Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы. взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов с твердотельными материалами 21
1.1 Физические аспекты взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с полупроводниками 21
1.2 Модификация термогидродинамических свойств поверхностей с помощью фемтосекундных лазерных импульсов: смачивание, эффективность теплообмена, эффект Лейденфроста 32
1.3 Модификация механических свойств поверхностей с помощью фемтосекундных лазерных импульсов: упрочнение поверхности 35
1.4 Модификация поверхности полупроводников в результате однократного воздействия фемтосекундного лазерного импульса 42
1.5 Снятие нанослоев с тонкопленочных многослойных структур с помощью фемтосекундных лазерных импульсов 43
Выводы и постановка задач исследований 57
ГЛАВА 2. Экспериментальные установки, методики проведения экспериментов и обработка данных 59
2.1 Описание фемтосекундной лазерной системы на кристалле титан-сапфира 59
2.2 Методика определения параметров лазерного излучения
2.2.1 Измерение длительности лазерного импульса 64
2.2.2 Измерение энергии лазерного импульса 65
2.2.3 Измерение временного профиля (контраста) лазерного импульса 66
2.2.4 Параметр M2 68
2.2.5 Методика определения радиуса пучка и пороговых значений плотности энергии
2.3 Описание иттербиевой волоконной фемтосекундной лазерной системы 77
2.4 Описание диагностических методик
2.4.1 Исследование морфологии поверхности 78
2.4.2 Исследование фазового состава поверхности 78
2.4.3 Исследование процессов смачивания и испарения 80
Выводы к главе 2 81
ГЛАВА 3. Создание функциональных поверхностей на базе монокристаллического кремния с целью модификации их термогидродинамических свойств 82
3.1 Экспериментальная схема и режимы модификации поверхности 83
3.1.1 Экспериментальная схема 83
3.1.2 Режимы модификации поверхности
3.2 Морфология модифицированной поверхности кремния (СЭМ, АСМ, ОМ) 88
3.3 Изучение смачивания на модифицированных поверхностях кремния 91
3.4 Исследование теплофизики испарения на модифицированных поверхностях кремния 94
3.5 Создание сквозных микроканалов в кристалле кремния для охлаждения современной микроэлектроники 105
Выводы к главе 3 109
ГЛАВА 4. Теплофизика процессов упрочнения поверхности графита в результате воздействия мощных фемтосекундных лазерных импульсов 111
4.1 Возможности изменения механических свойств функциональных материалов с помощью ФЛИ 111
4.2 Упрочнение поверхности графита. Описание экспериментальной схемы 112
4.3 Измерения механических и структурных свойств модифицированной поверхности графита 1 4.3.1. Исследование морфологии и фазового состава после воздействия лазерного излучения умеренной интенсивности 118
4.3.2. Исследование морфологии и фазового состава после воздействия лазерного излучения высокой интенсивности 1 4.4 Измерение микротвердости и модуля упругости после воздействия лазерного излучения умеренной и высокой интенсивности 132
4.5 Отработка режима сканирования при лазерной обработке. 136
Выводы к главе 4 140
ГЛАВА 5. Особенности термогидродинамической эволюции поверхности монокристаллического кремния в результате однократного воздействия фемтосекундных лазерных импульсов в различных внешних средах 143
5.1 Постановка задачи и методика эксперимента 144
5.2 Воздействие в газе (на воздухе) 146
5.3 Воздействие в жидких средах (в воде и в масле) 155
5.4 Анализ полученных результатов 177
Выводы к главе 5 180
ГЛАВА 6. Модификация и удаление нанослоев тонкопленочной многослойной структуры Al–Si при однократном воздействии фемтосекундных лазерных импульсов 182
6.1 Постановка задачи и методика эксперимента 182
6.2 Эволюция поверхности многослойной структуры Al–Si при однократном воздействии фемтосекундных лазерных импульсов
на воздухе 182
Выводы к главе 6 189
Общие выводы и заключение 191
Список условных обозначений и сокращений 195
Список литературы
- Модификация механических свойств поверхностей с помощью фемтосекундных лазерных импульсов: упрочнение поверхности
- Измерение временного профиля (контраста) лазерного импульса
- Изучение смачивания на модифицированных поверхностях кремния
- Упрочнение поверхности графита. Описание экспериментальной схемы
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В последние годы большой научный и практический интерес вызывают функциональные энергетические поверхности, модифицированные под определенные технологические задачи. Особенно такой интерес имеется при решении задач, связанных с разработкой энергоэффективных теплообменных поверхностей в тепловой и атомной энергетике, слаботочной и сильноточной электронике и оптоэлектронике. Важным направлением также является создание многофункциональных поверхностей и материалов для солнечной энергетики и современных биомедицинских технологий. Актуальность данной работы состоит в разработке перспективных технологий создания и модифицирования многофункциональных поверхностей для решения современных задач энергетики и микроэлектроники.
Морфология поверхности и ее физико-химические свойства являются ключевыми факторами, влияющими на многие процессы, происходящие на границе раздела фаз (интерфейсе), включая смачивание и растекание, испарение и кипение рабочих жидкостей. Среди различных способов модификации поверхностей в последнее время большое распространение получил способ воздействия на поверхности фемтосекундными лазерными импульсами (ФЛИ).
Эффективность практического использования ФЛИ обусловлена исключительно короткой длительностью импульса (5—500 фс, 1 фс = 10-15 с), высокой пиковой мощностью в импульсе (до 1015 Вт), а при его фокусировке – высокой интенсивностью лазерного излучения (1011—1022 Вт/см2). Предельные параметры ФЛИ активно используются для решения различных фундаментальных и прикладных з ад ач , однако особое место использования ФЛИ отведено технологической области, связанной с прецизионной микрообработкой, а также нано- и микроструктурированием твердотельных материалов. Важными достижениями в этой сфере стало создание нового класса мультифункциональных поверхностей для оптимизации процессов генерации и передачи энергии, что особенно актуально для солнечной, тепловой и атомной энергетики.
За последние несколько лет фемтосекундная лазерная поверхностная обработка ( ФЛ ПО) твердотельных материалов зарекомендовала себя как эффективная, прецизионная и высокопроизводительная технология (до 500 м/с) создания огромного разнообразия модифицированных поверхностей. Для модифицирования поверхности – создания различного класса нано- и микроструктур, а также избирательного удаления слоев материала, не требуется специальных масок и особых помещений («чистых комнат»). Кроме того, технология ФЛ П О практически индифферентна к типу обрабатываемого материала – обрабатывать можно практические любые материалы, включая металлы, полупроводники, диэлектрики и различные их
с п лав ы , в числе ко торых как массивные м атер и алы , так и мно го с ло йные тонкопленочные структуры (толщина слоев 5–100 нм).
В этой работе фемтосекундные лазерные системы были задействованы для обработки и модификации различных материалов в целях создания функциональных поверхностей с новыми термогидродинамическими свойствами применительно к задачам энергетики и электроники, исследования процессов модификации массивных и тонкопленочных материалов, а также исследования возможности создания в кристалле кремния сквозных микроканалов, важных в проблемах охлаждения микроэлектроники и других энергетических применениях. Кроме того, при воздействии интенсивных потоков энергии лазерного излучения практически на всех стадиях модификации поверхностей происходят теплофизические явления – нагрев вещества, его плавление, испарение, абляция (удаление), затем охлаждение – аморфизация и рекристаллизация расплава. При этом процессу модификации поверхностей сопутствуют сложные термогидродинамические процессы, среди которых движение расплава с образованием сложных гидродинамических структур и характерных бортиков, процесс абляции (разлета вещества) с образованием корональных выбросов расплава, структурированных областей и формирование новой морфологии поверхности. Помимо этого, сами модифицированные поверхности после обработки ФЛИ обладают важными теплофизическими свойствами – управляемое смачивание и растекание, особенности протекания на них процессов конденсации, испарения и кипения. В связи с этим исследование именно теплофизических процессов при фемтосекундной обработке поверхностей представляет собой важную научную и прикладную з ад ач у.
Работы по созданию функциональных поверхностей выполнены в Фемтосекундном Лазерном Центре (ФГБУН Объединенный институт высоких температур Российской академии наук).
Степень разработанности темы
Несмотря на значительное число исследований и существенный прогресс в проблемах модификации поверхности при помощи ФЛИ (группы Конова, Вейко, Мазура, Бонсе, Воробьева, Гуо, Ндао, Стратакиса, Анастасиадиса и др.), имеется ряд важных вопросов, которые изучены недостаточно подробно, особенно это касается модификации механических и теплофизических свойств поверхности применительно к проблемам энергетики и электроники. Прежде всего, речь идет об исследовании теплофизических процессов, которые оказывают основное влияние на формирование морфологии и новых свойств функциональных поверхностей.
На основе проведенного анализа результатов исследований по воздействию фемтосекундных лазерных импульсов на различные поверхности, можно сделать следующие выводы:
Несмотря на значительный прогресс в понимании физических процессов, происходящих в полупроводниковом материале в результате его облучения ФЛИ, практически неизученными остаются процессы формирования морфологии поверхности (с образованием кратеров сложной морфологии и различных нано- и мезоструктур) при однократном воздействии ФЛИ умеренной интенсивности. В частности, остается неясной роль гидродинамических и теплофизических процессов (гидродинамика движения расплава, процесс абляции), участвующих в эволюции материала, нагретого в результате сверхбыстрого вложения больших энергий;
недостаточная исследованность механических и теплофизических свойств функциональных поверхностей, созданных методом фемтосекундной лазерной поверхностной обработки (ФЛПО), актуальных для различных приложений (тепловая и атомная энергетика, солнечная энергетика, упрочнение материалов, новые механические, электромагнитные и теплофизические свойства поверхностей)
слабая изученность процессов смачивания и растекания различных жидкостей по функциональным поверхностям, созданным с помощью ФЛИ.
недостаточная и неполная изученность процессов испарения, конденсации и кипения на функциональных поверхностях, созданных с помощью ФЛИ;
неполное исследование эффекта Лейденфроста и возможности повышения эффективности функциональных энергетических поверхностей с точки зрения съема больших тепловых потоков;
слабая изученность процессов упрочнения поверхности различных материалов с помощью фемтосекундных лазерных импульсов, в частности, на примере графита;
недостаточность исследования влияния вложенной энергии и внешней среды на формирование различных морфологий на поверхности монокристаллического кремния при однократном воздействии ФЛИ;
недостаточная изученность вопроса о возможности создания сквозных микроканалов в различных материалах с помощью ФЛИ, в частности, применительно к задачам тепломассообмена и охлаждения слаботочной и сильноточной электроники;
слабая изученность модификации и удаления нанослоев тонкопленочных многослойных структур.
Решение указанных проблем позволит создавать и модифицировать функциональные поверхности и тем самым управлять теплофизическими процессами, что является чрезвычайно важным для разработки и создания энергоэффективных технологий.
Цели и задачи
Основной целью данной работы является исследование и разработка методов фемтосекундной лазерной технологии для создания (модификации) функциональных поверхностей применительно к задачам энергетики и электроники: изменение теплофизических, гидродинамических и
механических свойств поверхности, селективное удаление и модификация тонких слоев (5–100 нм) массивных и тонкопленочных материалов, а также исследование возможности использования такой технологии для создания в кристалле кремния сквозных микроканалов, важных в проблемах охлаждения микроэлектроники и других энергетических применениях. Среди решаемых в настоящей работе задач:
создание функциональных поверхностей на основе кремния и графита; в частности, экспериментальные измерения основных параметров используемого лазерного излучения (длительность и энергия лазерного импульса, временной профиль лазерного импульса, радиуса пучка в перетяжке) для оценки основных теплофизических величин – пороговые значения плотности энергии плавления и абляции материала, диапазоны различных режимов получения функциональных поверхностей заданной модификации;
обоснование выбора диагностического оборудования для изучения морфологии, топологии, а также фазового состава поверхности; для изучения гидродинамических (смачивания и растекания) и теплофизических (испарения) процессов; для изучения механических (упрочнения) свойств поверхностей;
исследование методов формирования и модификации поверхности кремния фемтосекундными лазерными импульсами в различных режимах для получения новых функциональных энергетических поверхностей;
исследование теплофизических и гидродинамических свойств функциональных кремниевых поверхностей с двумя отличными типами морфологического рисунка – образцов с продольными регулярными структурами и поверхностей с отдельными кратерами;
исследование смачивания и испарения на структурах указанной морфологии с целью показать возможность управления такими процессами, что чрезвычайно важно для работы функциональных энергетических поверхностей;
исследование эффекта термического тренинга поверхностей, обработанных ФЛ И;
изучение сдвига температуры Лейденфроста на функциональных кремниевых поверхностях, полученных методом ФЛПО и последующего термического тренинга (в зависимости от смачивания поверхности);
изучение влияния внешней среды и энерговклада на конечную морфологию поверхности монокристаллического кремния при однократном воздействии остросфокусированных ФЛ И ;
исследование модификации поверхности многослойной тонкопленочной структуры (на примере структуры Al–Si) однократными ФЛИ;
разработка метода создания микроканалов с помощью ФЛИ для потенциальных приложений в области охлаждения микроэлектронных и оптоэлектронных устройств;
Научная новизна
Научная новизна настоящей диссертационной работы состоит в следующем:
методом фемтосекундной лазерной поверхностной обработки (ФЛПО) изготовлены образцы новых функциональных кремниевых поверхностей с различной морфологией и топологией поверхности для исследования их теплофизических и гидродинамических свойств;
показана возможность управления термогидродинамическими свойствами поверхности при ее обрабо т к е м е т о д о м ФЛ П О ;
демонстрация на функциональных поверхностях с массивом микроканавок супергидрофильности и увеличения скорости испарения капель в 2–6 раз, а также сдвиг температуры Лейденфроста в область высоких температур в среднем на 30 С (по отношению к полированной поверхности кремния);
демонстрация на функциональных поверхностях с сеткой отдельных кратеров повышенной гидрофильности и увеличения скорости испарения капель в 1.8–2 раза;
обнаружение эффекта термического тренинга функциональных кремниевых поверхностей; экспериментальные исследования функциональных поверхностей на термостойкость, в ходе которых они были подвергнуты тепловому нагреву выше 340 С, продемонстрировали резкое ухудшение смачиваемости (гидрофобность с контактным углом ~150), соответствующее резкое снижение скорости испарения (в ~2 раза по сравнению с исходной полированной поверхностью) и сдвиг температуры Лейденфроста в область низких температур в среднем на 20–30 С при повторных экспериментах;
разработка способа создания сквозных микроканалов в кристалле кремния с помощью фемтосекундных лазерных импульсов ИК диапазона для охлаждения современной электроники;
доказательство возможности модификации поверхности графита с помощью ФЛПО с целью упрочнения его поверхности;
разработана и собрана экспериментальная схема для модификации поверхности твердотельных материалов в различных внешних средах с помощью однократных остросфокусированных ФЛИ в широком диапазоне плотностей энергий и с минимальным шагом по энергии;
показано, что (на примере монокристаллического кремния) в результате различных гидродинамических и теплофизических процессов, инициированных сверхбыстрым вложением энергии (при воздействии остросфокусированных ФЛИ в определенном диапазоне плотностей энергий), приповерхностные слои кремния претерпевают ряд морфологических и структурных преобразований с образованием характерных кратеров различной глубины со сложной морфологией;
построена детальная карта «эволюции» поверхности кремния в виде конечных морфологических структур, сформировавшихся в результате различного энерговклада и различной окружающей среды;
обнаружена новая морфология поверхности в виде кратера с характерной центральной наноструктурированной областью с наноразмерной шероховатостью (0.5–1.5 нм), окруженной упорядоченными мезо- и наноструктурами (в зависимости от внешней среды);
доказательство того, что в случае однократного воздействия ФЛИ существенное влияние на конечную морфологию приповерхностных слоев кремния оказывает вложенная энергия и внешняя среда;
демонстрация модификации поверхности многослойной тонкопленочной структуры Al–Si (с толщиной каждого слоя 50 нм) при однократном воздействии ФЛИ на воздухе с различной плотностью энергии;
показано, что в зависимости от плотности энергии ФЛ И возможна селективная модификация как поверхностного оксидного слоя (блистеринг, удаление слоя), так и нижележащих слоев Al и Si (формирование нанопены, полное удаление слоя);
обнаружение эффекта удаления нескольких слоев многослойной тонкопленочной структуры Al–Si за один лазерный импульс; в частности, обнаружено полное удаление одного, двух, трех и четырех слоев Al и Si за лазерный импульс, что приводит к формированию кратеров со ступенчатым профилем.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы состоит в изучении фундаментальных закономерностей формирования модифицированных поверхностей под воздействием одиночных ФЛИ, исследовании их поверхностной морфологии, зависимости типов структур от внешней среды (газ и жидкость) и вложенной энергии, и других параметров. Кроме того, теоретическая значимость работы состоит в изучении смачивания и испарения рабочих жидкостей на модифицированных поверхностях с двумя различными типами морфологий, обнаружении и описании эффекта термического тренинга поверхностей, полученных в результате обработки ФЛ И . Показана возможность изготовления в кристалле кремния сквозных микроканалов с помощью ФЛИ и упрочнения поверхности графита различных типов. Наконец, значимость состоит в модификации поверхности многослойной тонкопленочной структуры Al–Si, в результате которой обнаружена возможность селективной модификации различных нанослоев структуры.
Практическая значимость состоит в исследовании технологических возможностей фемтосекундной лазерной обработки твердотельных материалов для создания функциональных поверхностей применительно к задачам энергетики и электроники: изменению теплофизических и гидродинамических свойств поверхности, а также возможности
использования такой технологии для создания в кристалле кремния микроканалов, важных в проблемах охлаждения микроэлектроники и других энергетических применениях.
Методология и методы исследования
Методология и методы работы основаны на самых современных подходах к исследованию и получению новых функциональных поверхностей – фемтосекундной лазерной технологии для формирования морфологии поверхности, атомно-силовой микроскопии (АСМ), оптической микроскопии (ОМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для изучения топологии и морфологии модифицированных поверхностей, современных методов и средств для измерения смачивания и растекания, процессов испарения и кипения, а также исследования механических свойств поверхности и ее фазового состава.
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
разработка экспериментальных методик модификации твердотельных материалов с помощью фемтосекундных лазерных импульсов и экспериментальные измерения основных параметров лазерного излучения для оценки теплофизических параметров – пороговых значений плотности энергии плавления и абляции материала;
изготовление функциональных кремниевых поверхностей с различной морфологией и топологией поверхности (в виде продольных регулярных структур и с сеткой отдельных кратеров) для интенсификации теплообмена и управления температурой Лейденфроста; демонстрация на них новых теплофизических эффектов, включая эффект термического тренинга;
разработка способа создания сквозных микроканалов в кристалле кремния с помощью фемтосекундных лазерных импульсов ИК диапазона для охлаждения современной электроники;
доказательство возможности модификации поверхности графита с помощью ФЛПО с целью упрочнения его поверхности;
разработка и реализация экспериментальной схемы для модификации поверхности твердотельных материалов в различных внешних средах с помощью однократных остросфокусированных ФЛИ в широком диапазоне плотностей энергий и с минимальным шагом по энергии;
доказательство существенного влияния внешней среды и вложенной энергии на конечную морфологию приповерхностных слоев кремния (с образованием кратеров различной глубины со сложной морфологией, включая области с наноразмерной шероховатостью и упорядоченными нано- и мезоструктурами) при однократном воздействии ФЛИ;
доказательство возможности селективной модификации многослойной тонкопленочной структуры Al–Si (селективное удаление слоев и их
модификация с образованием нанопены) при однократном воздействии ФЛ И , а также обнаружение эффекта удаления нескольких слоев за один лазерный импульс с образованием кратера со ступенчатым профилем.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялась разработка и выбор диагностических методик, постановка и проведение экспериментов по фемтосекундной лазерной обработке и исследованию термогидродинамических свойств изготовленных образцов, изучению морфологии модифицированной поверхности с помощью атомно-силовой и оптической микроскопии, обработка экспериментальных данных, анализ результатов исследований и их интерпретация.
Степень достоверности апробация результатов
Достоверность результатов исследований обусловлена использованием современных методов измерений, оценками ошибок полученных результатов, сравнением результатов с имеющимися данными и корреляциями других исследователей.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: 19-ая международная НТК студентов и аспирантов: радиоэлектроника, электротехника и энергетика 28.02–1.03.2013, М о с к в а ; 1 1 -й Российс кий симпозиум: Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах, 1.08–12.08.2013, Новый Афон, А б х а з и я ; Internat io n a l S y m p o s iu m : Fundamentals of Laser As s isted Mic ro– and Nanotechnologies 27.06–1.07.2016, St. Petersburg; научных семинарах кафедры низких температур ФГ Б ОУ ВО «НИУ « МЭ И» и ФГ БУ Н О ИВТ РАН.
Публикации
Основное содержание диссертации изложено в 4 статьях, опубликованных в рецензируемых журналах из списка ВАК, а также в 3 сборниках трудов и тезисах международных и российских конференций, и 1 патенте на изобретение.
Объем и структура работы
Диссертационная работа изложена на 217 страницах машинописного текста, содержит 94 иллюстрации, 9 таблиц.
Список литературы содержит 219 наименований.
Модификация механических свойств поверхностей с помощью фемтосекундных лазерных импульсов: упрочнение поверхности
Тепловой модели соответствует шкала следующих релаксационных процессов. При действии на поверхность полупроводника ФЛИ с плотностью энергии в области порога плавления (F0 Fm) поглощенная электронной подсистемой кристалла световая энергия за времена 1 пс передается от перевозбужденных над дном зоны проводимости свободных носителей к решетке кристалла и вызывает ее быстрое плавление (10—100 пс) [1—3]. Таким образом, в результате сверхбыстрых процессов, включающих в себя последовательное возбуждение и релаксацию электронной подсистемы, а также электрон-фононную и фонон-фононную релаксации, приповерхностный слой материала нагревается до высоких температур, плавится, подвергается абляции (при F0 2Fm) и, в конечном счете, затвердевает с образованием новой структурной модификации.
Однако, согласно проведенным исследованиям [4, 5], при F0 1.5Fm в кремнии (Si) были обнаружены сверхбыстрые фазовые переходы твердое тело -жидкость, протекающие в субпикосекундном временном диапазоне, быстрее процесса релаксации поглощенной лазерной энергии, который составляет 1 пс (т.е., в момент плавления решетка остается холодной). Обнаруженные сверхбыстрые фазовые переходы не могут быть объяснены в рамках чисто тепловой модели. Предполагается, что причиной сверхбыстрого (нетеплового) плавления поверхности полупроводника является механизм дефектообразования, инициируемого плотной электронно-дырочной плазмой. При достаточно большой интенсивности лазерного импульса концентрация электронов достигает 1022 см–3, в результате чего атомы решетки могут испытать сильное статическое смещение из положений равновесия, так что энергия лазерного возбуждения преобразуется в потенциальную энергию акустической подсистемы — в отличие от электрон-фононной релаксации, согласно которой энергия электронного возбуждения сообщается решетке в кинетической форме, нагревая ее. В результате появления статических деформаций начинается усиленная генерация дислокаций и затем теряется устойчивость решетки — происходит «холодное» сверхбыстрое (за времена 300 фс) плавление кристалла [1, 2, 7].
Экспериментальные данные, свидетельствующие о сверхбыстром фазовом переходе твердое тело—жидкость, получены при использовании метода микроскопии и спектроскопии с фемтосекундным временным разрешением по схеме «возбуждение—зондирование» в оптическом диапазоне длин волн. Данная методика позволяет регистрировать изменения коэффициента отражения поверхности, значения которого, в частности, определяются фазовым состоянием поверхности материала. Результаты данных исследований, свидетельствующих о сверхбыстром фазовом переходе, были также подтверждены измерениями второй гармоники, по изменению которой можно получить информацию о структурной симметрии материала, поскольку значения нелинейного тензора восприимчивости отражают симметрию кристаллической решетки [2, 4, 5]. Однако сигналы изменения коэффициента отражения и генерации второй гармоники, интерпретированные как фазовый переход твердое тело—жидкость, могут быть завуалированы образующейся плотной электронно-дырочной плазмой (ne 1022 см–3) [4]. В этом случае возникает трудность, связанная с отделением сигнала плотной электронно-дырочной плазмы, образующейся при возбуждении твердого тела, от расплавленного материала, свойства которых практически идентичны свойствам металла. Для разрешения данной трудности, исследования изменения коэффициента отражения были также проведены в зависимости от угла падения и длины волны зондирующего импульса [4], которые подтвердили, что через 300 фс после воздействия с F0 = 2Fm поверхностный слой кремния находится в жидком состоянии. Отметим, что с использованием данной схемы оптического «возбуждения—зондирования» процесс сверхбыстрого плавления при F0 Fm был также обнаружен в других полупроводниках, включая арсенид галлия (GaAs) [8—11] и антимонид индия (InSb) [12], а также в полуметаллах — графите [13] и висмуте [14]. При F0 Fm процесс теплового плавления был также обнаружен в этих полупроводниках и полуметаллах. Заметим, что в металлах с ГЦК решеткой (Au [15], Al [16] и Ag [17]) сверхбыстрое плавление ( 1 пс) экспериментально обнаружено не было. Таким образом, проведенные исследования эволюции поверхности косвенно свидетельствуют о том, что процесс сверхбыстрого плавления приповерхностных слоев происходит быстрее времени релаксационных процессов.
С появлением мощных лазерно-плазменных источников рентгеновского излучения субпикосекундной длительности удалось напрямую зарегистрировать структурные изменения кристаллической решетки в глубине образца [18—22]. В этом случае схема «возбуждение—зондирование» несколько модифицируется метод оптического возбуждения совмещается с зондированием жестким рентгеновским характеристическим излучением (1—10 кэВ).
Рентгеноструктурный (рентгенодифракционный) анализ, в основе которого лежит явление дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решётке, является одним из основных методом исследования атомной структуры вещества. Проведенные исследования регистрации брэгговского отражения рентгеновского излучения от возбуждаемой ФЛИ поверхности полупроводника достоверно показали, что потеря дальнего порядка в кристалле полупроводника антимонида индия (InSb) происходит в слое толщиной до 90 нм за 300—500 фс [20]. Аналогичные результаты, свидетельствующие о сверхбыстром плавлении, были получены для германия (Ge) [19].
В работе [21] экспериментально подтверждено, что при возбуждении кремния ФЛИ с Fo 0.25 Дж/см2 (порог не определен) плавление приповерхностных слоев происходит в два этапа. Первоначально происходит превращение возбужденного кремния в жидкость пониженной плотности (промежуточное полуметаллическое состояние), в то время как второй фазовый переход в жидкость повышенной плотности (металлическое состояние) происходит только после того, как скрытая теплота будет передана кристаллической решетке (2—4 пс). Таким образом, осуществляется фазовый переход первого рода. Подобная динамика фазовых переходов свойственна всем тетраэдрическим системам, в частности, воде [21].
Измерение временного профиля (контраста) лазерного импульса
Для проведения экспериментальных работ, описанных ниже в главе 3 и главе 4, использовалась субтераваттная фемтосекундная лазерная система фирмы Coherent (США), состоящая из фемтосекундного задающего генератора, временного расширителя длительности лазерного импульса (стретчер), регенеративного усилителя и временного компрессора. Общий вид лазерной системы приведен на рис. 2.1. В качестве активной среды лазера используется кристалл сапфира, легированный ионами титана Ti3+:Al2O3 (Ti:Sapphire).
Субтераваттная Ti:Sapphire килогерцовая фемтосекундная лазерная система и ее основные блоки: 1 — непрерывный лазер накачки задающего фемтосекундного генератора «Verdi-V5»; 2 — задающий фемтосекундный генератор «Mira Seed»; 3 — импульсный лазер накачки регенеративного усилителя «Evolution-30»; 4 — регенеративный усилитель «Legend», включающий также временной расширитель, компрессор, систему улучшения контраста лазерного импульса и выделения одиночного импульса
Данная схема, основанная на методе усиления чирпированных импульсов, работает следующим образом (рис. 2.2) Сформированные в задающем генераторе «Mira Seed» фемтосекундные лазерные импульсы с шириной спектра 40 нм (длительностью 40 фс), энергией до 5 нДж и частотой повторения 76 МГц, поступают в стретчер, в котором происходит увеличение длительности фемтосекундного импульса за счет положительной дисперсии оптической схемы с 40 фс до 100 пс. Далее, в регенеративном усилителе происходит постепенное увеличение энергии лазерного импульса до величины 2.5 мДж (после совершения 16 проходов), частота следования лазерных импульсов на выходе регенеративного усилителя определяется только режимом работы лазера накачки «Evolution-30», и составляет 1 кГц. Оптическая развязка задающего генератора и регенеративного усилителя обеспечивается магнитооптическим затвором на основе линейного магнитооптического эффекта (эффект Фарадея).
Для накачки задающего генератора используется лазер «Ve r d i -V5», работающий в непрерывном режиме генерации с выходной мощностью 5 Вт и длиной волны излучения 532 нм.
Накачка активной среды регенеративного усилителя осуществляется лазером «Evolution-30», работающим в режиме модуляции добротности с частотой повторения импульсов 1 кГц и средней выходной мощностью 20 Вт на длине волны излучения 532 нм. Для синхронизации процессов усиления импульса задающего фемтосекундного генератора используется блок синхронизации «SDG», который согласовывает по времени ввод импульса задающего генератора в регенеративный усилитель и его вывод из усилителя при достижении максимальной энергии.
Для улучшения контраста лазерного импульса в наносекундном временном диапазоне, а также для управления различными режимами следования лазерных импульсов использовался селектор импульсов, состоящий из двух поляризаторов – скрещенных призм Глана, установленного между ними электрооптического затвора (ячейки Поккельса) на основе кристалла DKDP (дейтерированный дигидрофосфат калия, KD2PO4), генератора высоковольтных импульсов, и блока управления и синхронизации. Оптический модуль, состоящий из двух скрещенных поляризаторов и электрооптического затвора, размещался на выходе регенеративного усилителя (перед временным компрессором). Действие электрооптического затвора основано на линейном электрооптическом эффекте (эффект Поккельса). При приложении электрического поля определенной величины к ячейке, в ее веществе возникает двойное лучепреломление, в результате которого плоскость поляризации пучка поворачивается на 90 и линейно поляризованный свет проходит через второй поляризатор. Без приложения напряжения поляризация входящего в ячейку света не изменяется, поэтому второй поляризатор отражает падающий на него свет. Необходимый высоковольтный импульс длительностью 5 нс на уровне 0.5 и амплитудой 10 кВ формировался электронным ключом, управление которым осуществлялось блоком синхронизации «Pulse Picker OG 8/1» (Авеста, Россия) (рис. 2.3).
Принципиальная оптическая схема селектора импульсов «Pulse Picker», состоящая из светоделительной пластинки и детектора 1, блока управления и синхронизации, а также генератора высоковольтных импульсов 2, двух скрещенных призм Глана 3, 5и ячейки Поккельса 4
Используемый блок синхронизации позволяет реализовать различные режимы работы лазера (понижения частоты следования импульсов, выделение одиночного импульса и отдельных пачек импульсов — burst-режим) и синхронизацию внешних устройств регистрации данных (ПЗС-камера, осциллограф с сигналами от фотодиодов и других датчиков).
Восстановление длительности усиленного лазерного импульса осуществляется в двухпроходном временном компрессоре с одной дифракционной решеткой (1500 штрихов/мм). Временной компрессор восстанавливает длительность лазерного импульса до исходного значения ( 40 фс), которое определяется задающим генератором. Настройка временного компрессора для получения минимально возможной длительности импульса выполнялась за счет перемещения уголкового отражателя, изменяющего величину отрицательной дисперсии, и регистрации корреляционной функции в режиме реального времени с помощью одноимпульсного автокоррелятора второго порядка «SSA».
Изучение смачивания на модифицированных поверхностях кремния
В качестве источника лазерного излучения использовалась фемтосекундная лазерная система на кристалле титан-сапфира (т =40 фс, X = 800 нм, f= 1 кГц, E = 1.5 мДж). Схема фемтосекундной лазерной обработки поверхности представлена на рис.3.1. Для управления частотой следования импульсов, выходивших из фемтосекундного лазера 1, использовался блок синхронизации «Pulse Picker» 2. Для регулировки энергии лазерного импульса, прошедшего через диафрагму 3, использовался поляризационный узел ослабления, состоящий из полуволновой пластины /2 4 и поляризатора 5. Для измерения энергии лазерного импульса, часть излучения ( 2 %), отражаясь от поверхности плоскопараллельной тонкой стеклянной пластины 6, попадала в узел контроля энергии, представляющий собой фотодиод 7, подключенный к цифровому осциллографу. Калибровка фотодиода осуществлялась с помощью измерителя энергии «3sigma» {Coherent, США), устанавливаемого сразу после пластинки 6. Излучение лазерного пучка фокусировалось с помощью линзы с фокусным расстоянием 300 мм 8 на поверхность мишени 9. Мишень устанавливалась на моторизованный XYZ координатный столик под углом 45 к падающему лазерному излучению, а трансляторы были установлены таким образом, чтобы при перемещении мишень всегда оставалась в фокальной плоскости линзы. Скорость перемещения стола во всех проводимых экспериментах составляла 0.78 мм/с (максимальная скорость). Для наблюдения за состоянием обрабатываемой поверхности в реальном времени была разработана система визуализации, состоящая из микрообъектива 10, светоделительной пластинки 11, лампы для подсветки мишени 72 и ПЗС-камеры 13.
Экспериментально определенные в главе 2 значения порогов плавления и абляции монокристаллического кремния на воздухе при угле падения лазерного излучения = 45 относительно нормали составили Fm = 0.16 Дж/см2 и Fabi = = 0.34 Дж/см2, соответственно. Диаметр фокального лазерного пятна на мишени по уровню 1/е от максимума интенсивности составил d\ = 44 мкм вдоль малой оси эллипса и di = 66 мкм вдоль большой оси эллипса, соответственно.
Обработка поверхности всех образцов осуществлялась при плотности энергии лазерного излучения Fo = 0.51 Дж/см2, значение интенсивности лазерного излучения при этом составило I = 1 1012 Вт/см2.
Фемтосекундная лазерная обработка осуществлялась в режиме сканирования лазерным излучением исходной полированной поверхности кремния в двух различных режимах работы лазера (рис. 3.2). При непрерывной последовательности импульсов с различной частотой следования рисунок модифицированной поверхности соответствует массиву параллельно расположенных микроканавок (режим І). В результате воздействия отдельных пачек лазерных импульсов рисунок модифицированной поверхности соответствует сетке отдельно расположенных кратеров (режим II). Параметры, отвечающие за геометрический рисунок модифицированной поверхности, представлены в таблице 3.1.
Режимы модификации поверхности твердотельных материалов: слева — режим I в виде массива параллельно расположенных микроканавок; справа — режим II в виде сетки отдельно расположенных кратеров Таблица 3.1 Регулируемые параметры структурирования поверхности Кодировка Расшифровка параметра T1 временной интервал между импульсами Т2 временной интервал между пачками импульсов N число импульсов в пачке a и b размеры обрабатываемой площадки d1 и d2 диаметры отдельных кратеров (при наклонном падении имеют форму эллипса) pb и pa периоды расположения кратеров по взаимно ортогональным направлениям w ширина (период) линий сканирования В данной работе были изготовлены 4 типа модифицированных поверхностей, 3 из которых получены в режиме I и отличаются друг от друга морфологией и топологией поверхности. Варьируемым параметром при изготовлении образцов «Si_100», «Si_200» и «Si_500» выступала частота следования лазерных импульсов, которая составила 100, 200 и 500 Гц соответственно. Частота следования импульсов при фиксированной скорости перемещения мишени (0.78 мм/с) влияет на количество лазерных импульсов, пришедших на единичную площадку поверхности, а, следовательно, и на морфологию поверхности. Основные параметры изготовления образцов представлены в таблице 3.2.
В режиме II был изготовлен один образец «Si_5p». Блок синхронизации «Pulse Picker» был настроен таким образом, что импульсы выходили из регенеративного усилителя в виде пачек, состоящих из N = 5 импульсов, разделенных временным интервалом T1 =1 мс (частота следования импульсов в пачке f1 =1 кГц). Расстояние между пачками составляло T2 =190 мс (частота следования пачек импульсов f2 = 5.26 Гц). Поскольку за T1 =1 мс мишень перемещалась всего на 0.78 мкм (при скорости движения транслятора v = 0.78 мм/с), на поверхности были сформированы отдельные кратеры, на единичную площадь которых упало N =5 импульсов. Кратеры размещены в виде квази-периодичной сетки с периодом pa =150 мкм вдоль линии сканирования и с периодом pb =110 мкм в ортогональном направлении (шаг перемещения транслятора по оси Y был задан равным 110 мкм). При заданном взаимном расположении кратеров и при площади структурированной площадки S =1010 мм2 (a = b =10 мм), общее количество кратеров на ней составляет Nc = 9167 = 6097 штук. На рис. 3.3 представлены фотографии модифицированных поверхностей.
Упрочнение поверхности графита. Описание экспериментальной схемы
Следует отметить один важный факт, который, по-видимому, наблюдался в нашем исследовании. Речь идет о быстром спонтанном растекании капли в режиме, близком к режиму Лейденфроста. Дело в том, что в режиме Лейденфроста обычно левитация капель происходит за счет паровой прослойки под каплей, которая формируется за счет испарения под действием теплоты, поступающей от нагретой подложки. Пар под каплей растекается равномерно, удерживая капли на паровой подушке.
В нашем случае анизотропной поверхности пар может перемещаться вдоль канавок с большой скоростью, увлекая за собой левитирующую каплю. Если этот режим действительно имеет место (это требует дополнительных исследований), то нами обнаружен новый способ удаления жидкости с нагретой поверхности даже при малых наклонах поверхности к горизонту.
С ростом удельной мощности тепловыделения интегральных схем современной микроэлектроники (в результате уменьшения размеров основных элементов), их охлаждение становится все более сложной задачей. Традиционные методы охлаждения, в числе которых принудительное воздушное охлаждение, а также использование тепловых трубок и радиаторов, оказываются недостаточно эффективными, что может привести к образованию так называемых горячих точек (hot spots), локальному перегреву элементов и последующему их выходу из строя. Одним из наиболее эффективных и перспективных способов снижения температуры нагреваемого кристалла является жидкостное охлаждение через микроканалы в кристалле [216].
В данной работе представлен новый способ создания каналов микронных и субмикронных диаметров внутри кристалла кремния с помощью фемтосекундных лазерных импульсов (ФЛИ). Методика создания микроканалов внутри прозрачных материалов (стекла, полимеры) с помощью ФЛИ освоена достаточно хорошо. Однако, в непрозрачных для лазерного излучения материалах создание сквозных микроканалов остается достаточно сложной задачей. Используемый метод накладывает ограничения на максимальную глубину каналов (не более пяти диаметров), при этом форма каналов оказывается конусной.
Новый способ заключается в прошивке сквозного отверстия в кристалле кремния лазерным методом за счет наведения фокального пятна на тыльную поверхность кристалла и многоступенчатом перемещении этого пятна в направлении к входной поверхности кристалла (рис. 3.15). Для получения микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле используют инфракрасный фемтосекундный лазер на хром-форстерите, а многоступенчатое перемещение фокального пятна в направлении от тыльной к входной поверхности кристалла проводят с длиной волны излучения 1240 нм, при которой длина пробега фотона в структуре кремния равна 1 см, а энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны.
Для создания микроканалов в кремнии, как правило, используется фемтосекундный лазер на кристалле титан—сапфира (длина волны 800 нм). Однако, в отличие от излучения на длине волны 1240 нм, глубина поглощения которой в кремнии составляет порядка 1 см, излучение на длине волны 800 нм поглощается на глубине 1 мкм, что не позволяет использовать излучение на данной длине волны для создания микроканалов, берущих свое начало на тыльной поверхности образца кремния, или же залегающих глубоко в кремнии (толщина кремния 250—500 мкм).
Предложенный способ промышленно применим и может быть реализован при использовании фемтосекундного лазера на хром-форстерите. Наличие в кристалле чипа сквозных отверстий позволяет решить серьезные проблемы с обеспечением требуемого уровня нагрева кристалла, что позволит не только упростить системы охлаждения, но и повысить жизненный цикл чипов. Наличие сквозных микроканалов в теле кристалла большого размера обеспечивает возможности прокачки хладагента через тело объекта и тем самым контролировать температуру не только на поверхности кристалла, но и в его глубинных слоях.
На основе данной методики реализован новый метод лазерной очистки, обеспечивающий удаление загрязнений с поверхности полупроводниковых материалов, находящихся на тыльной стороне по отношению к падающему излучению. Метод основан на применении импульсного излучения ИК диапазона спектра с энергией кванта Йсо меньше ширины запрещенной зоны Е , для которого полупроводник является прозрачным. Источником излучения являлась фемтосекундная лазерная система с активной средой хром-форстерит, генерирующая импульсы длительностью 80 фс на длине волны А, = 1240 нм (энергия кванта излучения Йсо = 0.98 эВ). Для кремния с Eg = 1.15 эВ для А, = 1240 нм длина поглощения излучения составляет ос =Х/4лк&& мм (комплексный показатель преломления и = 3.52; &«1.310-5 [32]). В качестве образца использовалась полированная с двух сторон пластина монокристаллического кремния толщиной 250 мкм, на одну из сторон которой был нанесен слой органического красителя толщиной около 300 нм (рис. 3.16).
Лазерное излучение фокусировалось на тыльную поверхность кремниевого образца (рис. 3.16) с помощью микрообъектива Olympus с числовой апертурой NA = 1.35. Плотность мощности плавно варьировалась с помощью поляризационного ослабителя до порога разрушения органического слоя. На рис. 3.17 приведено увеличенное изображение фрагмента поверхности кремниевого образца с удаленным слоем красителя после лазерной очистки в видеQ