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使用355 NM PICO和NANOSECOND PULSES进行激光微孔钻孔和硅的烧蚀

浏览数量:20     作者:本站编辑     发布时间: 2018-07-09      来源:本站

抽象

  由于对光伏和电子工业中激光加工的兴趣迅速增长,硅的激光烧蚀已成为一个激烈的研究课题。不同类型的激光器用于边缘隔离,开槽,钻孔以及其他应用,脉冲宽度范围从超短飞秒范围到长微秒脉冲。结果可能根据激光源提供的波长和脉冲宽度而显着变化。在这项研究中,两个频率为三的Nd:YVO4激光器,提供宽度为9至12 ps和9至28 ns的脉冲,用于在硅晶片上钻孔和形成凹槽。晶片的厚度为200μm。

  使用光学3D轮廓系统测量凹槽深度和几何形状。结果表明,当使用纳秒脉冲激光束时,材料去除率受脉冲能量和重复率的影响很大。对于皮秒激光束,体积材料去除率在100至500kHz的范围内保持相当恒定,但凹槽宽度和深度变化。

  扫描和透射电子显微镜用于表征钻孔。通过选择区域电子衍射图案研究微结构。根据测量结果,纳秒脉冲不仅会对孔壁产生热影响,还会对孔壁造成机械损伤,而皮秒处理仅会产生薄的HAZ层,其部分覆盖有无定形纳米粒子。

介绍

硅的激光微机械加工在诸如光伏应用和微电子的应用中特别受关注。激光烧蚀涉及许多并行过程,包括加热,熔化,蒸发和电离,因为光束与材料表面处或附近的固相,液相,蒸汽相和等离子相相互作用[1]。工艺特性由激光脉冲的强度,持续时间和波长决定。用于微机械加工的市售激光器包括具有毫微微,微微和纳秒时间尺度的脉冲持续时间的激光器。典型波长包括从紫外到近红外的变化。

  飞秒脉冲在许多方面对于材料处理是最佳的。在亚ps超短脉冲的情况下,脉冲的持续时间小于材料的特征热化时间,并且可以用非常少的热效应进行加工。特别是在低通量范围内,其中平均消融速率由光学穿透深度决定,热效应可以忽略不计并且经历接近零的热影响区。 [2,3,4]超快速处理的另一个优点是fs脉冲在从表面排出任何材料之前终止。因此脉冲的完整能量被沉积到样品靶,而在脉冲期间没有任何激光 - 等离子体相互作用。 [1,5]由于材料内的热传导损耗最小且没有发生等离子体屏蔽,因此材料的烧蚀阈值在亚脉冲宽度下最低。使用低脉冲能量可以极其精确地去除材料。随着脉冲能量或能量密度的增加,即使使用飞秒脉冲,热消融过程也变得更加突出。脉冲的完整能量仍然传递到材料中,但是烧蚀深度由有效热穿透深度而不是光学穿透深度决定。消融质量下降,但每脉冲消融深度增加强烈[2]。

  对于加工应用,激光系统必须可靠,坚固且价格合理。由于技术努力随着脉冲持续时间的缩短而增加,后者应尽可能短,以达到令人满意的结果[6]。纳秒激光器大部分满足上述标准。该技术已经建立并经过验证,设计简单,成本低廉。但是,在某些情况下,脉冲不够短,这些激光器的加工质量不符合要求。皮秒激光源已被证明是上述两种替代方案之间的妥协。

使用宽度为几皮秒的激光脉冲的材料处理类似于高能量飞秒处理的材料。烧蚀阈值略高于fs脉冲,主要是由于热传导损耗和等离子体屏蔽[3]。在1 ps脉冲时,等离子体效应可以忽略不计,在金的烧蚀过程中在10 ps时升高到20%,并且硅也获得了类似的结果[1]。总的来说,当脉冲宽度保持小于10 ps时,没有观察到质量,热效应和效率方面的急剧变化,即使该过程可以被认为是纯热的性质[2,3,6,7]。在某些情况下,ps处理的质量甚至可以超过fs激光器的质量。 fs激光引起的压力波动会对硅中的材料和晶格缺陷造成机械损伤[8]。

  纳秒激光加工涉及并发物理过程的复杂混合。与飞秒处理相反,长脉冲与固体,液体,蒸汽和等离子体状态的材料相互作用。根据辐照度,在消融过程中可以看到相当大的差异。对于给定的脉冲能量,最大熔化深度随着较长的脉冲而增加,即较低的辐照度(Al目标)[7]。同时,取决于辐照度[9]的反冲压力降低,导致从相互作用区域的不完全熔体喷射。除了这些效应之外,消融阈值高于使用fs和ps脉冲观察到的消融阈值,这主要是由于等离子体屏蔽和更大的热传导损失。 [7]比较钻孔中fs和ns脉冲的研究表明,与ns脉冲(硅,266 nm辐射,11 J / cm2)相比,fs脉冲的烧蚀速率甚至快两倍[10,11]。然而,在高通量值下,ns脉冲的消融速率强烈且超过fs和ps脉冲[7]。

  在ns处理期间,质量消融速率随着激光功率密度的增加而增加,其功率定律依赖于0.3GW / cm2的辐照度,几乎与目标材料(黄铜和玻璃,248nm KrF激光器)无关[12]。此时,等离子体屏蔽开始吸收脉冲的后半部分并且脉冲变得衰减。等离子体将反射和散射光束,从而降低消融效率。 [12]实验数据显示,消融率以线性方式继续增加,直到达到10至20 GW / cm2的辐照度[13,14,15,16]。此时消融率急剧增加。这种行为可以解释为均匀爆炸沸腾,它是在有限延迟后喷射大颗粒的原因。 [14,15,16]总体而言,纳秒消融期间的质量喷射可以通过皮秒时间尺度上的电子发射,纳秒时间尺度上的原子/离子质量喷射以及微秒时间尺度上的大颗粒喷射来表征,持续高达数十微秒[16]

当使用短纳秒脉冲或皮秒脉冲时,辐照度通常足够高以启动等离子体形成并导致等离子体吸收。等离子体的影响随脉冲持续时间,功率密度和波长而增加。然而,等离子体羽流吸收的所有能量都不会从过程中消失,但等离子体实际上可以加热目标材料[16]。如果使用红外激光,光束主要加热膨胀羽流的峰值,导致更大的损失,而紫外辐射主要吸收羽流的根部,通过等离子体吸收为材料提供更多的能量[17]。在某些过程中也可以利用等离子体吸收。当在窄孔钻孔中形成激光诱导等离子体时,热等离子体在通道内快速膨胀并通过对流和辐射将大部分能量输送到毛细管壁,从而有助于孔的径向膨胀。这种效果可以在很宽的深度范围内稳定消融。 [17]

  在该研究中已经研究了硅的钻孔和烧蚀。目的是使用355 nm紫外线辐射比较硅的微微和纳秒加工。基于先前参考的数据,在大多数情况下,pico和纳秒激光源将选择硅处理和紫外波长,以增加吸收,减少进入下层材料的光学穿透深度,减少由于等离子体吸收造成的损失并达到较长的瑞利长度和较小的焦斑直径。已经基于光学测量,SEM和TEM研究评估了结果。

  实验装置

  使用q开关的Spectra-Physics HIPPO激光器在355nm波长下进行纳秒脉冲的实验。光束通过扩束器和带有100 mm远心光学系统的Scanlab Hurryscan 10振镜扫描仪传送。设定的焦斑直径为10μm。激光器的脉冲宽度随频率在50 kHz时为10.2 ns,在100 kHz时为18.6 ns,在200 kHz时为28.4 ns而变化。

  对于皮秒处理实验,使用Lumera Rapid激光器。光束的输出波长为355nm。光学装置包括光束扩展器和带有​​100mm远心聚焦透镜的Scanlab Scangine 10扫描仪。计算出的光学装置的焦斑直径为10μm。激光的脉冲宽度为9至12ps。在所有实验中使用460mW的激光功率。

  用于实验的材料是200μm厚的抛光的Ph掺杂的单晶硅晶片。处理后,样品在丙酮中超声清洗。在光学测量之前,从表面上擦去松散的颗粒和灰尘。

用ns和ps脉冲定义烧蚀速率的实验是通过烧蚀具有可变速度和重复率的硅晶片上的凹槽来进行的。使用Wyko NT3300光学3D轮廓系统测量凹槽轮廓。

  使用特定的光束路径几何形状钻孔穿过晶片钻孔以更有效地从孔中移除材料。光束被编程为沿着30μm的圆移动54000度,等于150转。在该运动期间,光束沿着圆形路径以1500Hz的频率和12μm的振幅振荡。钻孔时间为0.78秒。在钻孔时将焦点位置设定在表面上。由于光束移动是使用扫描镜产生的,因此不知道光束是如何精确地遵循编程路径的。光束运动如图1所示。所有实验均在环境空气中进行。

激光微孔钻孔(1)

图1.钻孔过程中的梁运动。黄色区域显示光斑大小,消融区域显示为灰色。

通过在25kV下操作的Hitachi S-2400扫描电子显微镜(SEM)记录孔的形态。通过在200kV下操作的JEOL FasTEM透射电子显微镜(TEM)研究孔边缘的微结构。 TEM配备有电子X射线色散光谱仪(EDS)。对于TEM样品制备,孔用M-Bond 610环氧树脂填充,以保护孔的壁不被离子束研磨去除,如文献[8]中所建议的。然后将盘在120℃下固化2小时。将盘的两面用砂纸从600砂砾磨削至2400砂砾。盘的最终厚度约为40-70μm。由于变薄的磁盘非常脆弱,因此将它们粘在铜环上以获得支撑。最后通过离子束铣床(Gatan 691精密离子抛光系统-PIP)在5kV下对盘进行抛光,倾斜6°,直到胶区未被完全去除。

结果和讨论

  硅上的凹槽

  在硅表面上以20,30,45,65,100,150,225,350和500mm / s的速度烧蚀凹槽。

  纳秒激光的重复率在20和200kHz之间变化,而皮秒激光在100到500kHz之间变化。纳秒级激光器无法在200 kHz频率以上提供460 mW功率,而皮秒激光器的可用功率限制在100 kHz以下。

  消融过程受到扫描速度和频率的限制,有两种方式。首先,脉冲与脉冲重叠具有最小限度,低于该最小限度,材料从凹槽中排出是不完全的,并且在凹槽内开始形成大量的氧化硅。扫描速度的上限由最大脉冲到脉冲距离设定,高于该脉冲距离,脉冲在表面上形成单独的点而不是连续的凹槽。

  对于纳秒处理,发现在20至200kHz的整个参数范围内,仅当脉冲重叠小于80%至90%时才实现没有氧化物形成的清洁一致的沟槽。当脉冲能量低时,该过程容许更大的重叠,即频率高。皮秒处理的可行参数区域更宽。在氧化物形成开始干扰该过程之前,在100和200kHz频率下重叠的脉冲可高达97%。

  由于两个激光器的参数限制,只能在100到200 kHz的频率范围内进行头对头比较。更详细地测量在这些频率下烧蚀的凹槽,以提供关于凹槽深度和烧蚀速率的信息。除此之外,还以50kHz重复率进行纳秒实验,并且皮秒实验持续至500kHz重复率。扫描速度设定为225mm / s。

在烧蚀线上测量凹槽的轮廓,以显示烧蚀和重铸材料的深度和横截面积。这里的术语凹槽体积是指在原始表面下方烧蚀的体积。术语“去除材料”是指从源中完全去除的硅量;即凹槽区域减去重铸区域。此处的体积值以μm3为单位表示,这是从横截面测量的面积乘以沿凹槽经度的1μm长度。由于轮廓是通过凹槽的线测量得出的,而不是来自实际体积的测量,因此结果不准确。然而,它们代表了凹槽平均横截面的良好估计。

  结果表明,纳秒脉冲的消融速率受频率或脉冲能量的显着影响,而皮秒脉冲的消融速率与测试参数区域内的频率无关。对于纳秒脉冲,凹槽体积随脉冲能量显着增加。 50 kHz重复率,相当于9.2μJ脉冲能量,形成横截面积为26.3μm2的凹槽。在该注量下,重铸量很小,并且从槽的横截面测量的移除体积为24.2μm3。

增加频率导致凹槽几何形状,其比具有更高脉冲能量的凹槽几何形状更窄且更浅。此外,与凹槽体积相比,重铸的相对体积显着增加。在200kHz重复率(2.3μJ)下,凹槽体积为5.8μm3并且考虑到重铸,去除材料的体积仅为4.0μm3。在这种情况下,从凹槽中移除的材料的30%以上是在凹槽的边缘上重铸而不是烧蚀掉的。凹槽的深度在0至3.5μm之间显着波动。因此,200kHz样品的分布图来自三次单独测量的平均值,以便更好地估计烧蚀体积。用纳秒脉冲烧蚀的凹槽的横截面如图2所示。使用50和200kHz重复率以225mm / s扫描速度烧蚀的凹槽分别如图3和图4所示。

激光微孔钻(2)

图2:用纳秒激光烧蚀的凹槽的测量横截面。

激光微孔钻孔(3)

图3.通过纳秒脉冲消融的凹槽。扫描速度225 mm / s,重复频率50 kHz。

激光微孔钻孔(4)

图4.由纳秒脉冲烧蚀的凹槽。

  扫描速度225 mm / s,重复频率200 kHz。

  由于每种情况下的线能量相等,当重复率从50kHz逐渐增加到200kHz时,在消融过程中损失了相当大部分的激光能量。这种增加在频率上引起脉冲宽度变化10.2 ns至28.4 ns,脉冲能量从9.2μJ降至2.3μJ。这两个因素都降低了光束区域的平均辐照度,从1.15 GW / cm2变为0.10 GW / cm2。同时,工艺变得更加不稳定,沟槽深度和宽度的波动更加明显。

  较长的脉冲可以在更大程度上被激光诱导的等离子体吸收或反射。许多材料的等离子体形成阈值接近0.3 GW / cm2 [12]。由于200kHz的平均辐照度仅为0.10GW / cm2,并且光束中心的峰值辐照度为0.2GW / cm2,因此等离子体屏蔽不应在较高的重复率下发挥作用,而是在低频率下发挥作用。然而,悬浮在相互作用点上方的粒子可以影响消融过程,尤其是在更高的重复率下。基于所进行的实验,无法估计这种脉冲间等离子体/羽流效应的程度。

  更有可能导致高频率下材料去除率低的原因与脉冲辐照度有关。使用较长脉冲更接近消融阈值导致这样的情况:脉冲能量的大部分用于加热固相和液相中的材料而不是蒸发和去除材料。同时,与辐射[9,18]成比例的反冲压力减小,减少了从凹槽中的熔体排出。

  当重复率为100kHz(4.6μJ脉冲能量)时,ns脉冲的材料去除效率大约是皮秒脉冲的两倍。纳秒脉冲产生了一个凹槽体积与皮秒脉冲的7.9μm3相比,为16.7μm3。在200kHz时,凹槽的体积大致相等,皮秒槽的体积为6.2μm3,纳秒槽为5.8μm3。

  然而,在皮秒沟边缘存在较少量的重铸硅,并且皮秒脉冲的绝对材料去除为5.8μm3和4.0μm3,纳秒脉冲。用于皮秒实验的凹槽的横截面如下所示图5中显示了移除的体积和凹槽体积与重复率和脉冲能量的关系。使用铝合金消融的双温度模型获得了关于脉冲持续时间和去除率之间关系的类似发现。 [19]。当操作略高于纳秒脉冲的消融阈值时,与纳秒消融相比,皮秒激光消融更有效。当激光能量密度明显超过纳秒消融时阈值,用纳秒脉冲处理变得非常有效。

激光微孔钻(5)

图5:用皮秒激光烧蚀的凹槽的测量横截面。

激光微孔钻(6)

图6:凹槽和去除材料的横截面积。

重复率对皮秒脉冲的材料去除率只有轻微的影响,这些变化可以近似在测量误差范围内。在所有情况下,移除的体积在5.8和6.7μm3之间,并且重铸体积在每种情况下小于移除的材料体积的10%。由于100至500kHz频率下的辐照度远远超过硅的烧蚀阈值,因此烧蚀速率与线能量相关,而不是与纳秒处理期间经历的脉冲能量相关。

  在低重复率或高重复率下加工的凹槽之间的主要区别在于凹槽的宽度,使凹槽以高重复率更深地烧蚀。以500kHz烧蚀的凹槽显示出表面积宽度为15微米,可以看到激光处理。在300和200kHz下,该区域的宽度分别为16和18μm。当频率降至100 kHz时,宽度增加至25μm,激光烧蚀痕迹距离轨道中心线最远20μm。在以100和150mm / s的较低扫描速度消融的轨道中也观察到类似的效果。随着脉冲能量的增加,烧蚀轨道的扩宽可以部分地通过有效光斑直径的增加来解释,即有效光斑直径的部分,即高斯分布激光束的部分,其中照射超过消融阈值。根据计算,有效光束直径的影响应仅在几微米的范围内。这种效应的更可能原因是等离子体吸收和光束散射。消融在500和100 kHz频率的轨迹分别如图7和图8所示。

激光微孔钻孔(7)

图7.以500 kHz重复率和225 mm / s扫描速度用ps脉冲烧蚀的凹槽轮廓。

激光微孔钻孔(8)

图8.以100 kHz重复率和225 mm / s扫描速度用ps脉冲烧蚀的凹槽的轮廓。

  硅中的孔

使用图1所示的扫描路径在200μm硅晶片上钻孔。光束的线速度为20mm / s,沿振荡路径的圆周速度约为115mm / s。最初用两个激光器以100kHz的重复频率钻孔,产生4.6μJ的脉冲能量。熔体和烧蚀材料的不完全排出限制了这些参数在纳秒激光钻孔中的使用。在使用的圆周速度下,脉冲与脉冲重叠接近90%,并且从凹槽实验中可以看出,纳秒激光需要小于80%的重叠以有效地烧蚀材料。在100kHz时,孔被二氧化硅填充,阻挡并散射入射的激光束,并且无法通过穿透。频率降至30 kHz,以便在样品中创建干净的通孔。这导致脉冲能量增加333%并且脉冲宽度从18.6减小到大约9ns。总的来说,平均值横跨光束区域的强度增加了7倍,达到2.2MW / cm2的值。因此峰值强度在高斯分布光束的中心达到4.3MW / cm 2的值。

  钻有纳秒和皮秒脉冲的孔分别如图9和图10所示。两种情况下的钻孔时间均为0.78秒。孔入口直径的差异是由于扫描仪性能的差异造成的。

激光微孔钻(9)

图9.使用纳秒脉冲钻孔的入口(左)和出口(右)脉冲能量为15.3μJ。

  对入口侧的初步调查表明,两个孔的质量非常相似。主要区别在于纳米处理样品中的再凝固形成是轴向沉积的,而皮秒处理的样品在孔壁周围显示出径向环。出口侧显示出较大的差异取决于脉冲宽度。纳秒孔壁覆盖着看起来像重铸层的东西。但在皮秒激光器的情况下,孔出口附近的孔壁非常光滑,没有任何重新固化材料的迹象。更长的钻孔时间将导致具有皮秒脉冲的更圆/椭圆形出口孔几何形状。在两种情况下,在150转后关闭梁,基本上没有修补。

激光微孔钻孔(10)

图10.使用皮秒脉冲钻孔的入口(左)和出口(右)脉冲能量4.6μJ。

来自200μm晶片中心的TEM观察表明,由皮秒和纳秒脉冲制造的孔边缘处的微结构完全不同。图11显示通过纳秒钻孔引入缺陷(位错),而皮秒脉冲钻孔中的主要特征是邻近孔壁的一层纳米颗粒。

激光微孔钻孔(11)

图11.由纳秒脉冲(左)和皮秒脉冲(右)制造的孔边缘区域的微结构。

  图12显示了纳秒脉冲激光束引入的位错。结果发现了位错方向总是垂直于孔的表面。位错位于单晶硅中,并且可能由钻孔期间经历的热致应力引起。

  如图12所示,标记为“A”的区域包含一些小晶粒,这些晶粒是选择区域电子衍射(SAED)图案所示的晶体,图12b)。来自“A”区域的EDS分析显示该区域仅含有Si。形成这些小颗粒的原因尚不清楚。但是有两种可能性;一种是它们从首先由纳秒脉冲熔化的重铸材料中再结晶,另一种是区域A直接从Si晶片分解成小晶粒。

激光微孔钻孔(12)

  图12. a)由纳秒脉冲激光束引入的孔边缘上的位错。 b)来自区域“A”的选定区域电子衍射图案。

  对由纳秒脉冲钻出的样品中的另一区域的观察显示在图13中。从区域“B”获得的SAED图案显示该区域中的纳米颗粒主要是Si纳米颗粒,尽管EDS光谱在该区域中也显示少量的O.氧可能是由胶水或少量的SiO2贡献的。

  在图14中,标记为“D”的区域显示含有Si和少量O的非晶特征,其也可能来自胶区。

激光微孔钻(13)

图13. a)在纳秒激光脉冲钻孔的另一个区域,b)来自区域“B”的SAED图案。

激光微孔钻孔(14)

图14.由纳秒脉冲钻孔的边缘处的位错和非晶硅。显示了区域C和D的SAED图案。

即使纳秒脉冲对孔壁产生热和机械损伤,在改性材料的外层和单晶硅之间的受损层的厚度在所有研究的位置都小于1μm。这表明由低重复率uv激光脉冲产生的高反冲压力有效地从孔中去除了熔体,并且在孔壁上没有形成显着的重铸层。也可能由于355nm波长,通过等离子体吸收仅产生少量到孔壁的热对流,并且热影响区域保持薄。

  图15显示了由皮秒激光束制造的孔边缘的仔细检查。硅晶片未受损,在TEM研究中未发现机械缺陷。单晶硅通过50至100nm厚的层勾勒出轮廓。该层看起来类似于先前出版物[8]中描述的熔融膜。因此可以假设该膜是熔融硅,其已经再凝固成非晶态。该膜用箭头表示在图15中。在靠近再固化层的胶中发现了直径约为100nm的纳米颗粒,图15.来自含纳米颗粒的区域的选定区域电子衍射图(SAED)显示出无定形特征,表明纳米颗粒是非晶的,图15b) 。如EDS分析所示,图16中,胶区域包含C,O和少量Cl,而从胶区域检测到的Si应该来自Si晶片。 Cu(图16中未见的峰)应来自粘在样品上的铜环。在纳米颗粒区域,如图16b)所示,EDS分析显示Si,C和O.虽然C和O可能来自胶水,但是胶水区域中C和O的比例与C的比率之间的比较纳米颗粒区域中的O和O表明,至少部分无定形纳米颗粒已被脱氧。

  来自孔边缘区域的SAED图案显示出单晶的衍射图案,图15c)。

激光微孔钻(15)

图15.皮秒脉冲钻孔边缘的微观结构分析。 a)孔边缘处的纳米颗粒,以及来自b)纳米颗粒区域和c)Si晶片的选定区域电子衍射图案。

激光微孔钻孔(16)

图16.对a)胶区,b)纳米粒子和c)Si晶片区域的EDS分析。

基于TEM研究,可以得出结论,与纳秒脉冲相比,皮秒处理对母材产生可忽略的热效应,没有机械损伤的迹象。纳秒处理以位错,重铸和再结晶材料的形式对孔壁产生热和机械损伤,而皮秒钻孔仅在孔的壁上产生薄的,<100nm的再凝固层。表面被无定形纳米颗粒部分覆盖,无定形纳米颗粒可能由至少部分氧化的硅组成。所有这些观察结果表明,在纳秒脉冲钻孔期间发生的更多过程源于从材料中输入更多的热量,而不是在皮秒脉冲钻孔期间。

  结论

  使用355 nm纳秒和皮秒脉冲激光器在200μm单晶硅晶片中制造凹槽和孔。使用光学测量,TEM显微镜和SEM显微镜测量和表征处理结果。

  结果表明,在纳秒消融期间,消融速率受脉冲能量的显着影响。当脉冲能量从2.3增加到9.2μJ时,通过将频率从200kHz降低到50kHz,材料去除率的增加超过600%。热损失对接近烧蚀阈值的辐照率下的去除速率具有主要影响,因为更大部分的脉冲在固相和液相中加热材料而不是蒸发和去除材料。因此,可以预期脉冲能量和材料去除率之间的依赖性。

  皮秒消融在消融率和脉冲能量之间没有表现出类似的关系。消融率在100和500kHz的重复率之间保持基本相似,其分别与4.6和0.9μJ脉冲能量相关。脉冲能量的主要影响是烧蚀线的宽度,随着能量的增加而增加。

  纳秒消融效率超过皮秒消融在100kHz频率下的消融效率,但在200kHz频率下,ps激光器的材料去除速率更快。在钻孔和沟槽烧蚀这两个过程中,纳秒消融的最佳参数区域重复率小于100 kHz,其中皮秒激光在100 kHz及以上时提供了良好的结果。

  通过SEM图片评估,钻孔质量为纳秒和微微第二脉冲非常相似。当纳秒激光器以30kHz操作并且皮秒激光器以100kHz频率操作时,钻孔时间相等。当重复率增加时,纳秒激光钻孔变得更慢并且最终不可能。脉冲重叠超过了80%的规定可行值,并且由此产生的低脉冲能量和辐照度不足以从毛细管中去除材料,可能是由于反冲力降低。

TEM研究表明,纳秒激光钻孔会对硅晶片造成热损伤和机械损伤。孔壁上的受影响层厚度达1μm,包含非晶特征,多晶硅以及具有位错的单晶区域。

  未发现皮秒脉冲钻孔对材料造成机械损伤。该孔由薄层构成,该薄层据称由无定形的再凝固硅组成。该层的厚度为50至100nm。没有发现材料的进一步损坏。

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