Ablation laser par double impulsion pico-femtosecondes, mono-bi-chromatique, et multi-perforation de la silice fondue

Laser ablation by pico-femtosecond double-pulse laser mono-bi-chromatic, and multi-perforation of the fused silica.

• Auteur / Autrice : Kévin Gaudfrin
• Direction : Guillaume Duchateau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Inka Manek-Hönninger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Duchateau, Inka Manek-Hönninger, Razvan Stoian, David Grojo, Laura Gemini, John Lopez, Stéphane Guizard, Nadjib Semmar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Razvan Stoian, David Grojo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perçage laser

Polarisation thermique

Silice

Lasers femtoseconde

Diélectriques

Mots clés libres

Optimisation

Matériaux diélectriques transparents

Impulsions laser brèves

Silice fondue

Multiperforation

Polarisation

Fused silica

Optimization

Multiperforation

Short laser pulses

Transparent dielectric materials

Polarization

Résumé

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet visant à percer du verre par impulsion laser brève. L'objectif consiste à multi-perforer du verre pour les interposers utilisés dans la fabrication des composants électroniques tels que les processeurs ou les unités mémoires, avec des trous de taille caractéristique d’une dizaine de microns. Ce perçage résulte deL’ablation du matériau induite par le dépôt d’énergie laser, lequel est principalement régi par la dynamique électronique. Cette dernière implique divers processus (l’ionisation, le chauffage des électrons libres et la recombinaison électronique), dont la contribution dépend des caractéristiques de l’impulsion en termes de longueur d’onde, forme temporelle, durée, polarisation et fluence. Ce travail de recherche a permis d’explorer différentes voies dans le but d’augmenter l’efficacité d’ablation et de réduire le temps de perçage, tout en conservant la qualité d’usinage propre aux impulsions laser femtosecondes. Il s’articule autour de deux axes de travail. Le premier axe vise à optimiser le dépôt d'énergie par une mise en forme temporelle des impulsions, consistant à diviser l’impulsion laser initiale en deux sous-impulsions. Les travaux expérimentaux ont dans un premier temps été menés avec deux sous-impulsions de même longueur d’onde, en faisant varier divers paramètres tels que le délai, la fluence totale et l’état de polarisation . L’efficacité d’ablation est maximale pour un délai nul. La polarisation a aussi une influence significative sur l’efficacité d’ablation. Dans un second temps, les travaux ont été conduits avec deux sous-impulsions de longueurs d’onde différentes, en faisant varier le délai, la fluence totale, la répartition de l’énergie entre les deux sous-impulsions et la durée de la seconde impulsion. Le délai optimum est alors de 1 ps. L’analyse de ces résultats expérimentaux a été soutenue par le développement d’un modèle de dynamique électronique. Le second axe consiste à réduire le temps de perçage par irradiation simultanée de plusieurs points. Cependant, le perçage laser induit dans le verre une charge thermique significative dont la relaxation peut conduire à l’apparition de contraintes mécaniques résiduelles, voire à la rupture du verre par fissuration. La parallélisation du procédé peut introduire des effets coopératifs entre les sous-faisceaux pouvant amplifier ces phénomènes indésirables. Pour étudier ces phénomènes et déterminer les limites du procédé, les résultats expérimentaux obtenus avec différentes géométries produites par un modulateur de phase ont été comparés à ceux prédits par un modèle thermo-élastique. La probabilité de fissuration augmente fortement à forte fluence (plusieurs dizaines de J/cm²) et pour une distance entre les trous de l’ordre du diamètre de ces trous. En dehors de cette configuration, la parallélisation du procédé n’introduit pas de risque de fissuration. Ces travaux ont permis, d’une part, de clarifier l’intérêt du procédé double impulsion mono et bi-chromatique pour le perçage laser, et d’autre part d’identifier les limites de la parallélisation du procédé de perçage laser.

This thesis work is part of a project aiming at drilling glass with an ultrafast laser pulse. The objective is to multi-perforate glass for interposers used in the manufacture of electronic components such as processors or memory units, with holes of a characteristic size of about ten microns. This drilling results from : the ablation of the material induced by the deposition of laser energy, which is mainly governed by the electronic dynamics. The latter involves various processes (ionization, free electron heating and electronic recombination), whose contribution depends on the characteristics of the pulse in terms of wavelength, time shape, duration, polarization and fluence. This research work has made it possible to explore different ways to increase ablation efficiency and reduce drilling time, while maintaining the machining quality of femtosecond laser pulses. It is based on two work axes. The first axis aims to optimize energy deposition by temporal pulse shaping, which consistsof dividing the initial laser pulse into two sub-pulses. Experimental work was initially carried out with two sub-pulses of the same wavelength, varying various parameters such as delay, total fluence and polarization state. The ablation efficiency is maximal for a zero delay. Polarization also has a significant influence on the ablation efficiency. In a second step, the work was conducted with two sub-pulses of different wavelengths, varying the delay, the total fluence, the energy distribution between the two sub-pulses and the duration of the second pulse. The optimum delay is1 ps. The analysis of these experimental results was supported by the development of an electronic dynamics model. The second axis consists in reducing the drilling time by simultaneous irradiation of several points. However, laser drilling induces in the glass a significant thermal load whose relaxation can lead to the appearance of residual mechanical stresses, or even to glass break by cracking. The parallelization of the process can introduce cooperative effects between the sub-beams that can amplify these undesirable phenomena. To study these phenomena and determine the limits of the process, experimental results obtained with different geometries produced by a phase modulator were compared to those predicted by a thermo-elastic model. The probability of cracking increases strongly at high fluence (several tens of J/cm²) and for a distance between holes of the order of the diameter of these holes. Other than this configuration, the parallelization of the process does not introduce any risk of cracking. This work has made it possible, on the one hand, to clarify the interest of the double pulse mono and bi-chromatic process for laser drilling, and on the other hand, to identify the limits of parallelization of the laser drilling process.