基于CryLas激光诱导击穿光谱技术在薄膜加工中的深度控制

在CryLas击穿光谱实验中，使用CryLas DSS 1064-3000激光器进行激光诱导击穿光谱（LIBS），从而实现对激光烧蚀去除层状结构的微控操作。CryLas激光诱导击穿光谱实验是通过每次增加脉冲个数，探测每次激发的等离子体的光谱，通过光谱数据来判断加工程度。比如目标是去除ITO层，当逐渐增加脉冲个数到5时，探测不到In的光谱谱线，说明此时ITO层已经完全被去除。

本文主要介绍了在LIBS工艺控制下在玻璃基板上薄的铟锡氧化物（ITO）微结构层的实验结果。ITO（In₂O₃）_x:（SnO₂）_1-x 是一种光学透明的导电材料，广泛用于各种工业产品，如有机太阳能电池和液晶显示器。LIBS可以很好地用于微结构化以及用于通过同时分析元素组成来实时控制深度分布。我们通过照射不同数量的聚焦在200纳米厚度的ITO层上的短激光脉冲来研究烧蚀过程。如果激光焦点中的ITO层已经从衬底上完全去除，则铟的所有特征光谱发射线都消失。由于ITO涂层板由玻璃钙制成，并且589nm附近的典型钠双峰强烈增加。这表明必须停止激光烧蚀过程，以防止对衬底的进一步损坏。银/盐（Ag/NaCl）堆叠和金（Au）层在其特定发射状态下获得了光谱控制微烧蚀的类似结果。这些材料的图案化膜通常用作极紫外（EUV）中的衍射滤光片。用扫描电子显微镜（SEM）制作消融图像。这些层的元素组成可以通过能量色散X射线（EDX）光谱测量来确认。

激光诱导击穿光谱技术（LIBS），具有无接触式、破坏性小、快速原位远程分析、多元素同时在线监测等特点。利用高功率密度的激光与物质相互作用产生瞬态等离子体，并采用光学系统对等离子体中的原子和离子发射光谱进行收集，通过分析光谱信息实现对物质化学元素的定性或定量分析，LIBS系统主要是由：脉冲激光器、光纤光谱仪、聚焦透镜、样品、转台、耦合透镜、光纤座、光纤等部分组成的，使用高能量激光作为激发源，通过对激光光束的聚焦，形成能量密度大于1GW/cm2 的光斑并灼烧样品表面，在该能量作用下，样品表面会有少部分材料瞬间经历消融、解离、原子化和离子化等过程，在这段时间内，处于激发态的原子和离子向低能级或基态跃迁，并发射出特定波长的光辐射。

实验装置-全光纤耦合低功率LIBS系统

一、元素分析过程

单组件分析

-谱峰检测方法：二阶高斯拟合

-光谱数据库：NIST Atomic Spectra Database 2011

-多组件分析：主成分分析（机器学习，神经网络）

二、LIBS系统-紧凑的全光纤光路系统

激光器：CryLas DSS 1064-3000

-被动Q开关DPSS Nd:YAG激光器

-波长1064nm，单脉冲能量2mJ，2.4ns脉宽

-激光辐照度2GW/cm2，能量密度5J/cm2

-激光光纤纤芯直径 400μm，NA=0.37（43°全角）

-非球面镜聚焦镜，聚焦光斑225μm

手持式光谱仪（海洋光学）

-Δλ：260到645nm，δλ=0.2nm

-Δλ：480到593nm，δλ=0.1nm

-光谱仪光纤：纤芯直径910μm

扫描电镜

-philips SEM 515 with EDX Oxford

层状薄膜材料

氧化铟锡（ITO）

-厚度200nm

-表面阻抗R=20Ω

-银/氯化钠层堆，厚度150nm

-金，厚度30nm

CryLas激光诱导击穿光谱实验结果

一、通过光谱表征控制对玻璃基底上的Ag/NaCl层堆的激光烧蚀

光谱上可以观测到6次脉冲对应的曲线已无明显Ag和Na的吸收峰，可以认为在发射6次脉冲之后，玻璃基板上的Ag/NaCl涂层可以完全被烧蚀去除干净，从而停止发射脉冲。

二、石英基底上对金层进行可控的激光烧蚀

对一层30nm厚的金层进行激光脉冲烧蚀，经过2个脉冲处理后，已经没有明显的金的吸收谱线，可认为Au层被完全移除，被去除的Au轨迹之间没有测到电导率数据。

三、玻璃基底上的ITO涂层的激光微结构化处理

在激光烧蚀过程的开始阶段，打入一系列的激光脉冲，铟的发射谱线在451.13nm，随着脉冲数的增加而降低，与此同时，钠的双峰谱线和钙的396nm的特征峰都显现出来。下图所示为光谱控制的ITO层被烧蚀的沟槽，被去除的质量大概是1.6ng。

四、SEM（扫描电子显微镜）和EDX（X射线能量色散光谱仪）分析激光烧蚀区域

如图所示，从上至下依次为：扫描电子显微镜观测下的ITO烧蚀区，X射线色谱仪观测的ITO薄膜烧蚀区的In的组分，玻璃基底中的Na的组分，

CryLas击穿光谱的结论

作者团队证实了激光诱导击穿光谱技术（LIBS）在激光处理基底上的膜层微结构时，通过检测光谱信息，可以成为非常有效的一种途径；实验表明，不同层材料的选定元素发射线的LIBS信号随沉积的激光脉冲能量的变化，指示了激光烧蚀过程的深度；激光烧蚀ITO/玻璃层的元素深度分布可以用能量色散X射线光谱(EDX)来确定。

参考文献

Georg Ankerhold, Peter Kohns, Christian Beresko, LIBS – A Versatile Tool for Spectroscopically Controlled Micro-Structuring of Thin Layers.