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采用连续波（CW）1070纳米光纤激光器（毫秒级脉宽）在单晶硅、磷化铟和锑化铟中钻制微孔

DOI：10.1016/j.procir.2018.08.158 期刊：Procedia CIRP 出版年份：2018 更新时间：2025-09-12 10:27:22
摘要： 研究人员采用IPG激光公司YLR-2000型连续波2千瓦镱光纤激光器（波长1070nm）和JK400型400瓦光纤激光器（波长1070nm），以毫秒级脉冲时长研究了Si、InP和InSb半导体晶圆上"通孔"（又称过孔）的激光微钻孔工艺。针对室温带隙Eg较窄（InSb Eg 0.17 eV）和较宽（InP Eg 1.35 eV）的半导体基底（相对于1.1 eV光子能量），验证了该激光波长及简易脉冲方案的适用性。通过光学显微镜和截面分析量化了所有晶圆的孔径尺寸与重铸材料分布，并针对硅晶圆(100)和(111)单晶表面取向检测了微裂纹情况。研究发现热扩散率不足以预测所研究Si、InP和InSb单晶半导体的相对孔径大小。对硅的详细观测表明：在表面熔化阈值能量与从前表面钻透至后表面的辐照度之间，存在一个会导致孔周产生微裂纹的辐照度范围。针对(100)和(111)取向研究了这些微裂纹的方向性与长度，并探讨了可能的形成机制（包括适用于金属焊接的格里菲斯微裂纹准则和疲劳失效机制）。当辐照度超过通孔形成阈值后，硅中几乎未观察到裂纹。后续工作将对比其他窄/宽带隙半导体晶圆基底的类似观测结果。本研究展示了该激光微钻孔工艺的一项应用实例：利用半导体光刻技术图案化后，在硅基原子芯片中心精确定位制备通孔，其终端应用是为便携式量子传感提供铷(87Rb)磁光俘获冷原子源。
作者： Jessica O. Maclean，C. Tangkijcharoenchai，Stuart Coomber，Katy T. Voisey
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

采用波长为1070纳米、脉宽为毫秒级的光纤激光器，研究其在硅(Si)、磷化铟(InP)和锑化铟(InSb)半导体晶圆上微钻孔的工艺。

研究成果

该研究表明，利用1070纳米波长的光纤激光器，能够快速钻穿数百微米厚的材料，在脆性半导体晶圆上精确制造并定位亚毫米级尺寸的孔洞。这些孔洞的相对尺寸并非简单地与各单晶半导体材料的热扩散率相关。后续研究将探究孔洞外延结构或表面钝化的要求。

研究不足

该研究在其简化模型中未考虑材料的热扩散率以及快速表面加热影响区域的范围。未来的工作将探究空穴的外延结构或表面钝化的要求。

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