Femto-second Laser Ablation Process for Si Wafer Through-hole

펨토초 레이저 어블레이션을 이용한 Si 웨이퍼의 미세 관통 홀 가공

The main objectives of this study are to investigate the micro-scale energy transfer mechanism for silicon wafer and to find an efficient way for fabrication of silicon wafer through-hole by using the femtosecond pulse laser ablation. In addition, the electron-phonon interactions during laser irradiation are discussed and the carrier number density and temperatures are estimated. In particular, the present study observes the shapes of silicon wafer through-hole with $100\;{\mu}m$ diameter and it also measures the heat-affected area and the ablation depths fur different laser fluences by using the optic microscope and the three-dimensional profile measurement technique. First, from numerical investigation, it is found that the nonequilibrium state exists between electrons and phonons during laser irradiation. From experimental results, it should be noted that the heat-affected area increases with laser fluence, and the optimal conditions for through-hole formation with minimum heat affected zone are finally obtained.

본 논문에서는 펨토초 레이저를 사용하여 정밀하고 효과적인 레이저 어블레이션 작업이 가능한지를 확인하기위한 수치 해석 및 가공 작업을 수행하였다. 이를 위하여 Si 재료 내부의 에너지 전달 메커니즘에 대한 수치해석을 실시하였으며, Si 웨이퍼에 각각 다른 조건으로 적용된 레이저 플루언스 값으로 $100\;{\mu}m$ 직경의 미세 관통 홀을 형성한 후, 광학현미경과 3차원 표면 형상 측정 장비를 사용하여 형성된 미세 관통 홀의 가공성과 열영향부의 발생 정도를 관찰하고 분석하였다. 실험 결과를 통해 레이저 플루언스 조건에 따른 열영향부의 발생 정도를 분석하였으며, 또한 최소한의 열영향부를 가지며 우수한 홀 가공성을 보이는 최적의 미세 관통 홀 가공 조건을 도출하였다.