2.1 Interprétations physico-chimiques
Au début des années 80, les travaux des chercheurs d’IBM, sur l’ablation des polymères par laser excimère, suscitèrent un vif intérêt, ouvrant un nouveau domaine de recherche qui allait rendre possible la mise au point de méthodes de photolithographie à l’échelle sub-micronique (Srinivasan et al. 1982).
Aujourd’hui, les mécanismes physico-chimiques à l’origine du phénomène d’ablation sont controversés et deux interprétations subsistent pour expliquer les résultats expérimentaux obtenus. Srinivasan et d’autres auteurs présentent le procédé d’ablation comme étant dû à une photo décomposition du matériau (Srinivasan et al. 1982), (Srinivasan et al. 1983),
(Srinivasan et al. 1986), (Srinivasan et al. 1989). Selon eux, l’absorption de photons, de 4 eV pour un laser XeCl, entraine une excitation des molécules dont les liaisons peuvent être directement décomposées. On parle alors de réaction purement photochimique. Ces auteurs considèrent que le phénomène d’ablation ne peut être due à des effets thermiques, en partant du postulat que si l’ablation a lieu en un temps plus court que la durée du pulse laser, la diffusion thermique de l’énergie ne peut s’étendre que sur une faible profondeur. Ainsi, les dommages thermiques sur les régions aux alentours de la zone ablatée doivent rester faibles
(Srinivasan et al. 1989). Cependant, ce modèle reste difficile à comparer aux expérimentations puisqu’il ne permet pas d’expliquer la quantité de matière ablatée depuis le matériau (Dyer, 2003).
D’autres auteurs comme Brannon considèrent que les effets thermiques sont dominants (Brannon et al. 1985), (Brannon et al. 1986). Leurs expériences, qui fournissent le profil de température de la surface du matériau durant le tir laser, montrent en effet un chauffage local intense. Cependant, leur approche ne permet pas de comprendre le fait que le
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seuil d’ablation mesuré soit dépendant de la longueur d’onde du laser. Comme nous l’avons déjà brièvement évoqué au chapitre V, l’ablation laser est en effet un phénomène qui n’apparait qu’au-delà d’un seuil en fluence (exprimée en mJ/cm2
) dépendant notamment du coefficient d’absorption du matériau à la longueur d’onde considérée.
Comme l’indique Dyer (Dyer, 2003), il semble plausible que les deux phénomènes, photo décomposition et ablation thermique, jouent un rôle important dans l’ablation des polymères par laser excimère.
2.2 Lois empiriques
Si l’ablation laser est vue comme un procédé impliquant initialement une absorption de lumière puis l’ablation du matériau, alors la loi de Beer-Lambert peut être appliquée en supposant qu’une fluence seuil doive être dépassée pour que le phénomène ablatif ait lieu
(Brannon et al. 1985), (Yeh, 1985), (Srinivasan et al. 1983), (Srinivasan et al. 1986),
(Srinivasan et al. 1989). On peut ainsi relier empiriquement la profondeur ablatée par un pulse laser à sa fluence :
où « x » est la profondeur ablaté par pulse, « α » le coefficient d’absorption du matériau, « Fincidente » la fluence incidente et « Fseuil » la fluence seuil du matériau.
On peut remarquer que cette formule ne tient compte ni du mécanisme d’ablation, ni de la durée des pulses, ni de la répartition éventuellement inhomogène de l’énergie en fonction de la profondeur atteinte. Dans le cas où l’on souhaite ablater un polymère sur une profondeur importante, Wehner et al. (Wehner, 2005) ont proposé une approche qui prend en
compte les réflexions du pulse laser sur les parois du trou créé. Empiriquement là aussi, cela permet de relier la géométrie du profil d’ablation au rapport entre la fluence du laser et la fluence seuil du matériau :
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où γ est l’angle entre les parois du trou et la normale à la surface du matériau, ce qu’illustre la
figure VI.6.
Figure VI.6 : Profil type d’une ablation par laser excimère d’après Wehner, 2005
Dans la pratique, différents auteurs ont constaté que le trou creusé prend une forme conique, mais que le rapport entre la profondeur du trou et son diamètre d’entrée peut atteindre des valeurs très élevées si la fluence du tir est très grande devant la fluence seuil (Srinivasan et al. 1983), (Braren et al. 1985), (Aoyagi et al. 2007), (Lopez et al. 1999), (Chen et al.).
2.3 Application au cas de l’ablation d’Ultem par un laser XeCl
Pour pouvoir appliquer la formule précédente au cas que nous étudions ici, il nous faut émettre une hypothèse sur le seuil d’ablation de l’Ultem, à 308nm. N’ayant pu l’évaluer et celui-ci n’étant pas renseigné dans la bibliographie, nous avons pris comme référence la fluence seuil d’ablation du Kapton à 308 nm, dont la valeur varie entre 115 mJ/cm² (Yeh, 1985) et 80 mJ/cm² (Brannon et al. 1985) selon la durée du pulse laser. Le katpon est en effet un polyimide dont les propriétés ne sont pas très différentes de l’Ultem. Nous estimons donc sa fluence seuil à 308 nm à 100 mJ/cm².
Le circuit que nous devons insérer dans l’épaisseur des électrodes est un Kapton de 75 µm dont la rigidité diélectrique atteint environ 13.5 kV. C’est un circuit double face sur lequel sont gravées des pistes de 17 µm d’épaisseur. Son épaisseur totale est donc de l’ordre de 110 µm. Ce circuit doit être inséré dans une tranchée d’une dizaine de cm de long et d’une profondeur maximale de 2 mm (égale à un demi-entrefer du canal 1). La figure VI.7 ci-dessous illustre schématiquement le profil d’ablation qui doit être réalisé.
145 Figure VI.7 : Représentation schématique en coupe de la tranchée à réaliser
Nous avons pris ici le cas d’une largeur de tranchée de 400 μm à la surface du polymère. La formule précédente montre qu’une fluence incidente de 2 J/cm² est nécessaire si l’on veut ablater le polymère sur une profondeur de 2mm en limitant la perte de diamètre au fond du trou à 2 x 100 µm. Nous avons utilisé l’estimation de 100 mJ/cm2
pour la fluence seuil de l’Ultem à 308 nm. Dans cette configuration, un espace de 90 µm demeure au fond de la tranchée, ce qui permet de penser que le circuit imprimé y sera correctement positionné.