Micromachining thin metal films coated on glass is widely used to repair semiconductors masks and to fabricate optoelectrical and MEMS devices. The interaction of lasers and materials must be understood in order to achieve efficient micromachining. This work investigates the morphology of thin metal films after machining with femtosecond laser ablation for below about 5 μm diameter without any auxiliary devices. The experiment was conducted using a high numerical aperture objective lens of NA 0.8 and 0.4 and a temporal pulse width of 220 fs on 200-nm and 500-nm-thick chromium films. The effect of the film thickness on the results is analyzed by comparing experimental images with data obtained using a two-temperature heat transfer model.
The thermal conduction was important and the surface morphology varied for different film thicknesses, even when irradiated by the same amount of energy. The glass substrate blocked thermal diffusion from the laser, resulting in greater hydrodynamic flow and recoil pressure in the 500-nm-thick film compared to the 200-nm-thick film. The simulation results using the two-temperature model also showed that the glass substrate blocked thermal diffusion during laser ablation. The experimental work showed the onset of a different surface morphology for the two film thicknesses when machined with an energy of 11 nJ (0.94 $J/cm^2$); however, the model indicated an energy of 47 nJ (4.02 $J/cm^2$) was required to observe this effect. A ring pattern, which may have come from Fraunhofer diffraction, was observed in the 500-nm-thick film when machined using a high amount of energy. Machining at a submicron level was achieved when the melted region was minimized. The threshold energy, determined from the logarithmic curve-fit, was about 1.8 nJ for NA 0.8. A ripple pattern that was parallel to the direction of polarization of the laser light was also observed after five laser shot. After multiple shots over five, the ripple pattern became perpendicular to the direction of polarization of the laser light. Therefore, in order to achieve high quality micromachining using a laser with a diameter of 1 μm without inducing a ripple pattern, multiple shots with single pulse fluences in the vicinity of the ablation threshold of 55±10mJ/㎠ should be used, and the polarization should be changed during machining.
The ripple formation is qualitatively analyzed by finite difference time domain method using modified Debye model in calculations and by the interaction of warm electron plasma wave such as Langmuir wave and electromagnetic wave in plasma. The ripple perpendicular to the polarization direction of the laser light is certified by the simulation result and the parameters for the ripple period are the permittivity, the electron density, the electron temperature, and the laser frequency. The ripple period increase with an increase in electron density or electron temperature, and decrease with an increase in laser frequency.
Surface modification is investigated experimentally by varying the time separation of double femtosecond laser radiation and surface ripples by varying the time separation and polarization direction of double pulses train. Nanometer-sized particles are formed during resolidification of the molten region when the second pulse arrives within 10 ps and the molten material is ejected much after 10 ps. The energy of the hot electrons caused by the ultrashort pulse is transferred to the lattice in accordance with the electron-lattice coupling strength and results in equilibrium state after about 10 ps. The hot electron oscillation is the initial source of SEWs or Langmuir wave, and these can be disturbed by a subsequent pulse with different polarization direction when it arrives at the sample before transferring the energy of the hot electrons to the cold lattice. This disturbance of the total energy and electron-lattice energy coupling determines the surface morphology. Furthermore, the total hot electron energy defines the ablated area unless the energy of hot electrons induced by the foregoing pulse is transferred to the cold lattice.
The ripple in the outer region remains oblique to the sum of the vector direction of the two pulses when the time delay is zero. With time delay ranging from 0.5 to 10 ps and different polarization directions of the laser radiation, the ripple generally aligned perpendicular to the polarization direction of the electric field with multiple pulses in the vicinity of ablation threshold is effectively eliminated without fragments at the edge. Furthermore, remnant ripples on irradiated area at higher energies with the same polarization direction of laser are removed by irradiation at a lower energy with each different polarization direction of double pulse. This double-pulse method having perpendicular polarization direction should help to understand the dynamics of the interaction of laser and materials and to develop a subtractive micromachining process that does not produce a ripple pattern with an ablation energy saving way.
본 연구에서는 극초단 펄스 레이저와 고배율 렌즈를 이용하여 금속 박막에 미크론 단위의 형상을 부가적인 다른 장치 없이 고품질의 가공품을 얻고자 하였다. 이를 위해 에너지를 달리한 단일 펄스 가공 및 다중 펄스 가공, 이미지 방법에 의한 가공, 또 각각에 대해 편광과 시간 지연을 이용한 방법을 적용하여 미세한 영역에서의 가공 특성을 고찰하였다. 또한 박막의 표면 형상을 2 온도 모델에 의한 전자 및 격자 온도분포와 FDTD를 이용한 표면 강도분포를 고려하여 분석하였다. 이를 정리하면 다음과 같다.
1) 단일펄스에 의한 직경 약 1 μm 크기 가공에서 표면손상을 갖는 임계 에너지밀도는 약 1.8 nJ 정도로 나타났으며, 표면을 가공하기 위해 에너지를 높이면 표면층 재료의 용융 재고화 과정에 의해 나노미터 크기의 드롭릿이 형성 되었다. 더욱 높이게 되면 융융물의 유동이 형성되고 박막의 두께에 따라 표면 형상이 다르게 나타났으며 이는 열전도도가 낮은 유리 기판에 의해 열확산이 차단됨으로 인한 것이라 할 수 있다. 박막 두께가 500 nm인 경우 레이저 에너지 분포가 거의 그대로 표면에 전사되며 프라운호퍼 회절에 의한 고리가 형성되었고, 유리기판을 입사방향으로 설정하고 가공할 경우 표면의 열영향 없이 양호한 품질의 가공을 얻을 수 있었다.
2) 표면의 열영향을 최소화 하기 위해 대략 55±10 $mJ/cm^2$ 정도의 임계근방 에너지 밀도로 다중펄스 가공을 하게 되면 레이저 빔의 편광방향에 수직인 방향으로 주기적 줄무늬 즉 리플이 형성되었다. 이 수직방향의 리플은 전자기장 해석 결과와 정성적으로 일치함을 보였고 박막 표면에서 형성되는 $E_z$ 성분의 전기장이 간격에 영향을 주는 요소로 나타났다. 시편의 직선 이송에 의한 중첩과정에서는 단위길이당 유효 에너지가 큰 것보다 시편 이송속도를 빠르게 하는 것이 열 축적효과를 배제할 수 있어 재료제거에 유효하였다.
3) 시간에 따른 용융물의 상태를 시간지연 방법에 의해 관찰하였으며 첫 번째 펄스 조사 후 30ps 이후에는 두 번째 펄스에 의해 용융물이 주위로 확산 됨을 관찰 하였다. 이는 열해석에서 나타난 전자와 격자간의 열평형 상태가 10ps 정도 내에서 이루어지고 이후에는 증발과 용융물이 충분히 발달하여 두번째 펄스의 복사압 또는 반충압력에 의한 것으로 판단된다.
4) 편광이 다른 두 펄스간의 시간지연 방법에 의해 리플을 제거하는 미세가공 공정을 제안하였고, 유효성을 이미지 전사방법에 의한 가공 및 초점위치에서의 가공 등을 통해 검증하였으며 펄스간 시간차에 따른 리플의 변화 양상을 분석하였다. 리플 형성은 고온의 전자온도에 의해 형성되는 플라즈마파 또는 표면파와 변화된 전자밀도를 가진 표면에 입사된 레이저 주파수와의 운동량 보존 관계에서 형성되며, 리플 간격에 영향을 주는 요소로는 재료의 유전율과 전자밀도, 전자 온도, 입사주파수에 영향을 받는 것으로 분석되었으며, 전자밀도 및 전자온도가 높을수록 리플 간격이 커지고 입사주파수가 클수록 간격은 작아짐을 알 수 있었다.
5) 첫번째 펄스에 의해 여기된 고온의 전자는 플라즈마파 또는 표면파를 형성하고 고온의 전자가 격자로 열을 전달하기 이전의 시간 즉 대략 1~10ps 내에 첫번째 레이저 빔과 서로 수직인 편광을 가진 두번째 펄스가 입사하게 되면 전체 전자의 온도는 상승하며 방향성을 가진 플라즈마파 또는 표면파들이 서로 혼재되어 리플이 제거되는 것으로 보인다. 이는 열 해석의 전자온도의 변화와 거의 일치함을 보였고 금속이 아닌 다른 재료의 전자 거동 특성을 분석한 다른 연구자의 결과와도 거의 일치한다.
6) 결과적으로 임계에너지밀도로 편광이 서로 다른 두 레이저 빔의 간격을 1~10ps 이내로 금속 박막에 조사하게 되면 리플 형상이 없는 고품위의 미세가공을 단일펄스에 의한 에너지보다 적은 에너지로 얻을 수 있고, 다른 한편으로 리플 형상을 적절히 이용하면 그레이팅 제작, 나노 크기의 패터닝 등 많은 산업분야에 적용 가능하리라 생각된다.
