Введение к работе
Решение ряда технологических задач настоятельно требует создания новых лазерных систем, всесторонне использующих основные преимущества лазерного излучения, такие как высокие интенсивность, спектральная селективность, пространственная и временная когерентность. Очевидно, что при разработке подобных систем особую актуальность приобретают вопросы детального изучения физических механизмов взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердого тела при интенсивности излучения, близкой к порогу лучевой прочности.
По-прежнему актуальны исследования, направленные' на разработку эффективных методов повышения качества полупроводниковых материалов и создания высокоинтегрированных электронных приборов, необходимых для микроэлектронной промышленности, хорошо развитой в Республике Беларусь.
Специфика использования лазерного излучения для генерирования полупроводниковых монокристаллов,в частности антимонида индия, связанная с пороговым по энергии характером воздействия, заключается в необходимости детального исследования лучевой прочности поверхности этого материала в зависимости от его физико-химических параметров.
Воздействие мощного импульсного лазерного излучения на поверхность твердого тела, а также применение интерферометрических схем в лазерных системах зачастую приводят к формированию на обрабатываемой поверхности периодического распределения интенсивности излучения. При достижении пороговой величины в максимумах интенсивности происходят необратимые повреждения поверхности материала. Однако внерезонаторные способы получения периодических структур субмикронного размера, как правило, приводят к формированию структур с синусоидальным профилем, в то время как решение ряда технологических задач требует разработки лазерных способов получения структур штрихового характера. Поэтому представляет интерес исследование характеристик внутрирезонаторного взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердого тела, когда обрабатываемая поверхность является элементом оптического резонатора.
Использование явления многолучевой интерференции при внутри-резонаторном взаимодействии позволило получить высококонтрастные субмикронные периодические структуры на различных материалах. Подобный способ может быть применен в микроэлектронике при изготовлении полупроводниковых приборов с высокой степенью интеграции; в оптическом приборостроении для создания дифракционных решеток с помощью однократного импульса лазерного излучения, а также нанесения микрошкал, сеток и нониусов на различные оптические элементы и материалы.
Несомненная перспективность использования способа внутрирезо-наторной обработки поверхности твердого тела ставит задачи конструирования эффективных схем лазерных резонаторов и выбора оптимальных режимов воздействия. Такой выбор основывается на изучении и правильном учете всех многообразных явлений, возникакщих при взаимодействии лазерного излучения с обрабатываемой поверхностью, используемой в качестве поворотного зеркала оптического резонатора при интенсивностях излучения, близких к пороговым для материала поверхности.
С точки зрения получения предельно узких штриховых структур весьма важным представляется изучение влияния модового состава формируемой ча поверхности твердого тела периодической картины субмикронных штриховых повреждений. Это потребовало проведения специальных исследований в указанном направлении.
Приведенные в диссертационной работе результаты были получены в ходе выполнения работ по темам: "Оптика 2.55". "Регулярная и хаотическая динамика в оптике и лазерах", "Лазер 3.01". "Исследование внутрирезонаторных методов лазерной обработки поверхности оптических материалов", "Лазер 3.33". "Преобразование параметров световых и ультразвуковых пучков в процессе их взаимодействия в нелинейных кристаллах и полупроводниках".
Основная цель работы заключается в установлении физических закономерностей вне- и внутрирезонаторного взаимодействия импульсного лазерного излучения с поверхностью твердого тела, в том числе полупроводника, при интенсивностях, близким к пороговым для материала поверхности.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить задачи:
исследования лучевой прочности поверхности монокристаллов анти-монида индия на длине волны 10,6 мкм в зависимости от концентрации свободных носителей;
изучения эффективности лазерного генерирования поверхности монокристаллов полупроводников, в частности антимонида индия, посредством обработки излучением импульсного ТЕА-лазера на С02;
выявления основных физических механизмов внутрирезонаторного взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердого тела;
установления зависимости характеристических размеров периодических структур, формируемых на поверхности твердого тела в процессе внутрирезонаторной обработки, от модового состава используемого лазерного излучения.
Научная новизна полученных результатов:
-
Впервые изучена лучевая прочность монокристаллического антимонида индия в диапазоне концентраций свободных электронов от I(f* до Ю18 см"3 при воздействии импульсного лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм.
-
Разработан оригинальный способ лазерного генерирования поверхности монокристаллов антимонида индия и других полупроводников посредством обработки импульсным лазерным излучением.
-
Впервые предложен способ внутрирезонаторной обработки поверхности твердого тела, и получены периодические структуры с характеристическими размерами, в десятки раз меньшими длины волны используемого лазерного излучения.
-
Впервые исследовано влияние модового состава лазерного излучения на характеристические размеры формируемых внутрирезонаторным методом периодических штриховых структур.
0 новизне полученных результатов свидетельствуют также четыре авторских свидетельства на изобретения и один патент Российской Федерации.
Практическая значимость предложенного способа лазерного гет-терирования полупроводниковых монокристаллов, в частности антимонида индия, заключается в возможности его применения для повышения однородности полупроводниковых материалов, используемых в микро-
4 электронике для создания электронных приборов высокой степени интеграции и в других случаях, когда требования к однородности особенно высоки.
Разработанный способ внутрирезонаторной обработки поверхности твердого тела может использоваться для формирования периодических штриховых суСмикроншх структур: а) в микроэлектронике при изготовлении сверхбольших интегральных схем; б) в оптическом приборостроении для производства дифракционных решеток, микрошкал, сеток; в) в точном машиностроении для прецизионного позиционирования рабочего инструмента относительно обрабатываемого изделия.
В связи с тем, что применение внутрирезонаторной обработки поверхности материалов позволяет в течение одного импульса лазерного излучения изготовить дифракционную решетку высокого качества, шкалу, сетку или нанести на поверхность заданный рельеф,результаты диссертации имеют большое экономическое значение и могут рассматриваться в качестве коммерческого продукта.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Лучевая прочность монокристаллического антимонида индия при
воздействии лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм не зависит
от концентрации свободных электронов в диапазоне 101Л-101В см-3.
-
Воздействие импульсов излучения TEA С02-лазера с длиной волны 10,6 мім на поверхность полупроводниковых монокристаллов, в частности, антимонида индия, благодаря специфике их формы, приводит к получению более высокой однородности полупроводникового материала по сравнению с термическими методами.
-
Внутрирезонаторное взаимодействие лазерного излучения с поверхностью твердого тела, основанное на использовании явления многолучевой интерференции, позволяет формировать периодические структуры с характеристическими размерами в десятки раз меньше длины волны применяемого лазера.
4. Повреждения обрабатываемой поверхности в виде системы
резких равноотстоящих канавок могут быть сформированы только при
использовании поперечной моды ТЕМ . Отношение ширины штрихов к
5 периоду штриховой картины, формируемой лазерным пучком со сложным набором продольных мод, зависит от ширины спектра лазерного излучения и длины резонатора и практически не зависит от угла поворота лазерного пучка.
Основные результаты получены автором самостоятельно. Научному руководителю принадлежат общая постановка задачи и обсуждение результатов экспериментов. Соавторы: Аронов А.С, Кеворков М.Н. , Попков А.Н., Юрова Е.С. принимали участие в изготовлении экспериментальных образцов и обработке некоторых результатов по лазерному геттерированию полупроводников. Соавтор Митьковец А.И. принимал участие в изготовлении экспериментального оборудования. Соавтор Мозго А.А. оказывал методическую помощь в проведении экспериментов по получению поверхностных периодических структур.
Основные результаты диссертации обсуждались на V Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград,I981), VI Всесоюзной конференции по оптике лазеров (Ленинград,1990), Международной конференции по современным проблемам лазерной физики и спектроскопии (Гродно,1993), Международной конференции "Microelectronic Manufacturing'94" (Остин, США, 1994), Всероссийской конференции по лазерным технологиям (Шатура, 1995), Республиканской конференции по научному и аналитическому приборостроению (Минск, 1995), Всероссийской конференции по физике межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергии с твердыми телами (Нальчик,1995), Международной конференции "Microelectronic Manufacturing'96" (Остин, США, 1996), Международной конференции Material Research Society 1996 Fall Meeting (Бостон, США, 1996).
Результаты диссертации опубликованы в 7 научных статья*, 8 сборниках трудов и тезисов конференций, 4 авторских свидетельствах на изобретения и патенте Российской Федерации.
Диссертационная работа состоит из введения, общей.характеристики работы, пяти глав и выводов. Полный объем диссертации содержит 109 страниц, 29 иллюстраций и 4 таблицы. Список использованное источников включает 131 наименование.
