Performance Modelling

Como se ha comentado al inicio del capítulo, en una primera campaña experimental la investigación se centró en el desarrollo de contactos puntuales a 532 nm. En paralelo se realizaron estudios sobre las mismas muestras de contactos ejecutados en IR (1064 nm) con el sistema StarMarK SMP 100II Rofin-Baassel, ya descrito en el Capítulo 4 y disponible en la UPC. En la Tabla 18 se muestra la variación de parámetros empleada en dicha campaña con el fin de obtener la ventana paramétrica de ejecución de contactos en el dispositivo.

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Tabla 18. Ventana paramétrica abordada en la experimentación para conseguir condiciones idóneas de fabricación LFC. En la tabla se especifica el sistema láser empleado, el número de pulsos (Np), la

duración del pulso láser (τl), la frecuencia de repetición (F), potencia media (Pmedia) y radio mínimo de

haz sobre la muestra (ω0).

Por otro lado, en la segunda campaña experimental, se intentó hacer una evaluación en mayor profundidad de la influencia específica de la longitud de onda, completando el estudio previo con sistemas láser operando a 355 nm y 1064 nm, este último con características de ancho de pulso y tamaño de haz comparables a los utilizados con 532 nm en la primera de las campañas ejecutadas. Además se utilizó una nueva fuente con emisión a 532 nm (Spectra Physics Explorer) que permitía reducir el tamaño de mancha focal sobre la superficie de la pieza, lo que resulta interesante para un mejor control de las proporciones entre las superficies contactadas y pasivadas en el dispositivo.

A continuación se resumen los parámetros barridos en la determinación de la ventana paramétrica de proceso para cada uno de los sistemas láser empleados.

Tabla 19. Ventana paramétrica abordada en el segundo tramo experimental para conseguir condiciones idóneas de fabricación de LFC. En la tabla se especifica el sistema láser empleado, el número de pulsos

Sistema Np τl(ns) F (kHz) Pmedia (W) ω0 (µm) Navigator 1-100 (1, 2, 5, 10, 20, 50, 100) 20 20-80 (Δν=20 kHz) 0,3-4,0W (ΔP=0,2 W) 25 StarMarK 3-248 (3, 6, 9, 15, 30, 124, 248) 100 4-8 1-5 W 80 Sistema Np λ (nm) τl (ns) F (kHz) Pmedia (W) ω0 (µm) Explorer 1-100 (1, 2, 5, 10, 20, 50, 100) 532 15 20-80 (Δν=20 kHz) 0,3-1,0 W (ΔP=0,2 W) 15 Hippo 1-100 (1, 2, 5, 10, 20, 50, 100) 355 15 20- 80 (Δν=20 kHz) 0,3-1,0 W (ΔP=0,2 W) 25 Navigator 1-100 (1, 2, 5, 10, 20, 50, 100) 1064 20 20-80 (Δν=20 kHz) 0,3-1,0 W (ΔP=0,2 W) 25

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(Np), la duración del pulso láser (τl), la frecuencia de repetición (F), potencia media (Pmedia) y radio

mínimo de haz sobre la muestra (ω0).

A continuación se resumen los resultados obtenidos en dichas campañas, presentados acorde a las técnicas de caracterización utilizadas para el estudio de las muestras una vez irradiadas.

5.2.

Caracterización morfológica.

En lo que respecta a las técnicas de caracterización empleadas, una de las más importantes fue la caracterización morfológica de las muestras con el fin de determinar, en primer lugar las dimensiones y geometría del contacto, por otro lado y en la medida de lo posible, encontrar los mecanismos físicos de interacción con fuentes láser en el rango de los nanosegundos.

En este sentido se realizó una extensa caracterización morfológica mediante microscopía SEM y confocal con el fin de evaluar cualitativamente, a partir de las imágenes obtenidas, el carácter del mecanismo físicos involucrados en la generación de los contactos. Un ejemplo de las medidas efectuadas se muestra en la Figura 78, en la que se ofrecen imágenes obtenidas mediante microscopía confocal de cráteres realizados con 532 nm de longitud de onda a diferentes fluencias. En dicha figura se aprecia que los puntos láser presentan una estructura circular debido al modo TEM00 del haz. Los diámetros de los cráteres se encuentran entre 70 μm para fluencias elevadas y 15 μm para fluencias moderadas (como se ha explicado en la sección 4.5.1, el tamaño del cráter juega un papel relevante en las propiedades eléctricas del contacto, por lo que controlar la geometría es un parámetro fundamental para la consecución del objetivo final).

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Figura 79. Imágenes obtenidas con microscopía confocal para una muestra Al/SiCx/c-Si, 20 kHz, 2 pulsos por punto, realizados con diferentes fluencias láser de 532 nm (Navigator)a) 10 J/cm2, b) 5 J/cm2, c) 2,5 J/cm2 y d) 1,5 J/cm2.

Si hacemos un estudio más detallado de la morfología del cráter (Figura 80), se aprecia que la huella que deja el láser en el material es aproximadamente circular con un pico muy intenso en el centro. Del mismo modo se pueden destacar tres zonas claramente diferenciables: a) la zona más afectada por la radiación donde la densidad energética es mayor, una segunda región, b), en la que la fluencia recibida es menor y se espera un efecto de fundido y finalmente una tercera zona c) que es la menos afectada por el láser y corresponde con una región de modificación o amorfización. Estas regiones se asocian a varios procesos físicos como fundido, evaporación o ablación y se encuentra ampliamente utilizado para la descripción de la interacción láser en diversos materiales [Borowiec04, Mannion04, Bonse99].

Figura 80. Imagen obtenida con microscopía confocal, de un cráter realizado con láser 532 nm (Navigator), dos pulsos por punto, 20 kHz a 5 J/cm2. En la imagen se destacan tres zonas claramente diferenciables.

Otra de las características asociada a la morfología de estos cráteres es, como puede observarse en la figura anterior, la formación de anillos concéntricos que evocan

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ondas circulares que se propagan en una superficie líquida, esta apariencia sugiere que la superficie de la muestra se ha fundido temporalmente bajo el impacto del láser y debido a la rapidez del proceso de enfriamiento se producen este efecto de ondas en el material solidificado.

Figura 81. Modelo analítico para fundido láser [Martan07].

Además, el aspecto visual de los cráteres sugiere procesos en los que la eliminación de material es mediante la eyección de líquido (Figura 81) [Martan07]. Este mecanismo de eliminación de material es responsable de la acumulación de residuos en la frontera de la huella del láser y es el comportamiento esperado para interacciones láser-metal en el rango de nanosegundos, donde los mecanismos térmicos son los que dominan.

En este punto se hace necesaria una nota aclaratoria acerca de los mecanismos de afectación característicos en este rango, descritos en el capítulo 2.3.1, y en los que ocurre eyección de líquido. Podemos decir que existen dos tipos básicos de procesos de afectación láser en el rango de nanosegundos: el primero es una vaporización normal, que ocurre en la zona más superficial y el segundo mecanismo es la habitualmente denominada ablación explosiva, este segundo fenómeno es el que se ajusta a los resultados experimentales obtenidos. Los fundamentos teóricos de la ablación explosiva fueron establecidos por Martynyuk [Martynyuk74], de acuerdo con la teoría termodinámica de una ebullición explosiva, la región líquida empieza a sobrecalentarse hasta que excede la temperatura crítica. Cuando la fluencia del láser es suficientemente elevada, la temperatura del material alcanza la condición crítica y como resultado se forma un líquido sobrecalentado creándose una burbuja por nucleación y finalmente una mezcla de gotas y vapor facilitan la explosión.

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Toda la tipología reportada en la literatura como característica de este comportamiento se observa en las imágenes obtenidas con microscopía SEM. Un claro ejemplo se presenta a continuación en la Figura 82, en la que se muestra una secuencia de imágenes de contactos de menor a mayor fluencia láser y donde se aprecia que conforme aumenta la fluencia del láser, la profundidad y el radio de los cráteres se incrementa.

Figura 82. Imágenes SEM de la sección transversal de cráteres para la muestra con pasivante SiCx:H,

realizados con el láser de 532nm (Navigator) a 20 kHz, dos pulsos por punto, a diferentes fluencias láser a) 2,5 J/cm2 b) 5 J/cm2 c) 10 J/cm2.

De las imágenes mostradas arriba mediante microscopía electrónica de barrido, llama la atención que determinadas zonas del cráter presenten mayor iluminación que el resto, un detalle se muestra abajo (Figura 83).

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Figura 83. Detalle de las regiones con diferente iluminación obtenidas mediante SEM, las imágenes se corresponden con la vista tanto frontal como de la sección transversal de un cráter realizado en una muestra con pasivante SiCx:H, con el láser de 532nm (Navigator) a 20 kHz, dos pulsos por punto y 5

J/cm2.

Este efecto se atribuye a que, muy posiblemente, en dichas zonas existe un cambio de fase, por lo que a la vista de estos resultados se consideró oportuno hacer un estudio detallado de microanálisis por dispersión de rayos X para esclarecer el carácter de dichas regiones (de indudable interés porque se encuentra en la frontera del contacto, es decir, el punto que determina en buena medida la calidad eléctrica del mismo). Este estudio se presenta en la sección 5.2.1.1.