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1 MICRO/NANO USINAGE ET STRUCTURATION DE SURFACE PAR LASER FEMTOSECONDE Université de la Méditerranée M. Sentis, Laboratoire Lasers Plasmas et Procédés Photoniques web site : Luminy, Marseille, France Sentis@LP3.univ-mrs.fr

2 Mécanismes d ablation d laser laser *** longueur d onde λ las *** fluence F las *** durée d impulsion τ las ** qualité de faisceau * fluctuations spatio-temporelles laser longueur de pénétration optique δ opt = α -1 matériau réflectivité R coefficient d absorption, α conductivité thermique, K th capacité calorifique, C p températures T fus, T vap chaleurs latentes H fus, H vap δ opt longueur de diffusion thermique δ th δ = 2 χ th τ las χ = kth ρ C p environnement air, gaz inerte, vide, liquide Laboratoire Lasers Plasmas et Procédés Photoniques

3 Quelques grandeurs caractéristiques ristiques Plasma d ablation : T initiale : 2000 à K Vitesse des particules : 10 5 cm/s Thermalisation électronique Relaxation électron - phonon non thermique Diffusion Thermique Thermique fusion Métaux métaux polymères Ablation Régime ns δ opt << δ ther δ opt δ ther temps (s) Régime fs δ opt > δ ther δ opt >> δ ther Laboratoire Lasers Plasmas et Procédés Photoniques

4 Impulsion ns Avantages Avantages d un micro-usinage d une bonne fs /ns connaissance de l interaction laser- Limitation physique (t pulse >> t diffusion chaleur, absorption linéaire) du matériau micro-usinage en régime nanoseconde (Nd:YaG, excimères, W) Faible efficacité matériau Impulsion fs Faible qualité Faible précision Ablation femtoseconde (t pulse < t diffusion chaleur, absorption non-linéaire) Efficacité,, polyvalence Qualité matériau Précision, contrôle

5 High-Power Laser Applications W/cm 2 in Material Processing Laser Intensity STRONG-FIELD EFFECTS non-linear interactions phenomena ablation ABLATION thermal photochemical photomechanical Pulse duration short and ultra-short pulses ( s) 10 9 s long pulses Fundamental research Mature applications 10 3 THERMAL PROCESSES cw (source : C. Fotakis)

6 fs Micromachining diamond 10 3 shots, 50 µj, 100 fs WC / Co 10 4 shots, 50 µj, 100 fs Micro-bridge in Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 Si wafer cutting Laboratoire Lasers Plasmas et Procédés Photoniques

7 Application pour la microélectronique Analyse de défauts Reverse engineering (source : optics rochester) Objectifs : micro-usinage rapide avec effets thermiques très réduits

8 Gravure par laser femtoseconde pour la réalisation de lames minces

9 Gravure laser fs pour la réalisation de lames minces microcavités de 50 x 250 µm F ~ 6,5 J/cm² (E = 492 nj) Micromachining of semiconductor by femtosecond laser for integrated circuit defect analysis M. Halbwax, T. Sarnet, J. Hermann, Ph. Delaporte, M. Sentis, L. Fares, G. Haller Appl. Surf. Sci., Vol 254/4, 2007, pp

10 Quantifier l endommagement? Coupes TEM Epaisseur de la zone amorphisée (HAZ) en fonction de la fluence, d'après coupes TEM

11 MEMs Applications Micro cavities Nano bridges Femtosecond micromachining SiO 2 Si(100) Cleaning SiO 2 Si(100) Chemical attack TMAH 45

12 400 nm thickness no mask use Silicon nano bridges 1 µm

13 ZnO (1 µm) Micro-usinage de cellule solaire à base de CuInSe 2 (CIS) Comparaison ns/fs CdS (50 nm) CIS (2 µm) Mo (0.5 µm) substrate - ablation sélective de films minces - ablation complète de tous les films endommagement minimum du matériau non ablatée largeur de piste réduite

14 Caractérisation risation photoélectrique rendement photovoltaïque Laser η (%) after before avant gravure nm, 10 ns nm, 8 ns nm, 100 fs 6.6

15 Analyses SEM et EDX Nd:YAG laser, 532 nm F las = 2 Jcm -2 n las = 40 ZnO (1 µm) CdS (50 nm) CIS (2 µm) Intensity (a.u.) Mo L α Si K α S K α 0 50 Position (mm) Zn K α 100 Mo (0.5 µm) substrate Mo sur bords du canal court-circuit

16 Usinage laser de cellules solaires (CIS) laser ns métallisation du CIS Mo sur bords du canal court-circuit ZnO CIS Mo Usinage sans endommagement laser ns laser fs substrate théorie: laser ps

17 Claquage dans les diélectriques Dielectric Laser beam n = n 0 exp α(e)t ( ) Pour atteindre un claquage il faut que la densité électronique augmente de 10 8 to e/cm -3.

18 Génération d électrons libres dans la bande de conduction

19 Seuil d endommagement déterministe de la silice 1,2 Durée : 450 fs 38,6 J/cm² Probabilité d endommagement 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Régime ns Fluence (J/cm²) 36,7 J/cm²

20 Application du seuil déterministe au nano-usinage

21 Nano-usinage par laser femtoseconde de verre Source : G. Mourou

22 Source : G. Mourou

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24 Self surface nano/micro structuring Mazur et al, Harvard University: laser femtosecond, monocristallin Si SF 6

25 mechanisms: initiation ablation: defaults, impurities LIPSS formation (ripples) collapse LIPSS = BEADS End of initial stage: Beginning of final structurestructures amplification black silicon 20 µm under SF6: 800 mj/cm shots shot shots shots Source: J.E. Carey, Femtosecond Laser Microstructuring of Silicon for Novel Optoelectronic Devices, PhD dissertation, Harvard University (2004).

26 25 nm Femtosecond Laser 100 fs, 1 khz, λ = 800 nm, scan = 150 µm/s, horizontal polarization Vacuum 10-4 to 10-5 mbar LIPSS (Capillary waves ) Source LP3 (M. Halbwax et al) To be published (nanotech emrs 2007)

27 Le balayage de la surface avec des multiples tirs lasers permets la génération de micro/nano-structures avec une forme de pingouins 100 nm

28 0.85 J/cm2 0.6 J/cm J/cm2 Improvement 0.6trapping J/cm2 the in light!

29 Si Absorptance (%) 100,0 A (%) 90,0 80,0 70,0 Nanostructuré fs 400 mj/cm 2 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 silicium non traité émission spectrale du soleil Aeff% (1-R-T) ref. Amoy400 (1-R-T) Aeff% ref. Malek sun AM0 max 10,0 0, wavelength (nm) Une augmentation de l absorptivité et élargissement spectral de l absorption!

30 Merci!

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