Low surface damage laser processing of silicon by laser-induced plasma etching (LIPE)

材料科学 蚀刻(微加工) 激光烧蚀 激光器 各向同性腐蚀 X射线光电子能谱 等离子体 拉曼光谱 光电子学 图层(电子) 光学 纳米技术 化学工程 工程类 物理 量子力学
作者
Robert Heinke,Martin Ehrhardt,Jens Bauer,Andriy Lotnyk,Pierre Lorenz,Roy Morgenstern,Thomas Lampke,Thomas Arnold,K. Zimmer
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:597: 153712-153712 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2022.153712
摘要

The precise surface machining of silicon by pulsed laser processing is challenging. Laser ablation enables direct patterning but causes numerous modifications of the surface and sub-surface region. Due to the increasing demand of precisely structured silicon surfaces in various fields, such as optics and micro-electronics and micro-fluidics, new laser-based ultra-precise surface machining techniques are required. Therefore, the recently developed laser-induced plasma etching process (LIPE) was studied in relation to chemical as well as structural modifications after the etching of single-crystalline silicon. For the studies, a fs-laser (775 nm, 150 fs, 1 kHz) with a pulse energy of maximum 750 µJ was focused to a CF4/O2 gas mixture at atmospheric pressure igniting a laser-induced plasma in front of the 〈1 0 0〉 Si sample. For comparison, a silicon surface was also structured by direct laser ablation. The LIP etched surface, that is characterized by SEM, TEM, XPS- and Raman-spectroscopy, shows no melting features, no structural surface or subsurface defects and almost no chemical contamination from etching besides a 2 nm thick silicon oxyfluoride on top of the atomically ordered silicon. The comparison shows clearly that the severe structural and chemical modifications at laser ablation of silicon can be avoided enabling ultraprecise surface machining.
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