科学家利用GHz脉冲飞秒激光新技术，将硅的烧蚀速度提高23倍

2023-04-19 09:45

近日，日本RIKEN先进光子学中心研究激光应用的科学家们宣布，他们采用一种“BiBurst”模式的激光新技术，将硅的烧蚀加工速度大幅提升了23倍。

该技术是通过使用在MHz包膜中分组的GHz飞秒激光脉冲来实现的。研究人员证明，在避免空气电离的情况下，“BiBurst”模式能够以比单脉冲模式快23倍的烧蚀速度蚀刻硅，同时不影响烧蚀质量。日前，相关的团队研究成果已发表在《国际极限制造杂志》（IJEM）上。

在硅片半导体加工等实际应用中，提高烧蚀速度是非常必要的。原则上而言，激光强度越大，消融速度越快——然而，较高强度的飞秒激光脉冲由于空气电离和产生过多的热量而频遭偶然损伤。BiBurst模式飞秒激光加工改写了飞秒激光加工以往的常识，将帮助克服工业应用中的一系列瓶颈。

在GHz脉冲中，入射的飞秒激光脉冲序列具有极短的几百皮秒（ps）脉冲间隔，控制时间能量沉积在硅上，从来提高了消融效率和质量。然后，该团队进一步探索了在明显更高的BiBurst脉冲能量下进行高速、精细微加工硅的能力，这对应于BiBurst脉冲中每个脉冲的综合能量。

值得注意的是，当传递相同的激光总能量时，BiBurst脉冲中每个飞秒激光脉冲（内脉冲）的能量明显小于单脉冲模式的脉冲能量。再单脉冲模式中，一旦强度超过临界值，空气电离会导致烧蚀表面发生严重损坏。而相比之下，BiBurst模式由于其较低的脉冲内强度，则能够提供更高的总能量来烧蚀硅，而不会引起空气电离。

因此，在避免空气电离的情况下，BiBurst模式能够在总能量和消融效率的协同作用下，消融速度比单脉冲模式提高了23倍。此外，BiBurst对能量沉积的时间控制，使之即便在如此高的总能量下仍然保持很高的烧蚀质量。

而在单脉冲模式下，当脉冲内能量超过消融阈值能量时，消融效率会逐渐降低，因为单个脉冲内可以直接诱导消融。在这种情况下，烧蚀效率不再能够依赖于连续内部脉冲的协同贡献而提高。

总结来看，BiBurst模式下较低的脉冲内能量，既能避免空气电离，又能保持较高的消融效率，从而获得比GHz突发单脉冲或单脉冲模式更高的消融速度。因此，BiBurst模式下的激光烧蚀有潜力实现更高的加工吞吐量，同时保持高质量的硅微加工方面的实际应用。