引言

玻璃可以用低成本的工藝減薄。因?yàn)樗峭该鞯模员萐i插入物更容易對(duì)準(zhǔn)。此外，玻璃的熱膨脹系數(shù)（CTE）是可調(diào)的。因此，它可以與器件層的CTE匹配以防止變形。因此，玻璃插入物在過(guò)去十年中得到了廣泛的研究。有幾種方法可以在玻璃基板上形成孔。這些方法包括超聲波鉆孔、粉末噴砂、磨料噴射微加工（AJM）、磨料漿體噴射加工（ASJM）、磨料水射流加工（AWJM）、激光加工、濕法蝕刻、深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）、等離子蝕刻、火花輔助化學(xué)雕刻（SACE）、振動(dòng)輔助微加工、激光誘導(dǎo)等離子體微加工（LIPMM）和水輔助微加工。上述過(guò)程既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。從批量生產(chǎn)的角度來(lái)看，最重要的參數(shù)是孔之間的形狀均勻性。此外，還必須考慮處理時(shí)間。選擇性激光誘導(dǎo)蝕刻（SLE）產(chǎn)生均勻的孔，加工時(shí)間長(zhǎng)。因此，在這項(xiàng)研究中，我們嘗試使用SLE技術(shù)來(lái)縮短處理時(shí)間以提高生產(chǎn)率。

選擇性激光誘導(dǎo)蝕刻（SLE）包括兩個(gè)步驟:（1）使用超短脈沖激光對(duì)玻璃進(jìn)行局部改性，以及（2）對(duì)改性區(qū)域進(jìn)行選擇性化學(xué)蝕刻。根據(jù)我們之前的研究，激光改性區(qū)域的蝕刻速率比未改性區(qū)域快333倍。因?yàn)楦男詤^(qū)域的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，它們會(huì)迅速與蝕刻化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。改變的特性包括納米光柵生成、體積膨脹和折射率變化。

英思特在這項(xiàng)研究中，測(cè)試了四種情況以提高蝕刻工藝速度。其中包括單脈沖和雙脈沖，間隔分別為213皮秒、10納秒和500毫秒。在上述條件下使用超短脈沖激光進(jìn)行局部改性后，使用掃描電子顯微鏡（SEM）探測(cè)改性區(qū)域。在這里，我們?cè)诿糠N情況下都發(fā)現(xiàn)了各種納米光柵的形成，并揭示了它們影響蝕刻速率。控制蝕刻環(huán)境以提高蝕刻速率。特別是，蝕刻溶液的溫度提高到110°c .這增強(qiáng)了溶液的動(dòng)能，從而使化學(xué)反應(yīng)更加活躍。基于我們的研究，我們可以聲稱(chēng)具有ps間隔的雙脈沖可以增強(qiáng)蝕刻速率超過(guò)納秒或毫秒間隔。

材料和方法

在這項(xiàng)研究中，使用TGV產(chǎn)生SLE。因?yàn)闅溲趸洠↘OH）溶液具有高選擇性，所以它被用作玻璃蝕刻的蝕刻劑。初始蝕刻工藝時(shí)間為95℃下6小時(shí)。因此，本研究旨在減少總加工時(shí)間。因此，我們?cè)噲D通過(guò)提高蝕刻溫度來(lái)提高蝕刻速率。一般來(lái)說(shuō)，要引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，分子的能量必須超過(guò)其活化能。根據(jù)阿倫尼烏斯方程，隨著溫度的升高，速率常數(shù)（導(dǎo)致反應(yīng)的碰撞頻率）也會(huì)增加。因此，溫度的升高提高了反應(yīng)速率。這里，我們使用8摩爾/升的KOH溶液（31% KOH溶液），沸點(diǎn)約為128°C（MSDS:P5887，10% KOH溶液:101°C，45% KOH溶液:132°C）。考慮到安全性，蝕刻環(huán)境設(shè)置為110°c .這里，將改性玻璃浸入聚四氟乙烯容器中的8 mol/L KOH溶液中。隨后，將容器浸入數(shù)字清洗控制油浴。蝕刻后，用去離子水和異丙醇沖洗玻璃樣品。最后，使用壓縮氮?dú)馊コ逑匆骸?/p>

結(jié)果和討論

如上所述，持續(xù)時(shí)間為0.2至1 ps的激光脈沖以各種條件（單脈沖、間隔為213 ps的雙脈沖、間隔為10 ns的雙脈沖和間隔為500 ms的雙脈沖）照射在玻璃上。通常，隨著脈沖持續(xù)時(shí)間變短，強(qiáng)度變高。因此，當(dāng)用較短的脈沖照射樣品時(shí)，電子的時(shí)間密度也增加。因此，我們預(yù)計(jì)沿光束傳播方向的局部修改受脈沖持續(xù)時(shí)間的影響。這里，我們用貝塞爾光束畫(huà)了一條線，并使用8摩爾/升的KOH溶液在110°C下蝕刻5小時(shí)。然后使用光學(xué)顯微鏡測(cè)量表面的直徑。為了測(cè)量深度，將樣品折斷以獲得橫截面。這是用光學(xué)顯微鏡測(cè)量的。

數(shù)字3 顯示了脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)TGV產(chǎn)生的影響。

圖3。基于脈沖持續(xù)時(shí)間的TGV的（a）直徑和（b）深度。

結(jié)果顯示，隨著脈沖持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，TGV的直徑和深度分別變小和變深。在0.2 ps脈沖持續(xù)時(shí)間的情況下，更多的光子在表面附近被吸收。當(dāng)強(qiáng)度相對(duì)較高時(shí)，它會(huì)引起更多的多光子吸收。另一方面，對(duì)于1皮秒的脈沖持續(xù)時(shí)間，強(qiáng)度相對(duì)低于0.2皮秒脈沖持續(xù)時(shí)間的情況。因此，在表面附近發(fā)生的多光子分裂較少，更多的光子可以進(jìn)入玻璃內(nèi)部。因此，使用更長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間可以產(chǎn)生更深的TGV。在這種情況下，由于表面附近的吸收率較低，TGV的直徑減小。在這項(xiàng)研究中，由于最大脈沖能量和光學(xué)設(shè)置效率，我們將重點(diǎn)放在亞皮秒到一皮秒范圍內(nèi)。我們聲稱(chēng)較長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間可能會(huì)產(chǎn)生較深的TGV。

在這項(xiàng)研究中，我們假設(shè)在載流子激發(fā)時(shí)間范圍內(nèi)增加更多的能量會(huì)比在熱化時(shí)間范圍內(nèi)增加更多的能量更有效地增強(qiáng)光子吸收。增強(qiáng)電子的動(dòng)能通常比增強(qiáng)熱量更容易。為了測(cè)試這一假設(shè)，我們使用具有上述時(shí)間間隔的雙脈沖進(jìn)行了局部修改。此外，用110℃的8摩爾/升KOH溶液蝕刻玻璃5小時(shí)。蝕刻后測(cè)量玻璃頂面的直徑。為了測(cè)量深度，將玻璃打碎，使用光學(xué)顯微鏡獲取截面圖像。這些結(jié)果證實(shí)了我們的假設(shè)（圖4).對(duì)于每個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間的情況，213 ps時(shí)間間隔的情況最深TGV孔。特別是，1 ps脈沖持續(xù)時(shí)間的情況下具有最深的TGV孔，深度為22.39 m。

此外，通過(guò)增加脈沖持續(xù)時(shí)間來(lái)增加蝕刻深度單次213 ps間隔情況和500 ms間隔情況。然而，對(duì)于10 ns的情況，蝕刻深度幾乎是恒定的。我們認(rèn)為這一結(jié)果支持了上述假設(shè)。對(duì)于213 ps間隔的情況，隨著脈沖持續(xù)時(shí)間的增加，光子的光學(xué)穿透深度也增加，因?yàn)殡娮犹幱诩ぐl(fā)態(tài)，并且它們擴(kuò)散到束傳播方向。同時(shí)，在10 ns的情況下，大多數(shù)電子回到基態(tài)。然而，聲子和熱擴(kuò)散發(fā)生了。因?yàn)闊釘U(kuò)散長(zhǎng)度沒(méi)有顯著變化，所以在這種情況下蝕刻深度相似。

圖4。TGV（a）直徑和（b）深度。這包括從0.2到1 ps的脈沖持續(xù)時(shí)間和從單個(gè)脈沖到500 ms間隔的脈沖間時(shí)間間隔。

結(jié)論

總之，我們考慮了使用空間光調(diào)制器（SLM）產(chǎn)生和利用環(huán)形光束，從而形成具有寬焦深的貝塞爾光束。這項(xiàng)研究使用選擇性激光蝕刻技術(shù)，用貝塞爾光束照射100 m厚的玻璃樣品，然后用110°C 8M KOH溶液蝕刻。本研究旨在研究商業(yè)玻璃樣品中的電子吸收和聲子吸收效應(yīng)。這里，我們報(bào)告了通過(guò)調(diào)整雙脈沖之間的時(shí)間間隔獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。間隔為213 ps的雙脈沖增強(qiáng)了電子的動(dòng)能，間隔為10 ns的雙脈沖增強(qiáng)了熱量。我們的結(jié)果表明，就加工性而言，電子動(dòng)能的增強(qiáng)比熱增強(qiáng)更有利。通過(guò)局部改性區(qū)域的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像證實(shí)了這一點(diǎn)。我們發(fā)現(xiàn)，在213 ps后，額外的脈沖能量形成了更窄的納米光柵。這意味著電子吸收的影響大于熱吸收的影響。正如預(yù)期的那樣，與其他條件相比，間隔為213ps的雙脈沖輻照產(chǎn)生了最深的孔。因此，ps間隔雙脈沖是提高TGV產(chǎn)生率的有利條件。

審核編輯 黃宇