Введение к работе
Актуальность темы.
В последнее время возрастает интерес к изучению модификации свойств твердых тел под действием внешних потоков энергии {лазерного излучения и пучков частиц). Исследования в этой области стимулируются развитием микроэлектроники, а также потребностями промышленности в материалах с новыми, заранее заданными свойствами. Прогресс в этом направлении связан с детальным изучением свойств поверхности материалов и процессов взаимодействия с ними излучения с целью разработки методов их направленной модификации.
Одним из перспективных способов модификации свойств поверхности является лазерное облучение материала. К настоящему времени достигнут значительный прогресс в понимании физики лазерного воздействия на поверхность и накоплен обширный экспериментальный материал. Импульс к исследованиям в этой области был дан открытием эффекта импульсного лазерного отжига. 'Изучение этого эффекта привело к обнаружению и интенсивному исследованию многочисленных новых явлений, стимулированных лазерным воздействием на поверхность, и приводящих к структурной модификации материала. Среди них: неоднородное плавление полупроводников, рекристаллизация аморфных полупроводников, образование когерентных и некогерентных поверхностных периодических структур, лазерное дефектообразование, модификация оптических свойств поверхности - пороговое по числу импульсов возгорание новых линий люминесценции, многоимпульсное оптическое повреждение поглощающих полупроводников и др.
Одним из универсальных эффектов, сопровождающих воздействие лазерного излучения на поверхность полупроводников, является генерация точечных дефектов. Механизмы лазерно-индуцироаанного образования дефектов в полупроводниках зависят от режимов облучения. В режимах до плавления генерация точечных дефектов определяется электронно-
деформационно-тепловым механизмом (ЭДТ) физическая суть которого состоит в следующем [1,2].
Релаксация лазерно-индуцированной плазмы свободных носителей в приповерхностном слое полупроводников приводит к нагреву решетки. Пространственно неоднородное распределение электронной плазмы и нагрев решетки приводят к сильной деформации приповерхностного слоя материала. Локализация свободных носителей вблизи имеющихся дефектов уменьшает энергию образования дефекта. Эти три фактора: локальное электронное возбуждение, нагрев и деформация приводят к увеличению скорости генерации дефектов. Особенно интенсивная генерация дефектов происходит на поверхности и в приповерхностном слое, вследствие сильной исходной дефектности и понижения значения энергии образования дефекта.
Возможны и другие режимы генерации дефектов, в частности, захват точечных дефектов при быстром отвердевании расплава, накачка вакансий при лазерно-индуцированном окислении, образование точечных дефектов при осаждении пленок, а также при лазерно-индуцированном травлении полупроводников и металлов. Плотное поле дефектов создается также при облучении твердого тела высокознергетическими пучками и при ионной имплантации.
При всех вышеописанных механизмах генерации концентрация дефектов может достигать очень больших значений порядка 10|9-1021 см'3 (до 10% от числа атомов в кристалле). Следует ожидать появления различных коллективных эффектов в системе взаимодействующих точечных дефектов. При этом в определенных режимах на поверхности образуются либо периодические структуры дефектов, либо начинается пороговое образование протяженных дефектов (пор или дислокационных петель).
Для объяснения этих эффектов была предложена модель генерационно-диффузионно-деформационной неустойчивости (ГДДН) [3] физическая суть которой сводится к следующему. Дефекты, будучи упругими включениями, деформируют упругий континуум. С другой стороны, деформация упругого континуума приводит к появлению деформационно-
индуцированных потоков дефектов и (или) к модуляции скорости их образования благодаря перенормировке энергии образования дефекта. Эта связь концентрации дефектов и деформации описывается плотностью энергии взаимодействия, которая для изотропной среды или кристалла с кубической симметрией дается формулой
где а -вектор смещения среды $ = Ka*s\gn(d), К -модуль всестороннего
сжатия а -размер элементарной ячейки и s'gn(v) = — l,sign(/) = +1 Выражение для На автоматически определяет коэффициенты дефектно-деформационной связи в уравнении для вектора смещения среды и в граничных условиях для вектора деформации, а также в эффективном диффузионном уравнении для дефектов. Возникающая в результате дефектно-деформационного взаимодействия положительная обратная связь приводит при превышении определенной критической концентрации дефектов к развитию ГДЦН с образованию либо периодических дефектно-деформационных (ДД) структур, либо кластеров дефектов, автолокализованных в созданных ими же деформационных ямах. Возникшая ДД-неустойчивость стабилизируется благодаря энгармонизму упругого континуума.
Таким образом, многочисленные экспериментальные наблюдения и изучение образования периодических и локализованных структур при лазерном облучении ставят перед теорией задачу их последовательного списания.
Задачи исследования.
Построение нелинейной многомодовой теории образования поверхностных периодических дефектно-деформационных структур
Построение теории образования кластеров точечных дефектов.
Анализ экспериментальных данных на основе полученной теории.
Научная новизна. В результате теоретического исследования проведенного в диссертации были получены следующие новые результаты:
1. Построена нелинейная многоходовая теория образования дефектно-
деформационных структур на поверхности полупроводников при. действии
лазерного излучения.
2. Показано наличие двух порогов дефектно-деформационной
неустойчивости
При превышении 1-й пороговой концентрации дефектов возникает неустойчивость широкого спектра дефектно-деформационных мод.
При превышении 2-й пороговой концентрации дефектов межмодовое взаимодействие приводит к схлопыванию спектра дефектно-деформационных мод в одну моду.
3. Развита нелинейная дефектно-деформационная теория образования
кластеров точечных дефектов в твердых телах при действии внешних
источников энергии.
4. Вычислена скорость кластерообразования и показано, что она является
экстремальной функцией концентрации лазерно-индуцированных
дефектов.
5. Построена модель многоимпульсного лазерного повреждения
поверхности поглощающих полупроводников за счет механизма взрывного
накопления точечных дефектов при наличии обратной связи через поле
деформаций.
Автор защищает.
-
Нелинейную многомодовую теорию образования дефектно-деформационных структур на поверхности полупроводников при действии лазерного излучения.
-
Нелинейную дефектно-деформационную теорию образования кластеров точечных дефектов в твердых телах при действии внешних источников энергии.
-
Модель многоимпульсного лазерного повреждения поверхности поглощающих полупроводников за счет механизма взрывного накопления точечных дефектов.
Практическая ценность. Результаты данного исследования механизмов образования поверхностных структур дефектов могут использоваться при разработке методов направленной лазерно-индуцированной модификации и увеличения оптической стойкости поверхности полупроводников при действии лазерного излучения.
Апробация работы. По теме диссертации сделаны доклады на 2 Международном Семинаре "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 1993) и Конференции Молодых Ученых по Лазерной Физике и Теории Нелинейных Волн (Москва, 1996)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и содержит 98 страниц текста 18 рисунков и список цитируемой литературы из 105 наименований
