Anyagmegmunkálás UV lézerekkel

Anyagmegmunkálás UV lézerekkel Hopp Béla MTA Lézerfizikai Kutatócsoport, (1989-2011.†) Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, Szegedi Tudományegyetem

Eötvös Iskola Szeged, 2011. augusztus 24-27.

Miért UV lézerekkel? A leggyakrabban alkalmazott UV lézerek fotonenergiája A leggyakoribb atomi kötések energiája Egyszeres kémiai kötések

Lézertípus

Hullámhossz (nm)

Fotonenergia (eV)

F2

157

7.90

ArF

193

6.42

KrCl

222

5.50

KrF

248

5.00

Nd:YAG 4.felh

266

4.66

Atomok

Kötési energia (eV)

XeCl

308

4.03

H-H

4.52

XeF

350

3.53

C-C

3.56

Si-Si

1.94

Többszörös kémiai kötések

N-N

1.65

Atomok

Kötési energia (eV)

O-O

1.48

C=C

6.37

C-H

4.30

N-H

4.05

N=N

4.33

O-H

4.80

O=O

5.18

P-H

3.34

C≡C

8.41

C-N

3.02

N≡N

9.80

C-O

3.63

N-O

1.81

Felbontóképesség: R  NA 

Fókuszálhatóság: d min

f  2,44 *  D

Mélységélesség: DOF 

 NA2

Az UV lézeres abláció Egy nagyteljesítményű impulzuslézer nyalábját a céltárgyra fókuszálva, a besugárzás hatására a felületre merőlegesen plazmaállapotú anyagfelhő lép ki. A mikroszkópos megfigyelések azt mutatták, hogy az így kapott maratási gödör tiszta, meredek falú, éles peremű

A maratási folyamatra jellemző: •függ az alkalmazott lézer paramétereitől és a céltárgy optikai, termális és morfológiai tulajdonságaitól •jellemezhető egy Fk küszöb-energiasűrűséggel, amely alatt az abláció nem következik be az első impulzus hatására

•az ablációs maratási sebességre (d:=maratási mélység/impulzusszám) közelítőleg teljesül a követező összefüggés:

1 F d  ln  FK

• kimutatták, hogy akusztikus impulzus-ugrás figyelhető meg a maratás kezdetekor, az Fk elérésekor

•az eltávozó anyagfelhő egy időben táguló, un. „ablációs plume” formájában figyelhető meg

Ablációs modellek fotokémiai modell. Eszerint egy UV foton beesve a minta felületére, nagy energiájának egy része révén képes kémiai kötés felszakítására az abszorbeáló molekulában, míg energiájának másik részével a szétszakított részek kinetikai energiáját növeli meg, ami az anyag gyors fotodekompozíciójához vezet.  A  B

N A A  A  N A I; t 

I  I;    A N A   B N B ; z NA  NB  N0 .

NA (z,0)  N0 , NB (z,0)  0, I(0, t )  Is (t ).

Fototermális modell A besugárzott minta hőmérséklete a Lambert-Beer törvény alapján: F

T ( x) 

Cp

exp( x),

ahol Cp a fajhő,  a minta abszorpciós együtthatója a besugárzó lézer hullámhosszán. 2  T T A hőterjedési egyenletet figyelembe véve: D 2  , ahol D diffúziós együttható x t Elsőfokú termális disszociációt feltételezve:

dn  k (T ( x, t ))n, dt ahol k(T…) a disszociációs sebesség. k (T )  Az Eyring elmélet alapján:

Eact kT exp(  ). h kT

Eact a bomlási aktivációs energia, k pedig a Boltzmann állandó.

Az ablációs folyamat két, egymást követő lépésből áll: 1. abszorbció 2. termális bomlás és diffúzió Az épen maradt kötések száma:

n f  exp(k (T )t e )

te: a folyamat időtartama A maratási mélység:

  k 0 t e  1  kF d  ln  ln . 1   C p E act ln   n f 

Kis átalakítással:

 k  k t 0 e  Fk   ln C E  ln( 1 / n ) p act f  

1

1 F  d  ln  Fk

Fémek ablációja A beérkező lézerimpulzus energiáját döntően a szabad elektronok abszorbeálják  az elektron alrendszer termalizációja  energia transzfer a rács felé és némi energiaveszteség a céltárgy belseje felé irányuló elektron hőtranszport révén. Ez utóbbi fémek esetén a következőképpen írható le:

Te Q( z ) Ce    (Te  Ti )  S , t z

Te T Q( z )   k e ; S  I (t ) A exp( z ). Ci i   (Te  Ti ), z t Q(z): hőáram, S: lézer hőforrás tag, I(t): lézer intenzitás, A=1-R: transzmisszió, Ce, Ci: egységnyi térfogatra eső hőkapacitás, : elektron-rács csatolási tényező, ke: elektron hővezetőképesség.

A folyamat karakterisztikus idői: e=Ce/ elektron lehűlési idő; i=Ci/ rács felmelegedési idő (e<<i); L a lézerimpulzus hossza; : csatolási együttható Femtoszekudumos besugárzás esetén: L<<e  az elektron-rács csatolás és a hővezetés elhanyagolható. Az elérhető elektron és rács hőmérsékletek a lézerimpulzus után:

Ce ' Fa  2 Fe  z 2  exp(  ), Ti  Te ( L )  exp( z ). Te ( L )    2Ci Ci  Ce '  =2/: skin mélység. 1/ 2

A forrás bekövetkezhet, ha: CiTi>, ahol  a sűrűség,  a forráshő. Robbanásszerű forrás feltétele: Fa  Fk exp(z ),

 A forrási küszöbenergiasűrűség fs-os besugárzás Fk   esetén. 1 Fa A maratási sebesség: d  ln .  Fk Az abláció szilárd-gőz vagy szilárd-plazma átmenet formájában valósul meg.

Pikoszekudumos besugárzás esetén

e<<L<<i Az elektronhőmérséklet közelítőleg állandóvá válik és feltéve, hogy a rács hőmérséklete kisebb ennél és az elektron hőmérséklet csökkenésének oka az energiacsere a ráccsal, a lézerimpulzus után:

I a

Fa Te  exp( z ), Ti  exp( z ).  Ci Fs-os és ps-os tartományban a hőmérsékleti és a maratási mélységi egyenletek hasonlóak. Az abláció mellett ebben az esetben elektron hővezetés és a céltárgy bizonyos mélységű megolvadása is bekövetkezik.

Szilárd-gőz vagy szilárd-plazma átmenetek lépnek fel, de már folyadékfázis is megfigyelhető.

Nanoszekudumos besugárzás esetén

i<<L  Te=Ti=T

T  T Ci  ( k0 )  I a exp( z ), t z z ahol k0 a fémek egyensúlyi hővezetőképessége. Az abszorbeált energia felmelegíti a céltárgy felszínét az olvadáspontig, esetleg a forráspontig. A termális behatolási mélység:

l  Dt,

ahol D=k0/Ci. Az egységnyi tömegre eső energia a céltárgyban: Em~Iat/l. Párolgás: Em> : 1/ 2   D A robbanásszerű párolgás feltétele: I  I  . th 1/ 2

L

Ebben az esetben elegendő idő áll rendelkezésre a hőterjedésre a céltárgy belseje felé egy viszonylag nagy megolvadt réteget eredményezve.

Femto-;

piko- és nanoszekundumos abláció

Az UV abláció főbb alkalmazási területei 1. Anyageltávolítás, marás -termális disszociáció -fotokémiai kötésfelszakítás 2. Felületmódosítás, felületkezelés -morfológiai változtatások -a felület kémiai összetételének módosítása -plazmatükör 3. Anyagleválasztás, átvitel -PLD -MAPLE -LIFT 4. Karakterizálás -LIBS -MS

1. Anyageltávolítás, marás 1.1 Mikromegmunkálás

PET fogaskerék, átmérő: 400 m, vastagság: 100 m. 1.2 Restaurálás

Mikrométeres struktúrák PMMA-ba ablálva

1.3 Az abláció orvosi, biológiai alkalmazásai -Szemészet: szaruhártya-szobrászat, refraktív sebészet

Az eltávolítandó réteg vastagsága az optikai tengelytől való távolság függvényében Rövidlátás esetén: t m ( y )  ( R1  y 2 )1 / 2 2

 R (n  1) 2   ( 1 )  y2   n  1  R1 D 

Távollátás esetén:

1/ 2

S 2 1 / 2  R1 (n  1) 2 S 2   ( R1  )  ( )   4 4  n  1  R1 D 2

 R (n  1)   R1 (n  1) 2 2 2 1/ 2 2 t h ( y )  R1   1  ( R  y )  ( )  y 1    n  1  R D 1    n  1  R1 D 

1/ 2

1/ 2

-Érsebészet: érfali lerakódás eltávolítása

-Fogászat: szuvas rész, fogkő eltávolítása

-Petesejt megnyitása

-Sejt megmunkálás

-Növényi metszetek készítése

FÜSTSZEMCSÉK SZÁMA

1.4. Füstrészecskék lézeres aprítása

40

b

BESUGÁRZÁS ELŐTT BESUGÁRZÁS UTÁN F=162 mJ/cm

2

30 20 10 0 0.0

2.5

5.0

7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0

FÜSTSZEMCSÉK MÉRETE (m)

1.5 Indirekt lézeres módszerek átlátszó anyagok finommegmunkálására

-LIPAA (Laser Induced Plasma Assisted Ablation)

-LIBWE (Laser Induced Back-side Wet Etching)

-LIBDE (Laser Induced Back-side Dry Etching)

2. Felületmódosítás, felületkezelés 2.1 Felületi struktúrák lézeres kialakítása

2.2 A felület kémiai összetételének módosítása

Teflon

Poliimid

2.3 Plazmatükör

2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

TIME (ps)

3,0

3,5

4,0

REFLECTIVITY CHANGE (I1/I0)

2,25

0,50 0,0

2,50

2,50

STYRENE

REFLECTIVITY CHANGE (I1/I0)

REFLECTIVITY CHANGE (I1/I0)

2,50

WATER

2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

TIME (ps)

3,0

3,5

4,0

2,25

2,00

1,75

1,50

1,25 0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0 2

FLUENCE (J/cm )

3,5

4,0

3. Anyagleválasztás, átvitel 3.1 PLD (Pulsed Laser Deposition)

PLD szén, PET és PC céltárgyakból

Spektroszkópiai ellipszometria és ionvisszaszórásos spektrometriával (RBS, ERDA) sok rétegjellemző mellett meghatározható a rétegek sűrűsége:

SZÉN PC PET

gyémántszerű szén grafitos

porózus

Teflon

Fog

Pepszin 0,4 % HCl oldat telített gőze T = 37 ºC Pepszin vékonyréteg 20 μm vastag f őtt tojásfehérje

Minták : F=0,38; 1,22 és 2,4 J/cm 2

10 mg kristályos pepszin

Vékonyrétegépítés inverz PLD geometriában Az inverz IPLD geometria

STATIKUS

lézernyaláb

a céltárgy felett nyugvó hordozó

forgó céltárgy

PLD

4” Si lapka IPLD-vel épített TiO2 réteggel

IPLD

Rétegvastagság [nm ]

céltárggyal együttforgó hordozó

EGYÜTTFORGÓ

plazm a

egyenletes vastagság Porozitás [%]

homogén szerkezet

5 Pa 0

homogén tulajdonságok

Pozíció a film átlója m entén [m m]

Extinkciós koefficiens

Az IPLD-vel készült rétegek sokkal kevesebb partikulát tartalmaznak, mint a PLD-s filmek

Törésm utató

0

3.2. MAPLE (Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation)

Ureáz

3.3. LIFT (Laser Induced Forward Transfer)

Élő sejtek abszorbeáló réteggel elősegített kontrollált lézeres mozgatása, átvitele

Irányított sejtnövekedés, sejtmintázatok megvalósítása PLD-vel

4. Karakterizálás 4.1 LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy)

4.2 LA-ICP-MS (Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

Köszönöm szépen a figyelmet!