СПОСОБ СОЗДАНИЯ СКВОЗНЫХ МИКРОКАНАЛОВ С ДИАМЕТРАМИ МИКРОННЫХ И СУБМИКРОННЫХ РАЗМЕРОВ В КРИСТАЛЛЕ КРЕМНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
METHOD OF CREATING THROUGH MICRO CHANNELS WITH DIAMETERS OF MICRON AND SUBMICRON SIZES IN SILICON CRYSTAL WITH HELP OF LASER PULSES

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при производстве электронных приборов. В частности, речь идет о кристаллах электронных микрочипов и других элементов микроэлектроники. Изобретение относится к области электроники, в частности разработке нового способа создания сквозных микро- и субмикронных каналов в кристалле кремния с помощью лазерных импульсов.
Новый способ заключается в прошивке сквозного отверстия в кристалле лазерным методом за счет наведения фокального пятна на тыльную поверхность кристалла и многоступенчатом перемещении этого пятна в направлении к входной поверхности кристалла. Для получения микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле используют инфракрасный фемтосекундный лазер на хром-форстерите, а многоступенчатое перемещение фокального пятна в направлении от тыльной к входной поверхности кристалла проводят с длиной волны излучения 1240 нм, при которой длина пробега фотона в структуре кремния равна 1 см, а энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны.
С позиций практической применимости данный способ может быть использован для организации в кристаллах микроканалов, составляющих структурную часть системы отвода теплоты от кристалла полупроводниковой микросхемы, и может быть использован для охлаждения кристаллов процессоров и полупроводниковых микросхем, выделяющих при работе тепловую энергию.
По мере того как растет удельная мощность интегральных схем, их охлаждение становится все более сложной задачей. Традиционные методы охлаждения, основанные на применении радиаторов и вентиляторов, уже не будут в состоянии удовлетворить требованиям устройств будущего. Высокие же температуры могут привести к нарушениям в работе микросхем.
В настоящее время одним из способов снижения средней температуры нагрева кристалла является жидкостное охлаждение через микроканалы в кристалле. Жидкостное охлаждение, по заявлениям Технологического Института Джорджии (Georgia Institute of Technology) (Микроканальная методика была представлена на восьмой ежегодной конференции IEEE International Interconnect Conference в Сан-Франциско, финансирование работ ведется Microelectronics Advanced Research Corporation (MARCO) и Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), позволяет четко контролировать среднюю температуру и бороться с точками перегрева (hot-spots). Более низкая рабочая температура также приведет к меньшей разнице в тепловом расширении между кремнием и органической подложкой.
Вообще говоря, некоторые методики жидкостного охлаждения уже доступны в продаже или находятся в стадии разработки. В них жидкость циркулирует через модули, закрепленные на чипах, или через микроканалы, закрепленные высокотемпературным способом. Оба подхода имеют свои недостатки: недостаточное снятие тепла с помощью модуля в первом случае и возможное повреждение чипа при высоких температурах (400-700 градусов Цельсия) во втором. Для сравнения, методика Технологического Института Джорджии использует стандартное единое изготовление каналов прямо на интегральной схеме при температуре менее 260 градусов Цельсия.
Изготовление микроканалов происходит следующим образом: вначале происходит вытравливание канавок с глубиной более 100 микрон на обратной стороне кремниевой пластины. Затем на них наносится полимер с высокой вязкостью, который заполняет все канавки. Избытки полимера удаляются стандартной процедурой шлифовки. Наконец, заполненные каналы покрываются сверху пористым слоем, и чип постепенно нагревается в азотной среде. Во время нагревания полимер разлагается и через пористое покрытие выходит наружу, создавая, таким образом, микроканалы. На заключительном этапе пористый слой снова покрывается полимером, чтобы сделать систему влагонепроницаемой.
В дополнение к каналам, ученые также изготовили отверстия и полимерные трубки, через которые охлаждающая система чипа может быть соединена с микроканалами печатной платы.
В качестве хладагента в системе будет использоваться деионизованная вода. Для небольших систем достаточно собственного насоса сантиметровых размеров, тогда как более сложное оборудование потребует централизованной системы циркуляции. Исследователи показали, что созданные микроканалы выдерживают давление, сравнимое с давлением в шинах легкового автомобиля. Также с помощью вычислений было показано, что система может снимать до 100 Вт с квадратного сантиметра. При этом интенсивность охлаждения зависит от скорости потока и его давления, причем каналы меньшего диаметра снимают тепло более эффективно.
Так же в настоящее время исследователи из японского Национального института AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) на конференции IEDM 2012 объявили о разработке новой технологии отвода тепла из внутренностей кристаллов полупроводниковых чипов, в которой используются тепловые каналы из углеродных нанотрубок, проложенных в специальных переходных отверстиях, проделанных в кристалле кремния. Теплопроводность углеродных нанотрубок составляет от 3000 до 3500 Вт/мК, что приблизительно в десять раз выше, чем теплопроводность меди, которая равна 400 Вт/мК. При этом коэффициент теплового расширения углеродных нанотрубок меньше, чем у меди, поэтому нанотрубки будут создавать меньшие напряжения в кристалле кремния из-за теплового расширения. Все эти привлекательные характеристики углеродных нанотрубок стали причиной разработки специалистами института AIST новой технологии формирования переходных отверстий и создания тепловых каналов на основе нанотрубок, которые будут быстро и эффективно отводить излишки тепла из внутренних частей полупроводниковых чипов.
Но, как показала практика, получить высокую теплопроводность углеродных нанотрубок оказалось не так уж и просто. Основным препятствием этому была низкая плотность самих нанотрубок, выращенных с помощью технологии химического осаждения углерода из парообразной фазы. Но исследователи нашли выход из сложившейся ситуации. Для этого оказалось достаточно всего лишь увеличить толщину слоя кобальтового катализатора до 1.5 нм и использовать метод формирования пленок под названием "STEP". Метод "STEP" обычно позволяет выращивать графен при относительно низкой температуре, а затем, поднимая температуру по заданному графику, можно убрать дефекты в сформированной графеновой пленке и получить графен с заданными свойствами. В результате ученым удалось сформировать высокоплотные углеродные нанотрубки и получить тепловую проводимость тепловых каналов в 10-100 раз до уровня 260 Вт/мК.
2
2
Для увеличения производительности и уменьшения габаритов процессоров применяются многослойные 3d-чипы, совместно со встроенной водяной системой охлаждения, например (http://www.zurich. ibm.com/news/08/3D_cooling.html). Охладитель проходит между слоями чипа и омывает каждый из слоев с двух сторон. Таким образом, снимается до 180 Вт/см с площади 4 см.
Известно устройство (Jae-Mo Koo, Sungjun Im, Linan Jiang Integrated microchannel cooling for three-dimensional electronic circuit architectures / Journal of heat transfer 2005, ASME, January vol. 127, p. 49-58), которое охлаждает многослойные чипы с помощью микроканалов, расположенных между слоями. Для различных типов конструкций 3d-чипа, зависящих от сочетания на слоях логического устройства и оперативной памяти, представлены оптимальные размеры и теплофизические характеристики 3d-чипа.
2
2
Известно устройство охлаждения с системой распределения охладителя по всей площади нагреваемого элемента (http://www.zurich.ibm.com/st/cooling/convective.html). Охладитель напрямую подается на подложку электронного компонента. Система распределения представляет собой древовидную структуру входных и выходных каналов, расположенных вплотную друг к другу по всей площади нагреваемого элемента. Для данного устройства характерны несколько режимов работы: запорный, принудительный, переходный и разделенный режим. Оптимальным режимом для охлаждения нагреваемого элемента является принудительный, при котором коэффициент теплопередачи является постоянным. Оптимальная структура распределяющей системы такова: диаметр сопла 25 мкм, диаметр ячейки 100 мкм, шаг 30 мкм. При этих параметрах термическое сопротивление составляет 0,15 (см·К)/Вт. Данное устройство отводит до 400 Вт/см от поверхности нагрева электронного компонента.
При использовании устройств охлаждения термическое сопротивление воды между поверхностью чипа электронного компонента и самим устройством охлаждения снижает характеристики процессов теплообмена.
Также для отвода теплоты от кристалла полупроводниковой микросхемы известны решения из патентной литературы.
Известно устройство для охлаждения элементов электроники по RU 2332818 «Охлаждающее устройство для элементов электроники», имеющее контурную тепловую трубу с плоским испарителем, содержащим паровую и жидкостную торцевые полости, сообщающиеся между собой параллельным пучком трубок, выполняющим роль конденсатора, соединенного с внешним оребрением, и вентилятора. Такое устройство использует в качестве охладителя жидкость внутри тепловой трубы и воздух, нагнетаемый вентилятором для охлаждения внешнего оребрения, что при возрастающей мощности электронных компонентов приводит к увеличению площади оребрения и/или повышенному уровню шума, и использование данного устройства в ограниченном объеме становится невозможным из-за громоздкости конструкции. Габариты испарителя такого устройства больше габаритов области кристалла микросхемы, выделяющей тепловую энергию, что является недостатком данного устройства. Термическое сопротивление между источником теплоты и испарителем снижает эффективность работы данного устройства. Тепловыделяющая поверхность самого электронного компонента является неразвитой и характеризуется достаточно низким коэффициентом теплоотдачи.
Известно устройство по патенту RU 51441 «Устройство охлаждения электронных компонентов», включающее теплообменник с пористыми элементами, состоящий из герметичного корпуса, входного и выходного штуцера охладителя. Металлическое основание теплообменника выполнено в виде призмы, при этом нижняя часть призмы равна площади кристалла микросхемы.
Такое устройство является компактным, а охлаждение нагретого теплоносителя может осуществляться вне ограниченного объема. Однако основание наряду со стенкой теплообменника создают дополнительное термическое сопротивление, что является недостатком данного устройства. Тепловыделяющая поверхность электронного компонента остается по-прежнему неразвитой, что не позволяет снимать расчетные тепловые потоки в условиях потенциально возможной максимальной нагрузки.
Как видно из перечисленных источников, все применяемые или разработанные устройства охлаждения представляют собой сложные системы, требующие высокой точности изготовления и применения специальных материалов или технологий. Кроме того, как видно из приведенных сведений, эти устройства созданы для снятия тепла с внешней поверхности одной или нескольких стенок кристалла. То есть расчет эффективности таких устройств строится на позиции того, сколько надо снять тепла с поверхностного слоя наружной стенки кристалла, чтобы его температура внутри кристалла соответствовала средней температуре, при которой можно контролировать температуру точек перегрева (hot-spots). Понятие средней температуры кристалла - это понятие условное и отражает скорее температуру наружного поверхностного слоя кристалла, но не его температуру в срединной зоне. Это актуально, так как при тонкостенных кристаллах внешнее охлаждение (съем тепла с наружных слоев стенок кристалла) может привести (при соответствующе мощности устройства охлаждения и соответствующего хладагента) к тому, что температура наружных слоев будет незначительно меньше температуры срединных слоев.
Но для кристаллов достаточной толщины (например, толщиной до 1 см) применение устройств наружного охлаждения методом прокачки хладагента через поверхностно выполненные микроканалы не дает требуемого результата по выравниванию температур в поверхностных и глубинных слоях кристаллической моноструктуры. Единственный путь в данном случае - это переохлаждение наружных слоев. Но резкий перепад температур в слоях кристалла может привести к внутренним напряжениям и деформациям. Показатель средней температуры кристалла, как условный показатель, не является универсальной и верной характеристикой реальных условий работы кристалла на подложке.
В связи с этим важным становится разработка таких способов и устройств охлаждения, которые могли бы эффективно выводить тепло из срединных слоев кристалла. Но для решения этой задачи необходимо обеспечить доступ к этим срединным слоям.
Из уровня техники известны способы монтажа по многочисленным публикациям (см., например, А.П. Достанко «Технология интегральных схем», Минск, «Высшая школа», 1982 г.).
В частности, подробно описаны процессы разделения пластин на кристаллы: скрайбирование алмазным резцом, скрайбирование лазерным лучом, резка алмазными дисками, резка металлическими дисками, полотнами и проволоками, ультразвуковая резка, химическое и электрохимическое травление. Описана также технология посадки кристаллов на кристаллодержатели, подсоединение выводов к кристаллам и корпусам. Отмечено, что изготовление круглых или фигурных кристаллов, образование углублений и выступов в полупроводниковых и диэлектрических пластинах осуществляют ультразвуковой резкой с абразивной суспензией. К недостаткам традиционных методов сборки, контроля и ЭТТ следует отнести их высокую трудоемкость (стоимость), связанную с тем, что операции ЭТТ и окончательного контроля проводятся после окончательного изготовления ИС (дорогостоящие операции: посадка кристаллов на рамку, приварка выводов на кристалл и рамку, изготовление корпусов и процесс корпусирования). Данное изобретение позволяет не проводить этих операций над бракованными кристаллами.
В патенте RU 2511054, H01L 21/78, опубл. 10.04.2014, также отмечено, что при этажном монтаже возможно получение отверстий в кристалле. В этом патенте описано, что в полупроводниковой пластине в зонах последующей резки пластины и других зонах, не занятых структурами и/или проводниками, их соединяющими, по результатам проектирования, прошивают переходные сквозные отверстия, которые могут быть любой формы. В случае дальнейшего использования кристаллов, вычлененных из полупроводниковой пластины, в многокристальных сборках или в трехмерных модулях, при помощи отверстий формируют внешние контакты микроплат. Решение принято в качестве прототипа.
Поверхности сквозных отверстий, образовавшиеся сколы, лицевую и обратную поверхность полупроводниковой пластины селективно покрывают изоляционным слоем. Во избежание нежелательных воздействий бракованных зон полупроводниковой пластины на потенциально годные кристаллы разрывают проводники, идущие от забракованных при предварительном контроле кристаллов от общей разводки, нанесенной на полупроводниковую пластину.
Далее проводят полный контроль всех годных после предварительного контроля кристаллов в соответствии с техническими условиями на них. При необходимости во время контроля обеспечивают тепловой контакт полупроводниковой пластины со средствами теплоотвода. Далее полупроводниковую пластину разделяют на кристаллы сквозной резкой, после чего направляют годные кристаллы на корпусирование.
При прошивке отверстий в полупроводниковой пластине лазерным методом применяют многоступенчатый метод прошивки или другие средства предотвращения разбрызгивания и выброса материала подложки полупроводниковой пластины на кромки отверстий и на поверхности пластины. Выполнение этого условия необходимо ввиду того, что при последующем нанесении изоляционного и проводящего слоев возможно возникновение дефектных областей в зонах выброса материала и недопустимо вкрапление материала подложки в полупроводниковую структуру.
При прошивке отверстий в полупроводниковой пластине ультразвуковым методом обработку ведут с обратной поверхности пластины. Это необходимо, чтобы защитить поверхность полупроводниковой пластины со структурами от воздействия абразивного материала и отходов обработки. При прошивке отверстий в полупроводниковой пластине методом химического травления обработку ведут одновременно с противоположных поверхностей пластины с предварительным вскрытием зон травления, например, фотолитографией. Это необходимо для уменьшения бокового подтрава во время обработки.
Недостатком данного способа получения сквозных отверстий является то, что эти сквозные отверстия по отношению к размеру кристалла являются макроотверстиями, выполняемыми в нерабочей части его поверхности (для укладки соединений и проводников). Эти отверстия не используются как каналы для поступления хладагента, а их размеры не позволяют организовывать микроканалы в рабочей части кристалла. Кроме того, сам процесс технического сверления требует тщательного отвода абразива.
Создание микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле кремния с помощью лазерных импульсов - это актуальная прикладная задача для солнечной энергетики, эффективного охлаждения микрочипов и других элементов микроэлектроники. Такие малые диаметры каналов можно получить только с помощью фемтосекундных лазеров. В непрозрачных для лазерного излучения материалах глубина каналов цилиндрической формы составляет величину не более пяти диаметров, форма каналов с большей глубиной становится конусной. Кроме того, канал загрязнен трудно удаляемыми продуктами абляции.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении способа создания микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле кремнии с помощью лазерных импульсов для создания кристаллов чипов, имеющих возможность охлаждения внутренних слоев структуры.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе создания микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле кремния с помощью лазерных импульсов, заключающемся в прошивке отверстия в кристалле кремния лазерным методом за счет наведения фокального пятна на поверхность кристалла и многоступенчатом перемещении этого пятна в направлении к входной поверхности кристалла, для получения микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле кремния используют инфракрасный фемтосекундный хром-форстерит лазер, а многоступенчатое перемещение фокального пятна в направлении к входной поверхности кристалла проводят с длиной волны излучения 1240 нм, при которой длина пробега фотона в структуре кремния равна 1 см, а энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новый способ получения микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле кремния с помощью лазерных импульсов.
Создание микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле кремния с помощью лазерных импульсов - это актуальная прикладная задача для солнечной энергетики, эффективного охлаждения микрочипов и других элементов микроэлектроники.
Такие малые диаметры каналов можно получить только с помощью фемтосекундных лазеров. Применение инфракрасного фемтосекундного хром-форстерит лазера обусловлено следующими причинами.
16
18
2
3
2
2
Фемтосекундные лазерные системы даже при относительно небольшой энергии, содержащейся в световом импульсе >1 мДж, и предельно малой длительности светового импульса (несколько десятков фемтосекунд) обеспечивают при фокусировке сверхинтенсивное излучение в диапазоне более 10-10 Вт/см. Такие параметры лазерного излучения соответствуют режиму сверхсильного светового поля (Е>10 В/м), получение которого недоступно другими способами в лабораторных условиях. Сверхинтенсивное лазерное излучение позволяет создавать и изучать вещество в экстремальном состоянии. Известно, что в настоящее время режим сверхсильного светового поля обычно реализуется с помощью сверхмощных фемтосекундных твердотельных лазерных систем на титан сапфире (Ti:AbO, или Ti:S), работающих в диапазоне 0,8 мкм. Другие возможности достижения этого режима в иных спектральных диапазонах связаны с процессом усиления сверхкоротких лазерных импульсов в таких газовых усилителях как KrF (Л~0,248 мкм), XeCl (Я-0,308 мкм) [12, 13], СО, NО (10 мкм). Для такого рода лазерных систем необходимы эффективно работающие схемы формирования затравочного излучения сверхкороткой длительности, базирующиеся на нелинейно-оптических методах преобразования частоты.
4+
3+
3+
2
4
В качестве источника накачки для схем нелинейно-оптического преобразования частоты наиболее широко используется коммерчески доступный фемтосекундный твердотельный лазер, построенный на базе Ti:S в качестве широкополосной активной среды. К такому же классу лазеров относится и лазер на хром-форстерите (Cr:MgSiO, далее Cr:F), который имеет ряд преимуществ перед Ti:S лазером. Источником накачки для него служит излучение твердотельного Nd:YAG лазера (Л=1,064 мкм), что значительно эффективнее по сравнению с аналогичной системой на Ti:S, для накачки которого требуется излучение на длине волны 0,5 мкм и которое может быть получено при генерации второй гармоники Nd:YAG лазера. Теоретический предел по длительности генерируемых импульсов для лазеров на Cr:F составляет 7,5 фс, а экспериментально достигнутая минимальная длительность - 14 фс. Характерная длительность генерируемых импульсов составляет 50-100 фс при диапазоне перестройки по длине волны в области 1,23-1,27 мкм, а энергия импульса может достигать 90 мДж при длительности импульса 80 фс. Нелинейно-оптическое преобразование частоты излучения фемтосекундного Cr:F лазера позволяет создавать источники для решения большого числа задач. Помимо задачи создания источника сверхсильного поля видимого диапазона, вторая гармоника излучения Cr:F лазера (V-620 нм) может быть использована в качестве накачки параметрических генераторов света ближнего ИК-диапазона, а также для исследования ряда химических и биологических объектов [23-26]. Четвертая (А,=308 нм) и пятая гармоники (Я,=248 нм) могут быть задействованы в задаче формирования затравочного излучения для последующего усиления в XeCl и KrF усилителях, соответственно. Cr:F лазер в качестве накачки схем параметрической генерации света (ПГС) в среднем ПК диапазоне, благодаря длине волны генерации Х=1240 нм, обладает преимуществом перед Ti:S лазером (Х=800 нм). Во-первых, исходя из соотношения Мэнли-Роу предельная эффективность преобразования в случае использования Cr:F лазера примерно в 1.5 раза больше. Во-вторых, его применение позволяет избежать двухфотонного поглощения накачки в большинстве кристаллов, используемых для преобразования в средний ИК диапазон. Фемтосекундный Cr:F лазер является перспективной лазерной системой, что подтверждается увеличивающимся числом работ, посвященных как оптимизации режимов работы лазера, так и вопросам преобразования частоты его излучения.
Известны работы по применению хром-форстерита, имеется ряд работ по изготовлению каналов с входной поверхностью фемтолазерами видимого спектра излучения (Sanghoon Ann · David J. Hwang · Нее K. Park · Costas P. Grigoropoulos Femtosecond laser drilling of crystalline and multicrystalline silicon for advanced solar cell fabrication Appl Phys A (2012) 108:113-120 DOI 10.1007/s00339-012-6932-4; L.S. Jiao, E.Y.K. Nga, L.M. Weeb, and H.Y. Zhengb The effect of assist liquid on the hole taper improvement in femtosecond laser percussion drilling Physics Procedia 19 (2011) 426-430; L.M. Wee, E.Y.K.Ng, A.H. Prathama, H. Zheng Micro-machining of silicon wafer in air and under water Optics & Laser Technology 43 2011 62-71). Однако полученные отверстия имеют те же недостатки, что описаны выше. Но этот опыт стал в основе нового способа по получению (созданию) сквозных микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле кремния. [Для создания микроканалов в кремнии ни в одной из перечисленных работ не использовался фемтосекундный лазер на кристалле хром-форстерита (длина волны 1240 нм). Вместо него, как правило, используется фемтосекундный лазер на кристалле титан-сапфира (длина волны 800 нм). Однако, в отличие от излучения на длине волны 1240 нм, глубина поглощения которой в кремнии составляет порядка 1 см, излучение на длине волны 800 нм поглощается на глубине 1 мкм, что не позволяет использовать излучение на данной длине волны для создания микроканалов, берущих свое начало на тыльной поверхности образца кремния, или же залегающих глубоко в кремнии (толщина кремния ~250-500 мкм)].
Картина взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с диэлектрической мишенью изменяется при переходе от одноимпульсного к многоимпульсном режиму. В этом случае происходит не только микромодификация поверхностного рельефа мишени, но и может создаваться кратер (или глубокий канал) за счет процесса абляции. Существенное преимущество фемтосекундных лазерных импульсов связано с возможностью достижения высоких эффективностей ионизации, локализованным вкладом энергии в мишень, минимальной зоной термического и механического повреждениями. При создании микроканала внутри мишени последовательностью высокоинтенсивных лазерных импульсов энергия горячих электронов в микроплазме оказывается выше по сравнению с одноимпульсным режимом воздействия на мишень. Вследствие этого должна происходить более эффективная генерация и характеристического рентгеновского излучения, что требует экспериментального исследования (данные подтверждаются результатами исследований, представленными в автореферате диссертации А.С. Хоменко «Генерация высокотемпературной плазмы в лазернопродуцированных микроканалах в сплошных и структурнонеоднородных твердотельных средах фемтосекундным лазерным излучением», 2010, выложенного в сети Интернет в режиме он-лайн доступа на сайте «Бесплатная электронная библиотека» по адресу: http://diss.seluk.ru/).
Новый способ заключается в прошивке сквозного отверстия в кристалле лазерным методом за счет наведения фокального пятна на тыльную поверхность кристалла и многоступенчатом перемещении этого пятна в направлении к входной поверхности кристалла. Для получения микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле используют инфракрасный фемтосекундный лазер на хром-форстерите, а многоступенчатое перемещение фокального пятна в направлении от тыльной к входной поверхности кристалла проводят с длиной волны излучения 1240 нм, при которой длина пробега фотона в структуре кремния равна 1 см, а энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны.
В прозрачных диэлектриках такие каналы создаются фокусировкой лазерного излучения с интенсивностью выше порога абляции через образец на тыльную выходную поверхность. Канал создается движением фокального пятна к входной поверхности. Канал получается ровным и без загрязнения (Tyson N. Kim, Kyle Campbell, Alex Groisman, David Kleinfel, and Chris B. Schaffer Femtosecond laser-drilled capillary integrated into a microfluidic device APPLIED PHYSICS LETTERS 86, 201106 2005; Ricardas Buividas, Mindaug Mikutis, Gedimin Gervinska, Daniel Day, Gintas Šleky, Saulius Juodkazi Femtosecond laser drilling of optical _bers for sensing in microuidic applications Proc. of SPIE Vol. 8463 84630T-9 2014-10-08) (Во всех работах использовался фемтосекундный лазер на титан-сапфире с длиной волны излучения 800 нм).
Для изготовления микроканалов в кремнии авторами использовался инфракрасный фемтосекундный хром-форстерит лазер с длиной волны 1240 нм, для которой кремний становится почти прозрачным (длина пробега фотона ≈1 см), так как энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны. То есть изготавливать каналы можно так же, как и в диэлектрике. Данные результаты по характеристикам лазера являются результатом ряда исследований и экспериментов. Полученные сквозные отверстия отличаются чистотой и правильностью формы.
Таким образом, заявленный способ отличается применением хром-форстерит фемтолазера, что позволяет создавать каналы в толстых (до 1 см) образцах кремния, непрозрачных для фемтолазеров титан-сапфир (800 нм) и неодимовых (1060 нм), то есть резко улучшить технологию изготовления.
Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено с использованием фемтосекундного хром-форстерит лазера. Наличие в кристалле чипа сквозных отверстий позволяет решить серьезные проблемы с обеспечением требуемого уровня нагрева кристалла, что позволит не только упростить системы охлаждения, но и повысить жизненный цикл чипов.
Наличие сквозных микроканалов в теле кристалла большого размера обеспечивает возможности прокачки хладагента через тело объекта и тем самым контролировать температуру не только на поверхности кристалла, но и в его глубинных слоях.