Brevet FR3092266A1 — publié le 20200807

Description Titre de l'invention : Méthode de détermination des conditions opérationnelles d'un procédé d'ablation laser femtoseconde à très haute cadence pour un matériau donné [OOO1 j La présente invention concerne de manière générale le domaine des procédés d'ablation laser. [0002] Elle concerne plus particulièrement le domaine des procédés d'ablation laser d'une surface d'un matériau par une rafale d'impulsions laser ou une succession de rafales d'impulsions laser à très haute cadence, de l'ordre du GHz. [0003] L'ablation de surface d'un matériau par une impulsion laser microseconde, na- noseconde picoseconde ou femtoseconde est aujourd'hui une technique largement utilisée pour modifier de façon contrôlée la surface d'un matériau (perçage, découpe, structuration). Les matériaux mis en jeu sont variés et sont par exemple des matériaux semi-conducteurs, métalliques, diélectriques ou même des tissus biologiques. [0004] Les impulsions femtosecondes conduisent habituellement aux meilleures qualités de réalisation, mais l'efficacité d'ablation de ces impulsions est également plus faible que pour des impulsions plus longues de l'ordre de la nanoseconde. La récente possibilité de disposer de laser à plus forte puissance moyenne permet d'utiliser des plus hautes cadences de répétition autour du MHz pour diminuer les temps de réalisation. Toutefois, l'utilisation de ces hautes cadences de répétition des impulsions délivrées par le laser peut générer un phénomène d'accumulation thermique non désiré. Ce phénomène d'accumulation thermique non désiré vient dégrader la qualité d'ablation du matériau. Il est donc essentiel de développer des méthodes alternatives destinées à améliorer la qualité de l'ablation de surface d'un matériau donné. [0005] Dans quelques cas particuliers, il a été récemment montré dans la littérature scientifique qu'une très forte cadence des impulsions laser femtoseconde (supérieure à la dizaine de MHz et autour de 1 GHz) peut permettre une importante augmentation de l'efficacité d'ablation. Dans ce cas, le nombre de paramètres de fonctionnement est très important : la longueur d'oncle du laser, la cadence de répétition des impulsions délivrées par le laser, la durée des impulsions, l'énergie des impulsions, la focalisation, la puissance moyenne des impulsions, le matériau à ablater.... Ce nombre important de paramètres de fonctionnement rend difficile la détermination des paramètre de fonctionnement les plus adaptés à un matériau donné. De plus, la nature exacte des mécanismes d'ablation laser (l'un matériau par des rafales d'impulsions femtosecondes cadence GHz est encore controversée dans la littérature scientifique. [0006] Selon l'art antérieur, une ablation à la surface d'un matériau se produit lorsque la 2 fluence de la ou des impulsions laser est égale à un seuil d'ablation déterminé pour chaque matériau. [0007] Il est ainsi proposé, selon l'invention, une méthode de détermination des conditions opérationnelles d'un procédé d'ablation laser femtoseconde à très haute cadence pour un matériau donné comprenant une première étape de détermination d'un ensemble de paramètres d'une rafale d'impulsions laser adapté pour générer un cratère d'ablation dans le matériau, l'ensemble de paramètres consistant en une fréquence de répétition intra-rafale f comprise entre quelques centaines de MHz et 100 GHz, un nombre N d'impulsions de la rafale d'impulsions laser supérieur ou égal à un nombre Nc d'impulsions de chauffage et d'ablation, Nc étant défini par l'équation Nc=(L2S)/D, où L représente une profondeur d'essai et D représente un coefficient de diffusion thermique du matériau à ablatcr, Ne étant supérieur ou égal à 10, une fluence totale caractéristique FTeal de la rafale d'impulsions et une fluence caractéristique par impulsion Fcar=FT''/Ne par impulsion inférieure à une fluence seuil d'ablation Psi du matériau par une seule impulsion laser. [0008] Ce procédé d'ablation laser consiste à envoyer une rafale d'impulsions lumineuses à la surface d'un matériau à la cadence de répétition des impulsions délivrées par le laser pour déterminer expérimentalement une fluence totale caractéristique EL, définie par l'absence de cratère d'ablation si FT FIcar, [0021] [fig.7] est une représentation schématique du mécanisme d'ablation mis en jeu lors d'une ablation laser à la surface d'un matériau, [0022] [fig.8] est une représentation schématique d'une étape du mécanisme d'ablation mis en jeu lors d'une ablation laser à la surface d'un matériau, [0023] Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références. [0024] L'invention concerne en particulier le domaine des impulsions d'une rafale ayant une durée de l'ordre de la femtoseconde (inférieure à une picoseconde) et une fréquence de répétition intra-rafale de l'ordre du GHz. [0025] L'invention propose une méthode de détermination des conditions opérationnelles d'un procédé laser pour un matériau donné comprenant une étape de détermination d'un ensemble de paramètres pour une cadence de répétition f de la rafale de l'ordre du GHz consistant en un nombre entier N d'impulsions d'une rafale d'impulsions laser, et une fluence F de chaque impulsion de la rafale. La fluence totale de la rafale FT vue par le matériau étant égale au produit N.F. La cadence de répétition C des rafales est un autre paramètre de la source laser utilisée. [0026] Le nombre entier N d'impulsions d'une rafale d'impulsions laser est au moins supérieur ou égal à 10, particulièrement le nombre N d'impulsions est compris entre 10 et 800. [0027] La durée T d'une rafale de N impulsions à une cadence de répétition f est définie par T=N/f. [0028] Les impulsions d'une rafale ont une fréquence de répétition f comprise entre 100 MHz et 100 GHz. [0029] L'énergie totale d'une rafale Eh peut être comprise entre 1 pl- et 20 mi- en fonction du laser utilisé. [0030] La rafale d'impulsions a une cadence de répétition C comprise entre 10 kHz et 40 MHz, le matériau étant en mouvement ou non, les différentes rafales se recouvrent ou non. La cadence de répétition est toutefois limitée par la durée de la rafale T de sorte à vérifier que la durée de la rafale T est strictement inférieure à l'inverse de la cadence de répétition C. [0031] Selon la présente divulgation, les impulsions d'une rafale ont une fluence F inférieure à une fluence seuil Fsl d'ablation du matériau par une seule impulsion laser. [0032] La rafale d'impulsions laser possède une longueur d'onde comprise entre 200 nm et 3 Mm. [0033] Pour l'ensemble des figures, on définit un repère XYZ, où la direction de l'axe Z est orthogonale à la surface du matériau à ablater et le faisceau laser se propage suivant l'axe Z. [0034] La figure 1 est un graphique représentant un exemple d'une rafale comprenant N im- pulsions. Ici, le nombre entier N d'impulsions de ladite rafale est de 100 et les impulsions de ladite rafale ont une fréquence de répétition f égale à 0,88 GHz. Chaque impulsion de la rafale a une durée d inférieure ou égale à 550 fs. Ladite rafale a une énergie Eh pouvant varier de 1 p.I à 100 pJ, dans cet exemple l'énergie Eh est égale à 33 pJ. Chaque rafale de N impulsions a une durée totale T égale à 114 ns. Les rafales sont délivrées par la source laser à une cadence de répétition C pouvant varier de 1 kHz à 200 kHz. [0035] Dans un autre exemple, le nombre entier N d'impulsions d'une rafale d'impulsions est de 50 et les impulsions de ladite rafale ont une fréquence de répétition f égale à 0,88 GHz. Chaque impulsion de la rafale a une durée d inférieure ou égale à 550 fs. Ladite rafale a une énergie Eb pouvant varier de 1 pJ à 100 pJ et une fréquence de répétition C ajustable comprise entre 1 kHz à 200 kHz et une durée totale T égale à 57 ns. 6 [0036] Dans un autre exemple, le nombre entier N d'impulsions d'une rafale d'impulsions est de 200 et les impulsions de ladite rafale ont une fréquence de répétition f égale à 0,88 GHz. Chaque impulsion de la rafale a une durée d inférieure ou égale à 550 fs. Ladite rafale a une énergie Eb pouvant varier de 1 nJ à 100 iJ et une fréquence de répétition C ajustablc comprise entre 1 kHz à 200 kHz et une durée totale T égale à 228 ns. [0037] L'utilisation d'un dispositif d'usinage permet la gestion de l'adressage des rafales sur un échantillon soit par une superposition spatiale des rafales dans un cas statique, soit par un décalage spatial complet ou partiel des impulsions en cas de mouvement de l'échantillon ou du faisceau laser. [0038] Nous considérons un matériau à ablater ayant un coefficient de diffusion thermique D donné exprimé en cm2/s. [0039] Sans être lié par une théorie, selon la présente méthode, le nombre entier N d'impulsions femtosecondes de fréquence de répétition de l'ordre du GHz pour une rafale est égal à la somme d'un nombre entier Nc d'impulsions permettant le chauffage et l'ablation sur une profondeur Lfl, et d'un nombre entier Na d'impulsions complémentaires, avec Lfl, correspondant à longueur de profondeur thermique associée au matériau pour la cadence de répétition f. [0040] Dans une première étape, on détermine le nombre Nc d'impulsions de chauffage et d'ablation correspondant au nombre d'impulsions femtosccondes pour une rafale de cadence de répétition f qui est nécessaire pour chauffer le matériau à ablater sur une profondeur d'essai L donnée comme point de départ de l'optimisation, de manière à modifier la valeur de la fluence seuil Fsl jusqu'à atteindre une autre fluence seuil Fs2 inférieure à la fluence seuil Fsl. La fluence totale FT de la rafale est définie de sorte que la fluence F par impulsion est inférieure à la fluence seuil Fsl. Le nombre Nc est défini par l'équation Nc = (L2.0/D. [0041] Le nombre Nc correspond au nombre d'impulsions de la rafale permettant le chauffage du matériau à ablater suivant l'axe Z sur une profondeur L. Le nombre Nc représente une borne inférieure du nombre d'impulsion N pour l'ablation à la cadence de répétition f des impulsions d'une rafale au voisinage de la profondeur L. Autrement dit, Nc représente le nombre d'impulsions où apparaît un cratère d'ablation de profondeur proche de L en surface du matériau. [0042] La profondeur d'essai L est obtenue pour une valeur de fluence totale caractéristique FT,', d'une rafale d'impulsions de cadence de répétition f. Cette fluence totale caractéristique FT,, correspond à la fluence totale de la rafale minimale permettant l'observation d'un cratère d'ablation en surface du matériau. La fluence totale caractéristique FT,, d'une rafale d'impulsions divisée par le nombre d'impulsions N est en général différente de la fluence Fsl caractérisant le seuil d'ablation pour une impulsion 7 unique et est inférieure à la fluence Fsl, soit FT,,,,/N Nc et FT>FTL.,. Cet effet technique ne découle nullement de l'enseignement dans le domaine technique où l'ablation pour des impulsions femtosecondes est très controversé. La profondeur d'ablation pour une rafale comprenant 50 impulsions passe de 3,5 p.m à 7,5 pm pour une rafale comprenant 200 impulsions, la fluence totale ET dans les deux cas étant de 5,8 Ectn2. [0065] Une interprétation possible est que la présente méthode repose sur le couplage d'un phénomène d'accumulation de chaleur et d'ablation très efficace à la surface du matériau qui diffère du mécanisme mis en jeu pour l'ablation par une impulsion unique de durée ps, ou ns. [0066] La présente méthode permet par exemple de déterminer les conditions opéra- tionnelles pour réaliser une ablation laser par une rafale d'impulsions femtosecondes de fréquence de répétition de l'ordre du GHz à la surface d'un matériau silicium. Dans le tableau 1, les conditions opérationnelles pour réaliser une ablation laser par une rafale d'impulsions femtosecondes de fréquence de répétition de l'ordre du GHz à la surface d'un matériau silicium sont répertoriées sous forme d'exemples indexés de A à G. Le coefficient de diffusion thermique D du silicium à température ambiante est égal à 0,86 cm2/s. [0067] 11 [Tableaux1] f L (pm) Ne calculé ET,,,, (J/cm2) Fcir (J/cm2) L', (pin) (GHz) 0.88 2,2 50 0,96 0,019 1.45 0.88 3,1 100 1,8 0,018 2.6 0.88 4,4 200 3,3 0,017 4 1,76 1,6 50 1,76 2,2 100 F 1,76 3,1 200 3.52 2,2 198 1,9 100681 Le tableau 1 liste les conditions opérationnelles pour réaliser une ablation laser sur un matériau silicium par une rafale d'impulsions femtosecondes de fréquence de répétition de l'ordre du GHz. Dans ce tableau L', correspond à la valeur expérimentale de la longueur (l'essai L mesurée pour FT=ET,'' et N=Nc. 100691 La fluence seuil Esi (l'ablation d'une impulsion pour le silicium est égale à 0,46 J/ cm2. Dans les exemples A à G. la fluence par impulsion pour une rafale est nettement inférieure à la fluence seuil Psi d'ablation d'une impulsion pour le matériau silicium. 100701 ITableaux21 f L Nc FT', F', FT,, 2Nc 2FT,,,, (GHz) (pin) (J/ern2) (J/cm2) (J/cm2) (J/cm2) H 1,76 2.55 100 3 0,03 6