Direct-Write UV Laser Microfabrication of 3D Structures in Lithium-Alumosilicate Glass

8/13/2019 Direct-Write UV Laser Microfabrication of 3D Structures in Lithium-Alumosilicate Glass

1/9

I n v i t e d P a p e r

D i r e c t - W r i t e U V L a s e r M i c r o f a b r i c a t i o n o f 3 D S t r u c t u r e si n L i t h i u m - A l u m o s i l i c a t e G l a s sw . w . H a n s e n , S . W . J a n s o n , a n d H . H e 1 v a j i a nM e c h a n i c s a n d M a t e r i a l s T e c h n o l o g y C e n t e rT h e A e r o s p a c e C o r p o r a t i o n

A B S T R A C TT h e d i r e c t - w r i t e l a s e r m a c h i n i n g t e c h n i q u e h a s b e e n u s e d t o p r o c e s s a l i t h i u m - a l u m o s i l i c a t e g l a s s ( F o t u r a n T M ) f o r a n a p p l i c a t i o nw h i c h r e q u i r e s 3 D p a t t e r n e d m i c r o s t r u c t u r e s . U s i n g t w o U V l a s e r w a v e l e n g t h s ( 2 4 8 n m a n d 3 5 5 n m ) , m i c r o c a v i t i e s a n dm i c r o s t r u c t u r e s h a v e b e e n f a b r i c a t e d f o r t h e d e v e l o p m e n t o f m i c r o t h r u s t e r s f o r a t t i t u d e a n d o r b i t c o n t r o l o f a 1 k g c l a s s ( 1 0 c md i a m e t e r ) n a n o s a t e l l i t e . I n a d d i t i o n , e x p e r i m e n t s h a v e b e e n c o n d u c t e d t o d e f m e t h e p r o c e s s i n g w i n d o w f o r t h e l a s e r p a t t e r n i n gt e c h n i q u e . T h e r e s u l t s i n c l u d e a m e a s u r e o f t h e c h a n g e i n F o t u r a n s t r e n g t h a f t e r a r e q u i r e d p r o g r a m b a k e c y c l e p l u s H F e t c h i n g r a t ea s a f u n c t i o n o f t h e l a s e r r e p e t i t i o n r a t e f o r t h e t w o U V w a v e l e n g t h s .I N T R O D U C T I O NS y s t e m s s t u d i e s s h o w t h a t 2 1 s t c e n t u r y l o w - e a r t h - o r b i t i n g ( L E O ) g l o b a l c o m m u n i c a t i o n s a n d e a r t h m o n i t o r i n g s y s t e m s c o u lu t i l i z e c o n s t e l l a t i o n s o f h u n d r e d s t o t h o u s a n d s o f i n d i v i d u a l s p a c e c r a f t ' . T h e f e a s i b i l i t y o f a m a s s i n g a n d r e p l e n i s h i n g s u c h l a r g ec o n s t e l l a t i o n s w i l l d e p e n d o n t h e t i m e a n d c o s t f o r m a n u f a c t u r i n g a n d l a u n c h i n g i n d i v i d u a l s p a c e c r a f t . C u r r e n t s p a c e c r a f tm a n u f a c t u r i n g a p p r o a c h e s l e a d t o p r o d u c t i o n a n d l a u n c h s c h e d u l e s w h i c h a r e m e a s u r e d i n y e a r s w i t h i n d i v i d u a l s p a c e c r a f t c o s t sr a n g i n g f r o m $ 1 m i l l i o n ( a s m a l l l i m i t e d - f u n c t i o n L E O s a t e l l i t e ) t o w e l l o v e r $ 1 0 0 m i l l i o n ( a n a d v a n c e d g e o s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n s s a t e l l i t e ) p e r s p a c e c r a f t . S p a c e c r a f t m a n u f a c t u r i n g n e e d s t o b e c o m e " f a s t e r a n d c h e a p e r " t o e n a b l e t h e m a s s i v e l y -p o p u l a t e d c o n s t e l l a t i o n s o f t h e f u t u r e . O n e s o l u t i o n i s t o d e s i g n s p a c e c r a f t t h a t a r e a m e n a b l e t o a u t o m a t e d a s s e m b l y a n d m a s s -p r o d u c t i o n m a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e s . A r a d i c a l c o n c e p t n o w u n d e r c o n s i d e r a t i o n i s T h e A e r o s p a c e C o r p o r a t i o n ' s N a n o s a t e l l i t ew h i c h l e v e r a g e s t h e p r o c e s s e s a n d t e c h n i q u e s d e v e l o p e d b y t h e m i c r o e l e c t r o n i c s i n d u s t r y . E x p l o i t e d t o a d v a n t a g e a r e t h e a u t o m a t i of a b r i c a t i o n a n d a s s e m b l y p r o c e s s e s t o p r o d u c e a s a t e l l i t e w h i c h r e s e m b l e s a l a p t o p c o m p u t e r i n s i z e a n d m a s s b u t i s f a r m o r es o p h i s t i c a t e d i n p a c k a g i n g . I n e s s e n c e , a l l t h e s t a n d a r d s a t e l l i t e s u b s y s t e m s , i . e . , p r o p u l s i o n , a t t i t u d e c o n t r o l , c o m m u n i c a t i o n s , e t c . ,a r e f a b r i c a t e d o n t o a s e r i e s o f w a f e r s w h i c h t h e n g e t s t a c k e d t o f o r m a s a n d w i c h - l i k e s t r u c t u r e . B o t h m o n o l i t h i c a n d m u l t i c h i p

m o d u l e p a c k a g i n g c a n b e u s e d t o i n t e g r a t e t h e e l e c t r o n i c s , s e n s o r s , m i c r o a c t u a t o r s a n d f l u i d d e l i v e r y s y s t e m s r e q u i r e d f o r af u n c t i o n i n g s a t e l l i t e . F i g u r e 1 s h o w s a n a r t i s t r e n d e r i n g o f t h e N a n o s a t e l l i t e b a s e d o n 1 0 c m d i a m e t e r s i l i c o n ( p l u s o t h e r m a t e r i a l s )w a f e r s . G l a s s , c e r a m i c a n d p o l y m e r i c m a t e r i a l s a r e b e i n g c o n s i d e r e d t o t a k e a d v a n t a g e o f t h e i r u n i q u e m a t e r i a l p r o p e r t i e s 2 . S y s t e me n g i n e e r i n g s t u d i e s c o n f i r m t h a t a s a t e l l i t e d e s i g n a s s h o w n i n F i g . 1 c a n c o n d u c t c o n t i n u o u s g l o b a l s t o r e - a n d - f o r w a r dc o m m u n i c a t i o n s a n d c l o u d - c o v e r o b s e r v a t i o n m i s s i o n s u s i n g 5 0 0 t o 1 0 0 0 s a t e l l i t e s .T h e f e a s i b i l i t y o f t h e N a n o s a t e l l i t e t o c o n d u c t m i s s i o n s b e y o n d t h a t o f j u s t a c o m m u n i c a t i o n s m a i l b o x ( i . e . s t o r e - a n d - f o r w a r dc o m m u n i c a t i o n s ) w i l l d e p e n d o n t h e d e v e l o p m e n t o f a m i c r o p r o p u l s i o n s y s t e m f o r a t t i t u d e a n d o r b i t c o n t r o l 3 . W e a r e d e v e l o p i n g Ul a s e r 3 D p a t t e r n i n g t e c h n i q u e s t o f a b r i c a t e m i c r o s t r u c t u r e s i n a l u m o s i l i c a t e g l a s s ( F o t u r a n T M ) t o p r o v i d e r a p i d m i c r o t h r u s t e rp r o t o t y p i n g c a p a b i l i t y 4 . T h e t e c h n i q u e s e m p l o y a h i g h r e p e t i t i o n r a t e U V l a s e r a n d a n X Y Z m i c r o s t e p p e r p o s i t i o n e r t o s e l e c t i v e l ye x p o s e F o t u r a n w i t h o u t u s i n g a p h y s i c a l m a s k . T h r e e d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e s c a n b e f a b r i c a t e d b y s e l e c t i n g a l a s e r w a v e l e n g t h t od e f m e t h e a b s o r p t i o n d e p t h , a n d b y c o n t r o l l i n g b o t h t h e p h o t o n d o s e a n d t h e s p a t i a l c o n t o u r o f t h e l a s e r b e a m n e a r i t s f o c u s .E x p e r i m e n t s a t t w o l a s e r w a v e l e n g t h s ( 2 4 8 n m a n d 3 5 5 n m ) r e s u l t e d i n f a b r i c a t i o n o f m e s o s c a l e d e v i c e s 4 0 0 o r 1 5 0 0 m i c r o n s h i g hh a v i n g m i c r o s c a l e s t r u c t u r e < 1 0 0 m i c r o n s . W e f a b r i c a t e d f l u i d d e l i v e r y c h a n n e l s 4 0 0 m i c r o n s d e e p , m i c r o r a d i a t o r " c o o l i n g " f m s 4m i c r o n s h i g h b y 5 0 m i c r o n s t h i c k b y 2 0 0 0 m i c r o n s l o n g , 3 D a x i s y m m e t r i c m i c r o n o z z l e s u p t o 1 5 0 0 m i c r o n s d e e p , g a s m i x i n gp l e n u m s a n d a r r a y s o f g l a s s f i e l d e m i t t e r t i p s ( d e n s i t y > l O 5 t i p s / c m 2 ) . T h e a b i l i t y t o w o r k i n g l a s s p e r m i t s t h e p r o t o t y p i n g o f d i f f e r em i c r o t h r u s t e r t y p e s a n d o t h e r s p a c e c r a f t s u b s y s t e m s . M i c r o t h r u s t e r s r a n g i n g f r o m c o l d g a s n o z z l e s t o i o n e n g i n e s w i l l b e n e c e s s a r y m e e t t h e d i v e r s e p r o p u l s i o n r e q u i r e m e n t s o f f u t u r e N a n o s a t e l l i t e m i s s i o n s .

P e r s o n t o w h o m c o r r e s p o n d e n c e s h o u l d b e a d d r e s s e d

1 0 4 S P I E V o l . 2 9 9 1 0 2 7 7 - 7 8 6 X / 9 7 1 $ l O . O Ownloaded From: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/ on 10/01/2013 Terms of Use: http://spiedl.org/terms


2/9

F o t u r a n i s a p h o t o s e n s i t i v e l i t h i u m - a l u m o s i l i c a t e g l a s s m a n u f a c t u r e d b y S c h o t t G l a s s w o r k s o f G e r m a n y 5 . I n c o m p a r i s o n t o c e r a m iF o t u r a n h a s n o p o r o s i t y . I t h a s h i g h e r t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y a n d c h e m i c a l r e s i s t i v i t y w h e n c o m p a r e d t o p l a s t i c s a n d s h o w s b e t t e rc o r r o s i o n r e s i s t a n c e w h e n c o m p a r e d t o m e t a l s . I n a s p e c i f i c c o m p a r i s o n t o s i l i c o n , F o t u r a n i s a v a i l a b l e i n a w i d e v a r i e t y o fd i m e n s i o n s a n d h a s a h i g h e r b r e a k i n g s t r e n g t h . I t s m o s t u n i q u e p r o p e r t y i s a s t r o n g U V s e n s i t i v i t y w h i c h p e r m i t s t h e s t r u c t u r i n g ot h e m a t e r i a l . T h e U V p h o t o s e n s i t i v e c h a r a c t e r i s t i c s i n F o t u r a n a r i s e f r o m a d d i t i o n s o f C e 2 0 3 a n d A g 2 0 . D u r i n g U V i l l u m i n a t i o n ot h e g l a s s t h e C e 2 0 3 c o m p o u n d a c t s a s a n e l e c t r o n d o n o r w h i c h t h e n s u b s e q u e n t l y g e t s a b s o r b e d b y s i l v e r i o n s t o f o r m n e u t r a l s p e c iT h e p r o c e s s e s f o l l o w i n g p h o t o s e n s i t i z a t i o n i n c l u d e a h e a t t r e a t m e n t c y c l e t o i n d u c e c e r a m i z a t i o n / n u c l e a t i o n o f t h e s i l v e r p a r t i c l e s aa s u b s e q u e n t H F s o l u t i o n b a t h w h i c h i s o t r o p i c a l l y e t c h e s t h e e x p o s e d r e g i o n s . i n a d d i t i o n t o t h e f a b r i c a t i o n o f m i c r o s t r u c t u r e s ,s p e c i f i c e x p e r i m e n t s h a v e b e e n d o n e t o p a r a m e t e r i z e t h e p r o c e s s w i n d o w f o r t h e d i r e c t - w r i t e p a t t e r n i n g o f F o t u r a n b y a p u l s e d U Vl a s e r . T h e m e a s u r e m e n t s i n c l u d e a ) t h e p h o t o n s a t u r a t i o n d e n s i t y f o r o b t a i n i n g o p t i m u m e t c h i n g r a t e s , b ) t h e e t c h i n g r a t i o b e t w e e ne x p o s e d a n d u n e x p o s e d g l a s s , a n d c ) t h e e f f e c t o f t h e p e a k b a k e t e m p e r a t u r e i n t h e c e r a m i z a t i o n s t e p o n t h e m a t e r i a l s t r e n g t h .E X P E R I M E N T A LF o t u r a n F r a c t u r e T e s t i n gT a b l e 1 s h O w s p e r t i n e n t F o t u r a n m a t e r i a l p r o p e r t i e s a s s p e c i f i e d b y t h e m a n u f a c t u r e r p r i o r t o U V l a s e r i r r a d i a t i o n a n d t h es u b s e q u e n t b a k e c y c l e 6 . T h e T a b l e s h o w s t h a t t h e g l a s s t o c e r a m i c t r a n s f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e o c c u r s a t 4 6 5 C . C r i t i c a l t o t h eN a n o s a t e l l i t e a p p l i c a t i o n i s t h e c h a n g e i n s t r e n g t h o f F o t u r a n f o l l o w i n g t h e m a t e r i a l p r o c e s s i n g . T o g a i n s o m e i n s i g h t o n t h e m a t e rs t r e n g t h c h a n g e a s a c o n s e q u e n c e o f t h e c e r a m i z a t i o n p r o c e s s , m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e o n a l i m i t e d s a m p l e o f F o t u r a n c o u p o n s at h e s p e c i m e n s w e r e b a k e d a t a t e m p e r a t u r e b e l o w ( 4 0 0 C ) a n d a b o v e ( 5 0 0 C ) t h e t r a n s f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e ( 4 6 5 C ) . A F o t u r a nw a f e r 1 0 0 m m d i a m e t e r b y 1 . 5 m m t h i c k w a s c u t i n t o c o u p o n s 5 1 m m l o n g b y 9 . 8 m m w i d e . A f o u r - p o i n t - b e n d t e s t a p p a r a t u s w ad e s i g n e d w i t h t h e i n t e n t t o m e a s u r e t h e m o d u l u s o f r u p t u r e ( M O R ) w h i c h i s d e f m e d a s t h e s t r e s s a t f a i l u r e . T h e s p e c i f i c l o a d i n ga r r a n g e m e n t i s s h o w n i n F i g u r e 2 . F o r a n a p p l i e d b e n d i n g l o a d a n d f o r s i m p l e g e o m e t r i c s h a p e s , t h e s t r e s s a n d M O R c a n b e r e a d i lc a l c u l a t e d . F o r e x a m p l e , a r e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n c o u p o n w i t h d i m e n s i o n s b w i d e a n d h h i g h h a s a s t r e s s a ' g i v e n b y 6 M / b h 2w h e r e M i s t h e b e n d i n g m o m e n t . I n t h e l o a d i n g a r r a n g e m e n t s h o w n i n F i g . 2 , M i s g i v e n b y J . 2 7 P / 2 w h e r e P i s t h e t o t a l f o r c e a p p l i

t o b e n d t h e c o u p o n ( P 1 2 a t t w o l o c a t i o n s ) . T h e l o a d i n g t e s t e x p e r i m e n t w a s c o n d u c t e d w i t h o n l y a l i m i t e d n u m b e r o f t e s t - s a m p l e s c o u p o n s ) .A s a r e s u l t o f t h e l i m i t e d s a m p l e o n l y q u a l i t a t i v e c o n c l u s i o n s c a n b e d r a w n . T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e 5 0 0 C b a k e d s p e c i m e n s h a v eM O R v a l u e s w h i c h o n t h e a v e r a g e a r e 6 3 % h a r d e r ( ' - 9 8 N / m m 2 ) t h a n t h a t r e p o r t e d f o r t h e v i t r e o u s g l a s s m a t e r i a l s t a t e ( 6 0 N / m m 2 )T h e q u a l i t a t i v e c o n c l u s i o n t o b e d r a w n i s t h a t t h e p r o c e s s e d F o t u r a n i n c r e a s e s i n s t r e n g t h .

1 0wnloaded From: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/ on 10/01/2013 Terms of Use: http://spiedl.org/terms


3/9

P / 2 P / 2

1 . 2 7 c m 1 . 2 7 c m 1 . 2 7 c mn C )p I ' S p e c i m e n3 . 8 1 c m 5 . 1 c m x 0 . 9 8 c m x 0 . 1 5 c mF i g u r e 2 : S c h e m a t i c o f l o a d i n g a r r a n g e m e n t u s e d f o r F o t u r a n s t r e n g t h t e s t s .

T a b l e 1 : F o t u r a n m a t e r i a l p r o p e r t i e s 7P r o p e r t y F o t u r a n i n t h e V i t r e o u s G l a s sS t a t eY o u n g ' s M o d u l u s 7 8 x i 0 3 N / m m 2P O i s s o n ' s R a t i o 0 . 2 2K n o o p H a r d n e s s 4 6 0 0 N / m m 2M o d u l u s o f R u p t u r e ( M O R ) 6 0 N / m m 2D e n s i t y 2 . 3 7 g / c m 3T h e r m a l E x p a n s i o n 8 . 6 I 0 / KT h e r m a l C o n d u c t i v i t y 1 . 3 5 W / m K @ 2 0 CS p e c i f i c H e a t 0 . 8 8 J / g K ( 2 5 CG l a s s - c e r a m i c T r a n s f o r m a t i o n 4 6 5 CT e m p e r a t u r eE l e c t r i c a l C o n d u c t i v i t y 8 . 1 x 1 0 1 2 O h m - c m @ 2 5 C1 . 3 x i O O h m - c m @ 2 0 0 CD i e l e c t r i c C o n s t a n t 6 . 5 @ 1 M H z , 2 5 C

U v D i r e c t - W r i t e 3 D P a t t e r n i n gF i g u r e 3 s h o w s t h e t r a n s m i s s i o n o f l i g h t , a s a f u n c t i o n w a v e l e n g t h , t h r o u g h a 1 m m t h i c k F o t u r a n s a m p l e . T h e d a t a a r e f r o mt h e m a n u f a c t u r e r . T h e s t r o n g w a v e l e n g t h d e p e n d e n c e b e t w e e n 2 5 0 n m a n d 3 5 0 n m c a n b e u s e d t o c o n t r o l t h e e x p o s u r e d e p t h i n ad i r e c t - w r i t e l a s e r p r o c e s s i n g s t a t i o n w h e r e t h e l a s e r i s w a v e l e n g t h t u n a b l e . T h e t w o a r r o w s m a r k t h e t r a n s m i s s i o n a t t h e t w o l a s e rw a v e l e n g t h s u s e d . T h e y a r e 0 . 2 % f o r t h e 2 4 8 n m i r r a d i a t i o n a n d 7 5 % f o r 3 5 1 n m i r r a d i a t i o n . T h i s l a r g e d i s p a r i t y i n t h et r a n s m i s s i o n e n a b l e s t h e p a t t e r n i n g o f s t r u c t u r e s 2 0 0 - 3 0 0 m i c r o n s d e e p ( 2 4 8 n m i r r a d i a t i o n ) o r 1 5 0 0 m i c r o n s d e e p ( 3 5 1 n mi r r a d i a t i o n ) . F o r t h e 1 . 5 m m t h i c k F o t u r a n s a m p l e u s e d , t h e 3 5 5 n m l a s e r w a v e l e n g t h p e r m i t t e d t h e f a b r i c a t i o n o f h o l e s t h r o u g h t h es a m p l e . A n a d d i t i o n a l r e f m e m e n t t o t h i s p r o c e s s i n g t e c h n i q u e i s t h e c o n t r o l l e d m e t e r i n g o f t h e l a s e r i r r a d i a t i o n d o s e a t a g i v e n s i t e( i . e . t o t a l d e p o s i t e d e n e r g y / a r e a ) w h i c h p e r m i t s t h e f a b r i c a t i o n o f s t r u c t u r e s l e s s t h a n 2 0 0 m i c r o n s t h i c k .D i r e c t - w r i t e l a s e r p a t t e r n i n g o f F o t u r a n i s a c c o m p l i s h e d b y u s i n g a m o t o r i z e d X Y Z m i c r o s t e p p o s i t i o n e r u n d e r c o m p u t e r c o n t r o l . TX Y Z p o s i t i o n e r s ( D a e d a l / P a r k e r H a n n i f m ) h a v e t r a v e l r a n g e s o n t h e X , Y a n d Z a x i s o f 2 5 c m , 2 5 c m a n d 2 0 c m r e s p e c t i v e l y . T h ep o s i t i o n a l a c c u r a c y o f t h e s y s t e m i s 2 t m p e r m m o f t r a v e l w i t h a b i d i r e c t i o n a l r e p e a t a b i l i t y o f p e r m m o f t r a v e l . T h em i c r o s t e p p e r r e s o l u t i o n s a r e b e t t e r t h a n t h e p o s i t i o n a l a c c u r a c y b y a f a c t o r o f f o r t y f o r t h e X Y a x i s a n d b e t t e r b y a f a c t o r o f t e n f o r t hZ a x i s . P a t t e r n s a r e g e n e r a t e d b y u s i n g M o t i o n A r c h i t e c t ( P a r k e r H a n n i f m C o r p . ) s o f t w a r e w h i c h i n c l u d e s i n t e r p o l a t e d X Y Z m o t i oc a p a b i l i t y .

1 0 6wnloaded From: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/ on 10/01/2013 Terms of Use: http://spiedl.org/terms


4/9

L

u I t 7 . ?;i jj qR3 2 d 0u jo u n sr i u n u d UJ p M - p a q pj ol n p dw a l i u a A OA % O Sda u n q sI U O J 4 3 3 j Ou d o i d du i u o d ou eA 1 a a f q o3 R u d o L I d d gi p 1 0 1 2 Un d w o oo p u nj d u x t smA O Wp i n u at p 2 u a j a A E Mi o qa t n j o jj or n s s a a o i da s e ia i n s a wj a u p n o ia ax r i0 1a a a qJ a 3 a u w pd sE O O Ja s r jua a & v p a qa u gqn o ao n p n't t m mzma A 2 3 a f q Oj o2 u a i E o o Ju a a j j au j) j O f l q OI f l f l D E Aa a w r n p1 1 0qj a q q 'j d t U 8 smj j a six o i - c w na o )A p a a [ q od o a s o n i w a f l f l U O . R j a Ea d s a - A nu a i a J J pn o i q jn o i qw a qa s io az j j U Jj a i n a a rq s s a o o i diw o s a j q n o x iq

u ga q Ma p a u a 2 o w o 1 u jn o d w a 2o w a ij a on u r j2 n o a qa s s u ds jw a qa s r j- P Nmu o p p 8U a jU s n o o j m jmi u a 2 u ao U da a a i j gj j r n d sa ma i u q j o a. q jni a s r jq j ot c l i n ou jo p p wr ncU uue q- p Jup a a n p o i3m p M a s I n d3 S Uz H0 0 0 cO J 3 R Qa 2 U E n O )a s j- pa q o p M s -r i eo g r n p a rr nnjm p M a s j n d O a S U OZ H ) I z - I0 0 0 I - X D SE w o o d )i a s E ii a t m o x ai t io p a d a a2 qp a s ni aw a s A si a s u j. i a i a j j pw2 i i j w a u dI

a j d u m smO J2 E Pi a i r u a j n t m u ia det m n o ja & r n oO S S p . U S U t I jJ n 2 J0 0 60 8O L0 90 9OO C0 3 ii

: .0 0 0 0 I;- m I:ti II I,j:r;- +t f l0 0 0 c I: , 4 w Ir4j0 0 0 t I . I?_41 ge0 0 0 9

tITha '5LP0 0 0 9 I$ E q s I0 0 0 L H -, - c ?0 0 0 8n t0 0 0 0 6 2

.o o o o

a jqmuo 4om x ij j ox ea s o u 8 m p nj eu ei a s e jA - "mU o : J 4 sO f l E O U (0 1 3 1 wI a s r lp

wnloaded From: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/ on 10/01/2013 Terms of Use: http://spiedl.org/terms


5/9

W a f e r E t c h i n gF o l l o w i n g U V l a s e r i r r a d i a t i o n a n d p r i o r t o t h e b a k e c y c l e , t h e m a t e r i a l s h o w s n o e v i d e n c e o f t h e e x p o s e d p a t t e r n . H o w e v e r , a f t e r t hb a k e c y c l e , w h i c h c o m p r i s e s a 4 h o u r p r o g r a m s e q u e n c e , t h e e x p o s e d r e g i o n s t u r n a b r o w n o r b l a c k c o l o r . A s e r i e s o f e x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e d t o e s t a b l i s h a n o p t i m u m H F s o l u t i o n a n d e t c h c o n d i t i o n s . F o r t h e N a n o s a t e l l i t e m i c r o t h r u s t e r a p p l i c a t i o n , t h e c r i t i c ai s s u e i n t h e p r o c e s s i n g i s t h e a b i l i t y t o m a i n t a i n a h i g h e t c h i n g r a t e a t t h e e x p o s e d r e g i o n s w i t h m i n i m u m c o l l a t e r a l e t c h i n g d a m a g e tt h e u n e x p o s e d r e g i o n s - r e g a r d l e s s o f t h e t o t a l e t c h t i m e r e q u i r e d . T h i s n e c e s s i t y c o m e s a b o u t b e c a u s e o f t h e n e e d t o f a b r i c a t es t r u c t u r e s w h i c h m a y b e m i l l i m e t e r s l a r g e b u t h a v e f e a t u r e s o n t h e o r d e r o f l O s t o l O O s o f m i c r o n s . F i g u r e s 5 a n d 6 s h o w t h em e a s u r e d e t c h d e p t h a s a f u n c t i o n o f t i n i e f o r e x p o s e d a n d u n e x p o s e d F o t u r a n s a m p l e s .

F i g u r e 5 : E t c n d e p t h a s a f u n c t i o n o f t i m e f o l l o w i n g 2 4 8 n m l a s e r i r r a d i a t i o n a t 2 0 0 H z a n d 1 . 8 m W .T h e l i n e a r f i t g i v e s a n e t c h r a t e o f 2 l . 6 t m / m i n .T h e e t c h d e p t h w a s m e a s u r e d b y a d i g i t a l c a l i p e r m e t e r ( M i t u t o y o C o r p . ) h a v i n g a d e p t h r e s o l u t i o n o f 1 p m a n d a p r o b e t i p a r e a o f 1m m 2 . T h e r e f o r e , t h e e t c h d e p t h m e a s u r e m e n t s a r e a c t u a l l y a n a v e r a g e d e p t h m e a s u r e d a c r o s s t h e 1 m m 2 p r o b e t i p a r e a . T h ee x p o s e d / e t c h e d a r e a w a s u s u a l l y m a d e m u c h l a r g e r t h a n 4 x 1 8 m m 2 . A 5 % H F w a t e r s o l u t i o n m a i n t a i n e d a t 4 5 C w a s u s e d f o r a l l t h ee t c h i n g e x p e r i m e n t s a n d b o t h m e c h a n i c a l a n d u l t r a s o n i c a g i t a t i o n t e c h n i q u e s w e r e e m p l o y e d . T h e e x p e r i m e n t s i n c l u d e t h e m e a s u r i n go f t h e e t c h d e p t h a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r s e l e c t e d l a s e r r e p e t i t i o n r a t e s a n d 2 4 8 n m l a s e r i r r a d i a t i o n . E t c h d e p t h m e a s u r e m e n t s w e r ea l s o t a k e n a t v a r i o u s l a s e r p o w e r s b u t a t a f i x e d l a s e r r e p e t i t i o n r a t e . T h e e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d b y m o v i n g t h e s a m p l e a t ar a p i d 5 0 s p o t - s i z e s - p e r - s e c o n d v e l o c i t y ( a v e r a g e s p o t s i z e d i a m e t e r 2 5 t m ) a n d v a r y i n g t h e l a s e r r e p e t i t i o n r a t e . F i n a l l y , a s ac o m p a r i s o n t o t h e 2 4 8 m n d a t a , a f e w e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d w i t h t h e 3 5 5 n m l a s e r s o u r c e . T a b l e 2 l i s t s t h e r e s u l t s f r o m t h e s ee x p e r i m e n t s .

1 0 8

F i g u r e 6 : E t c h d e p t h a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r a n u n e x p o s e d F o t u r a n s a m p l e . S a m p l e w a se x p o s e d t o t h e c e r a m i z a t i o n p r o g r a m b a k e . T h e l i n e a r f i t g i v e s a n e t c h r a t e o f 1 . 3 p m / m m .

E x p o s e d F o t ur a n - E t c h D e p t h1 . 5 5

1 . 51 . 4 5a ,C. 1 . 4U

. CI - . 1 . 3 5 U __1 0 y = - 0 . 0 2 1 6 x + 1 . 559 1R 2 = 0 . 9 9 9 5M i n ut e sF o t ur a n U e x p o s e d - E t c h D e p t h

1 . 551 . 5 4 5 . y = - 0 . 0 0 1 3 x + 1 . 5 5 0 41 . 5 4 . R 2 = 0 . 8 4 6a ,C 1 . 535.

I 1 . 53

M i n ut e s



6/9

T a b l e 2 : E t c h r a t e f o r e x p o s e d a n d u n e x p o s e d F o t u r a n s a m p l e s .S a m p l e # E t c h R a t e E t c h R a t e R a t i o i n c i d e n t C o m m e n t s( . t / m i n ) E x p o s e d / U n e x p o s e d P o w e rE R 2 V a r i a n c e j @ R p - R t el 2 1 . 6 1 5 . 5 1 . 8 m W[. 9 9 9 ] @ 2 0 0 H z __________l B 2 2 . 1 1 5 . 8 1 . 8 m W[. 9 9 8 ] @ 2 0 0 H z __________2 A 2 8 . 4 2 0 3 6 . 1 m W[0 . 9 9 7 ] @ 8 0 0 H z ___________2 B 2 9 . 1 2 0 . 8 6 . 1 m W[. 9 9 7 ] @ 8 0 0 H z __________3A 2 7 . 6 1 9 . 7 7 . 6 m W[0 . 9 9 9 ] @ 1 5 0 0 H z _________3B 3 0 . 1 2 1 . 5 7 . 6 m W[. 9 9 9 ] @ 1 5 0 0 H z _________7 - S ur fa c e 1 . 9 1 . 4 0 . 9 m W[. 9 9 4 ] @ 1 0 0 H z _________7 - I m b e d d e d 1 3 . 8 9 . 9 0 . 9 m W[. 8 5 4 ] @ 1 0 0 H z _________8 A 1 . 5 1 . 1 0 . 5 m W[. 9 6 4 ] @ 5 0 H z ___________8 B - UN e x 1 . 3 - - - - - - U e x p o s e d[. 8 4 6 ] b u t b a k e d

___________________________________________________________________ s a m p l e9 A 1 . 8 1 . 3 < 0 . 2 m W[. 9 8 8 ] @ 2 0 H z ___________9 A - U e x . 1 . 3 - - - - - - U e x p o s e d[. 8 9 8 ] b u t b a k e d___________________________________________________________________ s a m p l e9 B 2 . 0 1 . 4 < 0 . 1 m W[1 . 0 ] @ 1 0 H z _________9 B - U e x . 1 . 5 - - - - - - U e x p o s e d[. 9 6 4 ] b u t b a k e d____________________________________________________________________ s a m p l eI O A ( 3 5 1 n m ) 2 5 . 2 1 8 . 0 1 . 8 m W[. 9 9 3 ] @ 1 0 H z __________1 O A ( 3 5 1 ) - 1 . 4 - - - - - - U e x p o s e dU n e x p o s e d [. 9 5 6 ] b u t b a k e d__________________________________________________________________ s a m p l eI O B ( 3 5 1 n m ) 2 6 . 2 1 8 . 7 2 . 2 m W[. 9 9 8 ] @ 1 0 H z __________

RE S ULTS A N D D I S C U S S I O NA n u m b e r o f c o n c l u s i o n s a r e a p p a r e n t f r o m t h e r e s u l t s s h o w n i n T a b l e 2 . F i r s t , i t a p p e a r s t h a t f o r t h e H F c o n c e n t r a t i o n a n d b a t ht e m p e r a t u r e u s e d t h e u n e x p o s e d o r l o w - d o s e e x p o s u r e F o t u r a n s a m p l e s h a v e e t c h r a t e s b e t w e e n 1 . 3 - 2 t m / m i n . S e c o n d , i t a p p e a r st h a t t h e e t c h r a t e r a t i o ( i . e . e t c h r a t e e x p o s e d F o t u r a n / e t c h r a t e u n e x p o s e d F o t u r a n ) c a n b e m a d e - 2 2 : 1 b y d e p o s i t i n g s u f f i c i e n t e n ei n t o t h e v o l u m e . F i n a l l y , t h e r a t i o o f t h e e t c h r a t e s f o r t h e 3 5 5 n m e x p o s u r e ( s a m p l e 1 0 ) i s c o m m e n s u r a t e w i t h t h a t o f t h e 2 4 8 n me x p o s u r e e x p e r i m e n t s . T h e r e s u l t s i n T a b l e 2 c a n b e r e c a s t t o s h o w t h e c h a n g e i n t h e e t c h i n g r a t e a s a f u n c t i o n o f t h e t o t a l i n c i d e n te n e r g y i n t o a u n i t v o l u m e o f m a t e r i a l . I n s u c h a p l o t o n e w o u l d b e a b l e t o c o m p a r e t h e d a t a m e a s u r e d a t d i f f e r e n t i n c i d e n t p o w e r

1 0wnloaded From: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/ on 10/01/2013 Terms of Use: http://spiedl.org/terms


7/9

l e v e l s a n d r e p e t i t i o n r a t e s a n d d i f f e r e n t w a v e l e n g t h s . F i g u r e 7 s h o w s t h e T a b l e 2 d a t a r e c a s t i n s u c h a f o r m . T h e d a t a i s f i t t o an a t u r a l l o g a r i t h m i c d e p e n d e n c e . T h e f i g u r e s h o w s t h a t a p p r o x i m a t e l y 1 - 2 . 0 n J o f t o t a l i n c i d e n t e n e r g y i s n e c e s s a r y t o s u f f i c i e n t l ye x p o s e a c u b i c m i c r o n v o l u m e o f m a t e r i a l t o e t c h w i t h a 2 0 : 1 r a t i o . T h e t o t a l e n e r g y i s e q u i v a l e n t t o t h e t o t a l d o s e a n d d o e s n o t t a k ei n t o a c c o u n t t h e d i f f e r e n c e s i n t h e p e a k p o w e r b e t w e e n t h e t w o l a s e r s u s e d ( P u l s e w i d t h : 7 O n s e c f o r 2 4 8 n m a n d 8 n s e c f o r 3 5 5 a md i f f e r e n c e s i n t h e o p t i c a l r e f l e c t i v i t y b e t w e e n t h e t w o l a s e r w a v e l e n g t h s a n d l o s s e s t o h e a t i n g o f t h e b u l k m a t e r i a l . T h e s e a s p e c t s a r en o w b e i n g a d d r e s s e d i n a s e r i e s o f p l a n n e d e x p e r i m e n t s . R e g a r d l e s s , t h e d a t a s h o w s u f f i c i e n t p r o m i s e f o r t h e N a n o s a t e l l i t e a p p l i c a t ia n d f o r t h e r a p i d p r o t o t y p i n g o f o t h e r d e v i c e s . S p e c i f i c a l l y , f o r t h e m i c r o t h r u s t e r d e v e l o p m e n t , t h e d a t a s h o w e d t h a t f a b r i c a t i o n o f ac o n v e r g i n g / d i v e r g i n g n o z z l e 1 - 2 m m l o n g w i t h a t h r o a t d i a m e t e r o f 1 0 0 - 2 0 0 m i c r o n s w a s p o s s i b l e b y b r i n g i n g 3 5 5 a m r a d i a t i o n t o af o c u s w i t h i n a 1 - 2 m m t h i c k F o t u r a n w a f e r . T h e r e s u l t o f H F e t c h i n g o f u n e x p o s e d m a t e r i a l w o u l d r e s u l t i n o v e r a l l e t c h i n g o n t h eo r d e r o f 4 5 p m , b u t t h i s c o u l d e a s i l y b e i n c o r p o r a t e d i n t o t h e d e s i g n d i m e n s i o n s . F i g u r e 8 s h o w s a p h o t o g r a p h o f a f a b r i c a t e dm i c r o n o z z l e t a k e n u s i n g a n o p t i c a l m i c r o s c o p e . T h e m i c r o n o z z l e h a s b e e n t i l t e d t o s h o w t h e c o n v e r g i n g / d i v e r g i n g s h a p e . T h i sm i c r o n o z z l e w a s f a b r i c a t e d u s i n g d i r e c t e x p o s u r e o f t h e 3 5 5 a m l a s e r w i t h o u t t h e n e e d f o r X Y Z m o t i o n o f t h e s a m p l e . F i g u r e s 9 , 1a n d 1 1 s h o w s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o g r a p h s ( S E M ) o f s h a r p s t r u c t u r e s f a b r i c a t e d b y p r o g r a m m e d s c a n n i n g o f t h e X - Y p o s i t i o n i n gs t a g e s w i t h a 2 4 8 a m l a s e r b e a m f o c u s e d a t a c o n s t a n t d e p t h b e n e a t h t h e F o t u r a n s u r f a c e ( n o Z m o t i o n ) . F i g u r e 9 s h o w s a n a r r a y o fp y r a m i d a l t i p s f o r m e d b y o v e r l a p p i n g X a n d Y s c a n s , f i g u r e 1 0 s h o w s a s e r i e s o f c o n c e n t r i c r i n g s w i t h a c e n t r a l p o i n t f o r m e d b yc o o r d i n a t e d X - Y m o t i o n ( 1 . 2 m m m a x i m u m d i a m e t e r b y 0 . 3 m m d e e p ) , a n d f i g u r e 1 1 s h o w s a s e r i e s o f r i n g s a b o u t a s i n g l e t i p w h i c hs h a r e a c o m m o n t a n g e n t . N o t e t h a t t h e v a r y i n g s t r u c t u r e h e i g h t s a r e d u e t o v a r i o u s l e v e l s o f o v e r l a p b y t h e c o n i c a l l a s e r b e a m , a n dt h a t t h e t r e n c h e s a r e o f u n i f o r m d e p t h d u e t o a f i x e d l a s e r f o c u s d e p t h a n d t h e n o n l i n e a r a b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f F o t u r a n .

1 1 0

F i g u r e 7 : P l o t o f t h e F o t u r a n e t c h r a t e r a t i o a s a f u n c t i o n o f t o t a l i n c i d e n te n e r g y p e r e x p o s e d v o l u m e . T r i a n g l e r e p r e s e n t d a t a t a k e n a t 2 4 8 n me x p o s u r e , s q u a r e s r e p r e s e n t d a t a t a k e n a t 3 5 5 n m e x p o s u r e .

2 52 01 5

0& 1 0. 5w 0 y = 2 . 41 8 1 Ln ( x ) + 2 . 2 50 80 . 0 5 0 0 . 0 1 0 0 0 . 0 1 5 0 0 . 0 2 0 0 0 . 0

To t a l I n c i d e n t E n e r gy( p J/ c ub i c m i c r o n )

1 m i c r o s c o p e p h o t c - a x i s y m m e t r i cm i c r o n o z z l e f a b r i c a t e d i n F o t u r a n g l a s s . T h e e x i t h o l e i s r o u g h l y 7 0 0m i c r o n s w i d e , t h e n o z z l e t h r o a t i s l e s s t h a n 1 0 0 m i c r o n s w i d e .



8/9

F i g u r e 9 : S E M o f a n a r r a y o f e m i t t e r t i p s b o t t o m o f a s q u a r ew e l l . P h o t o i s t a k e n t o s h o w t h e a s p e c t r a t i o w a l l s o f t h e w e l l .

1 1 1

I - - 4 p h o t o s o f a s i n g l e i p i n a 1 . 2 m m w i d e d i a m e t e r c i r c u l a r w e l l .L e f t p h o t o s h o w s o v e r v i e w w h i l e t h e r i g h t i s a m a g n i f i c a t i o n o f t h e t i p r e g i o n .



9/9

F i g u r e 1 1 : O f f - a x i s t i p i n a c i r c u l a r h o l e ( 1 m m d i a m e t e r ) . T h e t i p i s s u r r o u n d e d b y as e r i e s o f w a l l s w h e r e e a c h w a l l s i s o f v a r i a b l e h e i g h t .

C O N C L U S I O NF o t u r a n , c o u p l e d w i t h d i r e c t - w r i t e U V l a s e r r a d i a t i o n , i s a p r o m i s i n g m a t e r i a l f o r c r e a t i n g 3 D m e s o s c a l e a n d m i c r o s c a l e s t r u c t u r e s .B y c o n t r o l l i n g w a v e l e n g t h , t o t a l d o s e , a n d b e a m s h a p e , t h e l a s e r b e c o m e s a n e x t r e m e l y f l e x i b l e " c u t t i n g t o o l " t h a t c a n b e u s e d t op r o d u c e v a r i o u s s t r u c t u r e s r e q u i r e d f o r s p a c e c r a f t s u b s y s t e m s a n d o t h e r d e v i c e s .A C K N O W L E D G E M E N T SW e g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e t h e s u p p o r t p r o v i d e d b y t h e A e r o s p a c e C o r p o r a t i o n t h r o u g h t h e A e r o s p a c e S p o n s o r e d R e s e a r c h a n dC o r p o r a t e R e s e a r c h I n i t i a t i v e p r o g r a m s .

' S . W . J a n s o n , S p a c e c r a f t a s a n A s s e m b l y o f A S I M s , i n M i c r o e n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y f o r S p a c e S y s t e m s , H . H e l v a j i a n E d . ,A e r o s p a c e T e c h n i c a l R e p o r t A T R - 9 5 ( 8 1 6 8 ) - 2 , 1 9 9 52 H . H e l v a j i a n , G a A s M a t e r i a l s : A n O v e r v i e w A s s e s s m e n t f o r N a n o s a t e l l i t e A p p l i c a t i o n , A e r o s p a c e T e c h n i c a l R e p o r t A T R - 9 6 ( 8 2 6 0 ) -2 , 1 9 9 6S . W . J a n s o n , C h e m i c a l a n d E l e c t r i c M i c r o p r o p u l s i o n C o n c e p t s f o r N a n o s a t e l l i t e s , P r o c e e d i n g s o f t h e 3 0 t h A I A A J o i n t P r o p u l s i o nC o n f e r e n c e , A I A A - 9 4 - 2 9 9 8 ( 1 9 9 4 ) .' S . W . J a n s o n , a n d H . H e l v a j i a n , B a t c h - F a b r i c a t e d M i c r o t h r u s t e r s : I n i t i a l R e s u l t s , P r o c e e d i n g s A I A A 3 2 n d J o i n t P r o p r o p u l s i o nC o n f e r e n c e A I A A - 9 6 - 2 9 8 8 ( 1 9 9 6 ) .D . H U l s e n b e r g , R . B r u n t s c h , K . S c h m i d t , F . R e i n h o l d , M i k r o m e c h a n i s c h e B e a r b e i t u n g v o n f o t o e m p f i n d l i c h e m G l a s , S i l i k a t t e c h n i k ,V o l . 4 1 ( 1 9 9 0 ) , 3 6 4 .6 F o t u r a n - A M a t e r i a l f o r M i c r o t e c h n o l o g y , t e c h n i c a l l i t e r a t u r e b y S c h o t t G l a s w e r k e O p t i c s D i v i s i o n a n d 1 M M I n s t i t u t f rM i k r o t e c h n i k G m B H M a i n z G e r m a n y .I b i d .

1 1 2

Direct-Write UV Laser Microfabrication of 3D Structures in Lithium-Alumosilicate Glass

Documents

Transcript of Direct-Write UV Laser Microfabrication of 3D Structures in Lithium-Alumosilicate Glass