Impact du nombre d’impulsion et de la fluence laser

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5.4 Etude des structures p´eriodiques de surface en r´egime femtoseconde

5.4.1 Impact du nombre d’impulsion et de la fluence laser

Dans un premier temps, nous avons r´ealis´e une ´etude syst´ematique de la formation de structures de surface en r´egime ultra bref en fonction du nombre et de la fluence des impulsions laser en collaboration avec Julien Granier et Herv´e Soder de la soci´et´e « Impulsion ». Ce travail a fait l’objet d’une publication [214], report´ee en Annexe B. Les ressources de la plate forme de transfert technologique du laboratoire ont ´et´e utilis´ees, avec en particulier un laser femtoseconde de type « Bright » d´elivrant des impulsions de 150 fs centr´ees autour de 800 nm avec un taux de r´ep´etition de 5 kHz (seule la cadence change par rapport au syst`eme Concerto utilis´e dans l’ensemble des autres exp´eriences). Le nombre d’impulsions est pilot´e `a travers le syst`eme de contrˆole de la cellule Pockels et la puissance du laser est fix´ee grˆace `a une lame demi-onde et un polariseur. Le faisceau laser est focalis´e avec une lentille convergente (f = 50.8 mm). L’irradiation des ´echantillons est r´ealis´ee `a pression atmosph´erique dans le plan image d’un diaphragme de rayon r = 3.230 mm produisant un spot laser `a la surface du mat´eriau de rayon 75 µm.

Nous avons r´ealis´e des irradiations `a l’air libre sur des ´echantillons de cuivre pur (99.999%) et des wafers de silicium pour diff´erentes fluences laser F autour des seuils d’ablation et diff´e-rents nombres d’impulsion N . L’´echantillon du cuivre a ´et´e poli avec de la poudre de diamant jusqu’`a une taille de particule de 1 µm et le wafer de silicium pr´esente une rugosit´e commerciale standard. Nous avons utilis´e un syst`eme de translation 3-axes pour obtenir un positionnement pr´ecis des ´echantillons. Pour les deux mat´eriaux, nous avons r´ealis´e des s´eries d’impacts laser avec diff´erents nombres d’impulsions (1 `a 50 000). Il n’y a aucun recouvrement temporel des impulsions. Le silicium a ´et´e irradi´e dans la gamme de fluence laser 0.02 `a 1.02 J/cm2 et le cuivre 0.11 `a 1.02 J/cm2. La morphologie des surfaces irradi´ees est d´etermin´ee par microscopie

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Figure 5.4 – Structures de Types 1 et 2 (I) sur Cu avec 100 impulsions femtosecondes de fluence laser 0.51 J/cm2 et (II) sur Si avec 4 impulsions femtosecondes de fluence laser 0.11 J/cm2. La direction de la polarisation est verticale et est repr´esent´ee par une fl`eche blanche.

tronique `a balayage. Les r´esultats expos´es dans la suite concernent la zone centrale du faisceau, les images ne montrent donc pas l’ensemble de la zone irradi´ee. La direction de polarisation du faisceau laser sera figur´ee par une fl`eche blanche.

Les images MEB des surfaces de silicium et de cuivre ont r´ev´el´e plusieurs structures diff´e-rentes. Tout d’abord, nous avons trouv´e deux types de structures r´eguli`eres consistant en ripples lin´eaires parall`eles. Elles pr´esentent deux p´eriodicit´es diff´erentes de 500 nm et 1- 2 µm (figure 5.4). Dans la suite, ces types de ripples seront appel´es respectivement « Type 1 » et « Type 2 ». Les ripples de Type 1 sont perpendiculaires `a la direction de polarisation du faisceau laser tan-dis que le Type 2 pr´esente des structures le long de cette direction de polarisation. Nous avons aussi observ´e sur Cu et Si la formation de structures avec de nombreuses bifurcations. Nous les appellerons « Type 3 » (voir figure 5.5). Ce sont des morphologies de type « worm-like » pr´esen-tant une longueur typique entre deux bifurcations d’environ 2 µm. Nous avons aussi ´etudi´e les morphologies de per¸cages obtenus avec un plus grand nombre d’impulsions. Nous avons trouv´e dans ce cas des structures de Type 1 sur les parois du per¸cage aussi bien sur le cuivre que sur le silicium. Ces structures (pr´esent´ees ci-dessus) coexistent avec d’autres. Nous avons ´egalement observ´e des structures de type « ripples », nomm´ees « Type 4 » orient´ees dans la direction du per¸cage (figure 5.6). Elles sont plus prononc´ees lorsque la polarisation du laser est parall`ele `a la surface de la paroi.

Figure 5.5 – Structures de surface de Type 3 sur Cu apr`es 1000 impulsions femtosecondes de fluence laser 0.11 J/cm2 (le Type 1 est ´egalement visible).

Figure 5.6 – Ripples de Types 4 et 1 (sur les parois du per¸cage) avec 50000 impulsions laser femtoseconde de fluence 1.02 J/cm2 sur Cu.

1 10 100 1000 10000 100000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 F lu e n c e l a s e r (J /c m 2 ) Nombre d’impulsions Type 1 Type 2 Type 3 Type 4

Figure 5.7 – Type de ripples form´ees `a la surface du cuivre par une irradiation en r´egime femtoseconde en fonction du nombre d’impulsions N et de la fluence laser F .

1 10 100 1000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 F lu e n c e l a s e r (J /c m 2 ) Nombre d’impulsions Type 1 Type 2 Type 3 Type 4

Figure 5.8 – Type de ripples form´ees `a la surface du silicium par une irradiation en r´egime femtoseconde en fonction du nombre d’impulsions N et de la fluence laser F .

Les figures 5.7 et 5.8 r´esument les conditions de formation de chaque type de structure vis `a vis du nombre d’impulsions. On constate que des ripples peuvent ˆetre produites sur le cuivre pour toutes les fluences laser test´ees pourvu que le nombre d’impulsions soit suffisant. A contrario, les ripples ne sont produites sur le silicium qu’`a faible nombre d’impulsion ou faible fluence laser.

Le Type 1 est form´e quelle que soit la fluence laser utilis´ee si un nombre suffisant d’impulsion est appliqu´e (il disparaˆıt au-del`a de 100 impulsions sur Si). Avec des fluences laser de l’ordre de 0.15 J/cm2 sur le silicium et de 1 J/cm2 sur le cuivre, une impulsion unique conduit `a la formation de structures du Type 1. La formation de ce type de ripples pr´esente un seuil en ´energie qui d´epend du nombre d’impulsions mis en jeu comme l’illustre la figure 5.9 sur le silicium. En effet, on constate qu’une impulsion de 0.23 J/cm2 g´en`ere la formation de ripples contrairement `a une unique impulsion de plus faible ´energie (0.11 J/cm2). Les ripples sont de nouveau form´ees avec deux impulsions `a cette mˆeme ´energie.

Nous avons trouv´e les structures de Type 2 sur le cuivre pour toutes les fluences laser ´etudi´ees mais uniquement pour 100 impulsions et sur le silicium entre 6 et 100 impulsions `a basse fluence laser. Ce type de structure p´eriodique semble donc plus ˆetre d´ependant du nombre d’impulsions que de la fluence laser contrairement au ripples de type 1. Le Type 3 est produit sur le silicium `

a basse fluence laser pour 100 impulsions et sur le cuivre avec une fluence laser moyenne et un nombre d’impulsions sup´erieur ou ´egal `a 1000. Le Type 4 se forme sur les ´echantillons de cuivre et de silicium avec un nombre d’impulsions de l’ordre de (ou sup´erieur `a) 1000.

Seules les structures de type 1 et 2 peuvent rigoureusement ˆetre d´esign´ees par le terme de ripples. La suite de notre ´etude est centr´ee sur ces derni`eres.

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Figure5.9 – Irradiation en r´egime femtoseconde du silicium : (I) une impulsion de fluence laser 0.23 J/cm2, (II) une impulsion de fluence laser 0.11 J/cm2 et (III) deux impulsions de fluence laser 0.11 J/cm2.

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