단면 분석용 시편 제작을 위한 펨토초 레이저 가공에서 입사각이 테이퍼 각도에 미치는 영향
Abstract
Focused ion beam (FIB) technology is one of the most widely used methods for fabricating cross-sectional analysis specimens because of its high precision and characteristics that minimize the occurrence of defects. Demand for large cross-sectional area analysis is increasing to improve product reliability in various industries, but is limited by the low milling speed of FIB. Other potential techniques such as Ar ion milling and plasma FIB have been adopted, but low milling speed for large areas still remains a problem. A promising solution to this issue involves laser machining prior to FIB milling. In laser machining a laser beam is irradiated to remove materials from the target. This technique can provide several orders of magnitude higher material removal rate than FIB, however, tapering of the machined surface and laser induced damage can occur. Removing these defects leads to increased FIB milling time. In this study, the laser parameters including angle of incident (AOI) were optimized to achieve a vertical like sidewall and minimize laser induced defects. Before applying AOI, laser machining parameters were optimized to reduce the angle of the machined sidewall. The taper angle of 2.5° was fabricated using the optimized parameters and application of AOI. Raman spectroscopy, SEM, and EDS analysis were used to measure not only the geometry of the laser machined sidewalls, but laser induced residual stress and defects. These results were then used to calculate the volume of FIB milling required to remove the laser induced damages and achieve vertical sidewalls. The application of AOI can significantly reduce the processing time in the FIB milling compared to the processing time when AOI is not applied.
Key words: Angle of incident, Femtosecond laser, Laser machining, Silicon wafer
1. 서 론
집속이온빔(focused ion beam, FIB)은 높은 정밀도의 가공이 가능하고 가공에 의한 결함 발생을 최소화할 수 있기 때문에[ 1, 2] 단면 분석용 시편 제작에 활발하게 활용되는 가공 기술이다. 최근 수직 적층 방식의 3차원 집적회로[ 3, 4] 및 대변형이 발생하는 플렉서블 디스플레이[ 5]등과 같이 분석이 요구되는 영역이 커지면서 대면적 단면 분석의 필요성이 증가하고 있다. 하지만 FIB의 낮은 시편 제작 속도로 인해 대면적 가공에 수백 시간 이상 소요된다는 문제가 존재한다[ 6]. 이를 개선하기 위하여 높은 전압으로 빠르게 가공하고 낮은 전압으로 정밀하게 다듬는 기술[ 7- 9]이 사용되었다. 또한, 제논을 이온원으로 사용하여 높은 전압에서도 시료의 손상이 적어 FIB 대비 수 백배 빠른 밀링이 가능한 PFIB가 개발되었다[ 10]. 하지만 수백 µm 영역을 가공하기에는 여전히 낮은 가공 속도를 지닌다. FIB의 낮은 가공 속도를 개선하기 위하여 레이저 가공을 활용한 연구가 진행되었다. 레이저 가공은 레이저 빔을 재료에 조사하여 열적, 광화학적 현상을 통해 레이저 빔이 입사된 영역의 재료를 선택적으로 제거하는 가공 방법으로 FIB 대비 수 백배 이상의 가공 속도를 지닐 수 있다[ 11]. 그러나, 레이저 가공은 수µm 수준의 상대적으로 낮은 공간 분해능을 지녀 1 µm 크기 미만의 가공이 가능한 FIB 밀링[ 12]이 함께 수행되어야 하며, 두 가공 방법의 결합으로 빠르고 정밀한 가공을 구현할 수 있다. 레이저 가공을 선행하여 FIB 밀링에 소요되는 시간이 감소하는 것을 확인하였으며[ 13, 14], FIB와 레이저를 결합한 장비를 활용하여 FIB로는 가공하기 어려운 대면적 가공을 수행하여 TEM 시편 제작[ 15, 16], 3D tomography 및 EBSD 매핑[ 17- 29] 등 다양한 분석을 진행하였다. 하지만 레이저 가공은 가우시안 형상의 에너지 분포[ 20, 21]와 가공면의 불규칙한 레이저 빔 반사[ 22], 그리고 초점 흐려짐[ 23] 등에 의해 가공면이 계곡 형상을 띄고, 이는 FIB 밀링 영역의 증가로 이어지게 된다. 계곡 형상을 제거하고 가파른 테이퍼 각도를 위하여 빔 형상 변경[ 24, 25], 가공 변수 제어[ 26- 28], 그리고 수중 가공[ 29, 30] 등과 같은 다양한 연구가 진행되었다. 일부 연구에서는 빔 입사각(angle of incident, AOI)에 따른 가공 형상을 제어하였다. Zhu et al.은 5축 스캐너를 활용한 다단계 스캔 경로 및 AOI를 조절하여 가장자리의 품질이 높아짐을 확인하였으며, 가공 깊이에 따른 변수 보상을 통해 수직한 측벽을 지닌 구멍을 제작하였다[ 31]. Wang et al.은 tilting mirror로 AOI를 조절하여 특정 형상의 구멍을 제작하였고, AOI 조절을 통한 가공 형상 제어 가능성을 제시하였다[ 32]. 한 가지 잠재적인 문제는 레이저 가공에 의한 기판 손상이다. Dislocation injection, lattice defect 등의 결함들이 다양한 물질에서 일어날 수 있으며[ 33- 35], silicon 에서는 비정질화가 일어날 수 있다[ 15, 36- 38]. 본 연구에서는 FIB 밀링 시간 최소화를 위하여 가공 영역의 형상을 수직이 되도록 하는 AOI의 최적화와 FIB 밀링 영역 결정을 위하여 레이저 가공에 의해 발생한 손상 영역을 확인하는 것을 목표로 한다. 라만 분광법 및 EDS 분석을 통해 손상 영역을 특정하여 단면 관찰을 위하여 필요한 FIB 밀링 영역을 파악하고 빔 입사각 적용 유무에 따른 레이저 가공 및 FIB 밀링의 통합 가공 시간을 비교하였다.
2. 실험 방법
본 연구에서는 가공 재료로 결정 방향이 (100), 직경은 4인치이고, 두께는 450 µm인 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 다이아몬드 펜을 활용하여 웨이퍼를 소분한 후, 레이저 가공을 진행하였다.
레이저 가공을 위하여 파장은 1030 nm이고, 펄스 폭이 350 fs, 최대 펄스 에너지가 60 µJ, 그리고 펄스 반복률(pulse repetition rate)이 100 kHz인 펨토초 레이저를 사용하였다. 그리고 레이저의 펄스 에너지 조절을 위하여 위상지연판(half-wave plate)과 편광판(polarizer)을 결합한 감쇠기(attenuator)를 활용하였다. 레이저 빔 이송을 위하여 갈바노미터 스캐너를 활용하였으며, 초점거리 100 mm의 telecentric f-theta lens를 스캐너에 결합하여 빔을 집속 시켰다. Z축 초점 위치 조절을 위하여 focusing unit을 사용하였다. 레이저, 스캐너, 및 focusing unit의 제어는 RTC5 board에 연결하여 1대의 pc로 연동 및 가공 실험을 진행하였다. XYZ manual stage를 사용하여 가공 시편의 거시적인 높이 및 위치를 조절하였다. 시편은 레이저의 초점 위치에 배치되었으며 계산된 레이저 스팟 크기는 10.3 µm 이다.
스캐너를 사용하여 영역 가공을 수행하였으며, 레이저 스팟 간 간격인 pulse overlap과 라인 간 간격인 pass overlap의 간격이 같도록 스캔 속도를 조절하여 overlap ratio ( ŋ)를 설정하였다. 스캔 경로는 snake scanning을 사용하여 영역 가공을 수행하였으며, 300×300 µm 2 영역을 가공 완료하였을 때를 1회 스캔으로 정의하였다 ( 그림 1(a)). 그림 1(b)는 가공된 시편의 테이퍼 각도를 나타낸 개략도로 가공을 완료한 후 측벽을 절단하여 각도를 측정하였다. XYZ manual stage 위에 결합된 goniometric stage를 활용하여 AOI를 조절하였다. Goniometric stage는 0~15°의 가동 범위를 가지며 입사되는 레이저 빔과 가공 시편이 수직한 AOI = 0°를 초기값으로 설정하였다. 그림 1(c)와 같이 0°가 아닌 AOI가 적용되는 경우 AOI에 따라 시편의 높이는 달라지게 되며, 초점이 시편 표면에 맺히지 않아 가공 효율이 감소하고 불균일한 가공으로 이어지게 된다. AOI에 따라 발생하는 시편 표면 높이 차이를 Htil로 정의하였고, 다음의 식(1)을 이용하여 계산하였다.
R은 goniometric stage의 회전 반경, t는 시편의 두께, D는 goniometric stage 회전 반경의 호에서 stage 표면까지 거리이며, 그리고 θ는 AOI이다 ( 그림 1(c)). 식 (1)을 활용하여 AOI에 따라 달라지는 초점 높이를 보정하여 가공 실험을 진행하였다.
가공된 웨이퍼의 형상을 분석하기 위하여 광학 현미경과 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)을 활용하였다. 레이저로 가공된 측벽의 단면은 FIB-SEM을 활용하여 가공되었다. 레이저 가공 후 생성된 시편의 비정질화 및 잔류응력 측정을 위하여 여기 파장이 488 nm인 분광기를 활용해 라만 분석을 수행하였다. 스펙트럼 당 노출 시간은 3초이며 레이저 가공 후 생성된 측벽의 단면 영역을 측정하였다. 측정 표면의 조도는 라만 강도[ 39, 40] 변화를 야기하며 이를 방지하기 위하여 본 연구에서 사용된 시편은 라만 측정 표면의 조도가 1 nm 이하로 표면 조도에 의한 효과는 무시할 수 있을 것으로 판단된다.
3. 결과 및 고찰
3.1 AOI를 적용하지 않은 레이저 가공
시편의 가공을 위하여서는 시편의 threshold fluence ( Fth)를 넘는 fluence ( F)로 가공을 수행해야 한다. 재료의 종류에 따라 Fth는 달라지며, F에 따른 실리콘 웨이퍼의 가공성을 관찰하기 위하여 단일 샷 가공을 수행하였다. 단일 샷 가공 후 실리콘 웨이퍼의 표면에 가공된 크레이터의 면적을 측정하고 이를 다음의 식(2)에 적용하여 Fth를 계산하였다[ 41]. 여기서, D2는 레이저 가공에 의해 가공된 크레이터의 면적을 의미하며, 그리고 ω0는 초점에서의 레이저 반경을 의미한다. F에 따른 크레이터의 면적을 로그 함수를 취해 그래프를 그리면 그림 2와 같고 이를 통해 Fth =0.34 J/cm 2임을 확인하였으며, 이는 펨토초 레이저로 가공한 실리콘의 Fth인 0.38 J/cm 2 [ 42] 및 0.365 J/cm 2 [ 43]와 유사한 것을 확인하였다. 측정된 Fth=0.34 J/cm 2 이상의 F를 활용하여 가공을 수행하였다.
F 및 η에 따른 실리콘 웨이퍼의 가공성을 확인하기 위하여 300 × 300 μm 2 영역 가공을 진행하였고, 그 결과는 그림 3과 같다. 모든 가공 영역의 바닥에서 ripple 및 기둥 구조의 laser-induced periodic surface structure (LIPSS)가 발견되었다. η = 70%, F = 0.96, 1.56, 그리고 2.16 J/cm 2 조건으로 가공한 경우 ripple 구조의 LIPSS가 발생하였으며, η = 80, 90% 조건에서는 기둥 구조의 LIPSS가 관찰되었다. Ripple 구조가 합쳐져 마이크로 크기의 기둥 구조가 형성되고 F와 η가 증가할수록 기둥 구조의 크기는 점점 증가하게 된다[ 44]. F = 3.69 J/cm 2 및 η=90% 조건에서 가공된 영역의 바닥이 가공되지 않은 시편의 표면보다 융기한 것을 확인하였고, 이는 과도한 레이저 에너지에 의한 열축적으로 용융 및 재응고로 마이크로 구조가 파괴되는 것에 기인한다[ 45]. 그림 4는 F 및 η에 따른 가공 효율을 나타낸 그래프로 광학 현미경을 통해 제거된 영역의 부피를 측정하고 이를 활용하여 가공 효율을 계산하였다. 가공 효율은 F=1.56 J/cm 2 조건에서 가장 높으며 이는 대비 약 5배로 기존에 진행된 연구들과 상응하는 결과이다[ 46, 47]. 모든 η 및 F = 1.56 J/cm 2 이상 조건에서 가공 효율은 감소하기 시작한다. 이러한 현상은 과도한 로 인한 가공 영역의 용융 및 재응고로 인한 표면 융기[ 45, 48]와 앞선 펄스에 의해 발생한 particle plume이 다음 펄스에 의해 시편에 재증착된 것[ 49]에 기인한다.
이를 바탕으로 F=1.56 J/cm 2로 설정한 조건하에서 η 및 스캔 횟수에 따른 300 × 300 μm 2 영역에 가공된 테이퍼 각도를 그림 5에 나타내었다. 모든 가공 조건에서 스캔 횟수가 증가할수록 테이퍼 각도는 감소하나 일정 이상으로 감소하지 않고 수렴함을 확인하였다. η = 60%로 가공한 테이퍼 각도가 27.9°로 가장 가파른 것을 확인하였고, F = 1.56 J/cm 2, η = 60%, 그리고 스캔 횟수 300회를 최적 조건으로 선정하였다.
3.2 AOI를 적용한 레이저 가공
AOI를 적용하지 않고 선정된 최적 가공 조건을 활용하여 AOI 적용 레이저 가공을 진행하였다. 그림 6은 AOI 적용에 따른 레이저 가공된 테이퍼 각도와 측벽 높이를 나타낸 그래프이다. 이를 통해 AOI가 증가할수록 테이퍼 각도와 측벽 높이는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그림 7(a)는 AOI 적용에 따른 측벽 단면의 광학 현미경 사진을 나타내며, 그림 7(b) SEM으로 촬영된 측벽 사진이다. 8° 이상의 AOI를 적용하여 가공을 진행하게 되면 오버행 구조가 발생함과 동시에 측벽 상단부의 가공 품질이 감소하고 시편 표면에 가공으로 발생한 파편(debris)의 축적이 발생하였다 ( 그림 7(c)). AOI가 증가하면서 가공 깊이 또한 낮아지는 것을 알 수 있는데, 이는 AOI가 적용되면서 빔이 기울어 시편 표면에 맺히는 레이저 스팟의 크기가 증가하게 되는데, 이는 F의 감소로 인해 발생한 현상으로 판단된다[ 50]. 10° 이상의 AOI를 적용하여 가공하였을 때 발생하는 오버행 구조는 수직벽 제작을 위하여 필요한 FIB 밀링 영역 증가로 이어지게 되며 가공 품질 및 가공 깊이의 감소를 야기한다. 따라서 테이퍼 각도가 2.5°로 수직에 가까우면서 예각 측벽 가공이 가능한 AOI = 8°를 최적 AOI로 선정하였다.
AOI = 8°를 최적 AOI로 선정하였으나, 그림 7(c)와 같이 측벽에 curtaining effect가 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 curtaining effect를 줄이기 위하여 overlap ratio, scan speed 등의 레이저 가공 변수를 제어한 연구들이 존재한다[ 28, 51]. 본 연구에서는 스캔 경로를 제어해 펄스 중첩을 최소화하고 측벽 형상을 제어하였다. 기존의 스캔 경로인 snake scanning ( 그림 8(a)) 이후 outline scanning을 수행한 hybrid scanning ( 그림 8(b))을 적용하여 가공을 진행하였으며, 그 결과는 그림 8(d)와 같다. 테이퍼 각도의 변화는 확인되지 않았으며, snake scanning을 적용하여 가공한 측벽 ( 그림 8(e))과는 달리 curtaining effect가 발생하지 않음을 관찰하였다 ( 그림 8(f)). 광학 현미경을 통해 표면 조도를 측정한 결과, snake scanning을 적용하였을 때 Ra = 148.7 ± 6.1 nm인 것에 반해 복합 스캔을 적용한 경우 Ra = 34.1 ± 1.3 nm로 측정되어 표면 품질의 개선도 확인하였다.
3.3 레이저 가공에 의한 손상 영역 분석
그림 9(a)와 9(b)는 각각 레이저 가공으로 제작된 측벽의 개략도 및 광학 현미경 사진이며 측벽에서부터 거리인 D sidewall = 0 μm부터 D sidewall = 4.5 μm까지 0.5 μm 간격으로 총 10 곳에서 라만 분석을 진행하였다 ( 그림 9(c)).
그림 10(a-c)는 가공된 측벽의 단면을 측벽으로부터 떨어진 거리(D sidewall) 별로 라만 분광 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 모든 측정 포인트에서 단결정 실리콘의 Raman peak인 520 cm -1 근방에서 peak를 가지는 것을 그림 10(a)에서 확인할 수 있었으며, 비정질 실리콘의 Raman peak인 480 cm -1는 측정되지 않았다. 자세한 측정 결과값은 표 1에 나타내었다. 그림 10(b)와 표 1에서 D sidewall 별 Raman peak 포인트를 확인할 수 있으며 이를 활용해 잔류 응력( σ) 계산식( 식 3) [ 52]에 대입해 각 측정 포인트별 잔류 응력을 계산하였다.
△ ω는 Raman peak 위치의 이동, ν는 측정 포인트에서의 Raman peak 위치, 그리고 ν0는 가공의 영향을 받지 않은 Raman peak 위치를 각각 의미한다. 본 연구에서 ν0는 가공 측벽에서 가장 먼 곳에 위치하여 레이저 가공의 영향을 받지 않았을 것으로 사료되는 D sidewall = 4.5 μm로 설정하였다. D sidewall = 0 μm부터 1.5 μm인 지점까지 인장 잔류응력이 발생함을 확인하였다. 그림 10(c)에서 D sidewall에 따른 반치폭을 관찰하였으며, 표 1을 통해 D sidewall= 0 μm와 0.5 μm인 영역에서 반치폭(full width half maximum)이 증가함을 확인하였다. 반치폭의 증가는 측정 시편 내부에 존재하는 미세 크랙, 비정질 층 등에 의한 결정도 감소, 및 잔류응력 발생 등을 의미한다[ 53]. 앞선 측정을 통해 모든 측정 영역에서 비정질 층은 발견되지 않았으며, 60 MPa 이상의 인장 잔류 응력이 존재하는 D sidewall = 0 μm와 0.5 μm의 반치폭만 증가하는 것을 통해 반치폭의 증가는 대부분 잔류 응력에 의한 것으로 판단된다.
그림 11(a-d)는 레이저 가공으로 제작된 측벽의 FIB 밀링 전 후 촬영된 SEM 사진이다. FIB 밀링은 레이저 가공으로 제작된 측벽의 1, 2, 및 3 μm 깊이까지 진행되었으며, EDS 분석을 통해 레이저 가공에 의해 발생한 산화를 확인하였다. EDS 분석 결과는 표 2에 나타내었다. 레이저 가공만 진행된 1번에서 3번 포인트( 그림 11(a)) 모두 산소의 wt.%가 1.5% 이상으로 측정되었으며, 깊이 방향으로 FIB 밀링을 진행하고 표면을 측정한 4번에서 12번 포인트( 그림 11(b-d)) 모두 산소의 wt. 는 1% 미만으로 측정되었다. 이를 통해 레이저 가공에 의한 실리콘 웨이퍼의 산화는 1 μm 미만인 것으로 판단된다. 그림 11(e-h)는 각각 그림 11(a-d)를 확대한 SEM 사진이다. 레이저 가공으로 제작된 측벽의 표면 및 1, 2, 그리고 3 μm 깊이로 FIB 밀링된 세 시편 모두에서 미세 크랙 및 기공 등 레이저 가공에 의해 발생하는 미세구조적 결함들 또한 확인되지 않았다.
3.4 수직벽 제작을 위한 FIB 밀링 시간 예측
그림 12는 레이저 가공 시 AOI 적용 유무에 따른 수직벽 제작을 위하여 필요한 FIB 밀링 영역을 나타내고 있으며, 그림 12(a,b)는 각각 AOI = 0o, AOI = 8°를 적용하여 제작된 측벽 및 수직벽 가공을 위해 필요한 FIB 밀링 영역을 나타내었다. 레이저 가공으로 발생된 가공 형상(테이퍼)과 가공 결함(산화층, 잔류응력)을 고려하여 FIB 밀링 요구 체적을 계산하였다. 관측 영역은 너비 300 μm, 높이 100 μm로 FIB 만으로는 많은 시간 소요로 인해 가공이 불가능한 크기의 영역을 설정하였다.
AOI를 적용하지 않고 레이저 가공을 수행한 경우(AOI = 0°) 테이퍼 각도 27.9°의 측벽을 수직벽으로 만들기 위하여 약 54 μm 깊이의 추가적인 FIB 가공이 필요하다. 레이저 가공으로 인하여 발생한 산화층 및 잔류응력 존재하는 결함 영역까지 고려하였을 때 총 54 μm 깊이의 FIB 밀링이 필요하다. AOI = 8°를 적용한 시편의 경우 테이퍼 각도 2.5°의 측벽을 수직으로 만들기 위하여 4.3 μm의 가공이 필요하며 FIB 밀링 두께는 5.3 μm이다.
AOI = 0° 적용시 1,620,000 μm 3, AOI = 8°를 적용한 경우 159,000 μm 3의 FIB 밀링이 필요하다. 실제 FIB 밀링을 진행한 결과, 1560 μm 3 가공에 약 20분이 소요되었고, 이를 활용하여 계산한 예상 FIB 밀링 시간은 표 3과 같다. AOI = 8°를 적용하여 AOI = 0°를 적용한 레이저 가공 대비 약 90%의 FIB 밀링 시간이 단축 가능할 것으로 계산된다.
4. 결 론
본 연구에서는 AOI 적용 유무에 따른 실리콘 웨이퍼 측벽 가공 형상을 관찰하였으며, 단면 분석 시편 제작을 위한 FIB 밀링을 포함한 총 가공 시간을 비교하였다. 레이저 가공 변수에 따른 가공 효율 분석 및 가공 형상 제어를 하였고, 라만 분광법 및 EDS 분석을 통한 레이저 가공 영역 분석이 이루어졌다. 이를 통해 도출된 결과는 다음과 같다.
F, η, 및 스캔 횟수와 같은 가공 변수에 따른 레이저 가공 형상을 관측하였으며, F = 1.56 J/cm2 조건에서 가장 높은 실리콘 웨이퍼 가공 효율이 나타나는 것을 확인하였다. 그 후, F = 1.56 J/cm2를 가공 변수로 η와 스캔 횟수에 따른 테이퍼 각도를 측정하였으며,
제작 가능한 최대 테이퍼 각도 27.9°로 포화되는 레이저 가공 조건 η = 60%와 스캔 횟수 300회를 선정하여 AOI 적용 실험을 진행하였다. AOI 적용에 따른 레이저 가공으로 제작된 측벽의 테이퍼 각도를 측정하였으며, AOI = 8° 조건에서 2.5°의 측벽 가공이 가능함을 확인하였다. 그 후, 스캔 경로를 제어하여 제작된 측벽에 발생한 curtaining effect를 제거하고 표면의 조도를 개선하였다.
라만 분광 분석을 통해 실리콘의 비정질화는 관찰되지 않았으며, 1 μm 미만의 잔류 응력 및 결함이 있는 것을 확인하였다. 그 후, 레이저 가공으로 제작된 측벽에 FIB 밀링을 진행해 3 μm 깊이까지 미세 크랙 등의 기계적 결함이 발생하지 않았음을 확인하였으며, EDS 분석을 통해 1 μm 미만의 산화를 확인하였다.
AOI 적용 유무에 따른 FIB 밀링 시간 비교를 위하여 너비 300 μm, 높이 100 μm 영역의 단면 분석을 위하여 필요한 가공 영역 부피를 계산하였다.
AOI = 0°를 적용한 경우, 27.9°의 각도와 레이저 가공에 의해 발생한 결함 제거를 위하여 약 54 μm의 FIB 밀링이 필요하고, AOI = 8°를 적용한 경우 약 5.3 μm의 FIB 밀링이 필요한 것으로 계산되었다. 이를 활용하여 수직벽 제작에 필요한 FIB 밀링 시간을 계산하여 비교한 결과, AOI 적용을 통해 약 90%의 FIB 밀링 시간을 줄일 수 있는 것으로 계산된다.
Acknowledgments
This work was supported by the Ministry of Science and ICT (Project Number: 2023-22030005-02) and Commercialization Promotion Agency for R&D Outcomes (COMPA) and Korea Institute of Industrial Technology (EH-24-0008).
Fig. 1.
Schematic diagram of (a) laser beam scan strategy, (b) cross section of machined surface demonstrating the method for measuring the taper angle, and (c) the goniometric stage according to angle of incident. Height gap caused by tilting (Htil), Turning radius of goniometric stage (R), goniometric stage arc to surface distance (D), and angle of incident (θ) are also represented. The focus position was adjusted precisely to account for Htil, which varied depending on the AOI. 
Fig. 2.
Square diameter of crater for various laser fluences. The measurements were repeated 5 times for each laser fluence. 
Fig. 3.
SEM images of laser machined area as a function of laser fluence and overlap ratio. Right columns of each laser fluence indicates a magnified view of the bottom structure of the machined area (left column). 
Fig. 4.
Machining efficiency of laser machined area (300 × 300 μm2) for various overlap ratio and laser fluences. 
Fig. 5.
Taper angle of cross section of laser machined sidewall with various overlap ratio and scan numbers at F = 1.56 J/cm2. 
Fig. 6.
Taper angle and laser machined depth of cross section of laser machined sidewall for various angle of incidents under the parameters of F = 1.56 J/cm2, η = 60%, and scan number = 300. 
Fig. 7.
(a) Optical micrographs of cross section of laser machined sidewall depending on angle of incidents at F = 1.56 J/cm2, η = 60%, and scan number = 300, (b) SEM micrographs of sidewall at various angle of incidents, and (c) magnified view of sidewall surfaces at various angle of incidents. 
Fig. 8.
Schematic diagram of (a) snake scanning method and (b) hybrid scanning method. Low magnification SEM images of the laser machined sidewall with (c) snake scanning method and (d) hybrid scanning method. magnification SEM images of the laser machined sidewall with (e) snake scanning method and (f) hybrid scanning method. 
Fig. 9.
(a) Schematic diagram of isometric of the laser machined sidewall (F = 1.56 J/cm2, η = 60%, scan number = 300, and AOI = 8°). The yellow line indicates cutting position for cross-sectional view and the green line represents scanning path of laser machining. (b) Optical microscope image of laser machined sidewall under the parameters of F = 1.56 J/cm2, η = 60%, scan number = 300, and AOI = 8o. (c) Schematic of the measuring points for Raman spectroscopy, indicating the distance from the sidewall (Dsidewall). 
Fig. 10.
(a) Raman spectra of cross-section of laser machined sidewall (F = 1.56 J/cm2, η = 60%, scan number = 300, and AOI = 8°), and magnified view of Raman shift position between (b) 510 cm-1 and 530 cm-1, and (c) 500 cm-1 and 520 cm-1 with varying Dsidewall. 
Fig. 11.
SEM micrographs of laser machined sidewall under the parameters of F = 1.56 J/cm2, η = 60%, scan number = 300, and AOI = 8° (a) before and after FIB milling with varying depth, (b,f) 1μm, (c,g) 2μm, and (d,h) 3μm. and (e-h) magnified view of (a), (b), (c), and (d), respectively. yellow points at (a-d) indicate EDS analysis points. 
Fig. 12.
Schematic diagram of required FIB milling area after the laser machining with (a) AOI = 0° and (b) AOI = 8° (F = 1.56 J/cm2, η = 60%, and scan number = 300) for fabrication of vertical wall. 
Table 1.
Values of measured Raman spectra properties of cross section of laser machined sidewall (F = 1.56 J/cm2, ƞ = 60%, scan number = 300, and AOI = 8°) with varying Dsidewall.
|
Peak position (cm-1) |
Residual stress (MPa) |
Full width half maximum (FWHM) (μm) |
|
0 |
520.62 |
79.8 |
5.20 |
|
0.5 |
520.65 |
66.6 |
5.10 |
|
1 |
520.76 |
9.1 |
4.82 |
|
1.5 |
520.76 |
8.7 |
4.84 |
|
2 |
520.78 |
0 |
4.85 |
|
2.5 |
520.78 |
0 |
4.85 |
|
3 |
520.78 |
0 |
4.83 |
|
3.5 |
520.78 |
0 |
4.84 |
|
4 |
520.78 |
0 |
4.83 |
|
4.5 |
520.78 |
0 |
4.85 |
Table 2.
EDS analysis (wt.%) of the laser machined sidewall (F = 1.56 J/cm2, ƞ = 60%, scan number = 300, and AOI = 8°) before and after FIB milling.
|
|
Si K |
O K |
|
Without FIB milling |
Spot 1 |
97.77 |
2.23 |
|
Spot 2 |
97.36 |
2.64 |
|
Spot 3 |
98.43 |
1.57 |
|
1 μm FIB milling |
Spot 4 |
99.74 |
0.26 |
|
Spot 5 |
99.90 |
0.10 |
|
Spot 6 |
99.80 |
0.20 |
|
2 μm FIB milling |
Spot 7 |
99.51 |
0.49 |
|
Spot 8 |
99.98 |
0.02 |
|
Spot 9 |
99.76 |
0.24 |
|
3 μm FIB milling |
Spot 10 |
99.76 |
0.24 |
|
Spot 11 |
99.66 |
0.34 |
|
Spot 12 |
99.99 |
0.01 |
Table 3.
Comparison of total processing time for vertical wall fabrication using laser machining and FIB milling with AOI = 0° and AOI = 8° (F = 1.56 J/cm2, ƞ = 60%, and scan number = 300).
|
AOI = 0° |
AOI = 8° |
|
Laser machining time (min) |
9 |
9 |
|
FIB milling time (hr) |
346 |
34 |
|
Total sample preparation time (hr) |
346 |
34 |
REFERENCES
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