KR102334911B1 - 간섭 측정 레이저 가공 - Google Patents

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Abstract

본 개시 내용은 재료의 레이저 유도 변형 및 가공 분야에 관한 것이다. 변형은 광 간섭 프로파일 특성을 부여하는 좁은 구역의 배열 내에 레이저 재료 상호 작용을 한정함으로써 달성된다. 재료에 1개 이상의 레이저 펄스를 적용하는 것을 포함하는 레이저 유도 변형 방법이 개시되며, 1개 이상의 레이저 펄스는 재료의 제1 인터페이스에 입사하고, 광 간섭 패턴의 1개 이상의 최대 강도의 부위에서 얇은 체적이 제1 인터페이스에 대해 한 위치에서 반응하여 재료의 레이저 유도 변형을 생성하는 역치보다 위에 있는 레이저 강도를 특징으로 하는 광 간섭 패턴을 재료가 지지할 수 있는 것을 기초로 재료가 선택된다.

Description

간섭 측정 레이저 가공{INTERFEROMETRIC LASER PROCESSING}
본 개시 내용은 재료의 레이저 유도 변형 및 가공 분야에 관한 것이다. 변형은 광 간섭 프로파일 특성을 부여하는 좁은 구역의 배열 내에 레이저 재료 상호 작용을 한정함으로써 달성된다.
초단 펄스 레이저의 출현으로 크게 감소한 열 분해1 -3, 표면 조도1 및 강한 비선형 광 흡수 덕택에 오늘날 널리 연구되고, 활용되는 광 물질 상호작용의 정밀함을 상당히 개선하였다. 투명체 내부에서, 이러한 펨토초 및 피코초 레이저 광은 고 개구수(NA, numerical aperture) 렌즈에 의해 생성되는 작은 초점 체적(focal volume)으로 한정될 때 강한 비선형 흡수를 추진하도록 조정될 수 있다. 파장(λ)의 가우스 형상(Gaussian shaped) 레이저 빔의 경우에, 이러한 초점 체적은 짧은 초점 심도 df = λ/πNA2(레일리(Rayleigh) 범위)에 걸쳐 반경 빔 웨이스트 ωo = λ/πNA(1/e2 방사 조도)로 좁혀질 수 있다. 게다가 다수 광자 형광은 단지 이러한 작은 초점 체적으로부터 국소로 여기될 수 있어서 살아 있는 세포의 고 분해능 3차원(3D) 현미경법4을 가능하게 하며, 반면에 더 큰 노출은 3D 광 회로에 쓰기5 또는 3D 메모리 또는 마킹(marking)을 위한 미세 폭발(micro-explosion) 작동6 , 7을 위한 투명 재료에서 굴절률 변화를 유도할 수 있다.
상이한 접근법에서, 광의 반 파장 규모로 소형 피처(feature)는 또한 광 간섭을 통해 물질 내부에 그 자신이 기록되어서 광 무늬(optical fringe)의 매우 대조적인 간섭 패턴을 생성할 수 있다. 이러한 미세 구조를 가진 광 패턴은 전형적으로 그렇지 않으면 노광의 시간 척도로 열 확산을 통해 공정 분해능(process resolution)을 흐리게 할(wash out), 거의 없는 열 소산에 의해 광의 광 간섭 패턴을 포착하거나 기록하는 부드러운 물질 변형을 유도한다. 광화학은 예를 들어 사진용 필름에서 홀로그래픽(holographic) 또는 체적 격자 기록, 실리카 광섬유의 코어 도파관에서 감광 반응을 통해 브래그(Bragg) 격자의 레이저 제작8, 및 포토레지스트 내부에 생성된 4개 빔 레이저 간섭 패턴에서 3D 광 결정의 형성9에 기초가 되는 이러한 안전한(benign) 공정이다.
또 다른 고 분해능 접근법에서, 짧은 펄스 레이저 광이 하층 실리콘 기판의 얕은 투과 깊이 내에서 상호 작용하도록 한정되는 투명 박막을 통해 전달되었다10 , 11. 이러한 접근법에서, 비교적 긴 초점 심도로부터 실리콘에서 짧은 광 투과 깊이에 의해 매설된 인터페이스에서 한정되는 좁은 구역까지 레이저 상호작용 구역은 상당히 감소한다. 게다가 이러한 얇은 상호작용 구역에서 레이저 소산은 고체 및 두터운 기판이 지지하는 박막에 대해 폭발하여 낮은 레이저 노광에서 인터페이스로부터 박막 블리스터(blister)와 나노유체 네트워크(nano-fluidic network)12의 형성 또는 더 많은 노광에서 인터페이스로부터 전체 필름 두께의 정밀한 방출을 가능하게 한다. 이러한 박막 방출로 마이크로전자 회로, 광전지13 및 유리 디스플레이 제조에서 패턴화와 보수를 포함하는 광범위한 새로운 응용 분야를 전망하였다. 방출 현상은 추가로 인쇄 또는 첨가제 제조를 위해 레이저 유도 전방 전달(LIFT)14, 및 레이저 압력 사출에 의한 셀 방출4, 15에서 구동 메커니즘의 기초가 된다.
이러한 인터페이스로부터 멀리 얇고, 분리된 레이저 상호작용 구역을 생성하는, 이러한 필름 내에서 바로 레이저 가공하는 더 도전적인 개념이 이전에 보고되지 않았다. 레이저 재료 가공 분야에서 전문가는 레이저 상호작용 체적을 전체 초점 심도까지 늘이는 것을 예상할 것이며, 가장 보편적인 박막의 경우에 전형적으로 전체 필름 두께까지 늘일 것이다. 레이저 상호작용은 고체 기판을 포함하여, 액체 또는 고체 필름 코팅, 또는 공기, 진공, 가스 또는 플라스마와 같은 다른 물질로 형성되는, 필름 인터페이스 또는 표면으로 단지 좁아져서 관찰된다. 따라서 박막 내에서 얇은 레이저 가공 구역의 생성은 이전에 예상되지 않았다. 따라서 이러한 얇은 가공 구역은 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS), 가요성 전자, 디스플레이, 터치스크린, 광전지, 마이크로전기 기계(MEM), 발광 다이오드(LED), 광 회로, 랩온어 칩(lab-on-a-chip) 디바이스들로서 박막이 이들의 제조 중에 광범위하게 배치되는 디바이스의 기능성을 상당히 개선할 수 있는 필름에서 새로운 형태의 구조를 생성하는 미발견 영역을 한정한다.
레이저 재료 가공 분야에서 전문가는 상기에 인용한, 홀로그래피, 섬유 브래그 격자8 및 3D 광 결정9의 예에서 수단이 되는, 빔 분할 및 빔 결합 거울 또는 빔 분할 프리즘 또는 위상 마스크 또는 격자를 사용함으로써 광 자체와 간섭하고, 광 무늬의 간섭 패턴을 형성하는 광을, 예컨대 레이저로부터 다루는데 이용 가능한 잘 알려진 많은 수단이 있다. 간섭 패턴을 생성하는 이러한 '외부' 형태 외에, 예를 들어 에탈론(etalon)(박막 포함), 파브리 페로(Fabry-Perot) 공진기, 또는 다층 유전체 스택과 같은 투명 디바이스 내부 레이저 광의 다 표면 프레넬(Fresnel) 반사는 인터페이스 반사가 충분히 강하고, 디바이스 내에서 정상파 간섭 패턴을 생성할 때 간섭한다고 잘 알려져 있다. 여기서 수직 입사에서 투명 필름의 조명 경우에 대해 λ/2n f (여기서 n f 는 투명체의 굴절률이다) 간격을 둔 최대 무늬를 예상한다. 따라서 레이저 노광의 광 간섭 패턴은 외부에서 빔 전달 시스템에 의해 물질 또는 디바이스에, 또는 내부에서 물질의 인터페이스로부터 레이저의 반사에 의해 물질 내에 생성될 수 있다. 투명 디바이스가 두께 z의 투명 필름인 대표적인 비제한적 실시예에서, 필름이 λ/4 n f 인 4분의 1 파장 두께를 초과할 때 하나 이상의 최대 무늬가 내부에 형성된다고 예상된다.
투명 필름 코팅 중 레이저 손상에 대한 연구에서, 두꺼운 단일16 , 17 또는 다층18 유전체 필름 중 손상에 대한 더 낮은 파괴 역치가 실험적으로 관찰되었다. 감소한 손상 역치는 필름의 인터페이스에서 비선형 초고속 레이저 상호작용의 집중 또는 이러한 내부 광 간섭18에 의해 형성된 최대 강도 무늬의 위치에서 필름(들) 체적 내에 향상된 레이저 소산에 기인하였다. 간섭에 대해 후자의 경우, 저자는 최대 강도 무늬에서 레이저 상호작용이 필름의 벌크 용적에 걸쳐 확산하였을 것으로 결론을 내렸다18. 따라서 예상된 최대 무늬 위치와 일치하는 공간적 편재화 레이저 변형이 예상되지 않았거나 이러한 선행 연구18에서 필름 층 내부에서 바로 관찰된 이러한 얇은 상호작용 구역이 아니었다. 또한 광 간섭 무늬의 가능한 형성이 Cu-프탈로시아닌 비정질 필름의 다단계 레이저 에칭을 설명하는 호소카와(Hosokawa)와 공동 연구가19 ,20에 의해 추정되었다. 여기서, 레이저 상호작용 메커니즘은 레이저 융삭에서 고온 상호작용보다 포토레지스트 반응에 더 유사하게, 단지 적당한 온도 증가에서 물질의 고체 상을 파괴할 광화학의 형태인, 약한 분자간 결합의 해리에 기인하였다. 따라서 이러한 미세 패턴 형성은 광화학 반응 또는 분자간 결합 해리보다 더 공격적인 레이저 상호작용을 필요로 하는, 유전체와 같은 대다수의 투명 재료에 이용 가능하지 않다.
레이저 재료 가공 분야에서 전문가는 레이저 상호작용의 이러한 비편재화에 기인하는 것으로서 다수 요인의 존재를 이해할 것이며, 따라서 필름 내부에서 이러한 간섭에 의해 얇은 레이저 가공 구역의 형성을 예상하지 못할 것이다. 예를 들어, 열 확산율(D)을 가진 물질에서 열 확산 눈금 길이(
Figure 112016017239317-pct00001
)를 무늬 간격의 반(λ/4n f )과 같게 함으로써 밝혀진 바와 같이, 단지 수백 나노미터에 걸쳐 이러한 짧은 무늬 대 무늬 간격(λ/2 n f ) 위에 국부 가열의 급속 열 확산이 피코초 내지 나노초 범위에서 매우 짧은 시간 척도(τd=λ2/64n f 2 D)로 예상된다. 따라서 레이저 에너지 소산은 전형적인 레이저 재료 변형(즉 융삭, 미세 기계 가공, 미세 폭발) 중에 발생하는 물리적 과정보다 더 빠른 시간 척도로 무늬 대 무늬 간격을 넘어 퍼지고, 무늬 폭(~λ/ 4n f )보다 더 큰 크기 척도로 연장되는 재료 변형에서 나타난다고 예상될 것이며, 따라서 집속 빔 체적의 더 큰 크기, 즉 빔 웨이스트(ωo)와 초점 심도(d f )에 의해 조절될 것이다.
또 다른 예에서, 전문가는 전형적으로 짧은 펄스 레이저 광에서 발견되는, 부분 비간섭성 또는 큰 스펙트럼 밴드 폭(bandwidth) 때문에 무늬 강도 콘트라스트 또는 가시성이 흐릿해지고, 줄어들 것으로 이해할 것이다. 광원 밴드 폭(ΔλL)이 ΔλL=λ2/2n f z(여기서 z는 필름 두께이다)의 최대 광원 밴드 폭 한계를 설정하는, 자유 스펙트럼 범위(λ2/2n f z)로 증가할 때 무늬는 확대하여 균일한 강도 프로파일 쪽으로 융합할 것이다. 따라서 열 확산 눈금 길이를 줄이려는 시도에서 레이저 펄스를 짧게 할 때, 더 큰 스펙트럼 밴드 폭이 잘 알려진 푸리에(Fourier) 변환 개념에 따라 요구될 것이며, 무늬 강도 콘트라스트의 확산과 흐려짐을 유발할 것이다. 또한, ΔλL=λ2/2n f z에서 밴드 폭 스케일링으로 필름, 에탈론, 또는 파브리 페로 디바이스의 두께가 증가함에 따라 흐려짐 효과가 더 심해지는 것을 입증하고 있다. 따라서 더 두꺼운 필름은 무늬 가시성을 유지하기 위해 더 좁은 스펙트럼 광원을 요구할 것이며, 이는 본질적으로 관련된 더 긴 펄스 레이저 기간이 푸리에 변환 한계로 인해 요구되는 것을 의미하며, 따라서 무늬 최대 구역 밖으로 소산된 레이저 에너지를 불리하게 확산한다. 이들 경향은 충분히 큰 필름 두께에서 필름에 균일한 레이저 가열에 대한 기대로 이어진다.
또 다른 예에서, 이 분야의 전문가는 매우 낮은 무늬 강도 콘트라스트는 광 재료의 인터페이스에서 프레넬 등식에 의해 예상되는 반사 진폭의 적당한 값으로 인해 전형적으로 투명 필름에서 예상된다는 사실을 이해할 것이다. 전문가는 전형적으로 필름과 기판에서 이들의 굴절률 값에서 약간의 콘트라스트만을 가지는 상이한 재료를 찾는다. 공기 중 유리의 잘 알려진 경우에 대해, Δn = 1.5 - 1.0 = 0.5의 보통 굴절률 차는 단일 표면에서 단지 4%의 반사율을 제공한다. 이러한 낮은 반사율은 투명 재료에서 비선형 초고속 레이저 상호작용의 경우에, 광 간섭 패턴의 단일 분리 무늬로 레이저 가공 체적의 한정(confinement)에서 나타난다고 예상하지 못할, 유리 내부에 단지 약하게 대비되는(85% - 100% 변조) 무늬의 형성을 유발한다.
따라서 또한 광 간섭과 레이저 상호작용 물리학에 친숙한 레이저 재료 가공 분야에서 전문가는 투명한 얇거나 두꺼운 필름(에탈론)의 체적 내부에 형성되는 간섭 무늬로부터 내부에 발생하는 얇은 서브파장 레이저 가공 구역, 및 광 간섭이 유전체 스택, 산화 금속, 웨이퍼, 실린더 또는 섬유, 구상 공동, 파브리 페로 디바이스, 링 공진기, 광 결정, 메타물질, 브래그 격자, 등에서와 같이 내부에 발생할 수 있거나, 광 간섭이 빔 전달 시스템에 의해 외부에 제공되는 관련 현상(manifestation)을 예상하지 못할 것이다.
본 개시 내용 레이저 재료 상호작용을 투명 박막 내 좁은 구역의 배열로 한정함으로써 펨토초 레이저에 의해 기판 위에 또는 자립형으로 투명 박막 내에 고 분해능 축방향 가공을 위한 신규 방법을 개시한다. 이러한 한정은 두께 ≥λ/4n f 의 투명 필름에서 예상되며, 여기서 공기-필름 및 필름-기판 인터페이스로부터 프레넬 반사의 광 간섭은 λ/2n f 무늬 간격 위에 레이저 광의 파브리 페로 강도 변조를 생성한다. 초단 기간 레이저에 의해 비선형 광 상호작용은 광 간섭 패턴의 형상을 따르지만, 레이저 초점 심도보다 50배 초과하여 더 좁은 얇은(예를 들어, 두께 45 nm) 플라스마 디스크로 좁히는 전자 밀도 프로파일에 의한 강한 이온화를 예상한다. 내부 재료 구조화를 위한 역치 노광에서, 전자 밀도는 필름의 양자화 방출 또는 λ/4n f 무늬 간격 위에 주기적으로 분리되는 레이저 분할 평면 내에 얇은 나노보이드(nano-void)의 형성을 용이하게 하는 예상된 최대 무늬 위치에서 임계 역치에 도달한다. 내부 레이저 분할을 위한 이러한 기하 형상은 투명 재료 내부에서 이전에 보고되지 않았으며, 전체 레이저 초점 체적에 걸쳐 필름의 구조화7 또는 필름-기판 인터페이스에서 한정된 구조화12 , 21- 23와 비교하여 레이저 변형에 대한 제어를 크게 확장한다. 또한, 예상된 플라스마 디스크는 다수 세그먼트(segment)의 양자화 방출을 시 계열(temporal sequence)로 확인하는 강화된 CCD 영상화에 의해 도시되었다. 필름의 내부 구조화 및 양자화 방출을 둘 다 균일하거나 가우스 빔 형상인 500 - 1500 nm 두께 필름에서 관찰하였다.
본 개시 내용의 기능적이고, 유리한 양태에 대한 추가 이해는 하기 상세한 설명과 도면을 참조하여 실현될 수 있다.
이제 실시형태를 단지 한 예로서 도면에 관련하여 기재할 것이다:
도 1a는 경계 인터페이스(20, 22)로부터 입사 레이저 광(12)의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 기판(16) 위 광 필름(14) 내 최대 무늬에 위치한 얇은 상호작용 구역(24, 26, 28, 30)으로 입사광(12)의 초점 상호작용 체적(18) 분할을 도시한다.
도 1b는 레이저 펄스 상호작용 직후에 도 1a에서 프레넬 반사에 의해 형성된 고 강도 간섭 구역(18)과 정렬된 얇은 디스크(24, 26, 28, 30)의 적층 배열로 소산된 레이저 에너지의 편재를 보여준다.
도 1c는 재료 변형을 위한 역치를 넘는 레이저 노광에 대해 제1 상호작용 간섭 무늬 위치(도 1b의 (24))에서 얇은 공동(32)에 의한 필름(14)의 개방, 및 세그먼트 1(S1)로 표시된 블리스터의 동등한 형성을 도시한다.
도 1d는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 1c의 S1로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시한다.
도 1e는 약간 더 높은 레이저 노광에 대해 제1 세그먼트 블리스터(S1)의 방출과 함께, 제2 상호작용 간섭 무늬 위치(도 1b의 상부에서 제2의 흑색 디스크(26))에서 얇은 공동(36)에 의한 필름(14)의 개방, 및 세그먼트 2(S2)로서 표시된 블리스터의 동등한 형성을 도시한다.
도 1f는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 1e의 S2로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시한다.
도 1g는 약간 더 높은 레이저 노광에 대해 제1(S1) 및 제2(S2) 세그먼트 블리스터의 방출과 함께, 제3 상호작용 간섭 무늬 위치(도 1b의 상부에서 제3의 흑색 디스크(28))에서 얇은 공동(38)에 의한 필름(14)의 개방, 및 세그먼트 3(S3)으로서 표시된 블리스터의 동등한 형성을 도시한다.
도 1h는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 1g의 S3으로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시한다.
도 1i는 더 높은 레이저 노광에 대해 각각 제1(24), 제2(26), 제3(28), 및 제4(30) 상호작용 간섭 무늬 위치(도 1b의 상부로부터 제1 내지 제4의 흑색 디스크)로부터 몰아낸 제1(S1), 제2(S2), 제3(S3) 및 제4(S4) 세그먼트 블리스터의 방출과 함께, 필름(14)과 기판(16)의 인터페이스(22)에서 얇은 공동(40)의 개방, 및 세그먼트 5(S5)로서 표시된 블리스터의 동등한 형성을 도시한다.
도 1j는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 1i의 S5로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시한다.
도 1k는 광 필름(14)을 통해 하층 기판(16)까지 '블라인드 비어'(blind via)(42)를 완전히 형성하는, 약간 증가한 레이저 노광에서 모든 세그먼트(S1, S2, S3, S4, S5)의 방출을 도시한다.
도 2a는 경계 인터페이스(20, 22)로부터 입사 522 nm 레이저 광(12)의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 실리콘 기판(16) 위 500 nm 두께 SiNx 필름(14) 내 얇은 상호작용 구역(24, 26, 28, 30)으로 입사광의 초점 상호작용 체적 분할을 도시한다.
도 2b는 9x1012 W/㎠ 평균 입사 강도의 역치 노광에서 200 fs 펄스 지속시간 동안 필름 내부에서 예상되는 전자 밀도 프로파일(50)과 함께 0.495 ㎛(1/e2) 반경의 가우스 형상 빔에 대해 계산되는 변조된 강도 프로파일(44)을 보여준다. 전자 밀도는 도 2c의 단면도와 경사 SEM 상면도에서 관찰된 필름의 내부 구조화에서 나타나는 최대 무늬 위치(24, 26, 28, 30)에서 임계 플라스마 밀도(n cr )(52)를 초과한다.
도 2c는 도 2b의 레이저 노광 조건에 따라 단면도와 경사 SEM 상면도에서 관찰된 필름(14)의 내부 구조화를 보여준다. 근 역치 강도는 세그먼트 S1(눈에 보이지 않음) 및 S2(부분)의 방출과 제4 최대 무늬(54)에서 나노보이드를 형성하는 융합된 세그먼트 S3과 S4(48)의 블리스터링(blistering), 및 실리콘과 SiNx 인터페이스에서 제2 나노보이드(40) 위에 놓인 S5의 블리스터링을 일으킨다. 이곳 (c)에서 확인된 분할 평면의 위치는 연결 점선에 의해 도시된 도 2b의 최대 무늬 위치와 정렬한다.
도 3은 상부 및 단면 SEM(a)(i-viii)에서 제시된, 21.65 J/㎠의 큰 플루엔스(fluence)까지 가우스 형상 빔에 대해 플루엔스를 증가시키면서 관찰된 945 nm 두께 SiNx 필름에서 단일 또는 다수 세그먼트의 양자화 방출을 보여준다. 4.46 J/㎠ 플루엔스(a(i))에서 역치 노광 약간 위에, 제1 및 제2 세그먼트(S1 및 S2)가 각각 방출되고, 블리스터링되며, 손상(40)이 SiNx-실리콘 인터페이스(22)에서 알려져 있다. 레이저 플루엔스에서 증가에 의해 세그먼트 각각의 블리스터링, 천공 및 방출 순서가 (b)에서 솔리드 블리스터(56), 천공 블리스터(58) 및 방출 블리스터 세그먼트(60)를 형성하도록 관찰된 역치 플루엔스에 의해 그래프로 요약된다. 세그먼트는 각각 λ/2n f 무늬 간격 위 오른쪽에 그래프로 제시된 파브리 페로 최대 강도의 위치에 의해 예상되는 분할 평면(수평 점선) 사이에 정렬하도록 확인되었다.
도 4는 13.67 J/㎠ 플루엔스로 노광된 500 nm 두께 SiNx 필름으로부터 횡렬로 기록된 융삭 플룸(plume)의 시간 분해 ICCD 광학 카메라 화상(a) 및 노광 후 필름의 상부 및 단면 SEM 화상(b)의 대표 예를 보여준다. 플룸 발광(a)은 3 - 9 ns 윈도(window)에서 세그먼트 S1과 S2의 방출, 173 - 193 ns 및 233 - 393 ns 윈도에서 S3과 S4의 부분 방출, 및 393 - 1493 ns 윈도에서 S5의 방출과 관련된 몇몇 클러스터로 보인다. (c)에서 데이터의 더 넓은 범위는 시간 함수로서 표면으로부터 클러스터 그룹의 관찰 위치를 나타낸다.
도 5a는 경계 인터페이스(20, 64)로부터 입사 레이저 광(12)의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 자립형 투명 필름(14) 내 얇은 상호작용 구역(무늬 패턴)(18)으로 입사광의 초점 상호작용 체적 분할을 도시한다.
도 5b는 레이저 펄스 상호작용 직후에 도 5a에서 프레넬 반사에 의해 형성된 고 강도 간섭 구역(24, 26, 28, 30)과 정렬된 소산된 레이저 에너지의 편재를 보여준다.
도 5c는 재료 변형을 위한 역치를 넘는 레이저 노광에 대해 제1 및 마지막 상호작용 간섭 무늬 위치(도 5b에서 최상부(24) 및 최저부(30) 흑색 디스크)에서 2개의 얇은 공동(32, 54)에 의한 필름(14)의 개방, 및 세그먼트 1(S1) 및 5(S5)로 표시된 반대 면 위 2개 블리스터의 동등한 형성을 도시한다.
도 5d는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 5c의 S1 및 S5로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시한다.
도 5e는 약간 더 높은 레이저 노광에 대해 제1 세그먼트 블리스터(S1)와 제5 세그먼트 블리스터(S5)의 방출과 함께, 제2 및 제3 상호작용 간섭 무늬 위치(도 5b의 상부에서 제2(26) 및 제3(28)의 흑색 디스크)에서 2개의 얇은 공동(36, 38)에 의한 필름(14)의 개방, 및 세그먼트 2(S2) 및 4(S4)로서 표시된 2개 블리스터의 동등한 형성을 도시한다.
도 5f는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 5e의 S2 및 S4로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시한다.
도 5g는 도 5c 또는 5d의 조건과 유사한 레이저 노광에서 2개 표면(20, 64) 위 비대칭 가공을 도시하며, 여기서 제1 및 제4 상호작용 간섭 무늬 위치(도 5b의 상부에서 제1(24) 및 제4(30)의 흑색 디스크)에서 2개의 얇은 공동(32, 54)에 의한 필름(14)의 개방에 제1 표면(20)에서 세그먼트 1(S1)로서 표시된 천공(34) 블리스터의 형성 및 제2 표면(64)에서 세그먼트 5(S5)로서 표시된 폐쇄 블리스터의 형성이 이어진다.
도 5h는 더 높은 레이저 노광에 대해 비대칭 가공을 도시하며, 여기서 제4 상호작용 간섭 무늬 위치(도 5b의 상부에서 제4 흑색 디스크(30))에서 단일의 얇은 공동(54)에 의한 필름(14)의 개방에 제1(S1), 제2(S2), 및 제3(S3) 세그먼트의 방출과 함께, 제1 표면(20)에서 세그먼트 4(S4)로 표시된 폐쇄 블리스터의 형성 및 제2 표면(64)에서 세그먼트 5(S5)로 표시된 폐쇄 블리스터의 형성이 이어진다.
도 5i는 제1, 제2, 제3, 및 제4 상호작용 간섭 무늬 위치(도 5b에서 모든 흑색 디스크(24, 26, 28, 30))로부터 몰아내고, 투명 필름(14)에서 관통 비어(66) 개방을 유도하는, 높은 레이저 노광에서 자립형 투명 필름(14)의 모든 세그먼트 방출을 도시한다.
도 6은 기판(16) 위에, 층 j에 대해 정의된, 굴절률 값 nj 및 두께 zj의 투명 필름의 2 층(상부) 및 다층(하부) 코팅을 도시하며, 얇은 상호작용 구역(무늬 패턴)(68)으로 입사 레이저 광(12) 초점 상호작용 체적의 분할은 각 층에서 λ/2n j 에 의해 제공된 무늬 대 무늬 간격이 있는 많은 경계 인터페이스로부터 입사광(12)의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 일어난다.
도 7은 간섭 레이저 가공에 의해 필름 내에 구성된 샘플 부품의 SEM(회색) 및 광학(컬러) 화상과 함께 대면적 위에 광학, 나노유체, 및 MEM 부품의 조합으로 이루어진 다기능 디바이스 디자인의 개략도이다. 실리콘 기판 위 500 nm 두께 SiNx 필름에서 대표 예는 (i) 내지 (viii)로 이어진다. 단일 레벨 저장기(reservoir)(74)와 개방 사행 채널(serpentine channel)(84)의 형성을 나타내는 최상층 레이저 빔 프로파일을 래스터(raster) 주사에 의한 대면적 위에 S1(92)(i), S2(98)(ii), 또는 S3(100)(iii) 세그먼트의 균일한 방출. S1, S2 및 S3 방출 구역에서 필름 색상은 녹색(94)에서 적색(96)((i)에서 삽입 화상) 내지 회색(102)((ii) 및 (iii)에서 삽입화)으로 이동하였다. 상이한 무늬 레벨 방출은 또한 결합하여(iv) 다중 레벨 저장기(104), 지주(82)가 있는 믹싱 채널(80)(v), 및 블레이즈드(blazed) 격자(88)(vi) 및 프레넬 렌즈(86)(vii)와 같은 광학 부품을 생성할 수 있다. 제3 파브리 페로 무늬 위치에서 나노공동(nanocavity)(38)을 함께 스티칭하고(stitched), 개방하여(viii) 매설된 나노유체 채널(78) 또는 대면적 멤브레인의 쓰기(writing)를 나타내었다. 대안으로, 대면적 멤브레인 구조(90)는 큰 레이저 빔 직경에 의한 필름(14)의 노광으로 예상된다.
도 8은 간섭 레이저 방출에 의해 제작된, 프레넬 렌즈(86), 블레이즈드 격자(88), 단일(74) 및 다중 레벨(108) 저장기, 및 개방 사행(84), 교차(110) 및 믹싱(80) 채널을 나타내는 실리콘 기판 위 500 nm 두께 SiNx 필름에서 다부품 디바이스의 광학 화상을 보여준다.
도 9는 (i) 93.5 mJ/㎠, (ii) 140.2 mJ/㎠, (iii) 303.8 mJ/㎠, 및 (iv) 436.2 mJ/㎠의 플루엔스에 대해 최상층 빔 프로파일로 노광된 c-실리콘 기판(16) 위 500 nm 두께 SiNx 필름(14)의 SEM 단면도를 보여준다. 93.5 mJ/㎠의 역치 플루엔스는 (i) 필름(14)의 제1 ~29 nm 두께 세그먼트(S1)에 대한 블리스터링의 개시를 보여주며, 이는 (ii)에서 더 높은 플루엔스 노광에서 방출된 것으로 보인다. 세그먼트 1(S1)과 2(S2)는 둘 다 (iii) 및 (iv)에서 확인된 바와 같이 더 높은 플루엔스에서 제거되어, 도 2 내지 4에서 제시된 가우스 빔 노광의 경우와 비교하여 더 균일한 하층 형태(S3)를 얻는다.
도 10은 각각 (i) - (v)에서 0.64 내지 0.8 ㎛의 스폿 대 스폿 오프셋(offset)으로 달라지는 육각형 패턴에 대해 396 mJ/㎠(a) 및 339 mJ/㎠(b) 플루엔스의 대략 균일한 정방향 빔 프로파일에 의한 노광 후 c-실리콘 기판 위 500 nm 두께 SiNx 필름(14)의 SEM 화상을 보여준다.
도 11은 c-실리콘 기판 위 SiNx 필름(14) 두께의 함수로서 계산된 수직 입사에서 스펙트럼 반사율을 보여준다. 수직 점선은 500 nm(전체 필름 두께) 및 471 nm(제1 세그먼트(S1)의 방출 후 필름 두께) 필름 두께에서 예상된 반사 스펙트럼을 강조하며, 광학 현미경(삽입화) 하에 관찰된 바와 같이 가시광 조명으로 눈에 의해 관찰된 가장 밝은 무늬 위에서 녹색(94)(508 nm 파장)의 적색(96)(632 nm 파장) 이동을 예측한다.
도 12a는 상부 표면(112) 또는 하부 표면(114)을 조사하는 작은 직경의 레이저 빔, 하부 표면(116)에서 시 계열로 또는 동시에 인접 위치를 조사하는 다중 레이저 펄스, 또는 상부 표면(118)을 조사하는 대면적 레이저 빔의 경우에 대해, 경계 인터페이스(20, 64)로부터 입사 레이저 광(12)의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 연질(flexible) 또는 곡선 자립형 투명 필름 내부에 얇은 상호작용 구역(24, 26, 28, 30)(무늬 패턴(18))으로 입사광(12) 초점 상호작용 체적의 분할을 도시한다.
도 12b는 상부(20) 및 하부(64) 표면 상에 다양한 대칭 또는 비대칭 구조의 형성: (1) 최종 상호작용 간섭 무늬 위치((112)에 대해 도 12a에서 (30))에서 얇은 공동(54)에 의한 필름(120)의 비대칭 개방, 제1의 3개 세그먼트(S1, S2, S3)의 방출 및 세그먼트 4(S4) 및 5(S5)로서 표시된 반대 표면 위 2개 블리스터의 동등한 형성; (2) 제2 및 제3 간섭 무늬 위치((114)에 대해 도 12a에서 (26, 28))에서 2개의 얇은 공동(36, 38)에 의한 필름(122)의 대칭 개방, 제1(S1) 및 최종(S5) 세그먼트의 방출, 및 세그먼트 2(S2) 및 4(S4)로서 표시된 반대 표면 위 2개 블리스터의 동등한 형성; (3) 제1 및 최종 간섭 무늬 위치((118)에 대해 도 12a에서 (24, 30))에서 2개의 얇은 공동(32, 54)에 의한 대면적 레이저 빔으로 대면적 위에 필름(124)의 대칭 개방, 및 세그먼트 1(S1) 및 5(S5)로서 표시된 반대 표면 위 2개 블리스터의 동등한 형성; 및 (4) 제1 및 최종 간섭 무늬 위치((116)에 대해 도 12a에서 (24, 30))에서 2개의 얇은 공동(32, 54)으로 인접 레이저 펄스로서 대면적 위에 필름(126)의 대칭 개방, 및 연결된 매설 나노채널(78) 또는 공동을 한정하는 각 반대 표면 위에 공동(32, 54)의 개방되고, 연결된 배열 위에 세그먼트 1(S1) 및 5(S5)로서 표시된 연결된 블리스터 배열의 동등한 형성을 유도하는, 도 12a에서 프레넬 반사에 의해 형성된 고 강도 간섭 구역과 정렬되는 소산된 레이저 에너지의 편재를 레이저 펄스 상호작용 후에 도시한다.
도 12c는 도 1d, 1h, 및 1e에 각각 제시된 구조의 유사한 표현을 정의하는, 천공(34) 블리스터의 형성(130), 제3 세그먼트(S3)에서 천공(34) 블리스터의 형성과 동등한 제1(S1) 및 제2 세그먼트(S2)의 방출(132), 및 제2 세그먼트(S2)에서 폐쇄 블리스터의 형성과 동등한 제1 세그먼트(S1)의 방출(134)을 보여주는, 레이저 펄스 상호작용 후에 실시예와 함께, 곡선 경계 인터페이스(20, 22)로부터 입사 레이저 광(12)의 프레넬 반사 간섭 결과로서, 곡선, 원형, 원통형, 또는 비평면 기판(16)에 일치하는 광학 투명 필름(14) 내부에 얇은 상호작용 구역(24, 26, 28, 30)(무늬 패턴(18))으로 입사광의 초점 상호작용 체적의 분할을 도시한다(128).
도 13은 경계 인터페이스(20, 22)로부터 입사 레이저 광(12)의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 기판(16)에서 웰(well) 또는 채널(138) 또는 저장기 또는 v-채널(140)을 채우는 투명 액체 또는 겔 또는 물질(136) 내부에 얇은 상호작용 구역(24, 26, 28, 30)(무늬 패턴(18))으로 입사광(12)의 초점 상호작용 체적의 분할을 도시한다. 레이저 펄스 상호작용의 직후에 하기 서술과 함께, 재료 변형에 대한 역치를 넘어 프레넬 반사에 의해 형성된 고 강도 간섭 구역과 정렬되는 소산된 레이저 에너지의 편재화가 제시된다: (1) 제2 상호작용 간섭 무늬 위치(26)에서 얇은 공동(36)에 의한 액체 또는 겔(142)의 개방, 및 체적 세그먼트 1(S1)에서 발생하는 액체 또는 겔(136)의 조절된 체적의 동등한 방출; (2) 세그먼트 1(S1) 및 2(S2)로서 표시되는 웰에서 2개 체적에서 각각 발생하는 액체 또는 겔(144)의 2개 조절된 체적의 방출; 및 (3) 간섭 무늬(18)를 형성하도록 구성된 V형 채널(140)에서 액체 또는 겔(136)에 대한 제1 상호작용 간섭 무늬 위치(24)에서 얇은 공동(32)에 의한 액체 또는 겔(146)의 개방.
도 14a는 경계 인터페이스(20, 64)로부터 입사 레이저 광(12)의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 자립형 투명 필름(14) 내부에서 무늬 패턴(18) 위에 형성된 얇은 상호작용 구역으로 입사광의 초점 상호작용 체적의 분할을 도시하는, 도 5a와 유사하다. 제1 인터페이스(20)와 수직 입사에서 입사광의 광학적 광선 궤적(148)은 경계 인터페이스(20, 64)에 수직 입사에서 내부 프레넬 반사로 인해 필름(14) 내부에서 굴절된 다음 다반사되고(150), λ/2n f 의 무늬 대 무늬 간격 및 경계 인터페이스(20, 64)와 평행한 무늬로 이어지는 것을 보여준다.
도 14b는 도 14a와 유사하며, 이제 그려진 레이저 빔(12)은 인터페이스(20) 수직선(점선)에 관해 각도 θi에서 입사하는 상응하는 광학적 광선 궤적(152)과 함께 상이한 각도에서 도달한다. 제1 인터페이스(20)에서 굴절 후, 게다가 내부 굴절된 광학적 광선(154)은 경계 인터페이스(20, 64)에서 프레넬 반사로 인해 필름(14) 내부에서 다반사되며(156, 158), 인터페이스(20, 64) 수직선(점선)에 관해, 굴절각 θ에서 전파하고, 경계 인터페이스(20, 64)와 평행하게 정렬된 간섭 무늬를 유지하면서 λ/2n f cosθ의 무늬 대 무늬 간격을 가진 변형된 간섭 패턴(160)으로 이어진다.
도 14c는 도 14b의 요소가 동일하며, 이제 그려진 제2 레이저 빔(162)은 인터페이스(64) 수직선(점선)에 관해 각도 φi에서 입사하는 상응하는 광학적 광선 궤적(166)과 함께 상이한 각도에서 필름(14) 아래에서 도달한다. 하부 인터페이스(64)로부터 굴절 후, 내부 굴절된 광학적 광선(168)은 인터페이스(20, 64) 수직선(점선)에 관해 굴절각 φ에서 전파하여 상부 인터페이스(20)에서 차단되고, 굴절되며, 투과된 광학적 광선(170)으로서 필름(14)을 나온다. 인터페이스 경계(20, 64)의 하나 또는 둘 다에서 낮은 프레넬 반사의 경우에, 약한 내부 다반사는 필름(14) 아래(162) 또는 위(12)에서 어느 한 입사 빔으로부터 자기 간섭에 의해 형성되는 단지 약하게 대조되고, 낮은 가시성의 간섭 무늬를 얻을 것이다. 그럼에도, 자립형 투명 필름(14)은 예를 들어 외부 빔 분할 광학 빔 전달 시스템을 사용함으로써 2개 레이저 빔(12, 162)이 서로 간섭 가능하게 하는 경우에 대해 이들 2개 빔의 간섭 결과로서 필름 내부에 무늬 패턴(172) 위에 형성된 얇은 상호작용 구역으로 겹치는 입사 레이저 광 빔(12, 162)의 영역에서 변형된 초점 상호작용 체적의 형성을 묘사한다. 광 간섭 패턴이 상당한 내부 인터페이스 경계 반사의 영향 없이 외부에서 생성되는 이러한 경우에 대해, 광 간섭 패턴(172)은 도 14a 및 b의 경우로부터 변형되어, 경계 인터페이스(20, 64)에 관해 λ/2n f cos[(θ+φ)/2]의 무늬 대 무늬 간격 및 각도 (θ-φ)/2로 간섭 무늬의 회전을 나타낸다.
도 14d는 도 14b와 c의 요소를 결합하며, 경계 인터페이스(20, 64)로부터 입사광의 프레넬 굴절(광학적 광선(154, 168)) 및 반사(광학적 광선(156, 174))의 간섭 결과로서 자립형 투명 필름(14) 내부에서 무늬 패턴(176) 위에 형성된 상호작용 구역의 2차원 배열로 이들의 상호 간섭 가능의 경우에 대해 2개의 겹치는 입사 레이저 광 빔(12, 162)의 초점 상호작용 체적의 분할을 도시한다. 이러한 2차원 광 간섭 패턴은 2개의 간섭 가능 빔(12 및 162)에 의해 외부에(172) 생성되고, 인터페이스 경계(20, 64)의 프레넬 반사에 의해 내부에(160) 생성되는, 간섭 요소를 결합하는 광학적 광선 궤적(154, 156, 168, 174)이 있는 4개의 면 내 광 빔의 베이스로부터 발생한다고 추가로 생각될 수 있다.
본 개시 내용의 다양한 실시형태와 양태가 하기 설명되는 세부 내용에 관해 기재될 것이다. 하기 상세한 설명과 도면은 실례가 되며, 개시 내용을 한정하는 것으로서 해석되지 않을 것이다. 도면은 실물에 비례할 필요도 없다. 다수의 특정 세부 내용은 본 개시 내용의 다양한 실시형태의 충분한 이해를 제공하도록 기재된다. 그러나 경우에 따라서는 잘 알려지거나 종래의 세부 내용은 본 개시 내용의 실시형태에 대한 간결한 설명을 제공하기 위해 기재되지 않는다.
정의:
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포함한다" 및 "포함하는"은 포괄적이고, 개방형이며, 배제하지 않는 것으로 해석된다. 구체적으로, 청구범위를 포함하여 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "포함한다" 및 "포함하는" 및 이의 변형은 명시된 특징, 단계 또는 구성 요소가 포함되는 것을 의미한다. 이들 용어는 다른 특징, 단계 또는 구성 요소의 존재를 배제하는 것으로 해석되지 않는다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "전형적인" 또는 "전형"은 "전형, 실례, 또는 예시로서 역할하는 것"을 의미하며, 본원에서 개시한 다른 형태에 비해 바람직하거나 유리한 것으로서 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 매체 내에서 가능한 비선형 광 상호작용을 포함하여, 최대 강도의 광 간섭 무늬를 따르는 구역 내에서 열 수송과 확산보다 더 빠르게 진행하고, 강하게 편재된 레이저 상호작용을 가능하게 하는, 짧은 펄스 레이저 광으로부터 얻을 수 있는 강한 흡수를 이용한다. 광 간섭은 여기서 레이저에 의해 조사될 때 재료 내 인터페이스 경계로부터 레이저 광원의 다중 반사 결과로서 형성되는 것을 의미하는, '내부에' 생성될 수 있다. 이러한 내부에 생성된 간섭 패턴(18, 160)의 비제한적인 2개의 예가 각각 2개의 상이한 입사각 θi = 0 및 θi ≠ 0에서 표시된 입사 레이저 빔(12)에 대해 도 14a 및 b의 필름(14) 내부에 도시되어 있다.
광 간섭은 대안으로 여기서 광원이 서로 충분히 간섭성이 있을 때 재료로 집중되거나 투사되어 겹치고, 따라서 간섭하여 재료 내부에 무늬 패턴을 형성하는 2개 이상의 입사 레이저 빔의 결과로서 형성되는 것을 의미하는 '외부에' 생성될 수 있다. 이러한 외부에 생성되는 간섭 패턴(172)의 비제한적인 예가 각도 θi 및 φi에서 2개의 간섭성 입사 광 빔에서 발생하고, 각도 θ와 φ에서 필름으로 굴절하고, 따라서 이들이 겹치는 광 간섭 무늬(172)를 생성하는, 도 14c에서 필름(14) 내부에 도시되어 있다.
광학 분야의 전문가는 예를 들어 비제한적인 예로서 빔 분할 및 빔 결합 거울 또는 빔 분할 프리즘 또는 위상 마스크 또는 격자, 그 외에 이중 또는 다중 슬릿을 사용함으로써 2개 이상의 광 빔에 의해 이러한 '외부' 광 간섭을 생성하는데 이용 가능한 많은 방법에 정통해 있을 것이다.
본 발명은 또한 광 간섭의 언급된 '내부' 및 '외부' 방법의 조합에 의해 재료 내부에 간섭 무늬의 형성을 예상한다. 비제한적인 예에서, 각도 θi 및 φi에서 자립형 필름(14) 위에 입사하는 2개의 간섭 빔(12, 162)을 얻는 레이저 빔의 분할은 이들의 겹치는 체적에서 '외부' 간섭을 수행할 것이며, 반면에 이들 내부 광선(154, 168)은 경계 인터페이스(20, 64)에서 내부 프레넬 반사(156, 174)를 추가로 수행하여 '내부' 간섭의 구성요소를 도입하고, 총괄하여 도 14d에 도시한 바와 같이 2차원 광 간섭 패턴(176)을 생성한다.
더 일반적으로, 본 발명은 1차원, 2차원 또는 3차원으로 주기적으로 구조화된 바와 같이 특징일 수 있는 광의 무늬 패턴을 형성하는데 '외부' 및/또는 '내부' 광 간섭 방법을 필요로 한다. 비제한적인 예로서, 1차원 무늬 패턴은 예를 들어 파브리 페로 공진기에서 또는 1차원 투과 위상 마스크의 근접장(near-field)에서 제공된 바와 같이 2개의 겹치는 간섭성 레이저 빔에 의해 '외부에' 생성될 수 있다. 또 다른 비제한적인 예에서, 1차원 무늬 패턴은 도 14a 또는 b에 도시한 바와 같이 경계 인터페이스(20, 64)로부터 입사 광 빔(12)의 프레넬 반사의 간섭에 의해 자립형 박막과 같은 재료에서 '내부에' 생성될 수 있다. 비제한적인 예에서, 2차원 광 간섭 패턴은 서로 간섭성이고, 상이한 각도에서 전파하고 있는 최소 3개의 동일 평면상의 광 빔에 의해 생성될 수 있다. 이들 빔은 예를 들어 2 세트의 빔 분할 광학에 의해 '외부에', 또는 삼각형 프리즘에서와 같이 3개의 비평행 인터페이스 경계로부터 반사의 조합에 의해, 또는 대안으로 도 14d에 도시한 바와 같이 '내부' 및 '외부' 생성의 조합에 의해 재료 내에서 '내부에' 생성될 수 있다. 비제한적인 예에서, 3차원 광 간섭 패턴은 간섭성이 있으나 제1의 3개 광 빔과 동일 평면상이 아닌 제4 광학 빔의 추가에 의해 어쩌면 생성될 수도 있다. 이러한 4개 빔 광 간섭은 예를 들어 3 세트의 빔 스플리터와 결합 거울에 의해 '외부에' 어쩌면 생성될 수도 있거나, 예를 들어 삼각형 피라미드와 같은 3차원 유형물의 인터페이스 경계로부터 내부 프레넬 반사의 조합, 또는 이러한 '외부' 및 '내부' 간섭의 조합에 의해 재료의 '내부에' 생성될 수 있다.
본 발명은 모든 '외부' 또는 모든 '내부' 또는 이들의 조합된 현상에서 이러한 1차원, 2차원, 및 3차원 광 간섭 패턴을 생성하는 다수의 방법을 예상한다. 이들 간섭 방법은 광학 분야에서 전문가에게 잘 알려져 있다. 또한, 광학 이론과 모의 기구는 전문가가 광 간섭을 상세히 계산하고, 별개로 또는 여기서 '외부' 및 '내부' 현상의 조합으로 일어나는 1차원, 2차원, 및 3차원 간섭의 모든 검토 사항에 대해 예상된 무늬 위치, 이들의 형상 및 이들의 가시성을 결정하도록 잘 성립되어 있다. 이는 맥스웰(Maxwell's) 파동 방정식에 대한 스칼라 또는 벡터 해를 해결하거나, 유한 차분 시간 영역 계산에 대한 계산 도구를 사용하는 것을 필요로 할 수 있다. '내부' 간섭에 대해, 광원이 흔히 광 공진기 디바이스로서 알려져 있는 재료 위에 입사할 때, 인터페이스 경계로부터 내부 반사에 의해 재료 내부에 생성되는 광 강도 패턴을 계산하기 위한 잘 알려진 해결책, 그 외에 내장된 다른 광 산란 또는 반사 구조의 고려 사항을 제공하는 이용 가능한 관련된 막대한 문헌과 수단이 있다. 따라서 박막 콤팩트 디스크, 실리콘 웨이퍼, 유리 섬유, 플라스틱 프리즘, 및 물방울은 1차원 이상의 광 간섭을 수반하는 이러한 광 공진기의 비제한적인 예이다. 더 일반적으로, 본 발명은 임의 형상의 재료로서 입사 광 빔 또는 빔들에 의해 내부 광 간섭 패턴을 형성할 수 있는 광 공진기로서 생각될 그 물질적 크기에 걸쳐 또한 충분한 광 투과를 제시하는 임의 형상의 재료를 예상한다.
비제한적인 예에서, 단기간 레이저 광 빔의 광학 및 재료 상호작용의 상세한 실험을 불투명 기판 위에 코팅된 광학 박막 위로 집중될 때 시험한다. 파브리 페로 간섭 패턴은 필름에서 형성된다고 예상되며, 인터페이스 경계(공기와 기판)에 의해 레이저 빔의 다중 프레넬 반사로부터 일어난다. 본 발명은 이러한 광학 무늬의 최대 강도로서 형성되고, 정렬되며, 초점 레일리 범위보다 훨씬 작은 길이 척도에서 필름 체적 내에 재료 변형을 용이하게 하는 얇은 레이저 상호작용 디스크를 예상한다. 레이저 상호작용 체적을 물리적으로 시험하여 이것이 레이저 초점 체적을 따른다고 밝혀졌지만, 필름 내에서 파브리 페로 최대 무늬와 정렬하는 얇은 축 평면의 배열로 유리하게 분할되었다. 본 발명자들은 이러한 신규 편재화 상호작용이 필름을 내부에서 주기적으로, 또는 박막의 경우에 최대 단일 무늬 위치에서 변형하며, 이에 의해 제1 또는 제2 필름 인터페이스에 인접하여 형성될 때 λ/2n f 두께의 배수 또는 이의 분수로 필름 세그먼트에 관련한 모든 경우에 내부 나노보이드 또는 나노디스크를 개방하거나, 폐쇄되거나 천공된 블리스터를 생성하거나, 부분 필름 디스크의 양자화 방출을 가능하게 하는 레이저 특성과 집속 기하 형상에 의해 조절될 수 있다는 사실을 보여준다.
단일 레이저 펄스에 의한 조사에 대해, 세그먼트 심도에 따른 디스크의 연속 지연 방출은 도 4에 도시한 바와 같이 강화된 CCD(ICCD) 카메라로서 융삭 플룸의 시간 분해된 영상화에 의해 증명되었다. 또한, 예를 들어 도 3a에 도시된, 달라지는 상호작용과 결과는 박막 내에 3D 나노유체 구조의 제작을 가능하게 하며, 반면에 양자화 표면 구조화는 박막 멤브레인 생성, 필름 착색, 내부 라벨링 또는 다중 레벨 표면 구조화를 위한 새로운 수단을 정의한다. 마이크로전자, 광자, MEMS, 광유체 및 센서 디바이스의 기능성을 개선할 것을 보장하는 CMOS 웨이퍼 및 많은 다른 제조 공정에서 널리 사용되는 것과 같은 박막 구조화 그 외에 연질 전자 또는 디스플레이 필름을 개발하기 위한 새로운 방향 또는 새로운 랩인어 필름(lab-in-a-film) 개념을 여는데 나노보이드 및 양자화 방출과 함께 매력적이다.
도 1에 도시된 본 발명의 양태에서, 기판(16) 위에 코팅된 λ/4n f 초과 두께의 투명 박막(14)에 들어가는 레이저 광(12)은 공기-필름(20) 및 필름-기판(22) 인터페이스에서 프레넬 반사와 투과 때문에 파브리 페로 간섭 패턴(18)의 형성으로 이어질 것이다. 얻어진 무늬 패턴과 콘트라스트는 적절한 물질 선택을 통해 필름과 기판의 굴절률을 조정함으로써 광학 분야의 전문가에게 잘 알려져 있듯이 제어될 수 있다.
도 1a는 굴절률 ns의 기판(16) 위에 코팅된 굴절률 nf의 이러한 투명 필름(14)을 도시한다. 집속된 레이저 빔(12)이 위에서 필름(14)에 들어갈 때 제1(공기-필름)(20) 및 제2(필름-기판)(22) 경계 인터페이스에서 프레넬 반사를 수행하여 필름(14)에서 상방향 및 하방향 둘 다 전파하는 레이저 빔의 간섭 결과로서 발생하는, 필름(18) 내에 도시된 얇은 상호작용 구역(무늬 패턴)으로 입사 레이저 광의 초점 상호작용 체적의 분할로 이어진다. 최대 무늬(18)는 레이저 빔 직경에 걸쳐 연장되고, 인터페이스 경계의 형상과 평행하게 따른다. λ/2n f 의 예상된 무늬 대 무늬 간격에 대해, 대략 m
Figure 112016017239317-pct00002
d/(λ/2n f ) 개별 레이저 상호작용 디스크의 적층 배열이 필름 두께 z 내에 동일한 λ/2n f 간격으로 형성되며, 공기, 필름 및 기판의 굴절률과 소광 계수 값에 따라 인터페이스 경계(20, 22)에서 반사 시 발생하는 전기장 위상 이동에 따라 절대 디스크 위치가 적당한 위치에 고정된다. 단순화를 위해, 기판이 펄스 지속시간을 초과하고, 제2 세트의 간섭 무늬가 필름(14) 내부에 형성되지 않을 것이지만 레이저 펄스 통과 시간이 2배인 정도로 기판이 충분히 두터운 것으로 가정한다. 더 얇고 투명한 기판 및/또는 더 긴 펄스 지속시간에 대해, 필름에서 그 외에 기판에서 최대 간섭의 새로운 위치를 결정하고, 유리하게는 각 매체에서 고 콘트라스트 무늬를 배치하는 3개의 인터페이스(즉 공기-필름, 필름-기판, 기판-공기)로부터 반사에 기초하여 광학 분야에서 전문가에 의해 쉽게 계산될 수 있는 필름에서 생성될 것이다.
도 1b는 레이저 펄스 상호작용 직후에 도 1a에서 프레넬 반사에 의해 형성된 고 강도 간섭 구역(18)과 정렬된 얇은 디스크(24, 26, 28, 30)의 적층 배열로 소산된 레이저 에너지의 편재를 도시한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 레이저 상호작용 구역이 형성되었고, 무늬 사이(무늬 대 무늬 간격의 반) 열 확산에 대해 시간 τd = λ 2 /64n f 2 D보다 더 짧은 시간에 분리된 얇은 디스크 구역으로 재료의 변형을 개시하였다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에서, 레이저 펄스 지속시간 τp는 이러한 열 확산 시간 τd = λ 2 /64n f 2 D보다 더 짧다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에서, 편재된 레이저 상호작용에 대해 충분한 콘트라스트를 가진 간섭 무늬를 생성하기 위해 광원의 스펙트럼 밴드 폭은 ΔλL<λ2/2n f z를 만족한다. 이러한 바람직한 실시형태는 충분한 콘트라스트를 가진 간섭 무늬를 생성하기 위해 필름 두께가 z<λ2/2n f ΔλL을 만족하는 것을 조건으로 한다고 다시 언급될 수 있다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에서, 레이저 상호작용 디스크는 무늬 간격의 반 λ2/4n f 보다 더 얇은 구역으로 분리된다.
필름 상으로 다수의 레이저 노광 조건이 예를 들어 펄스 에너지, 파장, 초점 스폿 크기, 초점 심도, 필름 표면에 대해 축 방향 빔 웨이스트 위치, 반복률, 피크 전력, 펄스 지속시간, 펄스 또는 버스트 트레인(burst train)의 시간 프로파일, 빔 개구수, 다중 또는 결합 빔의 빔 프로파일 또는 형상, 공간 또는 시간 간섭성, 펄스 프론트 틸트(front tilt), 스펙트럼 밴드 폭 또는 형상 또는 스펙트럼 처프(chirp), 2개 이상의 다중 중복 펄스 사이 시간 지연, 및 빔 또는 다중 중복 빔의 필름 상 입사 각도를 변화시킴으로써 레이저 상호작용을 조절하는데 적용될 수 있다는 사실을 레이저 재료 가공 분야에서 숙련 전문가가 이해할 것이다. 이러한 방식으로, 도 1b의 각 디스크 구역에서 에너지 소산이 광범위하게 달라져서 다양한 범위의 재료 변형 방향과 결과를 조정할 수 있으며, 도 1c 내지 k에 제시한 바와 같이 기판 위 필름에 대해 일부 실시형태의 예가 도시된다. 이러한 레이저 노광 조절은 본원에서 모든 다른 도면과 실시형태에 광범위하게 적용된다.
도 1c는 재료 변형을 위한 역치를 넘는 레이저 노광에 대해 제1 상호작용 간섭 무늬 위치(도 1b의 상부 흑색 디스크)(24)에서 얇은 공동(32)에 의한 필름(14)의 개방, 및 세그먼트 1(S1)로 표시된 블리스터의 동등한 형성을 도시한다. S1과 S2를 분리하는 제1 레이저 상호작용 구역(24)은 전형적으로 전체 입사 레이저 전력의 대부분을 흡수하는 우선적 액세스를 가질 것이며, 이에 의해 더 깊은 상호작용 구역에서 이용 가능한 레이저 강도를 줄일 것이라는 사실을 레이저 재료 가공 분야에서 전문가는 이해할 것이다. 제1 구역에서 레이저 상호작용은 결함, 전자 정공 쌍, 플라스마, 또는 더 깊은 상호작용 구역에 적은 광이 도달하는 결과로서 입사 레이저 광의 증가한 흡수와 반사로 이어지는 다른 재료 변형을 생성할 수 있다. 따라서 도 1c에 도시한 바와 같이 일어나는 필름의 레이저 변형에 대한 제1 증거를 예상할 수 있으며, 여기서 최상부 레이저 상호작용 구역(24)은 필름을 분할하여 나노보이드(32)를 개방하고, S1로서 표시되는 얇은 폐쇄 블리스터를 형성하는 미세 폭발을 수행한다. 필름 변형에 대한 이러한 역치에서, 더 깊은 상호작용 구역(26, 28, 및 30)은 분할 또는 다른 형태의 변형을 개시하는데 충분한 레이저 에너지를 흡수하지 않았고, 따라서 필름은 제1 최대 무늬(24)에서 최상부 레이저 분할 평면 아래에 영향을 받지 않고 유지된다.
추가 실시형태에서, 필름에서 레이저 간섭 패턴은 광 물리학의 전문가에 의해 우선적으로 설계되어 레이저 융삭이 처음이거나 단지 내부에 개시되는, 제1 최대 무늬(24)의 위치에서보다 상부 표면 인터페이스(20)에서 더 낮은 레이저 강도를 생성할 수 있고, 표면(20)에서 생성하지 않을 수 있다. 유사하게, 저 강도는 제2 인터페이스 위치(필름-기판(22))에서 광학적으로 조작되어 필름-기판 인터페이스에 레이저 손상 없이 제1 내부 상호작용 구역(24)에서 레이저 융삭 또는 분할을 우선적으로 개시할 수 있다.
도 1d는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 1c에서 S1로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시한다. 레이저 노광 증가에 의해, 나노공동(32)은 도 1c의 경우로부터 크기가 증가하고, 블리스터는 천공되며(34), 도 1d의 경우에 대해 천공된 블리스터의 공동 크기가 증가하고, 개방 직경이 증가한다.
도 1e는 약간 더 높은 레이저 노광에 대해 제1 세그먼트 블리스터(S1)의 방출과 함께, 제2 상호작용 간섭 무늬 위치(도 1b의 상부에서 제2의 흑색 디스크(26))에서 얇은 공동(36)에 의한 필름(14)의 개방, 및 세그먼트 2(S2)로서 표시된 블리스터의 동등한 형성을 도시한다. 이 레이저 노광에서, 제1(24) 및 제2(26) 레이저 상호작용 구역만이 재료 변형을 위한 역치를 초과한 것으로 서술되어 있으며, 플라스마 차폐 또는 상기에 인용한 다른 요인이 더 낮은 상호작용 구역(28, 30) 또는 필름-기판 인터페이스(22)에서 재료 변형을 억제하는 역할을 한다. 제1 상호작용 구역(24)에서 더 활동적인 레이저 분할은 상부 표면에 대해 제1 최대 무늬 위치에 의해 한정된 두께로 S1을 완전히 방출하는 역할을 하였다.
도 1f는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 1e의 S2로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시하며, 도 1c의 블리스터링으로부터 도 1d의 블리스터 천공으로 S1의 전이에서 상기에 기재한 경향과 유사한 경향을 따른다.
도 1g는 약간 더 높은 레이저 노광에 대해 제1(S1) 및 제2(S2) 세그먼트 블리스터의 방출과 함께, 제3 상호작용 간섭 무늬 위치(도 1b의 상부에서 제3의 흑색 디스크(28))에서 얇은 공동(38)에 의한 필름(14)의 개방, 및 세그먼트 3(S3)으로서 표시된 블리스터의 동등한 형성을 도시한다. 우선 제1 세그먼트(S1)을 방출하고, 이후 S2의 방출에 의한 시간 지연이 이어지는 레이저 분할의 역학을 예상한다. 3개의 최상부 레이저 상호작용 구역에서 입사광을 약화하고, 반사하는 플라스마 차폐 및 다른 요인이 제4 상호작용 구역(30)에서 영구 변형을 억제하였다고 묘사되어 있다.
도 1h는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 1g의 S3으로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시하며, 도 1c와 1d 사이 전이에서 이전에 기재한 경향과 유사한 경향을 예상한다.
도 1i는 상당히 더 높은 레이저 노광에 대해 각각 제1(24), 제2(26), 제3(28), 및 제4(30) 상호작용 간섭 무늬 위치(도 1b의 상부로부터 제1(24) 내지 제4(30)의 흑색 디스크)로부터 몰아낸 제1(S1), 제2(S2), 제3(S3) 및 제4(S4) 세그먼트 블리스터의 방출과 함께, 필름(14)과 기판(16)의 인터페이스(22)에서 얇은 공동(40)의 개방, 및 세그먼트 5(S5)로서 표시된 블리스터의 동등한 형성을 도시한다. 디스크의 시 계열 방출이 처음에 최상부 디스크(S1) 및 마지막에 세그먼트 S4의 순서로 예상된다.
도 1j는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 1i에서 S5로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시한다.
도 1k는 광 필름(14)을 통해 하층 기판(16)까지 '블라인드 비어'(42)를 완전히 형성하는, 약간 증가한 레이저 노광에서 모든 세그먼트(S1 내지 S5)의 방출을 도시한다. 연속 방출은 S1로 시작하여, S5로 종료하는 것으로 예상된다. 도 1c 내지 1k의 묘사에 대해 레이저 에너지 증가 동안, 세그먼트 S1, S2, S3, S4 및 S5가 무늬 간격 λ/2n f 로 분리된 고른 간격의 레이저 분할 평면으로부터 방출될 것으로 예상하며, 따라서 레이저 노광에 의해 제어될 수 있는 층 S1 내지 S5의 양자 방출(quantum ejection)을 위한 새로운 수단을 제시한다. 이러한 신규 내부 레이저 상호작용, 특히 내부 레이저 분할은 이전에 입증되거나 예상되지 않았다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 기본적인 광 디자인의 이해와 함께 광 물리학의 숙련 전문가는 예를 들어 플라스마의 레이저 생성, 결함, 또는 전자 정공 쌍 생성에 의해 입사 레이저의 각도(λ/2n f cosθ의 간격, 여기서 θ는 굴절률 nf인 재료 내부에서 입사 그 외에 반사 각도이다), 레이저 파장, 굴절률을 바꾸는 필름 재료, 또는 필름 특성에 대한 변화를 포함하여, 다양한 명백한 수단을 통해 레이저 분할 평면의 간격(λ/2n f )을 바람직하게 바꿀 수 있을 것이다.
도 2a에 도시된 바와 같이 상부로부터 입사하는 λ= 522 nm 파장 레이저 빔(12)에 의해 조사된 실리콘 기판(16)(n si = 4.192 및 κsi = 0.036) 위 z = 500 nm 두께의 규소 질화물(SiNx; n f = 1.98) 필름(14)의 경우에 대해 본 발명이 입증된다. 4개의 최대 무늬는 λ/2n f = 131.8 nm 기간에 m
Figure 112016017239317-pct00003
z/(λ/2n f )로부터 필름 전체에 걸쳐 계산된 무늬 가시성이 0.63인 것으로 예상되고, 도 2b에서 (44)로 표시되어 있다. 강도 노드(node)는 높은 인덱스 콘트라스트로 인해 SiNx-실리콘 인터페이스(22) 가까이에 위치하며, 따라서 하부 인터페이스(22)로부터 대략 λ/4n f = 65.9 nm에 위치한 마지막 최대 무늬(30)로서 무늬 패턴(44)을 고정한다. 결과로서, 상부 표면(20)으로부터 제1 최대 무늬(24)의 위치는 필름 두께에 따라 달라질 것이며, 도 2b에서 경우에 대해 공기-SiNx 인터페이스(20)로부터 z - mλ/2n f
Figure 112016017239317-pct00004
38.7 nm(m = 4)에서 제시된다.
적당히 낮은 레이저 강도에서, 실리콘 기판에서 더 강한 선형 광 상호작용은 투명 필름에서 비선형 플라스마 여기에 비해 우세하여 실리콘에서 1/κsi = 28 nm의 침투 깊이까지만 레이저 가열을 추진한다. 이러한 얇은 가열 구역으로 인해 필름-실리콘 인터페이스에서 기계 가공은 달라지는 필름 두께에 걸쳐 그리고 투명 필름의 내부 구조화의 증거 없이 문헌[10, 21, 22, 24-26]에 보고된 바와 같이 전체 필름의 블리스터링과 방출에 대한 물리학을 뒷받침한다. 그러나 이러한 인터페이스 기계 가공은 Iavg = 9 x 1012 W/㎠의 역치 입사 강도에서 노광된 본 발명의 500 nm 두께 필름(14)에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 화상에 의해 도 2c에 제시된 바와 같이 필름의 내부 간섭성 레이저 구조화의 제1 증거와 함께 밝혀졌다. 이러한 레이저 가공 샘플의 형태를 상면도 및 단면도 SEM 둘 다에서 검사하였고, 단면 SEM 영상화를 위해 집속 이온 빔(FIB)에 의해 축 방향으로 절단하였다. 4개의 파브리 페로 최대치에 의해 정의된 도 2a에서 레이저 유도 분할 평면(24, 26, 28, 30)은 도 2b로 연결 점선에 의해 표시된 바와 같이 계산된 최대 간섭 위치와 정렬한다고 알려진 위치에서 나노보이드를 형성했을 뿐만 아니라 얇은 디스크 세그먼트 S1 및 S3를 방출했다고 보인다. 이들 최대 무늬 위치(연결 점선)는 도 2c에서 관찰된 형태, 즉 S1의 완전 방출을 표시하는 홀 에지(46) 위 테두리, 경사 상면도에서 S2의 부분 방출, 큰 나노보이드(54) 위 S3과 S4의 융합된 층(48) 블리스터링, 및 2개 나노보이드(40, 54) 사이 S5의 내부 블리스터와 잘 일치하는, 도 2b에서 예상된 세그먼트 크기(S1, S2, S3, S4, S5)를 정의한다.
0.53 ㎛의 반경은 도 2c에서 완전 방출된 제2 디스크에 대해 관찰되며, 이는 집속 가우스 빔에 대해 계산된 반경 ωo = 0.494 ㎛(1/e 2)와 동등하다. 이러한 반경 방향 위치(ωo)에서, 내부 레이저 강도는 도 2b에서 (44)에 제시된 바와 같이 0.84 내지 3.74 TW/㎠로 축 방향으로 조절되며, 필름의 내부 구조화에 대해 3.74 TW/㎠의 역치 강도 노광을 제안한다.
본 발명의 비제한적인 일 실시형태에서, 비선형 레이저 흡수는 최대 무늬 강도에서 우선적으로 투명 필름 재료를 이온화하고, 플라스마를 생성할 것이다. SiNx 필름 예로서 계속하면, 간섭 변조 강도 프로파일(도 2b에서 (44))은 내부 구조화를 위한 관찰된 레이저 역치에서 SiNx 필름 내부에 생성된 전자 밀도 프로파일을 예상하는데 적용되었다. 단기간 레이저 펄스(200 fs) 때문에, 유전체 필름 내부 비선형 광 상호작용은 원자를 이온화하여 하기식 (1)27에 따른 전자 밀도 n e 를 생성하는 다광자 흡수와 전자 사태에 의해 지배될 것이다:
Figure 112016017239317-pct00005
(1)
여기서, 입사 레이저 강도(I)에서 충돌 이온화 속도(w imp ) 및 다광자 이온화(MPI) 속도(w mpi )는 하기식 (2) 및 (3)27에 의해 각각 제공되며,
Figure 112016017239317-pct00006
(2)
Figure 112016017239317-pct00007
(3)
유효 전자 충돌 시간(τ eff )과 전자 진동 에너지(εosc)는 하기식 (4)28 및 (5)27에 의해 계산된다:
Figure 112016017239317-pct00008
(4)
Figure 112016017239317-pct00009
(5)
전자 완화(식 (1)에서 τr 항)는 여기서 고려된 단기간(τp = 200 fs) 레이저 펄스에 대해 사소하다. SiNx에 대해, 원자 밀도에 대한 N a = 8x1022 cm-3, 밴드 갭(bandgap)29에 대한 E g = 5.3 eV, 이온화 퍼텐셜에 대한 J i = E g , 및 유효 전자 질량에 대한 m e * = m e 의 값을 전자 밀도를 계산하는데 사용하였다. 레이저 주파수는 ω = 2nc/λ에 의해 제공되며, 비선형 MPI의 차수를 N = [J i/hω] = 3으로 반올림하였다.
시간 의존 등식 (1), (2) 및 (4)를 동시에 풀어 도 2b에서 공간 강도 프로파일에 대해 예상된 전자 밀도의 시간 상승을 이해하였다. 레이저 펄스의 종료 시에, 전자 밀도(50)는 최대 무늬에서 5.87 x 1021 cm-3의 값으로 강하게 정점에 도달하는 것이 도 2b에서 확인된다. 이 값은 플라스마가 레이저에 불투명하게 되고, 전형적으로 재료 손상을 개시한다고 예상되는 임계 플라스마 밀도(52)(n cr ~ 4.10 x 1021 cm-3)를 넘는다13 , 21, 22. 따라서 레이저 한정 분할 평면에서 방출된 디스크의 반경 방향 정도(도 2c에서 0.494 ㎛)는 재료를 손상한다고 알려진 전형적인 레이저 플라스마 조건과 밀접하게 일치한다. 또한, 모의실험에서 91 nm의 파브리 페로 무늬 폭보다 상당히 더 좁은 도 2b에서 45 nm 두께 디스크로 레이저 플라스마 구역을 유리하게도 얇게 하는 충돌 이온화를 보여주었다. 또한, SiNx에서 무늬를 흐려지게 할 열 확산 시간 τd = λ 2 /64n f 2 D = 100 ps의 계산은 레이저 펄스 지속시간보다 500x 더 길다. 따라서 얇은 가열 디스크(24, 26, 28, 30)의 배열은 ~ 2.3 ㎛ 초점 심도보다 훨씬 작은 크기 척도로 얇은 투명 필름 내부에 기계 가공을 위한 새로운 수단으로서 열할을 하는 열 수송 보다 더 짧은 시간 척도로 λ/2n f 무늬 간격에 형성하였다(도 2a)고 예상된다.
파브리 페로 간섭 무늬(24, 26, 28, 30) 위 레이저 상호작용 구역의 주기적 적층 배열을 형성하는 원리를 시험하기 위해, 실리콘 웨이퍼 위에 성장시킨 SiNx 필름으로 이루어진 본 발명의 실시형태를 다음과 같이 제조하였다. 두께가 20 nm 내지 1545 nm 범위인 SiNx 필름을 플라스마 강화 화학 증착법(PECVD)에 의해 질소(400 sccm), 암모니아(20 sccm) 및 순수 질소(600 sccm)에서 5% 실란의 가스 혼합물을 사용하는, 300℃ 및 650 mT 챔버 압력에서 플라스마랩(PlasmaLab) 100 PECVD 시스템(옥스포드 인스트루먼츠(Oxford Instruments))에서 400 ㎛ 두께의 편면 연마 p-도핑된 (001) 결정 실리콘 웨이퍼 위에 성장시켰다. 13 초간 고주파(13.56 MHz) 및 7 초간 저주파(100 kHz)의 교대 조합을 연속으로 사용함으로써 증착을 14 nm/min의 속도에서 수행하였다. 라디오 주파수(RF) 전력을 각각 고주파 및 저주파에 대해 50 W 및 40 W로 설정하였다.
본 발명의 이러한 비제한적인 실시형태를 추가로 시험하기 위해, 100 kHz 반복률에서 그리고 M2 = 1.31의 빔질로서 작동하는 섬유 레이저(IMRA, FCPμJewel D-400-VR)을 주파수 2배하여 λ = 522 nm 파장에서 τp = 200 fs 기간 펄스를 생성하였다. CCD 카메라에서 후방 반사를 검측함으로써, 8 mm 초점 길이의 평면 볼록 렌즈(New Focus, 5724-H-A)를 위치시켜 가우스 형상 레이저 빔을 샘플 표면 위로 ωo = 0.495 ㎛ 반경(1/e2 방사 조도)의 스폿 크기로 집속하였다. 대안으로, 초점 길이 f = 2.8 mm의 비구면 렌즈 ~ 115 cm 앞에 위치한 0.6 mm x 0.6 mm 정사각형 개구 또는 원형 개구(1 mm 직경)에 의해 ~ 4.5 mm 직경 레이저 빔을 가림으로써 균일한 노광 프로파일을 시도하여 각각 비교적 균일한 1.5 ㎛ x 1.5 ㎛ 정사각형 빔 또는 2 ㎛ 직경 최상층 빔 프로파일로 상을 만들었다. 컴퓨터 제어 직선 편광자 감쇄기는 5 내지 70 nJ의 레이저 펄스 에너지를 바꾸었고, 샘플을 XY 모터 구동 스테이지(Aerotech, ABL1000)에 의해 주사함으로써 단일 펄스를 각 부위에 적용하였다. 음향 광학 변조기(AOM)(Neos, 23080-3-1.06-LTD)가 컴퓨터 제어에 의한 표면 패턴화에서 가요성을 추가로 제시하면서 레이저 변형 구조를 분리하거나(속도> 15 ㎛/s) 함께 스티칭하는데 레이저 래스터 주사를 사용하였다.
필름 내부에 예리하고, 주기적인 분할 평면을 생성하는 얇은 디스크로 레이저 생성 플라스마의 한정에 대한 결정적인 증거는 도 2b에서 계산된 최대 무늬 위치와 도 2c에서 환상 구조(46), 방출된 멤브레인(S1, S2) 및 나노보이드의 관찰된 정렬이다. 제1 멤브레인 구조(S1)의 방출은 제1 무늬 또는 레이저 가열 디스크(24)의 예상된 29 nm 깊이 위치와 밀접하게 일치하는 ~ 34 nm 깊이에서 상면도에 확인되는 환상형 고리(46)에 의해 입증된다. 경사 상면도 화상에서 부분적으로 부착된 멤브레인(S2)은 예상된 λ/2n f = 131.8 nm 무늬 간격에 일치하는 ~ 135 nm 두께 멤브레인을 한정하는, 제1(24) 및 제2(26) 최대 무늬에서 플라스마 분할에 의해 형성되었다. 제3 및 제4의 예상된 멤브레인 구조(S3, S4)는 예상된 이중 무늬 간격(2λ/2n f = 263.8 nm)에 일치하는 두께를 가진 비천공 블리스터를 형성하는 ~ 267 nm 두께의 이중 층으로 융합되는 것으로 확인된다. 이러한 블리스터의 기저를 이룰 때, 얇은 디스크 플라스마 구역(30)으로부터 미세 폭발은 ~ 138 nm 높이의 ~ 800 nm 직경 나노보이드(54)로 확장한 것으로 추정된다. 더 깊은 나노보이드(40)는 ~ 45 nm 높이로 실리콘-필름 인터페이스(22)에서 개방한 것으로 확인된다. 이들 나노보이드(40, 54)는 관찰된 ~ 64 nm 두께가 예상된 4분의 1 무늬 두께(65.7 nm)와 밀접하게 일치하는 제5 및 최종 멤브레인(S5)을 정의한다. 따라서 제3 및 제4 세그먼트(S3, S4)의 융합은 제3 무늬 위치(28)에서 이상 누락(omitting) 레이저 분할이 아니라, 하층 제4 무늬 위치(30) 및 필름-실리콘 인터페이스(22)에서 레이저 미세 폭발로부터 몰아낸 강력한 충격과 압력에 대해 상부 2개의 분할 평면(24, 26)에서 미세 폭발의 대항력과 관련된 경쟁으로부터 발생하고, 이에 의해 제3 무늬 위치(28)로부터 잠재적인 미세 폭발을 포함한다고 이해할 수 있다.
일단 임계 플라스마 밀도(도 2b에서 (52))가 제1 무늬 위치(24)에 도달하면, 강한 광 반사와 감쇠가 입사광(12)의 전방 전파 빔 강도를 줄일 것이며, 더 깊은 무늬 위치(26, 28, 30)에서 상호작용 강도를 약화시킬 것이다. 이는 강한 레이저 가열 구역의 수를 제어하여 상이한 레이저 노광에 따라 필름 내부에 형성되는 방출된 세그먼트와 나노보이드의 수를 다르게 하기 위한 기회를 나타낸다. 이들 원리는 21.65 J/㎠의 최대 이용 가능한 플루엔스로 가우스 형상 빔을 위한 도 3에서 더 두꺼운 945 nm SiNx 필름(14)에 대해 밝혀져 있다. 상부 및 단면 SEM 화상(도 3a (i-viii))은 증가한 플루엔스에 의해 1.3 ㎛ 내지 2 ㎛ 직경의 이러한 빔 형상에 대해 레이저 변형 구역의 예상된 확대를 보여준다. ~ 3.50 J/㎠의 변형 역치를 넘어, 도 3a (i)에서 4.46 J/㎠ 노광에 대해 도시된 바와 같이, ~ 64 nm 두께의 제1 세그먼트(S1)는 완전히 방출되었으며, 반면에 세그먼트 2(S2)는 ~ 135 nm 직경의 개방 홀이 있는 천공된(34) 블리스터로 형성되었다. 6.37 J/㎠의 더 높은 플루엔스에서, 도 3a (ii)는 세그먼트 2(S2)의 완전한 방출을 보여준다. 제3 및 제4 세그먼트(S3, S4)는 도 2c에서 500 nm 필름의 이전 경우에서 유사하게 관찰된 바와 같이, 여기서 ~ 260 nm 깊이 나노보이드(54)를 덮는 ~ 270 nm 두께 블리스터로 융합되는 것으로 확인된다(도 3a (iii)에서 측면도). 이들 융합된 세그먼트(S3, S4)는 10.2 J/㎠ 플루엔스에서 천공된 블리스터(34)로 형성되며(도 3a (iv)에서 측면도), 15.9 J/㎠의 더 높은 레이저 노광에서 부분적으로 방출되어, 비어 내에 명확히 눈에 보이는 환상형 레지(ledge)를 남긴다. 블리스터링, 천공(34) 및 세그먼트의 양자화 깊이로 방출에 대한 이러한 순서는 레이저 플루엔스에서 추가 증가에 따라 필름 내부에 더 깊게 진행된다(즉, 도 3a (vii), (viii)). 이러한 방식으로, 실험 관찰에서 도 1 주변에 논의된 많은 예상된 경향을 증명한다.
예상된 세그먼트 S1 내지 S8 각각에서 솔리드 블리스터(56), 천공 블리스터(58), 및 방출 블리스터(60)를 형성한다고 관찰되는 역치 플루엔스에 의해 도 3b에서 레이저 플루엔스 증가에 따라 발전하는 필름 형태를 그래프로 요약한다. 따라서 형태 구역을 수직으로 분리하였고, 관찰된 분할 평면(점선)에 따른 세그먼트 위치 각각에 대해 기록하였다. 분할 위치는 다시 오른쪽에 그래프로 정렬된 바와 같이 계산된 최대 파브리 페로 강도(62)와 밀접하게(≤±6 nm) 정렬한다고 밝혀졌다. 세그먼트 1(S1)은 제1 세그먼트(S1)에 대해 블리스터링 상(56 또는 58)을 드러내지 않으면서 세그먼트 2(S3)의 천공된(34) 블리스터링(58)과 함께 4.46 J/㎠ 역치 플루엔스에서 방출한다(60)고 밝혀졌다. 제1 무늬 위치에서 생성된 레이저 플라스마는 얇은(64 nm) 제1 세그먼트(S1)를 통해 연소하여 고체 필름 상의 잔존을 방지하고, 이러한 블리스터링으로 이어질 수 있다. 나노보이드는 세그먼트 3 및 4(S3, S4) 사이에 개방한다고 관찰되지 않았고, 도 3a ((ii)-(vi)) 및 3b에서 도시한 바와 같이, 5.41 - 9.24 J/㎠, 9.24 - 14.97 J/㎠, 및 ≥14.97 J/㎠의 각 플루엔스 범위에서 함께 2개 세그먼트의 블리스터링(56), 천공(58) 및 방출(60)을 얻었다. S3 및 S4의 이러한 이례적인 2층 융합은 또한 두께가 500 nm에서 1545 nm로 달라지는 SiNx 필름에서 관찰되었고, S3/S4 인터페이스 디스크 위 및 아래에서 다른 상호작용 구역에 유래하는 충격력, 그 외에 필름 인터페이스로부터 반사하는 충격력의 타이밍으로부터 발생하여 얇은 레이저 디스크 융삭력에 저항하고, 이를 포함할 수 있다. 도 3a (i) 및 2c는 또한 SiNx-Si 인터페이스(22)에서 보이드(40) 형성의 저 역치 개시를 보여주며, 형태 변화는 ~ 3.50 J/㎠의 저 플루엔스 역치에서 시작한다.
방출된 SiNx 세그먼트(즉 도 2c 삽입화 및 3a (ii)에서 (S2) 및 도 3a (vi)에서 융합된 세그먼트 (S3) 및 (S4))의 관찰된 나머지는 레이저 유도 플라스마 구역의 배열이 형성되는 멤브레인을 통해 연소하지 않고, 이를 기화하지 않는다고 시사한다. 따라서 플라스마 평면이 도 1a 내지 k의 화상 시리즈에 도시된 바와 같이 근 표면(즉 24)에서 더 낮은(즉 (26, 28, 30)) 분할 위치로 시작하여 가열되고, 미세 폭발될 때 세그먼트의 양자화 방출이 시 계열을 따른다고 예상한다.
도 2에서 고 지수 실리콘 기판(16) 위 500 nm 두께 SiNx 필름(14)의 예에서 구체화된, 레이저에 의해 고 지수 기판 위 투명 박막의 간섭 내부 구조화는 분명히 필름(14)에서 얇은 레이저 분할 평면(24, 26)으로부터 필름 세그먼트(S1, S2)의 양자화 방출을 증명한다. 실험 장치에 따라, 필름 두께보다 더 큰 긴 초점 심도( d f ~ 2.3 ㎛)는 공기-SiNx(20) 및 SiNx-실리콘(22) 인터페이스로부터 빔의 다중 반사를 용이하게 하여 λ/2n f = 131.8 nm에서 고르게 간격을 둔 4개의 파브리 페로 무늬로 형성된다. 비선형 레이저 재료 상호작용(식 1 내지 5)은 레이저 소산을 파브리 페로 최대 위치와 정렬하는 평편한 ~ 45 nm 두께 디스크(24, 26, 28, 30)(도 2b)로 한정하고, 필름(14)을 내부에 구조화하는(32, 36, 38, 54) 분할 평면을 한정한다고 추가로 밝혀졌다. 도 2에서, 9 x 1012 W/㎠의 역치 강도는 임계 플라스마 밀도(52)(ncr = 4.10 x 1021 cm-3)에 도달하는 전자 밀도(50)와 관련되었다. 제1 무늬 위치(24)의 경우에, 이러한 고 밀도 플라스마는 입사 레이저 광을 가늘게 하고 반사하며 따라서 더 깊은 무늬 위치에서 역치 아래로 강도를 줄일 것이다. 따라서 이러한 역치 노광에 대해, 최상부 무늬 위치만이 단일 나노보이드(32)로 열려 쪼개지거나 상부 세그먼트(S1)만을 폭발적으로 방출한다고 예상한다.
필름 위로부터 레이저 에너지의 플로를 고려해 볼 때, 이러한 플라스마 차폐를 보상하는 본 실시예에서 레이저 노광 증가는 더 깊은 무늬 위치에서 전자 밀도를 임계 밀도로 몰아간다. 이러한 방식으로, 일부 세그먼트가 방출되는 것으로 확인되었으나(즉 도 3), 더 깊은 플라스마 디스크가 각각 상기 디스크 폭발의 충격 압력에 대항하여 폭발할 때 시간 지연이 있다고 예상된다. 각 세그먼트에 대해, 도 2에서 확인된 바와 같이, 처음에 나노보이드가 분할 평면에서 필름 내부에 개방되고, 얇은 블리스터를 형성하며, 이어서 블리스터의 천공, 및 끝으로 필름으로부터 λ/2n f 두께 세그먼트의 방출을 예상한다. 따라서 필름에서 더 깊은 무늬 위치로부터 연속 블리스터링 및 방출은 조절 가능한 수의 레이저 가열 구역을 여기하는 레이저 노광을 조정하고 이에 의해 이전에 예상되지 않았던 분리 양자 단계에서 필름 형태와 가공 깊이를 제어하는 새로운 기회를 나타낸다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 필름 세그먼트의 연속 방출을 현미경 대물(50x)을 통해 강화 CCD 카메라(ICCD)(Andor, iStar DH734-18U-03)로 캡처된, 레이저 융삭 플룸의 시간 분해 2차원 측면도 영상화로 관찰하였다. ICCD 트리거 게이팅(trigger gating)을 디지털 지연 발생기(DDG)(Stanford Research Systems, DG535)에 의해 레이저 펄스에 동기화하였고, 반면에 레이저 반복률을 AOM에 의해 1 Hz로 하향 계수하였다. 플룸 발광을 3 ns에서 50 ns까지 다양한 게이트 폭 및 0 내지 2 μs의 시간 지연으로 기록하였고, 실리콘 기판 위 500 nm 두께 SiNx 필름에서 광범위한 레이저 노광 조건(50 내지 380 nJ)에 대해 시험하였다(도 2에서 예와 유사).
이러한 연속 방출에 대한 증거는 제공된 레이저 플루엔스에 대해 방출될, SEM에 의해 발견된 세그먼트의 수와 잘 일치하는 수의 분리된 클러스터에서 융삭 플룸의 다양한, 저속 및 급속 방출 구성 요소를 나타내는, 도 4a에 도시된 500 nm 두께 SiNx 필름으로부터 기록된 시간 게이트 ICCD 화상에서 확인된다. 예를 들어, 필름의 SEM 화상(도 4b)은 13.67 J/㎠로 조사될 때 5개 세그먼트(S1 내지 S5)의 방출 또는 부분 방출을 나타낸다. 세그먼트 S1과 S2는 완전히 방출된 것으로 명백히 확인된다. 세그먼트 S3과 S4는 단일 블리스터로 융합되고, 천공되며(34), 이들 2개의 세그먼트의 부분 방출을 확인한다. 제4의 예상 무늬 위치(30)에서 큰 나노공동(54) 및 SiNx-Si 인터페이스(22)에서 붕괴된 나노공동(40)의 증거는 세그먼트 S5의 부분 방출을 확인하는 천공(34)의 증거와 함께 실리콘 기판(16)에 대해 이 세그먼트 S5의 붕괴 윤곽을 그린다.
도 4a에 표시된 3 - 9 ns(S1+S2), 173 - 193 ns(S3), 233 - 393 ns(S4) 및 393 - 1493 ns(S5)의 시간 구역에 나오는, 도 4에서 ICCD 화상 프레임에 의해 관찰되는 바와 같이, 세그먼트는 플룸의 분리 클러스터에서 방출되었다. 플룸 위치는 필름 표면(20)에서 180 ㎛ 거리까지 이어졌고, 이들의 관찰된 위치는 도 4c에서 시간 함수로서 기록되었다. 본 발명자들은 제5 세그먼트가 마지막 방출된 플룸(S5)으로 추론한다. 융합된 제3(S3) 및 제4(S4) 세그먼트의 부분 방출은 거의 구분할 수 없으며, 도 4a에서 200 ns 미만의 지연 시간과 함께 보이며, 반면에 제5 세그먼트(S5)의 제1 출현은 레이저 조사 시간 수백 나노초 후에 발견된다. 따라서 3 - 10 ns 구역에서 관찰된 밝은 발광(도 4a)은 레이저 노광 후 즉시 제1(S1) 및 제2(S2) 세그먼트의 플룸 확장과 멤브레인 방출에 기인한다. 이 플루엔스에서, 제1의 2개 세그먼트는 밝게 보였고, ~ 2.8 km/s 속도에서 신속히 이동하며, 반면에 더 깊은 층의 방출은 도 4c에서 추론된 바와 같이 제5 세그먼트(S5)에 대해 0.1 km/s의 훨씬 느린 속도 때문에 훨씬 늦게(173 - 1500 ns) 보였다. 따라서 즉시 융삭된 표면 재료와 처음에 방출된 세그먼트(S1 및 S2)는 최고 속도로 신속히 보이며, 반면에 상부 층에 밀어붙이는 관성은 필름 내에 형성된 더 깊은 세그먼트(S3, S4, S5)에 대해 지연된 방출과 ~ 30배 더 느린 방출 속도로 이어진다. 더 낮은 레이저 노광에서, 더 적은 수의 세그먼트가 도 3에 기재된 바와 같이 예상된 감소한 수의 관찰 방출 세그먼트와 동등하게 방출되는 것으로 관찰되었다. 또한, 방출된 세그먼트의 속도는 더 적은(더 큰) 레이저 에너지가 얇은 상호작용 디스크에 흡수되며, 이에 의해 더 약한(더 강한) 융삭력을 작동할 때 예상되는 바와 같이, 레이저 노광 감소(증가)에 따라 감소하였다(증가하였다).
본 발명의 일 실시형태에서, 도 1a에서 기판 위에 도시된 필름(14)은 도 5a에 도시된 바와 같이 자립형(14)일 수 있다. 필름이 투명하고, 공기, 또는 가스, 또는 진공, 또는 액체, 또는 플라스마, 및 이들의 조합에 의해 둘러싸이는 것이 이해될 것이며, 또한 상이한 매체가 반대 면에 예상될 것이다. 필름이 강성이거나 연질일 수 있고, 두껍거나 얇을 수 있으며, 두께가 균일하지 않거나 불규칙할 수 있고, 또한 에탈론, 윈도, 웨이퍼, 회로판, CCD 센서, LED 웨이퍼, 광학 디스플레이, 생물막, 또는 조직일 수 있으며, 예를 들어 중합체, 겔, 액체 층 또는 시트, 소형 또는 대형 입자 또는 나노재료를 운반하는 액체, 이온성 유체, 유동(flowing) 액체 제트, 또는 유리 또는 세라믹 또는 중합체 또는 임의의 투명 재료의 유동 시트를 포함하여, 다양한 순수 재료 또는 재료의 혼합물로 이루어질 수 있는 다양한 실시형태를 구상한다.
필름의 이들 다양한 실시형태에서 일어나는, 본 발명의 기저를 이루는 레이저 상호작용은 도 5에 기재되어 있다. 여기서, 2개 표면 위에 대칭으로 또는 비대칭으로 일어나는 세그먼트의 나노보이드 또는 공동 형성, 블리스터링, 및 양자 방출에 대한 새로운 양태를 여는 필름의 제1 인터페이스(20) 및 제2 인터페이스(64) 중 하나에서 또는 둘 다에서 레이저 변형이 예상된다. 경계 인터페이스(20, 64)로부터 입사 레이저 광(12)의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 자립형 투명 필름(14) 내에 간섭 무늬(18)로 입사광의 초점 상호작용 체적의 분할을 도시하는 도 5a로서 방법을 시작한다. 본 실시예에서, 도 5b는 레이저 펄스 상호작용 직후에 도 5a에서 프레넬 반사에 의해 형성된 4개의 고 강도 간섭 구역(18)과 정렬된 얇은 디스크(24, 26, 28, 30)의 적층 배열로 소산된 레이저 에너지의 편재를 보여준다.
본 발명 실시형태의 하기 실시예에서, 레이저 상호작용은 필름의 상부(20) 및 하부(64) 표면의 대칭 가공으로 이어진다. 도 5c는 재료 변형을 위한 역치를 넘는 레이저 노광에 대해 도 5b에 도시된 제1(24) 및 마지막(30) 상호작용 간섭 무늬 위치에서 2개의 얇은 공동(32, 54)에 의한 필름(14)의 개방, 및 세그먼트 1(S1) 및 5(S5)로 표시된 반대 면 위 2개 블리스터의 동등한 형성을 도시한다. 도 5d는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 5c의 S1 및 S5로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시한다. 도 5e는 약간 더 높은 레이저 노광에 대해 제1 세그먼트 블리스터(S1)와 제5 세그먼트 블리스터(S5)의 방출과 함께, 도 5b의 제2(26) 및 제3(28) 상호작용 간섭 무늬 위치에서 2개의 얇은 공동(36, 38)에 의한 필름(14)의 개방, 및 세그먼트 2(S2) 및 4(S4)로서 표시된 2개 블리스터의 동등한 형성을 도시한다. 여기서 얇은 멤브레인(S3)이 2개 나노보이드(36, 38)을 분리하는 것으로 예상된다. 도 5f는 약간 증가한 레이저 노광에서 도 5e의 S2 및 S4로서 정의된 블리스터의 천공(34)을 도시한다.
본 발명의 하기 실시형태에서, 레이저 상호작용은 자립형 필름의 상부(20) 및 하부(64) 표면의 비대칭 가공으로 이어진다. 도 5g는 도 5c 또는 5d의 조건과 유사한 레이저 노광에서 2개 표면(20, 64) 위 비대칭 가공을 도시하며, 여기서 도 5b의 제1(24) 및 제4(30) 상호작용 간섭 무늬 위치에서 2개의 얇은 공동(32, 54)에 의한 필름(14)의 개방에 제1 표면(20)에서 세그먼트 1(S1)로서 표시된 천공(34) 블리스터의 형성 및 제2 표면(64)에서 세그먼트 5(S5)로서 표시된 폐쇄 블리스터의 형성이 이어진다. 도 5h는 더 높은 레이저 노광에 대해 비대칭 가공을 도시하며, 여기서 도 5b의 제4(30) 상호작용 간섭 무늬 위치에서 단일의 얇은 공동(54)에 의한 필름(14)의 개방에 제1(S1), 제2(S2), 및 제3(S3) 세그먼트의 방출과 함께, 제1 표면(20)에서 세그먼트 4(S4)로 표시된 폐쇄 블리스터의 형성 및 제2 표면(64)에서 세그먼트 5(S5)로 표시된 폐쇄 블리스터의 형성이 이어진다.
도 5i는 도 5b의 제1(24), 제2(26), 제3(28), 및 제4(30) 상호작용 간섭 무늬 위치로부터 몰아내고, 투명 필름(14)에서 관통 비어(66) 개방을 유도하는, 높은 레이저 노광에서 자립형 투명 필름(14)의 모든 세그먼트(S1, S2, S3, S4, S5) 방출을 도시한다.
도 5에서 실시형태는 제한되지 않으며, 많은 다른 구조의 조합이 예상되며, 더 많거나 더 적은 공동, 천공 블리스터, 및 방출 층이 더 많거나 더 적은 수의 상호작용 구역에 의해 더 얇거나 더 두꺼운 필름에서 이들의 형성으로 연장되고, 더 크거나 더 작은 빔 크기에 의해 또는 필름 위로 상이한 빔 방향에 의해 작동되는 것이 당연하다.
본 발명에서, 도 1 또는 5에 기재된 실시형태는 재료의 형태와 상에 대해 다양한 조합을 가진, 많은 층 구조의 고려 사항까지 완전히 연장되는 것으로 이해된다. 2개의 비제한적인 대표 예가 도 6에 제공되며, 도 6은 기판(16) 위에, j 숫자를 가진 층에 대해 정의된, 굴절률 값 n j 및 두께 z j 의 투명 필름의 2 층(상부) 및 다층(하부) 재료 구조를 도시한다. 추가로 또한 기판 없이 자립형인 층을 예상한다. 투명할 층, 또는 투명, 부분 투명, 산란, 및 불투명 층의 조합을 이해할 것이다. 이들 실시예에서, 구조는 공기, 또는 가스, 또는 진공, 또는 액체, 또는 플라스마, 또는 이들의 조합 내에 있을 수 있으며, 상이한 매체가 또한 반대 면에 예상될 수 있다. 층상 구조가 강성이거나 연질일 수 있고, 두껍거나 얇을 수 있으며, 두께가 균일하지 않거나 불규칙할 수 있고, 또한 에탈론, 윈도, 웨이퍼, 회로판, CCD 센서, LED 웨이퍼, 광학 디스플레이, 생물막, 또는 조직일 수 있으며, 예를 들어 중합체, 겔, 액체 층 또는 시트, 소형 또는 대형 입자 또는 나노재료를 운반하는 액체, 이온성 유체, 유동 액체 제트, 또는 유리 또는 세라믹의 플로를 포함하여, 다양한 순수 재료 또는 재료의 혼합물로 이루어질 수 있는 다양한 실시형태를 구상한다.
이러한 다층 구조(도 6)에서, 층의 광학 디자인(j, z j 및 n j 의 값)은 광 간섭 물리학 분야에서 박식한 전문가에 의해 바람직하게 디자인되어 층상 구조에서 특정 또는 다수의 바람직한 위치에서 최대 무늬 위치와 광 간섭 프로파일(68)을 조정할 수 있다. 레이저 가공은 조절 가능한 것으로 예상되며, 도 6에 도시한 구조와 같은 구조의 제1 인터페이스(70) 및 최종 인터페이스(72) 중 하나에서 또는 둘 다에서, 또는 중간 인터페이스 중 어느 하나에서 또는 선택 인터페이스에서 또는 많은 인터페이스에서 또는 모든 인터페이스에서 일어난다. 이러한 레이저 가공은 개별 필름 층의 일부 또는 모두에 존재하는 파브리 페로 최대 간섭(68)의 위치에서 내부에 한정된 레이저 상호작용으로부터 몰아낸, 지정된 인터페이스 또는 표면 위에 대칭으로 또는 비대칭으로 일어나는 세그먼트의 나노보이드 또는 공동 형성, 블리스터링, 및 양자 방출에 대한 새로운 양태를 포함한다.
비제한적인 예로서, 도 6은 기판(16) 위에, 2 층(상부) 및 다층(하부) 필름 구조에 대해 λ/2n j 에 따른 각 층에서 달라지는 무늬 대 무늬 간격이 있는 많은 경계 인터페이스로부터 입사광의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 일어나는, 최대 무늬 간섭(68)에 위치한 얇은 상호작용 구역으로 입사 레이저 광(12) 초점 상호작용 체적의 분할을 도시한다. 적절한 레이저 노광에 의해, 본 발명에서 도 1 내지 5의 더 간단한 예에서 도시된 바와 같이 내부 및 표면 구조의 다양한 조합으로 이어지는 이러한 얇은 상호작용 구역의 어느 하나 또는 조합으로부터 몰아낼 나노보이드, 블리스터, 및 양자 방출 디스크의 형성을 예상한다. 한 층 초과의 필름이 레이저 가공 구조에 존재하는 경우, 층들 중 어느 한 층 또는 일부 또는 모두는 최대 간섭 무늬가 대부분의 층 위에 또는 한 층 전체에 또는 일부 얇은 층 위에 연장되도록 층 수 j에 대해 4분의 1 파 두께보다 얇을 수 있거나(zj<λ/4nj) 그렇지 않으면 층들 중 어느 하나 또는 일부 내에 정렬을 피할 수 있는 것으로 추가로 이해된다. 따라서 본 발명은 이러한 얇은 필름 층들 중 한 층 또는 일부 위로 연장될 수 있는 단일 얇은 레이저 상호작용 구역으로부터 몰아낼, 나노보이드, 블리스터, 및 양자 방출 디스크의 형성을 예상한다.
본 발명에서, 투명 필름 바로 내부에서 양자화 표면 방출과 나노보이드 형성의 다양한 조합이 다양한 레이저 노광의 용이한 전달에 의해 광학, 나노유체, 및 MEM 구성 요소의 새로운 조합을 제조하기 위한 새로운 수단을 열 가망이 있다. 도 7에서는 배리어(82)가 내장된 믹싱 채널(80)과 사행 채널(84)을 포함하여, 상이한 형태의 개방(76) 및 매설(78) 채널과 연결되는 다양한 저장기 디자인(74)을 포함하는 마이크로유체 및 나노유체 디바이스를 제조하기 위한 이러한 개념을 나타낸다. 프레넬 렌즈(86)와 블레이즈드 격자(88)가 대면적 멤브레인 센서(90)과 함께 추가로 도시되어 있다. 따라서 다기능 디바이스 디자인에 대한 이 개략도는 대면적 위에 광학, 나노유체, 및 MEM 구성 요소를 결합하며, 추가로 필름이 간섭 레이저 가공에 대해 본 발명에 의해 변형되는 경우 필름 색상에 대한 변화를 보여준다. 이러한 비제한적인 예는 도 1로부터 예상된 방법 중 일부에 따라 생성된 특징이 있는 실리콘 기판(16) 위 500 nm 두께 SiNx 필름(14)을 도시한다. 도 1 및 7은 둘 다 도 1b에 도시한, 4개의 레이저 상호작용 얇은 디스크 구역(24, 26, 28, 30)을 예상한다. 도 7에 도시한 레이저 구조화 디바이스는 잠재적으로 가요성 및 유인성 통합 플랫폼을 총괄하여 제시하는 실리콘 웨이퍼 위 마이크로전자 및 CCD 디바이스 위에 코팅되는 필름에서, 또는 자립형 필름(도 5) 또는 다층 구조(도 6)의 다양한 실시형태, 및 본 특허의 나머지에 기재한 다른 실시형태에서 제조될 수 있다.
본 발명은 더 큰 가공 면적으로 간섭 레이저 제조의 확장을 예상한다. 본 발명의 일 실시형태에서, 대면적 가공은 펄스 에너지와 빔 크기를 확대하고, 예를 들어 도 7에서 확인된 바와 같이 대 직경 MEMS 디바이스(90)로 필름을 블리스터링함으로써 예상된다. 그러나 이러한 균일한 가공은 평정(flat-top) 또는 균일한 빔 프로파일로 집중하는 것을 필요로 한다. 본 발명의 레이저 시스템으로서, 대략 균일한 빔은 렌즈의 회절 한계로 인해 ~ 0.75 ㎛의 최대 반경 이하에서만 이용할 수 있었다. 이러한 빔 프로파일로서, 나노보이드와 블리스터의 더 균일한 형태는 도 9에 나타내고, 하기에 추가로 설명되는 바와 같이 방출 표면에서 생성되었다.
본 발명의 일 실시형태에서, 집속된 레이저 빔의 이러한 1.5 ㎛ 스폿 크기를 넘는 더 큰 면적 구조화는 또한 개별 노광 레이저 스폿의 배열을 함께 스티칭함으로써 접근된다. 0.75 ㎛ 스폿 크기의 거의 균일한 정사각형 형상 빔의 경우에 대해, 레이저 스폿의 다양한 그리드 패턴을 가변성 레이저 노광에서 시험하여 이러한 스티칭을 최적화하였고, 도 10에 도시한 바와 같이 더 큰 면적에 걸쳐 균일한 형태를 생성하였다. 이러한 방식으로, 제1(S1), 제2(S2), 또는 제3(S3) 세그먼트로 개별 레이저 방출 구역은 500 nm 두께 SiNx 필름의 경우에 대해 각각 도 7 (i), (ii), 및 (iii)에 도시한 바와 같이, 각각 29 nm, 161 nm, 및 293 nm 깊이에서 예상된 무늬 위치와 밀접하게 정렬된 깊이로 주사된 대면적 위에 고 재현성으로 스티칭될 수 있다. 흥미롭게도, 제1 세그먼트(S1)는 조밀 충전 배열(92)로 패턴화되고, 분리된 레이저 스폿에 대해 방출 역치 아래로 노광될 때에만 쉽게 제거되었다. 레이저 충격은 인접 노광 부위에서 약하게 결합한 제1 세그먼트(S1)를 몰아내는데 도움이 된다고 예상된다. 이러한 제1 세그먼트 층의 제거는 도 7 (i)의 삽입 화상에 의해 확인되고, 도 11에서 추가로 특징으로 한 바와 같이 본래 증착된 500 nm 필름의 녹색(94)으로부터 남아 있는 471 nm 필름에 대해 적색(96)으로 박막 간섭에 의한 예상된 색 이동에서 나타나는, 비교적 매끄러운 형태(92)를 제시하였다. 더 높은 플루엔스 노광에 의해, 도 7 (ii)에서 S1 및 S2(98) 및 도 7 (iii)에서 S1, S2, 및 S3(100)과 같은 더 많은 세그먼트의 재현 가능한 방출은 각각 161 nm 및 293 nm의 더 깊은 절제에 의해 더 큰 배열로 스티칭될 수 있으나, 융삭 증가에 따라 잔해(debris)가 제3 세그먼트 방출에 대해 도 7 (iii)에서 가장 현저한 서브파장 광학 척도로 보인다. 이러한 잔해는 제2 및 제2 세그먼트 방출의 경우에(각각 도 7 (ii) 및 (iii) 삽입화) 보인 회색 착색(102)을 제공하는 박막 간섭 효과를 가리는, 강한 광 산란으로 이어진다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 상이한 무늬 레벨 방출은 결합하여 필름 또는 다중 레벨 필름의 표면 위에 1차원 또는 2차원으로 나노보이드, 블리스터 및 양자 방출 부위의 조합을 유연하게 패턴화하고, 예를 들어 도 7에 도시한 다중 레벨 저장기(104) 및 다른 집적 다중 레벨 표면(76, 80, 84, 86, 88)과 매설된(78, 90) 디바이스를 만든다. 본 실시예에서 이러한 표면 조도와 융삭 잔해와 관계없이, 상이한 방출 레벨(92, 98, 100)은 도 7 (iv)의 SEM 화상에 도시한 바와 같이 세그먼트 S1 및 S2(98) 또는 S1, S2 및 S3(100)을 방출함으로써 형성되는 평저 구조 주위에 지주(106)를 형성할 수 있다. 이러한 다중 레벨 구조화는 또한 각각 도 7 (v), (vi), 및 (vii)의 광학 화상으로 제시된 바와 같이 패턴화된, 특징적인 녹색(94), 적색(96) 및 칙칙한 회색(102) 색상을 가진, 배리어(82)가 내장된 마이크로유체 믹서 채널(80), 프레넬 광 렌즈(86) 및 블레이즈드 광 격자(88)의 개념을 밝히는데 적용되었다.
이전에 확인된 바와 같이(도 2 및 3), 나노보이드(36, 38, 54)는 방출된 세그먼트 층(도 7 (i-iii)) 아래 필름(14) 내부에 개방한 것으로 예상된다. 레이저 노광 스폿의 조밀 충전 배열 아래 매설된 나노보이드(38)를 연결하기 위한 퍼텐셜은 도 7 (viii)의 SEM 화상에서 보이는 바와 같이 제3 무늬 위치(28)에서 명백히 밝혀지며, 따라서 도 7에 제시된 다양한 저장기를 연결할 수 있는 매설된 나노유체 채널(78)을 쓰기 하기 위한 수단을 연다. 이러한 연결된 보이드는 추가로 진단 또는 메모리 저장을 위한 유리한 광학 특성이 있는 광학 결함을 정의할 수 있다. 다층 구조의 적합한 광학 디자인에 의해, 이러한 연결된 보이드의 적절히 위치한 배열은 중공 광 가이드 또는 광 격자 결합기로서 역할할 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태에 대한 통합은 실리콘 기판 위 500 nm 두께 SiNx 필름에서 다성분 디바이스의 광학 화상을 보여주는, 도 8에서 밝혀진다. 직선(76), 사행(84), 교차(110) 및 믹싱(80) 개방 채널과 연결되는, 프레넬 렌즈(86), 블레이즈드 격자(88), 및 단일 심부(74) 및 다중 레벨(108) 저장기를 제조하는 예를 밝혀주는 조합으로 S1(92), S1과 S2(98) 및 S1, S2와 S3(100)의 3개의 상이한 방출 레벨을 패턴화하는데 간섭 레이저 가공이 적용되었다. 도 7에서 확인되는 바와 같이, 단지 하나의 세그먼트 층(S1)이 방출된 채널에서 녹색 필름 색상(94)이 적색(96)으로 이동하였고, 반면에 다른 디바이스는 더 깊은 세그먼트의 방출에서 발견된 더 거친 구조로 인해 회색(102)으로 보인다.
본 개시 내용 중 하나의 특정 실시형태에서, 나노보이드 형성, 블리스터링 및 세그먼트 방출을 위한 박막의 디지털 레이저 가공은 더 크고, 더 균일한 가공 면적으로 확장된다. 한 수단에서, 최상층 빔 프로파일을 형성하는 개구로 레이저 빔을 가렸고, 다음에 결상 렌즈에 의해 ~ 1.5 ㎛ 직경으로 축소하였다. 회절이 렌즈의 ~ 0.5 ㎛ 분해능에 의해 제한되었지만, 관찰된 필름 블리스터링과 방출은 가우스 형상 레이저 프로파일(도 2-4)과 대조하여 도 9에서 c-실리콘 기판(16) 위 500 nm 두께 SiNx 필름(14)의 SEM 단면도에서 제시된 바와 같이 개선된 형태 균일성으로 이어졌다. 93.5 mJ/㎠에서 세그먼트 1(S1)에 대한 블리스터링 개시(도 9 (i))는 제2(26) 및 제4(30) 파브리 페로 최대 무늬 위치에서 하층 나노보이드(36 및 54)와 함께 도 9 (ii)에서 140.2 mJ/㎠에 보인 S1의 부분 방출로 이행하는 것으로 보인다. 따라서 4개 세그먼트(S1, S2, S3과 S4의 융합, S5)는 이러한 레이저 플루엔스에서 간섭 스크라이빙(scribing)에 의해 필름에 윤곽이 그려졌다. 나노보이드로서 나타나는 레이저 유도 손상(40)은 또한 실리콘의 더 낮은 손상 역치로 인해, 제1 세그먼트(S1)의 블리스터링(도 9 (i))을 위해 발견된 역치 플루엔스에서 SiNx-실리콘 인터페이스(22)에서 분명하다. 303.8 mJ/㎠의 더 높은 플루엔스에서, 세그먼트 1(S1) 및 2(S2)의 균일한 방출은 폐쇄되는 한 블리스터(융합된 세그먼트 S3 및 S4) 및 파괴되는 한 블리스터(S5)인, 2개 블리스터의 형성, 및 제4 무늬 위치(30) 및 SiNx-Si 인터페이스(22)에서 각각의 하층 나노보이드(각각 54 및 40)의 증거와 함께 도 9 (iii)에서 알려져 있다. 이러한 거의 균일한 빔 프로파일에 대해 최대 이용 가능한 노광(436.2 mJ/㎠)에서, 도 9 (iv)에서 추가 층 방출을 보지 못하며; 그러나 세그먼트 5(S5)는 더 완전히 분리되었고, 반면에 세그먼트 3과 4는 도 2 - 4에서 가우스 빔 노광에 대해 이전에 알려진 바와 같이 융합되어 남아있다. 플루엔스 노광에서 증가에 따라 세그먼트의 완전하고 균일한 방출 쪽으로 이러한 최상층 빔 형상의 개선에 유의한다.
본 발명의 다양한 실시형태는 표면에 레이저 빔의 전달에서 예상된다. 초점 빔 웨이스트는 가공되는 구조 위 또는 아래에 위치하여 스폿 크기와 빔 발산을 바꿀 수 있다. 이러한 발산은 무늬 위치를 필름을 통해 좌우로 바꾸거나, 곡선 무늬 패턴을 생성하며, 이에 의해 보이드 및 블리스터(세그먼트)의 비평면 형상을 형성하는데 바람직하게 적용될 수 있다. 레이저 빔 프로파일은 고려할 수 있는 임의 형상, 예를 들어 가우스, 신크(Sinc), 베셀(Bessel), 최상층, 정사각형, 직사각형, 라인, 또는 그리드일 수 있다. 광학 한계 내에 이용 가능한 임의 빔 패턴 또는 프로파일을 유연하게 만들고, 따라서 방법과 가공 깊이를 바꾸며, 나노보이드, 블리스터, 천공된 블리스터 및 신호 레이저 빔을 위한 양자 방출 부위의 유연한 패턴을 생성하는데 적용될 수 있는, 광학 분야의 전문가에게 잘 알려진 다양한 빔 성형 마스크 또는 디바이스가 예상된다. 레이저 빔은 그 자체와 예를 들어 홀로그래픽 수단을 통해 또는 위상 마스크를 사용함으로써 간섭되어 표면 위에 측면 무늬 패턴으로 형성되며, 따라서 본 발명에서 간섭 레이저 방법을 제어하는 편재 전달 레이저 에너지에 따라 편재 유도되는 보이드, 블리스터 및 양자 방출 레벨의 패턴을 변화시킬 수 있다.
본 개시 내용의 또 다른 실시형태에서, 더 크고 더 균일한 방출 구역이 스폿 대 스폿 오프셋과 레이저 플루엔스를 변화시키면서 실리콘 기판(16) 위 500 nm 두께 SiNx 필름(14) 위에 정사각형 그리드와 육각형 패턴으로 래스터 주사된 거의 균일한 정사각형 빔 프로파일(1.5 ㎛ x 1.5 ㎛)에 의한 레이저 노광으로 드러났다. 노광과 간격 조합은 부수 손상과 융삭 잔해가 최소인 균일한 방출 층을 이상적으로 합치는데 최적이었다. 도 10a (i) - (v)는 0.64 - 0.8 ㎛ 오프셋을 바꾸면서 육각형 패턴 위에 396 mJ/㎠ 및 339 mJ/㎠ 플루엔스 노광을 비교하는 SEM 화상을 보여준다. 0.8 ㎛ 오프셋(i)으로서, 396 mJ/㎠의 노광은 세그먼트 1(S1)의 조밀하게 충전되나 분리된 방출을 얻었고, 반면에 더 큰 오프셋은 이러한 제1 세그먼트를 방출하지 못할 것이다. 오프셋을 0.8 ㎛(i)로부터 0.72 ㎛(도 10a (iii))로 감소시키면 세그먼트 2(S2)를 방출하기 위한 개시를 일으켰고, 반면에 세그먼트 2의 연결된 방출 구역이 있는 가장 균일한 형태(98)는 0.68 ㎛ 오프셋(도 10a (iv))에서 발견되었다. 339 mJ/㎠의 더 낮은 노광 플루엔스에서, 도 10b (i) - (v)에서 유사한 결과의 SEM 화상은 제2 층 방출을 개시하기 위한 역치 오프셋이 0.72 ㎛(도 10a (iii))에서 0.68 ㎛(도 10b (iv)로 이동하고, S2의 균일한 방출(98)을 위한 최적 오프셋은 0.68 ㎛(도 10a (iv))에서 0.64 ㎛(도 10b (v))로 이동하는 것을 밝히고 있다. 따라서 방출 구역 형태를 제어하고, 양자 방출을 확장하며, 대면적으로 블리스터링하는데 있어서 높은 프로세스 유연성을 위해 레이저 플루엔스와 함께 스폿 대 스폿 오프셋을 조정할 수 있다.
단일 펄스 노광에서 더 큰 면적 패턴을 생성하기 위한 또 다른 접근법에서, 100 fs 기간의 800 nm 파장 초고속 레이저 및 1 mJ 초과 펄스 에너지의 적용은 간섭 가공에 대한 본 방법에 의해 대면적 나노보이드 및/또는 블리스터의 형성을 용이하게 하였다. 초점 위치를 표면에서 멀리 이동시킴으로써, 원형 빔에 대해 직경 20 ㎛를 초과하거나 실린더 집속에 의해 라인이 100 ㎛보다 긴 블리스터와 나노보이드의 대면적 변형은 유사한 SiNx 코팅 실리콘 기판으로 형성되었다.
본 발명의 일 실시형태에서, 레이저의 스펙트럼 간섭성 또는 광 밴드 폭은 레이저 전문가에게 잘 알려진 방법으로 조정되고, 변경될 수 있으며, 높은 대비 무늬와 낮은 대비 무늬가 필름 또는 다중 레벨 필름 구조 전체에 걸쳐 변화될 수 있도록 간섭 무늬 가시성을 유리하게 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 보이드, 블리스터 및 양자 방출 구역의 형성 역치는 저면 인터페이스가 상부면 인터페이스보다 훨씬 큰 반사율을 가지며, 따라서 모든 파장을 고정시켜 최고 반사 인터페이스에 가장 가까운 보통 중복 무늬로 형성되는 경우에 예상된 바와 같이, 필름 내에, 예컨대 스펙트럼 간섭성이 적은 저면(제1 무늬 위치(24)) 가까이에서, 간섭성이 큰 상부면(최종 또는 맨 아래 무늬 위치)까지 상이한 위치에서 여기되도록 달라질 수 있다. 이러한 접근법은 필름 두께가 커짐에 따라 더 효과적일 것이며, 두꺼운 기판에서, 무늬 패턴은 단지 높은 반사 경계 가까이에 존재할 수 있거나 특정 필름 층에서 위치를 선택하도록 바람직하게 조정될 수 있다. 무늬 가시성을 제어하는 접근법은 2개 이상의 레이저를 결합함으로써 이와 같이 결합한 상이한 독립적 간섭 패턴이 특정 무늬의 콘트라스트를 향상시키고 줄일 것이며, 이에 의해 제1 무늬(24), 제2 무늬(26), 제3 무늬(28), 및 나머지 무늬들에서 상호작용 구역이 레이저 노광 증가에 따라 여기되는 순서를 변경하도록 추가로 확대될 수 있다. 따라서 광학 분야의 전문가는 도 1b 및 e에서 낮은 플루엔스에서 제1 무늬 위치(24)로서 시작하여 도 1k에서 최종 세그먼트 S5의 방출까지 도 2에서 예상된 블리스터링과 방출의 규칙적인 순서를 탈피하는 빔 전달 제어의 다양한 수단을 가질 것이다. 본 발명은 조합하여 레이저 간섭 가공에 대한 상기 방법에 의해 나노보이드, 블리스터, 및 양자 방출 구역을 형성할, 펄스 에너지가 동일하거나, 유사하거나 상이한 펄스의 버스트 트레인을 포함하여, 단일 레이저 펄스 또는 다수 펄스의 전달에 기초하여 다양한 실시형태를 예상한다.
본 발명은 무늬 사이 열 확산을 위한 시간보다 더 짧은 시간 척도로, 즉 τd=λ2/64n f 2 D보다 더 짧은 시간에 간섭 패턴을 유리하게 생성하는 레이저 펄스 지속시간의 조정 또는 변화를 예상한다. 레이저 상호작용 중에 일어나는 열 확산 정도는 최대 무늬 위치에서 발생하는 레이저 상호작용 구역에서 유도된 두께 및 피크 온도를 조절하는데 사용될 수 있으며, 따라서 나노보이드와 블리스터의 형상 그 외에 양자 방출에서 가공 깊이를 변화시킨다. 예를 들어, 이러한 열 확산 시간 τd는 실리콘 필름과 같은 양호한 열 도체에서 4 ps로부터 PMMA 중합체와 같은 단열재에서 17 ns로 달라질 수 있으며, 펨토초, 피코초, 및 나노초 시간 영역에서 레이저를 사용하기 위한 큰 허용 범위를 나타낸다. 따라서 펄스 지속시간이 0.1 fs 내지 100 ns 범위인 펄스 레이저가 본 발명을 실시하는데 바람직한 범위로서 예상된다.
도 11은 c-실리콘 기판 위 SiNx 필름 두께의 함수로서 계산된 수직 입사에서 스펙트럼 반사율을 보여준다. 수직 점선은 500 nm(전체 필름 두께) 및 471 nm(제1 세그먼트(S1)의 방출 후 필름 두께) 필름 두께에서 예상된 반사 스펙트럼을 강조하며, 광학 현미경(삽입화) 하에 관찰된 바와 같이 가시광 조명으로 눈에 의해 관찰된 가장 밝은 무늬 위에서 녹색(508 nm 파장)의 적색(632 nm 파장) 이동을 예측한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, SiNx 필름 세그먼트의 양자 방출은 박막 광 간섭 작용으로부터 일어나는 500 nm 두께 필름에서 관찰된 분명한 색 변화(도 7 (i) - (iii) 삽입화)로 이어진다. 공기-SiNx(1) 및 SiNx-실리콘(2) 인터페이스에서 내부 및 외부 반사에 대해 각각 프레넬 반사 및 투과 계수 r1, r1', r2 및 t1, 및 t1'에 따라, 박막 간섭에 대해 반사 스펙트럼(r) 및 스펙트럼 반사율(R)은 수직 입사(θ = 0°)에 대해, 각각 하기식 6 및 7에 의해 굴절률 n f 의 필름 두께(z)의 함수로서 계산되었다.
Figure 112016017239317-pct00010
(6)
Figure 112016017239317-pct00011
(7)
반사율에서 파장 의존성은 가시 스펙트럼(λ = 400-750 nm)에 걸쳐 계산되고, 도 11에서 필름 두께의 함수로서 구성된 위상 차 δ = 4πnfzcos(0)/λ에서 발견된다. 500 nm 두께 SiNx 필름에 대해, 수직 입사에서 계산된 반사율은 508 nm(녹색) 및 412 nm(보라색) 파장에서 중심이 있는 2개의 강한 반사율 피크를 제시하는 것으로 확인된다. 도 11에서 현미경 화상 삽입화의 비가공 표면에서 확인되는 바와 같이, 500 - 520 nm에서 상대 1000 배 더 강한 인간 눈 반응은 두께에 압도적인 녹색(94) 파장을 찬성할 것이다. 제1 세그먼트(S1)가 균일한 배열 패턴(92)으로 방출될 때, 남은 471 nm 두께 필름은 강도 피크를 632 nm(선명한 적색), 481 nm(청색) 및 391 nm(자주색) 파장으로 이동할 것이다. 인간 눈은 632 nm 및 481 nm 파장에 동일하게 반응하며, 391 nm 파장 광에 매우 낮은 반응을 보여준다. 제1 세그먼트 깊이로 방출된 필름으로부터 관찰된 선명한 적색(도 11에서 삽입화)을 증명하는, 텅스텐 램프가 발광하는 632 nm 광의 더 높은 스펙트럼 강도를 고려할 때 선명한 적색(96)은 여기서 압도적이라고 예상된다. 도 11에서 모형화는 S1+S2, S1+S2+S3, 및 S1+S2+S3+S4 세그먼트의 방출에 대한 수직 점선에 의해 확인된 바와 같이, 더 깊은 세그먼트의 방출에 의해 박편화(thinning) 하에 필름의 추가 색 변화를 예상한다. 양자 단계에서 이러한 박편화는 관찰 가능한 파장 무늬의 수 및 339 nm 두께에서 678 및 462 nm, 207 nm 두께에서 425 nm 및 실리콘 위에 남아 있는 세그먼트 S5와 상응하는 최소 76 nm 두께에서 390 nm의 분리하여 제어 가능한 파장으로 단 파장 이동의 동등한 감소를 제시한다. 시야각(도 11에서 나타낸 θ = 0°)에 의해 변하는 채색을 예상한다.
나노보이드(40)가 현 SiNx-Si 인터페이스(22)에서 형성되어 예를 들어 SiNx-공기 인터페이스를 생성하였을 때 본 발명은 추가로 간섭 조건에서 π 위상 변이(즉 δ = π+4πnfzcos(0)/λ)를 예상한다. 더 깊은 세그먼트로부터 색 변화의 실제 관찰은 레이저 노광의 추가 조정 및/또는 가공 표면의 화학적 세정에 의해 개선될 것으로 예상되는 표면 조도와 융삭 잔해로부터 광 산란에 의해 흐려졌다. 대안으로, 더 큰 면적 방출 구역의 형성(즉 > 1 mJ 펄스 에너지의 100 fs 및 800 nm 레이저로서 직경 10 ㎛)이 더 깊은 세그먼트 층에 균일한 색 변화를 제공하였다.
예를 들어 도 1c, 1e, 1g에서 폐쇄 블리스터의 형성, 및 유사한 현상은 또한 광학 전문가에 의해 쉽게 계산되는 방식으로 광 간섭을 변형하는 추가의 얇은 공기층의 존재로 인해 색 변화를 나타낸다. 따라서 더 광범위한 필름 색상이 본 발명에 의해 규정된 수의 세그먼트 층 방출을 통해 그 외에 나노보이드의 형성에 의해 이용 가능하다. 도 1a에 도시한 제1 층(S1) 블리스터를 형성하는 현상은 특히 표면 아래 내부에서 나노보이드의 형성에 의해 조절 가능한 색을 가진 청순한 연속 표면을 나타내는데 특히 유리하다. 이러한 수단은 또한 광전지 또는 광학 구성 요소에서 흡수를 향상시키는 반사 방지 표면을 만드는데 매력적일 수 있다.
지금까지 기판 위에 코팅된 박막(도 1), 자립형 필름(도 5), 및 다층 필름(도 6)으로서 제시된 실시형태는 추가로 이러한 구조가 유연한 형상으로 구부러지고, 곡선이며, 꼬일 때 간섭 레이저 가공에 대한 본 발명을 지지하는 것으로 이해된다. 이러한 꼬인 및 곡선 구조에 의해 생성된 광 간섭 패턴의 작은 간격은 광 파장에 접근하는 크기로 꼬인 형상에 간단히 일치하고 뒤따를 것이며, 따라서 이들 곡선 형상 위에 얇은 레이저 상호작용 구역이 형성되게 할 수 있다. 비제한적인 예로서, 도 12a는 상부 표면(112) 또는 하부 표면(114)을 조사하는 작은 직경의 레이저 빔, 하부 표면(116)에서 시 계열로 또는 동시에 인접 위치를 조사하는 다중 레이저 펄스, 또는 상부 표면(118)을 조사하는 대면적 레이저 빔의 경우에 대해, 경계 인터페이스(20 및 64)로부터 입사 레이저 광(12)의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 연질 또는 곡선 자립형 투명 필름 내부에 얇은 상호작용 구역(무늬 패턴)(18)으로 입사광(12) 초점 상호작용 체적의 분할을 도시한다. 고 강도 간섭 구역은 무늬 위치(24, 26, 28, 30)에서 얇은 디스크의 적층 배열로 소산된 레이저 에너지의 편재로 이어진다.
이러한 펄스 레이저 상호작용의 후에, 도 12b는 상부 및 하부 표면 상에 다양한 대칭 또는 비대칭 구조의 형성: (1) 최종 상호작용 간섭 무늬 위치(도 12a에서 (30))에서 얇은 공동(54)에 의한 필름(120)의 비대칭 개방, 제1의 3개 세그먼트(S1, S2, S3)의 방출 및 세그먼트 4(S4) 및 5(S5)로서 표시된 반대 표면 위 2개 블리스터의 동등한 형성; (2) 제2 및 제3 간섭 무늬 위치((114)에 대해 도 12a에서 (26, 28))에서 2개의 얇은 공동(36, 38)에 의한 필름(122)의 대칭 개방, 제1(S1) 및 최종(S5) 세그먼트의 방출, 및 세그먼트 2(S2) 및 4(S4)로서 표시된 반대 표면 위 2개 블리스터의 동등한 형성; (3) 제1 및 최종 간섭 무늬 위치((118)에 대해 도 12a에서 (24, 30))에서 2개의 얇은 공동(32, 54)에 의한 대면적 레이저 빔으로 대면적 위에 필름(124)의 대칭 개방, 및 세그먼트 1(S1) 및 5(S5)로서 표시된 반대 표면 위 2개 블리스터의 동등한 형성; 및 (4) 제1 및 최종 간섭 무늬 위치((116)에 대해 도 12a에서 (24, 30))에서 2개의 얇은 공동(32, 54)으로 인접 레이저 펄스로서 대면적 위에 필름(126)의 대칭 개방, 및 연결된 매설 나노채널(78) 또는 공동 및 MEM 디바이스(90)를 한정하는, 세그먼트 1(S1) 및 5(S5)로서 표시되는, 각 반대 표면 위에 개방 공동(32, 54)과 연결된 블리스터 배열의 동등한 형성을 유도하는, 도 12a에서 프레넬 반사에 의해 형성된 고 강도 간섭 구역과 정렬된 소산된 레이저 에너지의 편재를 도시한다. 나노보이드, 블리스터, 및 양자 방출의 다른 조합이 예상되며, 형성된 구조는 필름 두께에 의해 달라지거나, 다층 필름 및 본원에서 기재한 다른 실시형태로 확장될 것으로 이해된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 도 12c는 도 1d, 1h, 및 1e에 각각 제시된 구조의 유사한 표현을 정의하는, 세그먼트(S1)의 천공(34) 블리스터의 형성(130), 제3 세그먼트(S3)에서 천공(34) 블리스터의 형성과 동등한 제1(S1) 및 제2 세그먼트(S2)의 방출(132), 및 제2 세그먼트(S2)에서 폐쇄 블리스터의 형성과 동등한 제1 세그먼트(S1)의 방출(134)을 보여주는, 레이저 펄스 상호작용 후에 실시예와 함께, 곡선 경계 인터페이스(20, 22)로부터 입사 레이저 광(12)의 프레넬 반사 간섭 결과로서, 곡선, 원형, 원통형, 또는 비평면 기판(16)에 일치하는 광학 투명 필름(14) 내부에 얇은 상호작용 구역(24, 26, 28, 30)으로 입사광의 초점 상호작용 체적의 분할을 도시한다(128). 나노보이드, 블리스터, 및 양자 방출의 다른 조합이 예상되며, 필름 두께가 변화될 때 다양한 형성과 다양한 수를 가진 구조로 형성되거나, 다층 필름 및 본원에서 기재한 다른 실시형태로 확장되는 것이 이해된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 도 13은 경계 인터페이스(20, 22)로부터 입사 레이저 광(12)의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 기판(16)에서 웰 또는 채널 또는 저장기(138) 또는 V-채널(140)을 채우는 투명 액체 또는 겔 또는 물질(136) 내부에 밝은 무늬 패턴(18)에서 얇은 상호작용 구역(24, 26, 28, 30)으로 입사광(12)의 초점 상호작용 체적의 분할을 도시한다. 레이저 펄스 상호작용의 직후에 하기 서술과 함께, 재료 변형에 대한 역치를 넘어 프레넬 반사에 의해 형성된 고 강도 간섭 구역과 정렬된 소산된 레이저 에너지의 편재화가 제시된다: (1) 제2 상호작용 간섭 무늬 위치(26)에서 얇은 공동(36)에 의한 액체 또는 겔(142)의 개방, 및 확장하는 얇은 공동(36)으로부터 운동량 이동에 의한 체적 세그먼트 1(S1)에서 발생하는 액체 또는 겔(136)의 조절된 체적의 동등한 방출; (2) 세그먼트 1(S1) 및 2(S2)로서 표시되는 웰에서 2개 체적에서 각각 발생하는 액체 또는 겔(144)의 2개 조절된 체적의 방출; 및 (3) 간섭 무늬(18)를 형성하도록 구성된 V형 채널(140)에서 액체 또는 겔(136)에 대한 제1 상호작용 간섭 무늬 위치(24)에서 얇은 공동(32)에 의한 액체 또는 겔(146)의 개방. 다양한 기하 형상의 웰로부터 이러한 재료(136)의 레이저 가공은 확장하는 나노보이드(32, 36, 38, 54, 40)로부터 이러한 방출 또는 발사에 의해 제2 기판(도시 안 됨)에 조절 가능한 양의 약물, 생물 재료, 분석 대상물, 또는 나노입자를 전달하거나, 인쇄에 적용되어 조절된 양의 잉크 또는 염료를 유리하게 방출하거나, 조절된 체적의 나노공동을 형성한다고 예상된다.
지금까지 제시된 본 발명의 실시형태는 레이저 빔이 수직 입사에서 필름 구조에 적용된다고 추론하였다. 또 다른 실시형태에서, 레이저 빔은 스침(θi = 수직 입사로부터 90°)에서 수직(θi = 0°)까지 변하는 각도에서 표면에 적용된다. 증가하는 각도는 빔 면적을 확대할 것이며, 또한 스넬(Snell) 굴절 법칙에 따라 각각의 다양한 층에서 전파 각도를 변화시킬 것이고, 따라서 λ/2njcosθj(여기서 θj는 인터페이스 수직선에 관해 층 j에서 광 빔의 전파 각도이다)에 따른, 각 필름 층 내 레이저 상호작용 구역의 무늬 대 무늬 간격을 조정하는 유리한 수단을 제공할 것이다. 대안으로, 레이저 파장은 이러한 무늬 대 무늬 간격을 조정하기 위해 조정되거나 변화될 수 있으며, 관찰된 세그먼트 두께는 지금까지 시험한 522, 800, 및 1044 nm 파장으로 수직 입사를 위한 λ/2nj 무늬 간격에 밀접하게 따랐다.
비제한적인 예로서, 도 14a는 경계 인터페이스(20, 64)로부터 입사 레이저 광(12)의 프레넬 반사의 간섭 결과로서 자립형 투명 필름(14) 내부에서 무늬 패턴(18) 위에 형성된 얇은 상호작용 구역으로 입사광의 초점 상호작용 체적의 분할을 도시하는, 도 5a와 유사하다. 제1 인터페이스(20)와 수직 입사에서 입사광의 광학적 광선 궤적(148)은 경계 인터페이스(20, 64)에 수직 입사에서 내부 프레넬 반사로 인해 필름(14) 내부에서 굴절된 다음 다반사되고(150), λ/2n f 의 무늬 대 무늬 간격 및 경계 인터페이스(20, 64)와 평행한 무늬로 이어지는 것을 보여준다.
또 다른 비제한적인 예에서, 도 14b는 도 14a의 경우에 대한 변형을 보여주며, 이제 그려진 레이저 빔(12)은 인터페이스(20) 수직선(점선)에 관해 각도 θi에서 입사하는 상응하는 광학적 광선 궤적(152)과 함께 상이한 각도에서 도달한다. 제1 인터페이스(20)에서 굴절 후, 게다가 내부 굴절된 광학적 광선(154)은 경계 인터페이스(20, 64)에서 프레넬 반사로 인해 필름(14) 내부에서 다반사되며(156, 158), 인터페이스(20, 64) 수직선(점선)에 관해, 굴절각 θ에서 전파하고, 경계 인터페이스(20, 64)와 평행하게 정렬된 간섭 무늬를 유지하면서 λ/2n f cosθ의 무늬 대 무늬 간격을 가진 변형된 간섭 패턴(160)으로 이어진다.
본 발명은 재료 내부 가공 위치에서 중첩하고, 따라서 결합하여 입사 빔의 상이한 파장 및/또는 입사 빔의 상이한 입사각 및/또는 입사 빔의 상이한 진입 위치에 따라 제어되는 간섭 패턴으로 형성되는 다중 빔의 전달을 예상한다. 이러한 방식으로, 광학에서 숙련 전문가는 선택된 무늬 위치 중 어느 하나 또는 임의 조합에서 얇은 구역 레이저 상호작용을 우선적으로 추진하는 전체 간섭 패턴에서 특정 무늬를 향상시키고 약화시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 레이저 빔은 필름 또는 다층 구조의 양측으로부터 적용될 수 있다. 대안으로, 필름 구조의 반대 측으로부터 구조에 동기화되거나 시간 지연이 있게 도달하는 레이저 빔을 향하게 할 수 있다(즉 도 1, 5, 6, 12, 또는 13에서 상부 및 하부 양 방향으로부터). 본 발명의 일 실시형태는 파브리 페로로부터 고 대비 간섭 무늬를 이용하여 그렇지 않으면 단지 재료 경계로부터 생성되는 경우 불충분한 콘트라스트로 될 수 있는 재료에서 강한 얇은 레이저 상호작용 구역을 추진하는 파브리 페로 공동 내부에 위치하는 재료 또는 디바이스의 간섭 레이저 가공을 포함한다. 관련 실시형태는 재료 내부에 강한 얇은 레이저 상호작용 구역을 만드는 레이저 빔의 간섭 패턴을 조합하여 생성하는 샘플과 함께 단일 거울 또는 반사기의 적용을 포함한다.
비제한적인 예에서, 도 14c는 도 14b의 동일한 요소를 나타내며, 인터페이스(64) 수직선(점선)에 관해 각도 φi에서 입사하는 상응하는 광학적 광선 궤적(166)과 함께 제1 빔(12)으로부터 상이한 각도에서 필름(14) 아래에서 도달하는 도시된 제2 레이저 빔(162)을 추가한다. 하부 인터페이스(64)로부터 굴절 후, 내부 굴절된 광학적 광선(168)은 인터페이스(20, 64) 수직선(점선)에 관해 굴절각 φ에서 전파하여 상부 인터페이스(20)에서 차단되고, 굴절되며, 투과된 광학적 광선(170)으로서 필름(14)을 나온다. 인터페이스 경계(20, 64)의 하나 또는 둘 다에서 낮은 프레넬 반사의 경우에, 약한 내부 다반사는 필름(14) 아래(162) 또는 위(12)에서 보인 어느 한 입사 빔으로부터 자기 간섭에 의해 형성되는 단지 약하게 대조되고, 낮은 가시성의 간섭 무늬를 얻을 것이다. 그럼에도, 자립형 투명 필름(14)은 예를 들어 외부 빔 분할 광학 빔 전달 시스템을 사용함으로써 2개 레이저 빔(12, 162)이 서로 간섭 가능하게 하는 경우에 대해 이들 2개 빔의 간섭 결과로서 필름 내부에 무늬 패턴(172) 위에 형성된 얇은 상호작용 구역으로 겹치는 입사 레이저 광 빔(12, 162)의 영역에서 변형된 초점 상호작용 체적의 형성을 묘사한다. 광 간섭 패턴이 상당한 내부 인터페이스 경계 반사의 영향 없이 '외부에서' 생성되는 이러한 경우에 대해, 광 간섭 패턴(172)은 도 14a 및 b의 경우로부터 변형되어, 경계 인터페이스(20, 64)에 관해 λ/2n f cos[(θ+φ)/2]의 무늬 대 무늬 간격 및 각도 (θ-φ)/2로 간섭 무늬의 회전을 나타낸다. 따라서 본 발명은 재료의 인터페이스 경계(20, 64)에서 내부 반사에 의존하지 않는, 재료 내에 생성된, 소위 '외부' 광 간섭 패턴(172)의 더 유연한 배열을 제시하는 입사 간섭 레이저 광원의 조합을 예상한다.
본 발명의 또 다른 비제한적인 실시형태에서, 도 14d는 도 14b와 c의 요소를 결합하며, 경계 인터페이스(20, 64)로부터 입사광의 프레넬 굴절(광학적 광선(154, 168)) 및 반사(광학적 광선(156, 174))의 간섭 결과로서 자립형 투명 필름(14) 내부에서 무늬 패턴(176) 위에 형성된 상호작용 구역의 2차원 배열로 이들의 상호 간섭 가능의 경우에 대해 2개의 겹치는 입사 레이저 광 빔(12, 162)의 초점 상호작용 체적의 분할을 도시한다. 이러한 2차원 광 간섭 패턴은 2개의 간섭 가능 빔(12 및 162)에 의해 외부에(172) 생성되고, 인터페이스 경계(20, 64)의 프레넬 반사에 의해 내부에(160) 생성되는, 간섭 요소를 결합하는 광학적 광선 궤적(154, 156, 168, 174)이 있는 4개의 면 내 광 빔의 베이스로부터 발생한다고 추가로 생각될 수 있다.
본 발명은 추가로 본원에서 제시된 광 간섭의 '내부'(도 14a 또는 b) 및 '외부' 현상(도 c)의 '어느 하나' 또는 '조합'(도 14d)에 의해 형성된 광 무늬의 최대 강도를 따르는 레이저 상호작용의 작거나 좁은 구역의 생성을 예상한다. 따라서 본 발명은 1차원, 2차원, 및 3차원으로 광 간섭으로부터 알려진 유연한 예상에 따라 이러한 작은 레이저 상호작용 체적의 이용 가능한 형상에서 광범위한 변화를 예상한다. 따라서 보이드, 블리스터, 및 천공 블리스터의 형성, 그 외에 무늬 패턴에 따라 3차원 표면 위에 형성된 레이저 분할 상호작용 구역 위에 이제 구조화되는 세그먼트의 양자 방출이 따라서 재료 중 유연한 각도에서 생성된 광 패턴, 모티브(motive) 형상, 및 가변 주기성을 따른다고 예상된다. 본 발명은 필름 내부에서 메조스코픽(mesoscopic) 체적과 3차원 격자를 포함하여, 광범위한 표면과 내부 구조 형태, 그 외에 가변 궤적과 각도로 다차원 세그먼트 형상의 양자 방출을 제공하는 레이저 상호작용을 예상한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 조사 레이저에 의한 간섭 무늬의 형성은 2개 인터페이스 표면으로부터 반사에 한정되지 않으나, 비제한적인 예로서 구, 디스크, 섬유, 실린더, 콘, 및 링과 같은 다른 형태의 광 공진기를 포함한다. 이들 다양한 실시형태에서, 흔히 광 공진기의 모드로서 알려진 광 간섭 패턴의 형상은 강한 레이저 상호작용의 작거나 얇은 구역을 생성하는데 사용되며, 다음에 이들 최대 간섭에 따라 얻어지는, 나노공동, 메조스코픽 체적, 블리스터, 및 양자 방출 구역의 형성으로 이어진다. 이들 상호작용 구역은 구조로 레이저 집속 기하 형상에 따른 특정 모드로 우선적으로 여기되는, 유연한 방식으로 만들어질 수 있다. 이러한 접근법은 광 결함을 유도하고, MEM 구조의 새로운 3차원 형상을 생성하며, 마이크론 크기 입자로 나노보이드를 유도하고, 레이저 분할 표면에서 양자 방출에 의해 구조를 얇게 하며, 따라서 입자를 크기 선택하거나 형상 선택하기 위해, 마이크로 규모 및 나노 규모의 가공에 대한 새로운 방법을 제시한다.
본 발명에서는 광 간섭이 투명할 필요가 없으며, 오히려 부분적으로 투명한 재료에 의해 상기에 제시된 다양한 실시형태에서 생성될 수 있는 것으로 예상한다. 따라서 반사와 무늬 콘트라스트를 증가시키는 장점이 있을 수 있는 금속 및 다른 불투명 재료가 예상된다. 레이저 구조화되는 적합한 디바이스는 제1 관련 반사 표면으로부터 광의 왕복 경로가 전파하고, 제2 또는 최종 관련 인터페이스로부터 돌아오며, 따라서 그 자체와 간섭하고, 간섭 레이저 가공에 대해 본 발명의 기저를 이루는 필름 또는 필름 층 또는 공진기에서 간섭 패턴을 생성할 수 있도록, 구조의 층 두께 또는 크기를 초과하는 빔 경로에서 각 층 또는 구조에서 광 투과 깊이를 가질 것이다. 광의 '외부에' 생성된 간섭 패턴의 경우에, λ/4nf의 단일 무늬 폭에 도달하는, 더 짧은 광 투과 깊이가 예상된다.
레이저 재료 가공 분야에서 전문가는 본 발명에서 유리하게 적용되는 광범위한 레이저 빔 광원을 가질 것이다. 이러한 광원은 새로운 것을 생성하거나 레이저 파장을 조정하는 주파수 믹싱을 포함하여, 직접 생성되거나 변형된 레이저 빔을 포함한다. 레이저 파장의 선택으로 예를 들어 (1) 제거된 세그먼트의 두께 λ/2n f 를 직접 조절하는 가공된 재료에서 무늬 대 무늬 간격의 조정, (2) 파장 의존성이 큰 선형 및 비선형 수단에 의해 레이저 재료 상호작용의 기초적인 강도에서 가변성, (3) 필름, 기판, 및 다른 관련 재료 구성 요소 모두에서 광 흡수 가변성, (4) 각각의 레이저 상호작용 구역에서 플라스마 차폐 효과 가변성, 및 (5) 광 회절 이론에 따른 집속 렌즈 분해능 한계를 포함하는 본 발명에서 전체 레이저 상호작용 과정에 중요한 영향이 있을 것이다. 100 nm의 진공 자외선 스펙트럼에서 광범위 밴드 갭 재료 중 양자 캐스케이드(cascade) 레이저에 의한 ㎛의 100s 내지 고 불투과율의 투과 한계 범위인 광범위 레이저 파장이 예상된다.
본 발명에서, 투명 박막 또는 공진기 구조의 이러한 부분 및 디지털 제거를 위해 제시된 많은 실시형태는 필름 내부에서 λ/2nf 정밀로 선택적으로 텍스처링 및 표면 미세 기계 가공에서 그리고 방위 분해능이 1 ㎛ 미만인 미세 피치 패턴에서 새로운 방향을 개발한다. 이는 투명 박막의 마킹, 착색 및 다중 레벨 구조화를 위한 새로운 수단을 개발한다(도 7, 8). 또한, 나노보이드 또는 채널이 매설된 다중 레벨 패턴의 이러한 레이저 직접 쓰기의 조합은 예를 들어 웨이퍼 또는 연질 실리콘 또는 실리카 또는 중합체 포일 위 박막에서 MEMS, 광유체 및 다른 광학 구성 요소를 제조하기 위해 도 7 및 8에서 밝혀진 바와 같이 활용될 수 있다. 이러한 접근법은 CMOS 마이크로전자 또는 유리 디스플레이를 위한 오늘날 최신 제조 설비에 적합하고, 새로운 칩 스케일 바이오센서, 최소 침습 이식형 디바이스, 휴대용 관리 시점(point-of-care) 의료 용품, 콤팩트 진단 플랫폼, 또는 대화형 센서 디스플레이를 만드는 연질 랩인어 필름(LIF) 구조로 랩온어 칩(LOC) 디바이스를 변환하는 것으로부터 매우 매력적이다. 본 발명에서는 마이크로전자 칩, 광원 또는 광 센서, 및 극박의 접힘성 및 신축성 집적 회로에서 표피 생체 센서를 만들거나 천연 구조와 유사한 생체 이식제로 혈관형 네트워크를 성형하는 극박 웨이퍼 위에서 이러한 레이저 구조화 필름을 예상한다. 블리스터의 형성은 깨지기 쉬운 재료의 포장을 개선하거나, 2개 이상의 표면 사이에 직접 접촉을 방지하는 쿠션 또는 간격 효과를 제공하거나, 2개의 미끄럼 표면 사이에 마찰을 줄이는데 사용될 수 있다. 커패시터 또는 와이어와 같은 전자 부품 가까이에 나노보이드의 형성으로 유전 특성을 국소로 변화시키거나 조정하며, 따라서 전도체를 따라 전기 회로의 속도를 높이거나 고도 마이크로전자 메모리, 프로세싱, 및 광전자 칩에서, 또는 디스플레이 기술에서 필요한 커패시턴스를 조정하는 역할을 하는 수단을 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판 또는 재료는 이산화규소, 광학 유리, 칼코게나이드, 옥시질화물, 불화마그네슘, 불화칼슘, 불화세륨, 산화하프늄, 산화알루미늄, 사파이어, 이산화티탄, 산화탄탈, 산화지르코늄, 규산하프늄, 규산지르코늄, 이산화하프늄, 이산화지르코늄, HfSiON, 다이아몬드, 다이아몬드 유사 탄소, 금속 산화물, 사파이어, 니오브산리튬, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, KDP, BBO, LBO, YAG, 실리콘, Ge, GaAs, InP, InN, GaN, GaPAlGaAs, InGaN, AlGaInP, SiC, BN, BP, Te, SiC, Bas, AlP, AlAs, AlSb, CdS, CdT, ZnO, PbSe, PbTe, Cu2O, CuO, PET, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌, PMMA, 생체 고분자, 폴리스티렌, PEO, 나일론, PDMS, 폴리이미드, 포토레지스트, ITO, FTO, ZnO, AZO, In 도핑된 산화카드뮴, 탄소 나노튜브, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, PEDOT, PEDOT:PSS, 은, 금, 크롬, 티탄, 니켈, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 백금, 팔라듐 중 1종 이상으로 구성될 수 있다.
참고 문헌
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Claims (102)

  1. 재료의 레이저 유도 변형 방법으로서,
    재료에 1개 이상의 레이저 펄스를 적용하는 단계로서, 재료는 제1 인터페이스를 갖고, 1개 이상의 레이저 펄스는 제1 인터페이스에 입사하는 것인 단계를 포함하며, 여기서
    1개 이상의 레이저 펄스는 입사각을 갖고,
    재료는, 광 간섭 패턴의 1개 이상의 최대 강도의 부위에서 얇은 상호작용 체적(thin interaction volume)이 역치보다 위에 있는 레이저 강도에 의해 특정되어 제1 인터페이스에 상대적인 위치에서 1개 이상의 최대 강도의 부위를 따라 재료의 레이저 유도 변형을 대응적으로 생성하도록, 1개 이상의 입사 레이저 펄스의 재료로부터의 반사가 재료의 내부를 형성하는 광 간섭 패턴을 지지할 수 있다는 것을 기초로 하여 선택되는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 광 간섭 패턴의 무늬 대 무늬 간격의 반과 동일한 거리에 걸쳐 1개 이상의 레이저 펄스의 지속시간은 열 확산 시간보다 더 짧고, 열 확산 시간은 100 아토초 내지 1 나노초이며,
    재료의 레이저 유도 변형은
    1개 이상의 최대 강도의 부위에서 얇은 상호작용 체적의 급속 온도 증가를 특징으로 하고,
    고온 변형, 융삭, 미세 폭발(micro-explosion), 용융, 기화, 이온화, 플라즈마 생성, 전자 정공 쌍 생성 및 해리 중 어느 하나를 포함하는 것인 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 재료는 광 공명을 지지할 수 있는 광 공진기이고, 광 공진기는 실린더 공진기, 디스크 공진기, 광 링 공진기, 구 공진기, 직사각형 형상 공진기 또는 필름 중 하나이며, 필름은 얇은 필름, 두꺼운 필름, 웨이퍼, 윈도(window), 디스크 또는 에탈론(etalon)인 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제5항에 있어서, 필름은 공기, 진공, 기체, 액체 또는 플라즈마에 대하여, 또는 기판에 대하여 위치해 있는 필름의 제2 인터페이스를 갖는 단일층 필름이고, 기판은 고체 기판 및 액체 필름 코팅 중 임의의 하나이며, 또는
    필름은 제1 필름의 제2 인터페이스가 제2 필름의 제1 인터페이스에 대해 위치해 있는 적어도 2 층을 갖는 다층 필름이고,
    단일층 또는 다층 필름은 경질 필름이거나, 또는 광 간섭 패턴을 조작하도록 성형되거나 성형 기판 주위에 성형된 연질(flexible) 필름인 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서, 재료는 액체 또는 겔이고, 재료의 레이저 유도 변형은 신중하게 제어된 양의 액체 또는 겔을 방출하는 것을 포함하고, 액체 또는 겔은 액적, 층, 시트, 생물막, 조직, 유동 제트이거나, 표면 접착제 또는 텍스처드(textured) 기판에 의해 지지되거나, 또는 지지 공동 내에 지지되고, 공동은 웰, 홀, 채널, 저장기(reservoir), U-채널 또는 V-채널 중 임의의 하나인 방법.
  14. 삭제
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  18. 제1항에 있어서, 광 간섭 패턴은 1개 이상의 레이저 펄스의 내부 반사에 의해 생성된 간섭 패턴, 또는 실질적으로 재료 내부에서 교차하는 다수의 교차 레이저 펄스에 의해 생성된 간섭 패턴을 포함하는 것인 방법.
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  25. 제1항에 있어서, 재료의 레이저 유도 변형은 나노공동(nanocavity) 또는 폐쇄 블리스터(blister) 또는 천공 블리스터를 형성하는 것을 포함하고, 천공 블리스터의 적어도 일정 분율은 방출된 블리스터 또는 부분 방출된 블리스터를 형성하도록 방출되는 것인 방법.
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  28. 제1항에 있어서, 재료에서 유도된 광 간섭 패턴은 다수의 최대 간섭 부위를 포함하고, 이러한 최대 간섭에서 재료의 레이저 유도 변형은 다중 수준의 깊이에서 유도되며,
    다수의 부위의 레이지 유도 변형은 각 부위의 상대 깊이에 따라 독립 시간에서 유도될 수 있고, 1개 이상의 레이저 펄스의 파장, 재료 특성, 재료의 형상 또는 크기, 및 상기 1개 이상의 레이저 펄스의 입사각은 재료 내에 발생하는 다수의 부위, 부위들 간의 이격 및 제1 간섭에 상대적인 부위들의 위치를 조작하도록 변할 수 있으며, 파장은 100 나노미터 내지 100 마이크로미터의 범위 내에 있는 것인 방법.
  29. 제1항에 있어서, 레이저 유도 변형의 부위들의 배열은 1차원, 2차원 또는 3차원 변형을 형성하는 것을 포함하고,
    상기 레이저 유도 변형의 부위들의 배열은 나노유체 채널, 공동, 저장기 또는 이들의 조합으로 연결되거나 확장될 수 있으며,
    재료의 레이저 유도 변형은 1개 이상의 레이저 펄스의 선결정된 단면 형상과 유사한 단면 형상을 특징으로 하는 방법.
  30. 삭제
  31. 제1항에 있어서, 재료의 레이저 유도 변형은 재료로부터 재료 세그먼트(segment)를 양자 방출(quantum ejection)하는 것을 포함하고, 이로써 필름 제거의 정량화 깊이 또는 재료의 분명한 색상 변화를 유도하거나, 또는 마킹(marking), 텍스처링(texturing) 또는 패터닝(patterning)을 위해 재료의 표면 질을 변경하는 것인 방법.
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  35. 제1항에 있어서, 1개 이상의 레이저 펄스의 파장, 재료의 재료 특성, 재료의 형상 또는 크기, 및 상기 1개 이상의 레이저 펄스의 입사각은 1개 이상의 최대 강도의 부위의 위치를 조작하도록 변할 수 있는 것인 방법.
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  49. 제1항에 있어서, 1개 이상의 레이저 펄스의 스펙트럼 밴드 폭(bandwidth) 또는 부분 간섭성은 허용 가능한 수준의 광 간섭 콘트라스트를 생성하는 것인 방법.
  50. 제1항에 있어서, 재료는 이산화규소, 광학 유리, 칼코게나이드, 옥시질화물, 불화마그네슘, 불화칼슘, 불화세륨, 산화하프늄, 산화알루미늄, 사파이어, 이산화티탄, 산화탄탈, 산화지르코늄, 규산하프늄, 규산지르코늄, 이산화하프늄, 이산화지르코늄, HfSiON, 다이아몬드, 다이아몬드 유사 탄소, 금속 산화물, 사파이어, 니오브산리튬, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, KDP, BBO, LBO, YAG, 실리콘, Ge, GaAs, InP, InN, GaN, GaPAlGaAs, InGaN, AlGaInP, SiC, BN, BP, Te, SiC, Bas, AlP, AlAs, AlSb, CdS, CdT, ZnO, PbSe, PbTe, Cu2O, CuO, PET, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌, PMMA, 생체 고분자, 폴리스티렌, PEO, 나일론, PDMS, 폴리이미드, 포토레지스트, ITO, FTO, ZnO, AZO, In 도핑된 산화카드뮴, 탄소 나노튜브, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, PEDOT, PEDOT:PSS, 은, 금, 크롬, 티탄, 니켈, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 백금, 팔라듐 중 1종 이상으로 구성되는 것인 방법.
  51. 제9항에 있어서, 기판은 이산화규소, 광학 유리, 칼코게나이드, 옥시질화물, 불화마그네슘, 불화칼슘, 불화세륨, 산화하프늄, 산화알루미늄, 사파이어, 이산화티탄, 산화탄탈, 산화지르코늄, 규산하프늄, 규산지르코늄, 이산화하프늄, 이산화지르코늄, HfSiON, 다이아몬드, 다이아몬드 유사 탄소, 금속 산화물, 사파이어, 니오브산리튬, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, KDP, BBO, LBO, YAG, 실리콘, Ge, GaAs, InP, InN, GaN, GaPAlGaAs, InGaN, AlGaInP, SiC, BN, BP, Te, SiC, Bas, AlP, AlAs, AlSb, CdS, CdT, ZnO, PbSe, PbTe, Cu2O, CuO, PET, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌, PMMA, 생체 고분자, 폴리스티렌, PEO, 나일론, PDMS, 폴리이미드, 포토레지스트, ITO, FTO, ZnO, AZO, In 도핑된 산화카드뮴, 탄소 나노튜브, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, PEDOT, PEDOT:PSS, 은, 금, 크롬, 티탄, 니켈, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 백금, 팔라듐 중 1종 이상으로 구성되는 것인 방법.
  52. 재료의 레이저 유도 변형을 위한 시스템으로서,
    재료에 1개 이상의 레이저 펄스를 생성할 수 있는 레이저를 포함하고, 여기서
    1개 이상의 레이저 펄스는 입사각에서 재료의 제1 인터페이스에 입사하고,
    재료는, 광 간섭 패턴의 1개 이상의 최대 강도의 부위에서 얇은 상호작용 체적이 역치보다 위에 있는 레이저 강도에 의해 특정되어 제1 인터페이스에 상대적인 위치에서 1개 이상의 최대 강도의 부위를 따라 재료의 레이저 유도 변형을 대응적으로 생성하도록, 1개 이상의 입사 레이저 펄스의 재료로부터의 반사가 재료의 내부를 형성하는 광 간섭 패턴을 지지할 수 있다는 것을 기초로 하여 선택되는 것인 시스템.
  53. 제52항에 있어서, 광 간섭 패턴의 무늬 대 무늬 간격의 반과 동일한 거리에 걸쳐 1개 이상의 레이저 펄스의 지속시간은 열 확산 시간보다 더 짧고, 열 확산 시간은 100 아토초 내지 1 나노초의 범위이며,
    재료의 레이저 유도 변형은
    1개 이상의 최대 강도의 부위에서 얇은 상호작용 체적의 급속 온도 증가를 특징으로 하고,
    고온 변형, 융삭, 미세 폭발, 용융, 기화, 이온화, 플라즈마 생성, 전자 정공 쌍 생성 및 해리를 중 어느 하나를 포함하는 것인 시스템.
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  56. 제52항에 있어서, 재료는 광 공명을 지지할 수 있는 광 공진기이고, 광 공진기는 실린더 공진기, 디스크 공진기, 광 링 공진기, 구 공진기, 직사각형 형상 공진기 또는 필름이며, 필름은 얇은 필름, 두꺼운 필름, 웨이퍼, 윈도, 디스크 또는 에탈론인 시스템.
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  60. 제56항에 있어서, 필름은 공기, 진공, 기체, 액체 또는 플라즈마에 대해 또는 기판에 대해 위치해 있는 필름의 제2 인터페이스를 갖는 단일층 필름이고, 기판은 고체 기판 및 액체 필름 코팅 중 어느 하나이며, 또는
    필름은 제1 필름의 제2 인터페이스가 제2 필름의 제1 인터페이스에 대해 위치해 있는 적어도 2 층을 갖는 다층 필름이고,
    단일층 또는 다층 필름은 경질 필름이거나, 또는 광 간섭 패턴을 조작하도록 성형되거나 성형 기판 주위에 성형된 연질 필름인 시스템.
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  64. 제52항에 있어서, 재료는 액체 또는 겔이고, 재료의 레이저 유도 변형은 신중하게 제어된 양의 액체 또는 겔을 방출하는 것을 포함하고, 액체 또는 겔은 액적, 층, 시트, 생물막, 조직, 유동 제트이거나, 표면 접착제 또는 텍스처드 기판에 의해 지지되거나, 또는 지지 공동에 의해 지지되며, 공동은 웰, 홀, 채널, 저장기, U-채널 또는 V-채널 중 어느 하나인 시스템.
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  69. 제52항에 있어서, 광 간섭 패턴은 1개 이상의 레이저 펄스의 내부 반사에 의해 생성된 간섭 패턴, 또는 실질적으로 재료 내부에서 교차하는 다수의 교차 레이저 펄스에 의해 생성된 간섭 패턴을 포함하는 것인 시스템.
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  76. 제52항에 있어서, 재료의 레이저 유도 변형은 나노공동 또는 폐쇄 블리스터 또는 천공 블리스터를 형성하는 것을 포함하고, 천공 블리스터의 적어도 일정 분율은 방출된 블리스터 또는 부분 방출된 블리스터를 형성하도록 방출되는 것인 시스템.
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  79. 제52항에 있어서, 재료에서 유도된 광 간섭 패턴은 다수의 최대 간섭 부위를 포함하고, 이러한 최대 간섭에서 재료의 레이저 유도 변형은 다중 수준의 깊이에서 유도되며,
    다수의 부위의 레이지 유도 변형은 각 부위의 상대 깊이에 따라 독립 시간에서 유도될 수 있고, 1개 이상의 레이저 펄스의 파장, 재료 특성, 재료의 형상 또는 크기 및 상기 1개 이상의 레이저 펄스의 입사각은 재료 내에 발생하는 다수의 부위, 부위들 간의 이격 및 제1 인터페이스에 상대적인 부위들의 위치를 조정하도록 변할 수 있고, 파장은 100 나노미터 내지 100 마이크로미터의 범위 내에 있는 것인 시스템.
  80. 제52항에 있어서, 레이저 유도 변형의 부위들의 배열은 1차원, 2차원 또는 3차원 변형을 형성하는 것을 포함하고,
    상기 레이저 유도 변형의 부위들의 배열은 나노유체 채널, 공동, 저장기 또는 이들의 조합으로 연결되거나 확장될 수 있거나, 또는
    재료의 레이저 유도 변형은 1개 이상의 레이저 펄스의 선결정된 단면 형상과 유사한 단면 형상을 특징으로 하는 시스템.
  81. 삭제
  82. 제52항에 있어서, 재료의 레이저 유도 변형은 재료로부터 재료 세그먼트를 양자 방출하는 것을 포함하고, 이로써 필름 제거의 정량화 깊이 또는 재료의 분명한 색상 변화를 유도하거나, 또는 마킹, 텍스처링 또는 패터닝을 위해 재료의 표면 질을 변경하는 것인 시스템.
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  86. 제52항에 있어서, 1개 이상의 레이저 펄스의 파장, 재료의 재료 특성, 재료의 형상 또는 크기, 및 상기 1개 이상의 레이저 펄스의 입사각은 1개 이상의 최대 강도의 부위의 위치를 조작하도록 변할 수 있는 것인 시스템.
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  100. 제52항에 있어서, 1개 이상의 레이저 펄스의 스펙트럼 밴드 폭 또는 부분 간섭성은 허용 가능한 수준의 광 간섭 콘트라스트를 생성하는 것인 시스템.
  101. 제52항에 있어서, 재료는 이산화규소, 광학 유리, 칼코게나이드, 옥시질화물, 불화마그네슘, 불화칼슘, 불화세륨, 산화하프늄, 산화알루미늄, 사파이어, 이산화티탄, 산화탄탈, 산화지르코늄, 규산하프늄, 규산지르코늄, 이산화하프늄, 이산화지르코늄, HfSiON, 다이아몬드, 다이아몬드 유사 탄소, 금속 산화물, 사파이어, 니오브산리튬, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, KDP, BBO, LBO, YAG, 실리콘, Ge, GaAs, InP, InN, GaN, GaPAlGaAs, InGaN, AlGaInP, SiC, BN, BP, Te, SiC, Bas, AlP, AlAs, AlSb, CdS, CdT, ZnO, PbSe, PbTe, Cu2O, CuO, PET, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌, PMMA, 생체 고분자, 폴리스티렌, PEO, 나일론, PDMS, 폴리이미드, 포토레지스트, ITO, FTO, ZnO, AZO, In 도핑된 산화카드뮴, 탄소 나노튜브, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, PEDOT, PEDOT:PSS, 은, 금, 크롬, 티탄, 니켈, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 백금, 팔라듐 중 1종 이상으로 구성되는 것인 시스템.
  102. 제60항에 있어서, 기판은 이산화규소, 광학 유리, 칼코게나이드, 옥시질화물, 불화마그네슘, 불화칼슘, 불화세륨, 산화하프늄, 산화알루미늄, 사파이어, 이산화티탄, 산화탄탈, 산화지르코늄, 규산하프늄, 규산지르코늄, 이산화하프늄, 이산화지르코늄, HfSiON, 다이아몬드, 다이아몬드 유사 탄소, 금속 산화물, 사파이어, 니오브산리튬, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, KDP, BBO, LBO, YAG, 실리콘, Ge, GaAs, InP, InN, GaN, GaPAlGaAs, InGaN, AlGaInP, SiC, BN, BP, Te, SiC, Bas, AlP, AlAs, AlSb, CdS, CdT, ZnO, PbSe, PbTe, Cu2O, CuO, PET, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌, PMMA, 생체 고분자, 폴리스티렌, PEO, 나일론, PDMS, 폴리이미드, 포토레지스트, ITO, FTO, ZnO, AZO, In 도핑된 산화카드뮴, 탄소 나노튜브, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, PEDOT, PEDOT:PSS, 은, 금, 크롬, 티탄, 니켈, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 백금, 팔라듐 중 1종 이상으로 구성되는 것인 시스템.
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