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近日，日本RIKEN先進(jìn)光子學(xué)中心研究激光應(yīng)用的科學(xué)家們宣布，他們采用一種“BiBurst”模式的激光新技術(shù)，將硅的燒蝕加工速度大幅提升了23倍。

該技術(shù)是通過(guò)使用在MHz包膜中分組的GHz飛秒激光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。研究人員證明，在避免空氣電離的情況下，“BiBurst”模式能夠以比單脈沖模式快23倍的燒蝕速度蝕刻硅，同時(shí)不影響燒蝕質(zhì)量。日前，相關(guān)的團(tuán)隊(duì)研究成果已發(fā)表在《國(guó)際極限制造雜志》（IJEM）上。

在硅片半導(dǎo)體加工等實(shí)際應(yīng)用中，提高燒蝕速度是非常必要的。原則上而言，激光強(qiáng)度越大，消融速度越快——然而，較高強(qiáng)度的飛秒激光脈沖由于空氣電離和產(chǎn)生過(guò)多的熱量而頻遭偶然損傷。BiBurst模式飛秒激光加工改寫(xiě)了飛秒激光加工以往的常識(shí)，將幫助克服工業(yè)應(yīng)用中的一系列瓶頸。

在GHz脈沖中，入射的飛秒激光脈沖序列具有極短的幾百皮秒（ps）脈沖間隔，控制時(shí)間能量沉積在硅上，從來(lái)提高了消融效率和質(zhì)量。然后，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了在明顯更高的BiBurst脈沖能量下進(jìn)行高速、精細(xì)微加工硅的能力，這對(duì)應(yīng)于BiBurst脈沖中每個(gè)脈沖的綜合能量。

值得注意的是，當(dāng)傳遞相同的激光總能量時(shí)，BiBurst脈沖中每個(gè)飛秒激光脈沖（內(nèi)脈沖）的能量明顯小于單脈沖模式的脈沖能量。再單脈沖模式中，一旦強(qiáng)度超過(guò)臨界值，空氣電離會(huì)導(dǎo)致燒蝕表面發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。而相比之下，BiBurst模式由于其較低的脈沖內(nèi)強(qiáng)度，則能夠提供更高的總能量來(lái)燒蝕硅，而不會(huì)引起空氣電離。

因此，在避免空氣電離的情況下，BiBurst模式能夠在總能量和消融效率的協(xié)同作用下，消融速度比單脈沖模式提高了23倍。此外，BiBurst對(duì)能量沉積的時(shí)間控制，使之即便在如此高的總能量下仍然保持很高的燒蝕質(zhì)量。

而在單脈沖模式下，當(dāng)脈沖內(nèi)能量超過(guò)消融閾值能量時(shí)，消融效率會(huì)逐漸降低，因?yàn)閱蝹€(gè)脈沖內(nèi)可以直接誘導(dǎo)消融。在這種情況下，燒蝕效率不再能夠依賴(lài)于連續(xù)內(nèi)部脈沖的協(xié)同貢獻(xiàn)而提高。

總結(jié)來(lái)看，BiBurst模式下較低的脈沖內(nèi)能量，既能避免空氣電離，又能保持較高的消融效率，從而獲得比GHz突發(fā)單脈沖或單脈沖模式更高的消融速度。因此，BiBurst模式下的激光燒蝕有潛力實(shí)現(xiàn)更高的加工吞吐量，同時(shí)保持高質(zhì)量的硅微加工方面的實(shí)際應(yīng)用。