[논문 리뷰] Few pulses femtosecond laser exposure for high efficiency 3D glass micromachining

Enrico Casamenti, Sacha Pollonghini외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 23.

Laser Material Processing Techniques참고 문헌 48인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 초저에너지 용량(~1.5 J/mm²)의 소수의 펄스를 갖는 펌프터세컨드 레이저 노출을 통해 수산화나트륨(NaOH) 에칭을 이용한 고효율 3차원 유리 미세가공을 가능하게 하며, 300 µm/h의 비례로 높은 에칭 속도와 최대 1:400의 애슬러트 비율을 달성한다. 이 방법은 레이저 유도 결함—특히 비다리오르가산소홀 중심(NBOHC)과 산소 결핍 중심(ODC)—에 의해 선택적 에칭을 유도하며, 유해한 수소플루오르산(HF)을 대체하고 프로세스 속도를 10배 이상 향상시킨다.

ABSTRACT

Advanced three-dimensional manufacturing techniques are triggering new paradigms in the way we design and produce sophisticated parts on demand. Yet, to fully unravel its potential, a few limitations have to be overcome, one of them being the realization of high-aspect-ratio structures of arbitrary shapes at sufficiently high resolution and scalability. Among the most promising advanced manufacturing methods that emerged recently is the use of optical non-linear absorption effects, and in particular, its implementation in 3D printing of glass based on femtosecond laser exposure combined with chemical etching. Here, we optimize both laser and chemical processes to achieve unprecedented aspect ratio levels. We further show how the formation of pre-cursor laser-induced defects in the glass matrix plays a key role in etching selectivity. In particular, we demonstrate that there is an optimal energy dose, an order of magnitude smaller than the currently used ones, yielding to higher process efficiency and lower processing time. This research, in addition to a conspicuous technological advancement, unravels key mechanisms in laser-matter interactions essential in chemically-based glass manufacturing and offers an environmentally-friendly pathway through the use of less-dangerous etchants, replacing the commonly used hydrofluoric acid.

연구 동기 및 목표

• 3차원 유리 미세가공의 한계—특히 낮은 애슬러트 비율과 느린 처리 속도—를 극복하기 위해 레이저 및 화학적 에칭 조건을 최적화한다.
• 수소플루오르산(HF)과 수산화칼륨(KOH) 에칭제의 안전성과 효율성을 높이기 위해 수산화나트륨(NaOH)을 대체로 평가함으로써 더 안전하고 효율적인 대안을 규명한다.
• 레이저 유도 결함—예를 들어 NBOHC와 ODC—이 에칭 선택성 향상과 고애슬러트 비율의 구조 형성에 기여하는 역할을 조사한다.
• 에칭 효율을 극대화하면서도 재료 손상과 처리 시간을 최소화하는 최적의 레이저 노출 용량과 펄스 에너지 제도를 규명한다.
• 펌프터세컨드 레이저 처리 유리에서의 주요 에칭 메커니즘을 규명하며, 결함 유도 메커니즘과 구멍/나노그레이팅 유도 메커니즘 간의 차이를 명확히 한다.

제안 방법

• 융합 실리카 기판(Corning 7980)을 270 fs, 1030 nm의 ytterbium-fiber 펌프터세컨드 레이저로 333 kHz 반복 주기에서 노출하였으며, 펄스 에너지는 160에서 260 nJ로 변화시켰다.
• 레이저 패턴은 0.4 NA 목표 렌즈를 사용하여 기록하였으며, 레이저 빔을 1.94 µm의 웨이스트로 집중시켰고, 스캐닝 속도를 0.5에서 85 mm/s로 변화시켜 노출 용량을 약 ~0.5에서 ~100 J/mm²로 조절하였다.
• 노출 용량은 공식 Φ = πEp f / (4wv)를 사용하여 계산하였으며, 여기서 Ep는 펄스 에너지, f는 반복 주기, w는 레이저 빔 웨이스트, v는 스캐닝 속도이다.
• 세 가지 에칭제를 비교하였다: 실온에서 2.5 v% HF, 90 °C에서 45 wt% KOH, 90 °C에서 5 wt% NaOH.
• 에칭 효율은 레이저 선에 수직으로 잘린 시료의 수정된 영역을 노출시킨 후 4시간 후에 디지털 현미경으로 측정한 에칭된 패턴 길이로 정량화하였다.
• 레이저 유도 결함의 열적 안정성과 그 에칭 향상 기여도를 평가하기 위해 300 °C와 500 °C에서 안내 실험을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 유리 미세가공에서 에칭 속도와 선택성을 극대화하는 데 최적의 레이저 노출 용량은 무엇인가?
• RQ2 수소플루오르산(HF)과 수산화칼륨(KOH)에 비해 수산화나트륨(NaOH)은 에칭 속도, 선택성 및 환경 안전성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 저용량 펌프터세컨드 레이저 노출 조건에서 주요 에칭 메커니즘은 결함(NBOHC, ODC)인지, 아니면 나노그레이팅/구멍인지?
• RQ4 레이저 펄스의 편광과 에너지가 에칭 프로세스의 이방성과 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 열안내 처리가 레이저 수정 유리의 에칭 거동에 미치는 영향은 어느 정도이며, 이는 레이저 유도 결함의 성질을 어떻게 밝혀내는가?

주요 결과

• 수산화나트륨(NaOH)은 300 µm/h의 에칭 속도를 달성하였으며, 이는 KOH의 두 배이며 HF의 거의 네 배에 해당하여 뛰어난 에칭 효율성을 보였다.
• NaOH, KOH, HF 모두 약 1.5 J/mm²의 낮은 노출 용량에서 최고의 에칭 속도를 보였으며, 이는 약 10개의 겹치는 펄스에 해당하여 최적의 용량 영역임을 시사한다.
• NaOH는 편광 방향에 따라 수평과 수직 방향의 에칭 깊이 비율이 약 1200:1로 나타나 이는 강한 결함 정렬 효과를 나타낸다.
• 안내 실험 결과, NaOH와 KOH의 에칭 향상 기능은 주로 결함(NBOHC, ODC)에 의해 유도되며, 이들의 에칭 속도는 안내 후 크게 감소하는 것으로 나타났다. 반면 HF는 이러한 감소가 없었다.
• 중간 노출 용량 영역(영역 II)에서의 에칭 속도 저하 현상은 결함 지배적 수정에서 구멍 지배적 수정으로의 전이로 기인한 것으로 추정되나, 정확한 원인은 아직 밝혀지지 않았다.
• 이 연구는 나노그레이팅이 고선택성 에칭에 필수적이지 않음을 입증하며, 그 형성이 일어나기 이전에 가장 높은 효율이 달성된다는 점을 확인함으로써, 저용량에서 결함 유도 에칭이 주요 메커니즘이라는 것을 확인한다.