利用贝塞尔光束、超短双脉冲激光和选择性化学蚀刻研究玻璃通孔(TGV)

引言

玻璃可以用低成本的工艺减薄。因为它是透明的，所以比Si插入物更容易对准。此外，玻璃的热膨胀系数（CTE）是可调的。因此，它可以与器件层的CTE匹配以防止变形。因此，玻璃插入物在过去十年中得到了广泛的研究。有几种方法可以在玻璃基板上形成孔。这些方法包括超声波钻孔、粉末喷砂、磨料喷射微加工（AJM）、磨料浆体喷射加工（ASJM）、磨料水射流加工（AWJM）、激光加工、湿法蚀刻、深反应离子蚀刻（DRIE）、等离子蚀刻、火花辅助化学雕刻（SACE）、振动辅助微加工、激光诱导等离子体微加工（LIPMM）和水辅助微加工。上述过程既有优点也有缺点。从批量生产的角度来看，最重要的参数是孔之间的形状均匀性。此外，还必须考虑处理时间。选择性激光诱导蚀刻（SLE）产生均匀的孔，加工时间长。因此，在这项研究中，我们尝试使用SLE技术来缩短处理时间以提高生产率。

选择性激光诱导蚀刻（SLE）包括两个步骤:（1）使用超短脉冲激光对玻璃进行局部改性，以及（2）对改性区域进行选择性化学蚀刻。根据我们之前的研究，激光改性区域的蚀刻速率比未改性区域快333倍。因为改性区域的物理和化学性质发生了变化，它们会迅速与蚀刻化学物质发生反应。改变的特性包括纳米光栅生成、体积膨胀和折射率变化。

英思特在这项研究中，测试了四种情况以提高蚀刻工艺速度。其中包括单脉冲和双脉冲，间隔分别为213皮秒、10纳秒和500毫秒。在上述条件下使用超短脉冲激光进行局部改性后，使用扫描电子显微镜（SEM）探测改性区域。在这里，我们在每种情况下都发现了各种纳米光栅的形成，并揭示了它们影响蚀刻速率。控制蚀刻环境以提高蚀刻速率。特别是，蚀刻溶液的温度提高到110°c .这增强了溶液的动能，从而使化学反应更加活跃。基于我们的研究，我们可以声称具有ps间隔的双脉冲可以增强蚀刻速率超过纳秒或毫秒间隔。

材料和方法

在这项研究中，使用TGV产生SLE。因为氢氧化钾（KOH）溶液具有高选择性，所以它被用作玻璃蚀刻的蚀刻剂。初始蚀刻工艺时间为95℃下6小时。因此，本研究旨在减少总加工时间。因此，我们试图通过提高蚀刻温度来提高蚀刻速率。一般来说，要引发化学反应，分子的能量必须超过其活化能。根据阿伦尼乌斯方程，随着温度的升高，速率常数（导致反应的碰撞频率）也会增加。因此，温度的升高提高了反应速率。这里，我们使用8摩尔/升的KOH溶液（31% KOH溶液），沸点约为128°C（MSDS:P5887，10% KOH溶液:101°C，45% KOH溶液:132°C）。考虑到安全性，蚀刻环境设置为110°c .这里，将改性玻璃浸入聚四氟乙烯容器中的8 mol/L KOH溶液中。随后，将容器浸入数字清洗控制油浴。蚀刻后，用去离子水和异丙醇冲洗玻璃样品。最后，使用压缩氮气去除清洗液。

结果和讨论

如上所述，持续时间为0.2至1 ps的激光脉冲以各种条件（单脉冲、间隔为213 ps的双脉冲、间隔为10 ns的双脉冲和间隔为500 ms的双脉冲）照射在玻璃上。通常，随着脉冲持续时间变短，强度变高。因此，当用较短的脉冲照射样品时，电子的时间密度也增加。因此，我们预计沿光束传播方向的局部修改受脉冲持续时间的影响。这里，我们用贝塞尔光束画了一条线，并使用8摩尔/升的KOH溶液在110°C下蚀刻5小时。然后使用光学显微镜测量表面的直径。为了测量深度，将样品折断以获得横截面。这是用光学显微镜测量的。

数字3 显示了脉冲持续时间对TGV产生的影响。

图3。基于脉冲持续时间的TGV的（a）直径和（b）深度。

结果显示，随着脉冲持续时间变长，TGV的直径和深度分别变小和变深。在0.2 ps脉冲持续时间的情况下，更多的光子在表面附近被吸收。当强度相对较高时，它会引起更多的多光子吸收。另一方面，对于1皮秒的脉冲持续时间，强度相对低于0.2皮秒脉冲持续时间的情况。因此，在表面附近发生的多光子分裂较少，更多的光子可以进入玻璃内部。因此，使用更长的脉冲持续时间可以产生更深的TGV。在这种情况下，由于表面附近的吸收率较低，TGV的直径减小。在这项研究中，由于最大脉冲能量和光学设置效率，我们将重点放在亚皮秒到一皮秒范围内。我们声称较长的脉冲持续时间可能会产生较深的TGV。

在这项研究中，我们假设在载流子激发时间范围内增加更多的能量会比在热化时间范围内增加更多的能量更有效地增强光子吸收。增强电子的动能通常比增强热量更容易。为了测试这一假设，我们使用具有上述时间间隔的双脉冲进行了局部修改。此外，用110℃的8摩尔/升KOH溶液蚀刻玻璃5小时。蚀刻后测量玻璃顶面的直径。为了测量深度，将玻璃打碎，使用光学显微镜获取截面图像。这些结果证实了我们的假设（图4).对于每个脉冲持续时间的情况，213 ps时间间隔的情况最深TGV孔。特别是，1 ps脉冲持续时间的情况下具有最深的TGV孔，深度为22.39 m。

此外，通过增加脉冲持续时间来增加蚀刻深度单次213 ps间隔情况和500 ms间隔情况。然而，对于10 ns的情况，蚀刻深度几乎是恒定的。我们认为这一结果支持了上述假设。对于213 ps间隔的情况，随着脉冲持续时间的增加，光子的光学穿透深度也增加，因为电子处于激发态，并且它们扩散到束传播方向。同时，在10 ns的情况下，大多数电子回到基态。然而，声子和热扩散发生了。因为热扩散长度没有显著变化，所以在这种情况下蚀刻深度相似。

图4。TGV（a）直径和（b）深度。这包括从0.2到1 ps的脉冲持续时间和从单个脉冲到500 ms间隔的脉冲间时间间隔。

结论

总之，我们考虑了使用空间光调制器（SLM）产生和利用环形光束，从而形成具有宽焦深的贝塞尔光束。这项研究使用选择性激光蚀刻技术，用贝塞尔光束照射100 m厚的玻璃样品，然后用110°C 8M KOH溶液蚀刻。本研究旨在研究商业玻璃样品中的电子吸收和声子吸收效应。这里，我们报告了通过调整双脉冲之间的时间间隔获得的实验结果。间隔为213 ps的双脉冲增强了电子的动能，间隔为10 ns的双脉冲增强了热量。我们的结果表明，就加工性而言，电子动能的增强比热增强更有利。通过局部改性区域的扫描电子显微镜（SEM）图像证实了这一点。我们发现，在213 ps后，额外的脉冲能量形成了更窄的纳米光栅。这意味着电子吸收的影响大于热吸收的影响。正如预期的那样，与其他条件相比，间隔为213ps的双脉冲辐照产生了最深的孔。因此，ps间隔双脉冲是提高TGV产生率的有利条件。

审核编辑 黄宇