Управляемое высокопроизводительное высококачественное фемтосекундное лазерно-усиленное химическое травление путем временного формирования импульсов на основе контроля электронной плотности

В наших экспериментах есть два момента, на которые стоит обратить внимание. Одним из них является то, что последовательность импульсов fs вызывает меньшую абляцию, чем обычный одиночный импульс. Широко предполагается, что абляция происходит, когда электронная плотность достигает критической плотности. Во время абляции расплавленного кремнезема с помощью фс-лазера пиковые плотности свободных электронов, генерируемые двойным импульсом, меньше, чем концентрации, генерируемые одним импульсом при одной и той же общей плотности энергии, что приводит к уменьшению абляционных структур. Предыдущее наблюдение, о котором подробно сообщалось, может быть подтверждено теоретической моделью, описанной в нашей предыдущей работе. 11 , 12 , Другое явление заключается в том, что усиление скорости химического травления, вызванное последовательностью импульсов лазерного излучения, намного больше по сравнению с одиночным импульсом. Мы могли бы интерпретировать это явление, используя индуцированные лазером структурные изменения в плавленом кварце и механизмы химического травления в HF. Первичные структуры атомного масштаба из плавленого кварца могут быть описаны как широкая случайная сеть, в которую входят варизированные кольца, состоящие из повторяющихся связей Si – O. Число связей Si – O в кольцевой структуре широко варьируется от 3 до 9 13 , Среди них наиболее устойчивой и преобладающей структурой является правильное 6-членное кольцо из кварца. Когда пучок фс-лазера плотно сфокусирован на плавленом кварце, заселенность 3- и 4-членных кольцевых структур в облученных областях увеличивается за счет других типов колец 14 , Угол мостиковой связи, очевидно, уменьшается из-за сжимающего напряжения, создаваемого в облученной области, что приводит к уплотнению материала. Известно, что кремнезем подвергается воздействию водного HF по следующей схеме реакции:

Это было предложено Marcinkevicius и сотрудниками 15 что уменьшение угла мостиковой связи в уплотненном диоксиде кремния увеличивает реакционную способность атомов кислорода из-за деформированной конфигурации их валентных электронов. Увеличение реакционной способности в основном является причиной большей подверженности травлению HF в модифицированных зонах по сравнению с немодифицированными зонами.

Чтобы проверить вышеупомянутое обсуждение, микро-комбинационная спектроскопия была проведена, чтобы характеризовать внутреннюю структуру образца. Рисунок 6 (а) приведены спектры комбинационного рассеяния зон, модифицированных фс-лазером, в плавленом кварце, где в качестве сравнения были исследованы одиночный и двойной импульсы. Общий флюенс зафиксирован на уровне 9,46 Дж / см2, а задержка двойных импульсов составляет 350 фс. Каждый сайт облучается по 500 выстрелов. Спектры комбинационного рассеяния обычно состоят из ряда полос, которые могут быть отнесены к колебаниям различных типов связей в стеклянной сети. Мы сфокусируемся на двух пиках при 495 и 606 см-1, которые часто называют линиями дефектов D1 и D2. Pasquarello and Car 16 назначены им 4- и 3-членные кольца в стеклянной сетке соответственно. Поскольку пик D1 перекрывает основную широкую полосу при 445 см-1, мы выбираем пик D2 для количественной оценки наших результатов. Интенсивность D2 измеряется путем рисования базовой линии, пунктирные сплайн-кривые показаны на Рис. 6 (а) , Площадь между спектром комбинационного рассеяния и базовой линией рассчитывается и нормируется относительно высоты пика основной линии при 445 см -1. Согласно результатам расчетов, процентная доля полного приведенного спектра под линией D2 областей, обработанных одиночным и двойным импульсами fs-лазера, составляет 1,7171 и 2,9636 соответственно. Относительное содержание плоских 3-членных колец в зоне облучения с двумя импульсами выше, чем в зоне облучения с одним импульсом, что указывает на более сильную модификацию и более высокую частоту, вызванную двойными импульсами fs-лазера.

( а ) Нормализованные спектры комбинационного рассеяния для модифицированных областей, облученных однофазным и двойным импульсами ФС-лазера в плавленом кварце Задержка двойных импульсов составляет 350 фс. Пунктирные линии под пиками D2 являются базовыми линиями, используемыми при измерении площади пика в ( b ). На вставке - принципиальная схема 4- и 3-членных кольцевых структур. ( б ) Площадь процента общего уменьшенного спектра комбинационного рассеяния под линией D2 в зависимости от различных задержек импульсов. Общий флюенс зафиксирован на уровне 9,46 Дж / см2, и каждый участок облучается 500 выстрелами. Измерения проводятся в областях, расположенных на 5 мкм ниже поверхности.

Дальнейшие эксперименты были проведены для исследования внутренних структурных изменений в материалах, подвергшихся воздействию двойных импульсов лазерного излучения с различными задержками импульсов. Каждый участок облучается 500 выстрелами с фиксированной суммарной флюенсом лазера 9,46 Дж / см2. Рисунок 6 (б) показывает процентную долю общего уменьшенного спектра под линией D2 различных задержек импульсов, варьирующихся от 0 до 2000 фс. В соответствии с нашими экспериментальными результатами повышения скорости травления, показанными в Рис. 3 , существует флуктуация с увеличением задержки импульса. Самая сильная интенсивность пика D2 появляется при задержке импульса 350 фс.

Основной причиной различий в модификации, вызванной одиночными и двойными импульсами, является локализованное управление динамикой переходных электронов путем временного формирования импульсов фс-лазера. При облучении фс-лазером плотность свободных электронов может быть увеличена на несколько-десять порядков. Такое огромное изменение плотности свободных электронов также вызывает большие изменения в локализованных переходных свойствах материала. В области, облучаемой импульсами фс, отражательная способность диэлектрического материала существенно изменяется и чрезвычайно изменяет форму сверхбыстрого лазерного поля, что сильно влияет на поглощение энергии фотона. Внутренняя структурная модификация материалов зависит от эффективности поглощения фотонов 17 , Используя разработанную нами модель плазмы 18 генерация свободных электронов может быть рассчитана по следующему выражению, в котором также учитывается член распада электронов:

где t - время; r - расстояние до оси гауссова пучка; z - глубина от поверхности сыпучего материала; τ - постоянная времени затухания; n e (t, r, z) - плотность свободных электронов; a i - константа ионизации лавины; I ( t, r, z ) - интенсивность лазера внутри объемного материала; δ N - сечение поглощения N -фотона.

Плазма, возбуждаемая первым субимпульсом, сильно меняет исходный лазерный луч, что можно определить количественно по переходной отражательной способности во время импульсного облучения. Таким образом, распределение интенсивности лазера выражается как 12 , 18 :

где F - флюенс лазера; t p - длительность импульса; R ( t, r ) - коэффициент отражения; r 0 - радиус талии лазерного луча; а ( t, r, z ) - коэффициент поглощения.

Из расчета, когда задержка импульса короче 350 фс, интенсивность лазерного излучения, передаваемого в материал, ниже, чем у исходного пучка. С увеличением задержки импульса эффект изменения формы лазерного луча имеет тенденцию быть слабее; и переданная энергия, очевидно, увеличивается, как показано на Рис. 7 , Это способствует повышению эффективности поглощения фотонов и приводит к улучшению модификации в облучаемой зоне. Из-за модификации, вызванной последовательностью импульсов, образуется больше 3- и 4-членной кольцевой структурированной связи Si-O, которая обладает большей восприимчивостью к ВЧ травлению, чем стабильная 6-членная кольцевая структура в первичном плавленом кремнеземе. 19 , Таким образом, облученные участки обладают повышенной растворимостью в кислотах, а химическая реакционная способность в реакциях с HF улучшается. Однако, когда задержка импульса продолжает увеличиваться (> 350 фс), член распада электрона начинает играть доминирующую роль 20 , В этом случае свободные электроны, возбуждаемые первым субимпульсом, распадаются и даже уменьшаются перед воздействием второго субимпульса. В результате эффективность поглощения фотонов уменьшается, что приводит к общему снижению скорости травления.

( a ) 0, ( b ) 50, ( c ) 100 и ( d ) 350 фс (флюенс лазера зафиксирован на уровне 9,46 Дж / см2, а коэффициент распределения энергии составляет 1: 1).

Кроме того, увеличение скорости травления при увеличении флюенса лазера также можно объяснить микро-комбинационным спектром. Рисунок 8 (а) приведены нормализованные спектры комбинационного рассеяния исходного плавленого кварца и модифицированных зон, облученных двойными импульсами фс различных лазерных флюенсов. Интенсивность пика D2, очевидно, увеличивается после облучения фс-лазером по сравнению с исходным материалом. Чтобы количественно изучить изменение пика D2, мы нанесли на график процентную площадь под линией D2 как функцию флюенса лазера. Как показано в Рис. 8 (б) площадь пика D2 увеличивается с увеличением флюенса лазера до достижения насыщения. Эта тенденция согласуется с изменением скорости травления в наших экспериментах.

( а ) Нормализованные спектры комбинационного рассеяния модифицированных областей, облученных двойным импульсом фс-лазера с различными лазерными флюенсами. ( b ) Процентная доля общего приведенного спектра комбинационного рассеяния под линией D2 по сравнению с флюенсом лазера, где пунктирная линия представляет собой площадь немодифицированного исходного плавленого кварца. Задержка импульса фиксируется на уровне 350 фс, и каждый участок облучается 500 выстрелами. Измерения проводятся в областях, расположенных на 5 мкм ниже поверхности.

В заключение следует отметить, что эффективный гибкий метод изготовления вогнутых микрочипов на подложках из плавленого кварца на большой площади был разработан путем усиленного химического травления с использованием серии импульсов лазерного излучения. По сравнению с обычными одиночными импульсами скорость травления увеличивается в 37 раз при использовании технологии формирования импульсов. Кроме того, форма микропор настраивается путем разработки параметров обработки, таких как задержка импульса фс-лазера, флюенс лазера и коэффициент распределения энергии импульса последовательности импульсов. Эффективный контроль локализованных переходных плотностей свободных электронов с помощью формирования импульсов fs-лазера во времени способствует повышению скорости травления и лучшей управляемости в зоне облучения лазером. Эта работа может дать новое представление о высокоэффективном и контролируемом изготовлении микроструктур в плавленом кварце.

Похожие

Комментарии