"Журнал технической физики"
Издателям
Вышедшие номера
Динамика роста и механизм образования лазерно-индуцированного упорядоченного рельефа поверхности кремния под действием поляризованного излучения
Гашков О.П.1, Либенсон М.Н.1, Макин В.С.1, Пестов Ю.И.1, Трубаев В.В.1
1Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов, Сосновый Бор, Ленинградская область, Россия
Поступила в редакцию: 2 ноября 1995 г.
Выставление онлайн: 19 марта 1997 г.

Целью работы является изучение динамики развития рельефа, теплового свечения и отражательной способности поверхности кремния под действием лазерного излучения вблизи порога плавления; на этой основе сделан вывод о реальном механизме образования рельефа. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. В опытах использовались механически полированные поверхности <111> кремния толщиной 4 мм. Разогрев образца осуществлялся p-поляризованным излучением лазера на неодимовом стекле (lambda=1.06 мкм) с длительностью импульса излучения на полувысоте 0.8 мс. Интенсивность теплового излучения нагретой поверхности регистрировалась в спектральном интервале 0.4--0.9 мкм. Механическая модуляция излучения зондирующего He--Ne лазера (f=~ 60 кГц) использовалась для разделения сигналов дифракции и теплового свечения. Динамика сигнала теплового свечения поверхности для различных плотностей мощности q воздействующего излучения приведена на рис. 2. При q=< 114 кВт/см2 наблюдается приблизительно колоколообразная временная зависимость (рис. 2, а), значение максимума которой плавно растет с ростом плотности мощности излучения. При q<= 120 кВт/см2 вблизи вершины кривой появляется точка перегиба (рис. 2, б), с ростом q переходящая в минимум (рис. 2, в), глубина которого, а также расстояние между максимумами растут с q. Динамика сигнала дифракции зондирующего излучения, типичная для структур с периодом d=2lambda (0=< theta=< 9o), приведена на рис. 3, а. Рис. 3, б иллюстрирует динамику структур lambda, ранее не наблюдавшихся в остаточном рельефе [1] (остающемся после затвердевания поверхности). Обнаружено наличие остаточных структур lambda, занимающих лишь 5--10% зоны воздействия.Здесь и ниже для сокращения текста наряду с полным терминов "структуры с периодом d" используется сокращенный вариант "структуры d". Динамика структур lambda и 2lambda регистрировалась одновременно в одной фазе воздействия, так же как и структур d- и 2d-. На рис. 3, в, г приведена динамика структур d- и 2d- (9=< theta=< 30o) [2] соответственно, полученная при q=123 кВт/см2 и lambda=12o. Как показали опыты, существование структур 2d- связано с существованием структур d-: при формировании последних формировались и структуры 2d-. При низких q рельеф 2d- занимал преимущественно центральную часть зоны облучения, а d- --- периферийную. В интервале 95--170 кВт/см2 глубина рельефа 2d- и занимаемая им площадь возрастали, причем структуры d- и 2d- возникали в перемежающихся пространственно ограниченных областях. Наблюдавшееся при q<= 170-190 кВт/см2 уменьшение амплитуды сигнала дифракции, соответствующего остаточным структурам 2d-, связано с уменьшением занимаемой ими площади --- формированием в пределах кольца, внутри которого зона локально гладкого расплава. Динамика изменения отражательной способности поверхности на lambda=0.63 мкм изучалась путем регистрации интенсивности зеркально отраженного излучения, что позволило определить время начала плавления и оценить снизу долю образующегося на поверхности расплава (заметим, что часть отраженного излучения терялась вследствие дифракции). Изменение отражения обусловлено как температурной зависимостью оптических постоянных кремния [3], так и появлением расплава. Аппроксимируя данные [3], получим, что при T=Tmelt рост коэффициента отражения при lambda=0.63 мкм составляет =~25%. Оценка показывает, что для рис. 4, б максимальная доля расплава поверхности не превышает 20%. Моменты начала процесса плавления, определенные по точке перегиба кривой теплового излучения (рис. 4, в) и по кривой отражения (рис. 4, б), совпадают при учете температурной зависимости оптических постоянных. [!tb] Схема экспериментальной установки. 1 --- юстировочный He--Ne лазер; 2 --- импульсный лазер на неодимовом стекле; 3 --- поляризатор; 4 --- зондирующий He--Ne лазер; S --- образец кремния; D --- диафрагма, проектируемая линзой L на образец S; C --- измеритель энергии импульса ИМО-2Н; ФД1-- ФД3 --- кремниевые фотодиоды ФД-256; Ф1-- Ф4 --- фильтры; Ф5 --- фильтр ИКС-1. Глубина остаточного рельефа обычно составляла 0.1--0.2 мкм. Профиль рельефа в поперечном направлении имел относительно плоское "дно" и резко поднимающиеся края (рис. 5). Обсудим данные по динамике излучательной способности поверхности. Отметим, что излучательная способность твердофазного кремния выше, чем жидкофазного. Действительно, спектральный коэффициент излучения varepsilon(lambda) определяется уравнением баланса varepsilon(lambda)=1-rho(lambda)-tau(lambda), где rho(lambda) и tau(lambda) --- спектральные коэффициенты отражения и пропускания соответственно. Для расплава кремния (металла) varepsilon1(lambda)=~0.2, так как rho(lambda)=~0.8 и tau(lambda)=~0. В области фундаментального поглощения varepsilon2(lambda)=~0.7, так как rho(lambda)=~0.3, tau(lambda)=0 (толстая пластина) и varepsilon2/varepsilon1=3.5. [!b] Форма импульса теплового свечения поверхности кремния, возникающего под действием импульса излучения неодимового лазера. q. кВт/см2: а --- 113, б --- 134, в --- 142, г --- 215 кВт/см2. Появление излома и минимума на кривой теплового свечения есть следствие неоднородного плавления поверхности [4]. Действительно, с ростом q увеличивается доля расплава на поверхности, что и вызывает спад интенсивностив свечения. Увеличение интенсивности свечения при остывании (второй максимум на рис. 2, в) связано с кристаллизацией расплава, поскольку при этом растет varepsilon. Сравнение динамики сигналов дифракции, отражения и теплового свечения показывает, что поверхность, соответствующая первому максимуму, представляет собой сосуществование областей жидкой и твердой фаз. Значения интенсивности кривой теплового свечения содержат информацию о доле расплава на поверхности. В предположении, что температура поверхности не превышает Tmelt, можно оценить долю площади расплава на поверхности (Sx/S) Sx/S=(1-varepsilon2/varepsilon1)-1Delta /A, (1) где A --- амплитуда второго максимума; Delta=A-B, где B --- величина сигнала в момент существования частичного расплава, например минимума кривой свечения. Оценка по формуле (1) величины Sx/S при взятом из эксперимента значении величины Delta, соответствующей началу роста резонансных структур при низких q, дает значение Sx/S=~0.26-0.3. Обсудим механизм образования структур 2lambda и lambda/(1-sintheta). В динамике можно выделить две стадии развития рельефа. Первая характеризуется началом локального плавления, фиксировавшегося по трем признакам: моменту появления излома в кривой теплового свечения, увеличению отражательной способности поверхности и наличию остаточного микрорельефа. Образование рельефа на этой стадии обусловлено как увеличением плотности кремния при плавлении, так и действием капиллярных сил в зонах локального расплава. По мере роста q размеры областей локального расплава растут, рельеф сглаживается и появляется минимум в динамике сигнала дифракции [!tb] Изменение интенсивности дифракции излучения зондирующего He-Ne лазера на различных структурах. а --- 2lambda, б --- lambda (theta=~ 0o), в --- d-, г --- 2d- (theta=12o); излучение неодимового лазера с q=140 и 120 кВт/см2 соответственно. Штриховая линия -- сигнал теплового свечения поверхности. Вторая стадия характеризуется резким ростом высоты рельефа при кристаллизации расплава в условиях его продолжающегося облучения. На этой стадии (рис. 3, а) за времена =<50 мкм происходит значительное перераспределение материала при совместном действии капиллярных сил и фактора разницы в плотностях расплава и твердой фазы. Это и обусловливает наблюдавшееся образование резко поднимающихся гребней в профиле рельефа. Впервые влияние последнего фактора на рост рельефа из расплава было учтено в [5]. Судя по динамике интенсивности свечения, структуры 2d- образуются лишь на стадии кристаллизации жидкой фазы, поэтому механизм их образования таков же, как и для структур 2lambda и d-. Существенное различие сигналов дифракции на структурах lambda и 2lambda и преобладание в остаточном рельефе последних свидетельствуют о динамической конкуренции роста структур двух типов, пространственно сосуществующих в зоне воздействия, возможная причина которой обсуждалась в [1]. [!b] Изменение коэффициента отражения ( а) и теплового свечения поверхности ( б) под действием импульса лазерного излучения ( в) при q=130 кВт/см2 во взаимной временной привязки. [!b] Профиль рельефа поверхности кремния, полученный при использовании интерференционного микроскопа (q=140 кВт/см2, структура 2lambda). Из экспериментальных данных по динамике развития рельефа, теплового сигнала и изменения отражения поверхности непосредственно следует, что формирование упорядоченного микрорельефа (lambda, 2lambda, d-, 2d-) происходит на частично расплавленной поверхности. Поляритонная модель разрушения поверхности (интерференция поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) с падающей волной ) [6] предполагает наличие поверхностно-активной среды, в данном случае сплошного расплава полупроводника. В настоящее время теория существования ПЭВ на частично металлизированной поверхности отсутствует. Ориентация и период структур lambda/(1-sintheta) находятся в рамках поляритонной модели, а для структур lambda, 2lambda, 2lambda/(1-sintheta) выходят за них. Таким образом, в работе изучена динамика теплового свечения поверхности и рельефа, формирующегося под действием лазерного излучения в режиме неоднородного плавления поверхности. Интерпретирована динамика поведения сигнала теплового свечения поверхности. Показано, что образование структур 2lambda, lambda/(1-sintheta), 2lambda/(1-sintheta) происходит в основном на стадии кристаллизации расплава и связано с действием капиллярных сил и фактора изменения плотности материала при фазовом переходе "плавление". Обнаружено образование преимущественно динамических структур lambda. Сделан вывод о том, что образование периодического микрорельефа происходит на частично расплавленной поверхности. Детальное объяснение причин формирования рельефа 2lambda и 3lambda и особенностей динамики рельефа lambda требует более подробного изучения. Данная работа частично поддержана грантами N RNS300 и R3W300 Международного научного фонда и правительства России и грантом N 94-02-05802 Российского фонда фундаментальных исследований.
  1. Gashkov O.P., Libenson M.N., Makin V.S. et al. // Proc. SPIE. 1993. Vol. 1856. P. 34--43
  2. Гашков О.П., Либенсон М.Н., Макин В.С. и др. // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. Вып. 10. С. 32--38
  3. Guosheng Z., Fauchet P.M., Siegman A.E. // Phys. Rev. B. 1982. Vol. 26. N 10. P. 5366--5381
  4. Bosch M.A., Lemons R.A. // Phys. Rev. Lett. 1981. Vol. 47. P. 1151--1153
  5. Enmnony D.C., Phillips N.J., Toger J.H. // J. Phys. D. 1975. Vol. 8. N 13. P. 1472--1479
  6. Коченгина М.Г., Либенсон М.Н., Макин В.С. и др. // Тез. докл. V Всесоюз, конф. по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом. М., 1981. С. 311--312

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.