Введение к работе
Актуальность исследований
В настоящее время значительно возрос интерес к важнейшим с технологической точки зранив процессам травления поверхности и осаждения пленок на подложку, инициированным лазерным излучением. Исследовательская активность в этой области обусловлена перспективами создания новых лазерных методов изготовления полупроводниковых приборов, нанесения различных структур и рисунков, лазерного легирования, получения поверхностей с заданными свойствами [см. обзоры 1-4].
Для стимулирования химических реакций лазерный луч фокусируется оптической системой на поверхность образца, который находится в контакте с реагентом или направляется параллельно поверхности. В зависимости от химических свойств реагента и натериала может происходить либо осаждение продуктов реакций на подложку, либо травление поверхности. Различают три основных механизма активации химических реакций:
а) нагрев поверхности, приводящий к термическому возбуждению или
диссоциации молекул реагента и, таким образом, к общому ускорению
химических процессов вблизи границы (пиролиз);
б) нетермичэское возбуждение подложки, влияющее на скорость
протекания поверхностных химических процессов. Примером такого
нетермического возбуждения* является лазерная генерация
электрон-дырочных пар, способствующая увеличению скорости травления
поверхности полупроводника (в дальнейшем такие процессы будем
называть фотохимическими);
в) поглощение лазерного излучения молекулами реагента. При этом стимуляция поверхностных химических реакций осуществляется за счет либо колебательного, электронного возбуждения молекул реагента или благодаря их диссоциации, предиссоциации (фотолиз).
Казалось бы, при равномерной лазерной засветке поверхности должно происходить пространственно-однородное вдоль границы ускорение химических реакций.. При этом, если первоначальный профиль поверхности был плоским, то и результирующий рельеф должен Бы быть плоским. Однако в ряде работ экспериментально показано, что при лазерно-индуцированном фотохимическом травлении полупроводников [>-3] <и пиролитическом осаждении пленок на подложку [9,10] возникают поверхностные периодические структуры (ППС) в виде пространственных модуляций рельефа. Период (порядка длины волны падающего излучения) и ориентация доминирующих ППС определяются поляризацией и углом падения лазерного излучения.
Для технологических процессов, в которых предъявляются повышенные требования к компланарности поверхности, генерация ППС крайне нежелательна. С другой стороны это явление может быть использовано для разработки перспективной ' одноступенчатой безмасочной лазерной технологии записи дифракционных решеток, в частности, брэгговских решеток для полупроводниковых лазеров .с распределенной обратной связью. Явление генерации ППС можно использовать для создания хорошо развитых поверхностей катализаторов химических реакций [11], а также границ раздела сред с повышенной износостойкостью благодаря пространственно-неоднородному осаждению пленок и.; газовой фазы [10].
Известно, что в условиях резонансного возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) может существенно изменяться физическая картина взаимодействия света с поверхностью [17, 18, 26-28]. Такие резонансные ПЭВ могут возбуждаться, в частности, на рельефе с периодом порядка длины волны падающего излучения. При этом могут проявляться эффекты полного подавления зеркального отражения и аномально высокого поглощения света, если глубина рельефа близка к оптимальной [11-25]. Эти эффекты имеют весьма общий характер.
поскольку аномальная дифракция света на рифленой поверхности наблюдается для самых разнообразных материалов - как металлов, так и диэлектриков в широком диапазоне длин волн падаздвго излучения. Возникает естественный вопрос: может ли существенно измениться коэффициент зеркального отражения в процессе вынужденной генерации ППС, возможно ли под действием лазерного излучения создание такого рельефа, который обладал Вы ЮОХ-ной поглощательной способностью? Ответ на этот вопрос не тривиален. Во-первых, оптимальная амплитуда модуляции рельефа может оказаться недостижимой из-за наличия различного рода нелинейностей (электродинамических, гидродинамических, теллофизических). Во-вторых, параметры генерируемого лазерным излучением рельефа отличаются от параметров, требуемых для проявления эффекта полного подавления зеркального отражения. Поэтому представляет большой интерес рассмотрение задачи, описывающей нелинейный режим генерации ППС, в связи с появляющейся в этом случае возможностью повышенного самосогласованного энерговвода излучения через поверхность. Последнее решающим образом будет влиять на важнейшие процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом.
Изложенное выше характеризует несомненную актуальность теоретических и экспериментальных исследований лаэернс-индуци-рованной генерации ППС, позволяющих углубить уже имеющиеся и развить новые представления о физике взаимодействия излучения с веществом. Кроме того, данные исследования представляют интерес с точки зрения возможности создания новой технологии формирования субмикронных периодических структур на поверхности- различных материалов.
Целью данной работы явняется
1 . Рассмотрение конкретных механизмов" образования поверхностных структур и получение аналитических выражений, описывающих динамику
развития произвольной Фурье-компоненты поверхностного рельефа на линейной (начальной) стадии роста при пиролитичоских реакциях и фотохимическом травлених . полупроводников в зависимости от интенсивности, поляризации и угла падения лазерного излучения, а также от оптических констант обрабатываемого образца.
-
Теоретическое описание нелинейной стадии образования поверхностного микрорельефа при действии непрерывного и импульсного s-поляризовакного лазерного излучения, а также исследование временной эволюции отражательной и поглощательной способностей поверхности в процессе генерации ЛПС.
-
Экспериментальное исследование генерации периодического рельефа в процессе фотохимического травления п-ваАв с целью проверки полученных теоретических результатов, а также выяснения возможностей данного метода для развития одноступенчатой безмасочной технологии получения дифракционных решеток.
Защищаемые положения
1. Механизм генерации поверхностного периодического рельефа. Образование периодического поверхностного' рельефа при лазерно-индуцированном фотохимическом травлении полупроводников обусловлено дифракцией падающего излучения на начальном рельефе, приводящей к возбуждению резонансных поверхностных электромагнит-. ных волн. Интерференция этих ПЗВ и преломленной в среду френелевской волны обеспечивает пространственно-неоднородное распределение интенсивности и . концентрации электрон-дырочных пар вдоль поверхности. Это обуславливает пространственно-неоднородное ускорение фотохимической реакции вдоль поверхности и углубление затравочных шероховатостей, что, в свою очередь, ведет, к усилению дифракции и возникновению положительной обратной связи, приводящей к экспоненциальному во времени нарастанию определенных Фурье-компонент затравочного рельєфі.
2. Под действием лазерного излучения при определенных условиях
ha нелинейной стадии генерации ППС возможно создание такого
рельефа, на котором осуществляется полное подавление зеркального
отражения и ЮОЖ-ное поглощение падающего на поверхность излучения.
3. Явление лазерно-индуцированной генерации ППС может быть
использовано для записи субмикронных периодичоских структур с
профилем штриха, близким- к синусоидальному, в частности, для
изготовления поверхностей с периодическим профилем в процессе
фотохимического травления rt-GaAs.
Научная новизна
В результате проведенных исследований впервые:
предложен механизм образования периодического микрорельефа при паэерно-индуцированном фотохимическом травлении полупроводников, пиролитическом травлении и осаждении пленок на подложку. Создана аналитическая теория, описывающая явление генерации ППС при таких процессах пазерохимической модификации поверхности и дано экспериментальное обоснование ее адекватности;
теоретически изучена временная динамика отражательной и поглощательной способностей поверхности на нелинейной стадии генерации ППС;
изморены инкременты экспоненциального роста доминирующих структур непосредственно в процессе лазерно-индуцированного травления n-GaAs;
- изучено влияние свойств травителей на динамику роста и спектр
генерируемого микрорельефа при фотохимическом травлении n-GaAs.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученые результаты важны:
- для прогнозирования качества поверхности при пазерохимической
обработке материалов;
для развития физических представлений' о взаимодействии
лазерного излучения с веществом в ретине генерации ППС;
- . для разработки и совершенствования новых лазерных беэмасочных технологий получения поверхностей с субмикронным периодическим рельефом.
Апробация работы
Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на семинарах Научно-исследовательского центра по технологическим лазерам РАН. МГУ им. Н.В. Ломоносова, на 13-й и 14-й Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (КиНО, Минск - 1S88, Ленинград -1991), на 1-й Международной конференции по лазерной микротехнологии и лазерной диагностике поверхности (LAMILADIS, Черновцы -1991), на Международной конференции по квантовой электронике и физике лазеров (QELS, U.S.A., Anaheim - 1992).
Вклад автора. Изложенные в диссертации результаты исследований получены лично автором или в соавторстве при непосредственном его участии.
Структура и объем диссертации.
