة الليزر الغاوسي ، حيث يتجاوز التشعيع عتبة الاستئصال. وفقاً للحسابات ، يجب أن يكون تأثير قطر الحزمة الفعالة في مدى بضعة ميكرونات فقط. السبب الأكثر احتمالا لهذا التأثير هو امتصاص البلازما وانتثار الحزمة. يتم عرض المسارات التي تم تضخيمها بتردد 500 و 100 kHz في الشكل 7 والشكل 8 على التوالي.
الشكل 7 - تمزج بروفايل الأخدود مع نبضات ps عند معدل تكرار 500 kHz وسرعة المسح 225 مم / ثانية.
الشكل (8) الشكل الجانبي للأخدود مبعد مع نبضات ps عند معدل تكرار 100 kHz وسرعة المسح 225 مم / ثانية.
ثقوب في السيليكون
تم حفر الثقوب من خلال رقاقة السيليكون 200 ميكرومتر باستخدام مسار المسح الموضح في الشكل 1. كانت السرعة الخطية للحزمة 20 ملم / ثانية وكانت السرعة المحيطية على طول المسار المتذبذب 115 مم / ثانية تقريبًا. في البداية تم حفر ثقوب مع كل من الليزر بمعدل تكرار 100 كيلوهرتز مما أدى إلى طاقة نبضة من 4.6 ميكروجرام. أدى الطرد غير الكامل للمواد المذابة والمذابة إلى الحد من استخدام هذه المعلمات في الحفر بالليزر النانوسيكوند. عند السرعة المحيطة المستخدمة ، كانت النبضات لتراكب النبض قريبة من 90٪ وكما يتضح من تجارب الأخدود ، فإن الليزر النانوسيكوند يتطلب أقل من 80٪ من التراكب مع مادة مملوءة بكفاءة. في 100 كيلو هرتز ، أصبح الثقب ممتلئًا بحجب ثاني أكسيد السيليكون ، كما لم يكن بالإمكان انتثار حزمة الليزر الواردة ، ومن خلال الاختراق ، لم يكن بالإمكان تحقيقه. تم تخفيض التردد إلى 30 كيلو هرتز من أجل إنشاء نظيفة من خلال الثقوب في العينة. نتج عن ذلك زيادة بنسبة 333٪ في طاقة النبض وخفض عرض النبضة من 18.6 إلى حوالي 9 ns. وعموما ، فإن المتوسطتم زيادة كثافة عبر منطقة الحزمة بواسطة عامل من 7 إلى قيمة 2.2 ميجاوات / سم 2. وبذلك بلغت كثافة الذروة 4.3 ميجاوات / سم 2 في مركز الحزمة الجانبية الغاوسية.
يتم عرض الثقوب المحفورة بواسطة النانوسيكند والنبضات البيكو ثانية في الشكل 9 والشكل 10 على التوالي. كان وقت الحفر 0.78 ثانية في كلتا الحالتين. تنتج الاختلافات في أقطار مدخل الثقب عن الاختلافات في أداء الماسح الضوئي.
الرقم 9. مدخل (يسار) والخروج (يمين) من ثقب حفر باستخدام نبضات النانوسيكند. نبض الطاقة 15.3 µJ.
ويبين التحقيق الأولي في جانب المدخل أن كلا الفتحتين متشابهتان من حيث الجودة. وكان الفرق الرئيسي هو أن ترسيمات إعادة التوحيد في العينات التي تمت معالجتها بالنانو ثانية كانت مخزنة بشكل محوري ، في حين أظهرت العينة المعالجة ثنائية البيكو ثانية حلقات دائرية حول جدران الثقب. كشفت جوانب الخروج اختلافات أكبر اعتمادا علىعرض النبض. تم تغطية جدران فتحة النانو ثانية بما يبدو أنه طبقة إعادة طلاء. ولكن في حالة الليزر Picosecond ، فإن الجدران ذات الثقب بالقرب من مخرج الثقب تكون ناعمة للغاية ولا تظهر أي علامات على أي مادة مدمجة. كان من الممكن أن يؤدي الحفر الطويل إلى هندسة دائرية أكبر لثقب الخروج / الإهليلجي مع نبضات picosecond. في كلتا الحالتين تم إيقاف الشعاع بعد 150 دورة مع عدم إعادة صقل بشكل أساسي.
الشكل 10. مدخل (يسار) ومخرج (يمين) لثقب تم حفره باستخدام نبضات picosecond. طاقة النبض 4.6 µJ.
أشارت ملاحظات TEM من مركز الرقاقة البالغ طولها 200 متر إلى أن البنية المجهرية على حواف الثقوب المصنعة بواسطة نبضات picosecond و nanosecond كانت مختلفة تمامًا. ويبين الشكل 11 أن العيوب (الخلع) قد تم إدخالها بواسطة الحفر بالنانو ثانية ، في حين كانت السمة الرئيسية في ثقب ثقب النبض Picosecond عبارة عن طبقة من الجسيمات النانوية المجاورة لجدار الحفرة.
الشكل 11: البنية المجهرية لمناطق حافة الثقوب الملفقة بواسطة نبضات النانوسيكند (يسار) ونبضات picosecond (يمين).
ويبين الشكل 12 الاضطرابات التي أدخلها شعاع الليزر النانوسيكند. وقد وجد أنكان اتجاه الخلع دائمًا متعامدًا على سطح الثقب. تقع الاضطرابات في السيليكون البلّوري الأحادي وقد تنشأ من الضغوط الحرارية الناتجة خلال الحفر.
كما هو مبين في الشكل 12 ، فإن المنطقة التي تحمل العلامة "A" تحتوي على بعض الحبوب الصغيرة التي هي بلورات كما هو محدد بواسطة أنماط حيود إلكترون المنطقة المحددة (SAED) ، الشكل 12 b). أظهر تحليل EDS من منطقة "A" أن هذه المنطقة تحتوي على Si فقط. سبب تكوين هذه الحبوب الصغيرة غير معروف. ومع ذلك هناك احتمالان. واحد هو أنها أعيدت بلورتها من مادة إعادة الصهر التي ذابت أولاً بنبضات النانوسيكند ، والآخر هو أن المنطقة أ تم تقسيمها إلى حبيبات صغيرة مباشرة من رقاقة سي.
الرقم 12. أ) خلع على حافة الثقوب التي قدمها شعاع الليزر النانوسيكند. ب) نمط منطقة حيود إلكترون محدد من المنطقة "أ".
ويوضح الشكل 13 نموذج الملاحظة في منطقة أخرى من العينة التي تم حفرها بواسطة نبضات النانوسيكند. ويوضح الشكل رقم 13 الذي تم الحصول عليه من المنطقة "B" أن الجسيمات النانوية في هذه المنطقة كانت أساسًا جسيمات سيان النانوية على الرغم من أن طيف EDS أظهر أيضًا كمية صغيرة من O في هذه المنطقة. قد يكون الأكسجين قد ساهم به الغراء ، أو كمية صغيرة من SiO2.
في الشكل 14 ، تُظهر المنطقة التي تحمل علامة "D" خصائص غير متبلورة تحتوي على Si وكمية صغيرة من O ، والتي يمكن أيضًا أن تسهم في منطقة الصمغ.
الشكل 13. أ) منطقة أخرى على حافة حفرة تم حفرها بواسطة نبضات النانوسيكند ، ب) أنماط SAED من المنطقة "B".
الرقم 14. الخلع و Si غير المتبلور على حافة حفرة حفرها نبضات النانوسيكند. تظهر أنماط SAED للمناطق C و D.
على الرغم من أن نبضات النانوسيكند تنتج ضررًا حراريًا وميكانيكيًا لجدران الثقب ، فإن سمك الطبقة التالفة بين طبقة السطح الخارجي للمواد المعدلة والسيليكون البلوري الأحادي كان في جميع المواقع التي تم فحصها أقل من 1 ميكرومتر. هذا يشير إلى أن ارتفاع ضغط الارتداد الناتج عن انخفاض معدل نبضات ليزر الأشعة فوق البنفسجية يزيل الذوبان بكفاءة من الفتحة ولا يتم تشكيل طبقة إعادة تشكيل كبيرة على جدار الحفرة. ومن الممكن أيضًا أنه نظرًا لطول موجة 355 نانومتر ، يتم توليد كمية صغيرة فقط من الحمل الحراري إلى جدران الثقب من خلال امتصاص البلازما ، وتظل المنطقة المصابة بالحرارة ضعيفة.
ويبين الشكل 15 الفحص الدقيق على حافة الفتحة الملفقة بواسطة شعاع الليزر picosecond. كان رقاقة السيليكون غير تالفة ولم يتم العثور على عيوب ميكانيكية في تحقيقات TEM. السليكون البلوري المفردتم تحديدها بواسطة طبقة سميكة من 50 إلى 100 نانومتر. ظهرت هذه الطبقة مشابهة لفيلم الذوبان الموصوف في المنشورات السابقة [8]. وبالتالي يمكن افتراض أن الفيلم كان سليكونًا مصهورًا تم تثبيته إلى حالة غير متبلورة. يظهر الفيلم في الشكل 15 بالسهام. تم العثور على الجسيمات النانوية التي يبلغ قطرها حوالي 100 نانومتر في الغراء بالقرب من طبقة التوحيد ، الشكل 15. نمط الحيود الإلكتروني المحدد (SAED) من المنطقة التي تحتوي على جسيمات متناهية الصغر يظهر خاصية غير متبلرة ، مما يشير إلى أن الجسيمات النانوية كانت غير بلورية ، الشكل 15 ب) . كما يتبين من تحليل EDS ، الشكل 16 ، تحتوي منطقة الغراء على C ، O وكمية صغيرة من Cl ، في حين أن Si المكتشفة من منطقة الغراء يجب أن تأتي من رقاقة Si. كان ينبغي أن يكون النحاس (الذروة غير المرئية في الشكل 16) من الحلقة النحاسية الملصقة على العينة. في منطقة جسيمات النانو ، كما هو مبين في الشكل 16 ب) ، يبين تحليل EDS Si و C و O. على الرغم من أن C و O قد يأتيان من الغراء ، مقارنة بين نسبة C و O في منطقة الغراء ونسبة C وتشير O في منطقة جسيمات النانو إلى أنه على الأقل جزء من الجسيمات النانوية غير المتبلورة قد تم إزالة الأكسدة.
يظهر نمط SAED من منطقة حافة الثقب نمط انعراج بلور مفرد ، الشكل 15 ج).
الشكل 15. يحلل البنية المجهرية على حافة الحفرة بواسطة نبضات picosecond. أ) جسيمات نانوية عند حافة الفتحة ، وأنماط حيود إلكترون منطقة مختارة من ب) منطقة جسيمات متناهية الصغر وج) سي رقاقة.
الشكل 16. يحلل EDS على أ) منطقة الغراء ، ب) جسيمات متناهية الصغر وج) منطقة سي ويفر.
استنادًا إلى تحقيقات TEM ، يمكن الاستنتاج أنه بالمقارنة مع نبضات النانوسيكند ، فإن المعالجة بالبيكو ثانية تتسبب في تأثيرات حرارية لا تذكر على المادة الأم مع عدم وجود علامات للضرر الميكانيكي. وتنتج معالجة النانوسيكند ضررًا حراريًا وميكانيكيًا لجدران الثقب في شكل خلوع ، وإعادة صقل وإعادة تبلور المواد ، في حين أن الحفر بالبيكو ثانية لا يؤدي إلا إلى طبقة نحيلة رقيقة ، & lt؛ 100 نانومتر ، إلى جدار الثقب. وقد أصبح السطح مغطى جزئيا بالجزئيات النانوية غير المتبلورة ، التي من المفترض أنها تتكون من السيليكون المؤكسد جزئيا على الأقل. كل هذه الملاحظات تشير إلى أن المزيد من العمليات ، والتي تنشأ من مدخل حرارة أكبر في المادة ، تحدث أثناء الحفر النانوي ثانية أكثر من خلال الحفر النبضي picosecond.
الاستنتاجات
وقد تم تصنيع الأخاديد والثقوب في رقاقات سيليكون بلورية مفردة تبلغ 200 ميكرومتر باستخدام ليزرات نانوية ثانية نانوية وثنائية وثلاثين ميكرومتر. وقد تم قياس نتائج المعالجة وتميزها باستخدام القياسات البصرية ، والمجهر الضوئي TEM والمجهرية SEM.
تشير النتائج إلى أن معدل الاجتثاث يتأثر بشكل كبير من طاقة النبض خلال عملية استئصال النانوسيكند. كانت الزيادة في معدل إزالة المواد أكثر من 600٪ عندما زادت طاقة النبض من 2.3 إلى 9.2 µJ عن طريق خفض التردد من 200 إلى 50 كيلو هرتز. يكون للخسارة الحرارية تأثير كبير على معدل الإزالة عند الإشعاعات القريبة من عتبة الاستئصال ، حيث أن الجزء الأكبر من النبض يعمل على تسخين المادة في المرحلتين الصلبة والسائلة بدلاً من تبخير وإزالة المواد. لذلك ، يمكن توقع الاعتماد بين طاقة النبض ومعدل إزالة المواد.
لم يظهر الاجتثاث في البيكوكوند علاقة مشابهة بين معدل الاجتثاث والطاقة النبضية. ظل معدل الاجتثاث متماثلاً بشكل أساسي بين معدلات التكرار من 100 و 500 كيلو هرتز ، والتي ترتبط بـ 4.6 و 0.9 µJ طاقات نبض ، على التوالي. كان التأثير الرئيسي للطاقة النبضية هو عرض الخط المُضخَّم ، والذي ازداد مع زيادة الطاقة.
تجاوزت كفاءة اجتثاث النانوسيكند من الاجتثاث بيكو ثانية الثانية بتردد kHz 100 ، ولكن عند تردد 200 كيلوهرتز ، كان معدل إزالة المواد من ليزر PS أسرع. في كلتا العمليتين ، الحفر والاستئصال التجويفي ، كانت منطقة المعلمات المثلى لاجتثاث النانوسيكن عند معدل تكرار أقل من 100 كيلو هرتز ، حيث أعطى الليزر بيكو ثانية نتائج جيدة عند kHz 100 وأعلى.
تقييم من خلال الصور SEM ، ونوعية ثقوب حفر مع النانو ثانية وبيكوكانت النبضات الثانية متشابهة إلى حد ما. عندما تم تشغيل الليزر النانوسيكوني عند 30 كيلوهرتز و ليزر بيكو ثانية عند تردد 100 كيلوهرتز ، كانت أوقات الحفر متساوية. أصبح الحفر بالليزر النانوسيكوند أبطأ ، وفي النهاية كان من المستحيل عند زيادة معدل التكرار. تجاوزت تداخل النبضة القيمة المجدية المحددة بنسبة 80٪ ، كما كانت طاقة النبضة المنخفضة الناتجة والإشعاعية غير كافية في إزالة المواد من الشعيرات الدموية ، ربما بسبب انخفاض قوة الارتداد.
وأظهرت تحقيقات TEM أن الحفر بالليزر النانوسيكوند أدى إلى ضرر حراري وميكانيكي على رقاقة السيليكون. كانت الطبقة المصابة على جدار الثقب تصل إلى 1 in م في السمك واحتوت على خصائص غير متبلورة ، والسيليكون متعدد البلورات وكذلك مناطق أحادية البلل مع الاضطرابات.
لم يتم العثور على الحفر النبضي Picosecond تسبب الضرر الميكانيكي للمادة. تم تحديد الفجوة بواسطة طبقة رقيقة ، والتي من المفترض أنها تتكون من السيليكون غير المتبلور المتجدد. كان سمك الطبقة من 50 إلى 100 نانومتر. تم العثور على أي ضرر إضافي للمادة.
العربية
Pусский
