不同延時(shí)的組合脈沖激光致硅表面損傷研究

呂雪明,李澤文,張檢民,倪曉武

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能裝備學(xué)院，常州 213000； 2.南京理工大學(xué) 理學(xué)院，南京 210094；3.西北核技術(shù)研究所 激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710024)

引 言

半導(dǎo)體是光電探測(cè)器的基礎(chǔ)材料[1-2]，并且在微電子和太陽(yáng)能電池領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[3-5]。硅是地球上第二豐富的元素，它作為一種典型的半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。前人對(duì)這種材料的激光輻照效應(yīng)進(jìn)行了廣泛的研究，激光輻照硅及硅基材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生解理斷裂、熔化和汽化等不可逆損傷。因此，研究激光波長(zhǎng)、脈寬、脈沖數(shù)量等因素對(duì)其損傷形貌的影響具有重要意義。而大多數(shù)研究都是針對(duì)單束脈沖激光(脈寬包括飛秒[6-12]、皮秒[13-14]、納秒[15-18]、毫秒[19]等)和連續(xù)激光[20-22]。到目前為止，關(guān)于組合脈沖激光輻照致硅材料損傷形貌的研究還很少。

一般來說，半導(dǎo)體在激光輻照下的表面損傷形貌具有粗糙表面、激光誘導(dǎo)的周期性表面結(jié)構(gòu)以及熔化再凝固形成的非晶態(tài)等特征。例如，BONSE等人[7]研究了單束飛秒激光對(duì)單晶硅的表面改性，發(fā)現(xiàn)了幾種不同的表面形貌結(jié)構(gòu)(邊緣和突起)，并討論了它們的形成原因。SUN等人[18]報(bào)道了波長(zhǎng)為1.06μm的單束納秒脈沖激光輻照SiO2層時(shí)表面產(chǎn)生的周期性同心結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步研究了激光能量密度對(duì)該結(jié)構(gòu)的條紋周期、損傷部位大小和深度的影響。關(guān)于雙脈沖激光的研究也有不少。比如，SIVAKUMAR等人[10]提出了一種在空氣環(huán)境下利用雙波長(zhǎng)雙脈沖飛秒激光輻照增加網(wǎng)狀硅納米纖維結(jié)構(gòu)形成的獨(dú)特方法。ZHAO等人[11]通過建立原子模擬模型，分析了延遲時(shí)間對(duì)飛秒雙脈沖激光燒蝕硅的影響，發(fā)現(xiàn)在總的脈沖能量相等的情況下，與單脈沖相比，雙脈沖燒蝕能顯著提高對(duì)硅的燒蝕效率。

然而，上述研究并未涉及組合脈沖激光輻照硅材料產(chǎn)生表面形貌的研究。毫秒激光因其具有脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、能量大等優(yōu)點(diǎn)，在激光加工工業(yè)中應(yīng)用廣泛，能量耦合效率高[23]。而高功率密度的納秒脈沖激光輻照很容易造成材料表面的損傷，盡管相互作用過程中會(huì)產(chǎn)生空氣擊穿和等離子體[24]。SALLEO等人[25]指出,有兩種辦法可以有效提高加工效率，一是采用材料吸收更強(qiáng)的短波長(zhǎng)激光，二是在樣品上激光作用的位置引入缺陷來增加對(duì)激光的吸收。考慮到在激光有效作用過程中，不僅需要激光能量的累積，還需要高峰值功率，因此,本文中采用了在毫秒脈沖激光作用過程中增加一束脈寬為納秒的脈沖激光疊加作用的組合方式，簡(jiǎn)稱為組合脈沖激光。本文中通過實(shí)驗(yàn)研究了單晶硅材料在兩種激光工作模式(單束毫秒脈沖激光和組合脈沖激光)輻照下的表面損傷形貌；討論了組合脈沖激光輻照單晶硅材料時(shí)不同延遲時(shí)間對(duì)熔融深度和表面損傷半徑的影響；最后，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和前人研究的基礎(chǔ)上，分析了組合脈沖激光輻照硅材料的損傷機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。毫秒激光器采用鐳寶公司Meyer-50激光器，其脈寬0.5ms～2.5ms可調(diào)(本文中所用1ms)，最大激光輸出能量50J。納秒激光器為鐳寶公司DAWA-200激光器，脈寬7ns，最大輸出能量200mJ。兩束激光的波長(zhǎng)1064nm，以TEM00模式輸出，空間分布呈近高斯分布。兩束輸出激光束通過聚焦透鏡L1(f=125mm)聚焦于樣品，調(diào)整透鏡位置，使得光斑半徑均為1.1mm。(100)單晶硅靶材(厚度0.5mm)放置在3維平移臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)前，硅片經(jīng)過異丙醇和去離子水清洗后，再用HF溶液去了氧化層，最后再經(jīng)去離子水清洗一遍。入射激光的能量大小可以由衰減片和分束器調(diào)節(jié)，并由能量計(jì)實(shí)時(shí)記錄。此外，還利用PIN光電二極管實(shí)時(shí)檢測(cè)入射激光的散射信號(hào)。圖1中BS為分光鏡，M1和M2為反光鏡，PBS為偏振分光棱鏡。

Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

實(shí)驗(yàn)中靶材表面溫度可以通過一臺(tái)高速紅外測(cè)溫儀記錄(型號(hào)為KGA 740-LO，該測(cè)溫儀發(fā)射率0.1～1可調(diào)，響應(yīng)時(shí)間為6μs，最小取樣時(shí)間間隔為10μs，感光頻譜范圍為2μm～2.2μm，溫度記錄范圍350℃～3500℃)。在激光輻照過程中，整個(gè)硅片的溫度是非均勻且不斷變化的，發(fā)射率也會(huì)隨之不斷改變[26]。而液態(tài)硅的發(fā)射率隨溫度變化較小，因此紅外測(cè)溫儀的發(fā)射率設(shè)定為波長(zhǎng)2μm～2.2μm范圍內(nèi)的平均值0.17[27]。兩束脈沖激光的延遲時(shí)間Δt定義為探測(cè)得到的毫秒脈沖激光信號(hào)的上升沿與納秒脈沖激光信號(hào)峰值之間的時(shí)間間隔，可以通過DG535數(shù)字延遲發(fā)生器控制。當(dāng)納秒脈沖激光在毫秒脈沖激光之前激發(fā)時(shí)，該值為負(fù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度場(chǎng)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中單束毫秒脈沖激光和組合脈沖激光分別輻照測(cè)得的結(jié)果，圖2中給出了靶材表面中心點(diǎn)的溫度變化情況。延遲時(shí)間分別取了0.3ms和0.7ms，兩束脈沖激光的能量密度分別為69.9J/cm2和2.9J/cm2，選取原因在之前的工作中已經(jīng)有相關(guān)解釋[28]。相比之下，這兩種激光工作模式引起的溫升過程較為相似，除了組合脈沖激光輻照過程中發(fā)生的突變。即使靶材表面仍被毫秒脈沖激光輻照，但納秒脈沖激光的輻照會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)(微秒量級(jí))造成劇烈溫升，隨后溫度迅速降低。這是因?yàn)楹撩朊}沖激光的功率密度遠(yuǎn)小于納秒脈沖激光。

Fig.2 Temperature evolution at the center point of sample surface under the two laser operation modes

實(shí)際上，納秒脈沖激光輻照過程中溫度可以達(dá)到氣化點(diǎn)。但實(shí)驗(yàn)過程中紅外測(cè)溫儀將硅的發(fā)射率設(shè)成了固定值0.17，而硅的實(shí)際發(fā)射率會(huì)隨著溫度的改變而改變[29]。此外，紅外測(cè)溫儀的最小采樣時(shí)間是10μs，所以只能得到納秒脈沖激光輻照過程中溫升的近似趨勢(shì)。在參考文獻(xiàn)[30]中該紅外測(cè)溫儀的測(cè)量原理和曲線分析有更詳細(xì)的解釋，比如溫升曲線中產(chǎn)生的峰和谷。

2.2 表面損傷形貌及分析

Fig.3 Surface damage morphology induced by two different laser operation modes

圖3b～圖3e中給出了不同延遲時(shí)間的組合脈沖激光輻照硅靶材時(shí)造成的表面損傷形貌。考慮不同的損傷效應(yīng)和圖2中的溫度變化情況，與圖3a相比，可以將它們分為3種:(1)納秒脈沖激光在靶材表面未完全熔化前開始輻照，如圖3b所示,與圖3a相比，圖3b中出現(xiàn)了明顯的燒蝕區(qū)域；(2)納秒脈沖激光在靶材表面完全熔化之后開始輻照，如圖3c、圖3d所示，靶材表面中心處的熔坑逐漸擴(kuò)大，燒蝕區(qū)域面積增大但燒蝕深度變淺，損傷區(qū)域邊緣能明顯看到熔融產(chǎn)物凝固之后形成的皺褶，并且部分解理?xiàng)l紋被覆蓋；(3)納秒脈沖激光在毫秒脈沖激光輻照結(jié)束之后開始輻照，如圖3e所示，毫秒脈沖激光輻照結(jié)束后靶材冷卻過程中表面會(huì)出現(xiàn)解理?xiàng)l紋，此時(shí)靶材表面表現(xiàn)出脆性。在納秒脈沖激光輻照下，靶材表面會(huì)形成更加明顯的燒蝕區(qū)域，覆蓋一部分解理?xiàng)l紋，甚至對(duì)表面產(chǎn)生的沖擊力會(huì)造成塊狀表層的脫落。

從損傷形貌上可以看出，組合脈沖激光對(duì)靶材表面的損傷效果更為顯著，且延遲時(shí)間的變化也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。因此，本文中進(jìn)一步研究了激光輻照后靶材表面損傷半徑和熔融深度的變化情況。圖4是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得的靶材表面損傷半徑隨激光能量密度的變化關(guān)系。與毫秒脈沖激光相比，納秒脈沖激光的能量密度較低，熱影響范圍和熱擴(kuò)散深度較小[33]，因此,分析過程中僅考慮了損傷半徑隨毫秒脈沖激光能量密度的變化情況。通過圖4a和圖4b中的線性擬合發(fā)現(xiàn)，單毫秒脈沖激光和組合脈沖激光作用結(jié)果的曲線趨勢(shì)近似，即：隨著入射激光能量密度的增加，損傷半徑逐漸增大，并且兩種情況下的斜率近似。這說明在這兩種激光工作模式下，靶材表面的損傷半徑主要與毫秒脈沖激光的能量密度有關(guān)。

圖5是組合脈沖激光輻照硅靶材時(shí)熔融深度和損傷半徑隨延遲時(shí)間的變化曲線。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，熔融深度可以通過數(shù)值模型[28]計(jì)算得到。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，表面損傷半徑一直保持在1.1mm左右，延遲時(shí)間的變化對(duì)損傷半徑的影響較弱，這也側(cè)面驗(yàn)證了損傷半徑主要依賴于入射毫秒脈沖激光能量密度的大小。納秒脈沖激光輻照造成的表面燒蝕將增加靶材表面的粗糙度，而較小的延遲時(shí)間意味著納秒脈沖激光輻照結(jié)束后，毫秒脈沖激光的剩余輻照時(shí)間較長(zhǎng)，這會(huì)進(jìn)一步提高靶材對(duì)毫秒脈沖激光能量耦合的效率。但隨著延遲時(shí)間的延長(zhǎng)，靶材表面將逐漸熔化，這將導(dǎo)致更高的表面反射率[30]，甚至?xí)霈F(xiàn)蒸汽或等離子屏蔽[34]。因此，與損傷半徑變化趨勢(shì)不同，熔融深度會(huì)隨延遲時(shí)間的改變而發(fā)生較大變化：當(dāng)延遲時(shí)間大于零后，它會(huì)隨著延遲時(shí)間的增大而逐漸減小。這個(gè)趨勢(shì)與PAN等人的研究結(jié)果相吻合[35]。

Fig.4 Surface damage radius vs. incident energy density of the ms lasera—the single ms laser b—CPL(delay 0.7ms)

Fig.5 Change of melting depth and damage radius with different delays of CPL

2.3 討論

組合脈沖激光和單毫秒脈沖激光輻照對(duì)硅靶材造成的表面損傷有許多不同之處，這是不同脈寬的脈沖激光損傷機(jī)制不同所導(dǎo)致的。在本文實(shí)驗(yàn)中，熱損傷是毫秒脈沖激光的主要損傷機(jī)制，而表面燒蝕和應(yīng)力損傷則是由納秒脈沖激光輻照造成的[36]。從表面損傷形貌的角度來說，組合脈沖激光的損傷效應(yīng)更為嚴(yán)重，且不同的延遲時(shí)間造成的損傷效應(yīng)也不相同。原因之一是毫秒脈沖激光的預(yù)加熱效應(yīng)：在毫秒脈沖激光輻照預(yù)加熱下，靶材表面溫度升高，硅的吸收系數(shù)將逐漸增大。同時(shí)靶材表面變軟，材料屈服強(qiáng)度大大降低。因此，靶材在納秒脈沖激光輻照下更容易產(chǎn)生表面損傷，包括燒蝕、反沖壓力和應(yīng)力損傷。另一個(gè)原因與后續(xù)毫秒脈沖激光和納秒脈沖激光造成的表面損傷相互作用有關(guān)。納秒脈沖激光造成的表面損傷會(huì)增加表面粗糙度，從而增大了靶材對(duì)后續(xù)毫秒脈沖激光能量的吸收，進(jìn)一步加劇表面損傷。

但是延遲時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，在納秒脈沖激光輻照之前靶材表面中心區(qū)域已經(jīng)部分熔化，液態(tài)硅的表面反射率較高，會(huì)導(dǎo)致激光能量的耗散。不過在這樣的情況下，靶材會(huì)在納秒脈沖激光的輻照下更容易達(dá)到更高溫度，甚至?xí)l(fā)生汽化、飛濺甚至等離子體現(xiàn)象，這在本文中沒有討論。

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得了單束毫秒脈沖激光和組合脈沖激光分別輻照下硅靶材表面的溫升情況，并比較了這兩種激光模式造成的靶材表面損傷形貌。研究發(fā)現(xiàn),組合脈沖激光造成的損傷效應(yīng)更為嚴(yán)重，根據(jù)延遲時(shí)間的不同，表面損傷形貌可分為3種。進(jìn)一步研究表明，表面損傷半徑主要取決于入射毫秒脈沖激光的能量密度，延遲時(shí)間對(duì)它的影響較小，而熔融深度會(huì)隨著延遲時(shí)間的增加而減小。討論了組合脈沖激光輻照硅靶材的損傷機(jī)理，組合脈沖激光損傷效果的增強(qiáng)主要與毫秒脈沖激光的預(yù)加熱效應(yīng)以及納秒脈沖激光造成的表面損傷與后續(xù)毫秒脈沖激光的相互作用有關(guān)。本文中的研究結(jié)果可為今后組合脈沖激光加工半導(dǎo)體材料提供參考。