ЛАЗЕРНАЯ АБЛЯЦИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИМПУЛЬСНО-ЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА

Предмет исследования. Исследованы процессы абляции поверхности монокристаллических пластин кремния и свойства материалов, получаемых в результате абляции кремния при облучении сканирующим пучком импульсного

иттербиевого волоконного лазера с длиной волны λ = 1062 нм при варьировании мощности излучения лазера и режимов сканирования. Метод. Исследования проведены на пластинах промышленного кремния КДБ-10 (111), КЭФ-4.5 (100) со слоем собственного оксида кремния толщиной в несколько десятков нанометров и толщиной слоя SiO2 от 120 до 300 нм, выращенного методом термического окисления. Облучающая система включает в себя импульсный иттербиевый волоконный лазер с длиной волны λ = 1062 нм. Номинальная выходная мощность лазера 20 Вт, длительность импульсов 100 нс. Частота следования импульсов от 20 кГц до 100 кГц. Номинальная энергия в импульсе при максимальной выходной мощности 20 Вт составляла 1,0 мДж. Сканирование проводилось с помощью двухосевого сканатора на базе приводов VM2500+ с управлением через персональный компьютер с программным комплексом «SinMarkТМ». Скорость сканирования от 10 мм/с до 4000 мм/с, перекрытие варьировалась с 100 лин/мм до 3000 лин/мм. Контроль образцов проводился на оптическом микроскопе типа Axio Imager A1m фирмы Carl Zeiss с цифровой видеокамерой высокого разрешения. Все эксперименты проводились в режиме сфокусированного лазерного пучка с диаметром пятна облучения на подложке 50 мкм. Изменение температуры и ее распределение по поверхности оценивались с  помощью тепловизора FLIR серии SC7000. Основные результаты. Показано, что процесс абляции происходит без плавления кремния с образованием факела плазмы. Частицы эжектированного кремния участвуют в формировании плазмы ионов кремния и атмосферных газов, обеспечивая процесс плазмо-химического роста SiO2. Установлен диапазон режимов сканирования пучка, в котором наблюдается рост слоя SiO2. Начиная со скорости сканирования 2000 мм/с, наличие факела визуально не фиксируется, прекращается образование оксида кремния, а в результате разрушения кремния образуются частицы кремния

нанометровых размеров. При этом разрушение кремния сопровождается звуками разной частоты, зависящей от скорости сканирования. Практическая значимость. Впервые показано, что на абляцию поверхности монокристаллов кремния существенно влияют такие характеристики процесса лазерного облучения, как скорость сканирования лазерного пучка и перекрытие линий сканирования. Выявлены режимы сканирования лазерного пучка импульсного иттербиевого волоконного лазера с длиной волны λ = 1062 нм, обеспечивающие

1. Вейко В.П., Дышловенко С.С., Скворцов А.М. Лазерное микроструктурирование поверхности кремния / Диагностика и функциональный контроль качества оптических материалов. Часть 2. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 138–153.

2. Eliseev P.G., Krokhin O.N., Zavestovskaya I.N. Nonlinear absorption mechanism in ablation of transparent materials by high power and ultrashort laser pulses // Applied Surface Science. 2005. V. 248. N 1–4. P. 313–315. doi: 10.1016/j.apsusc.2005.03.063

3. Zavestovskaya I.N., Eliseev P.G., Krokhin O.N., Men'kova N.A. Analysis of the nonlinear absorption mechanisms in ablation of transparent materials by high-intensity and ultrashort laser pulses // Applied Physics A: Materials Science and Processing. 2008. V. 92. N 4. P. 903–906. doi: 10.1007/s00339-008-4609-9

4. Veiko V.P., Skvortsov A.M., Sokolov V.I., Tung P.Q., Khalecki R.A., Efimov E.I. Effect of laser irradiation on the structures properties such as SiO2/Si // Proceeding of SPIE – The International Society for Optical Engineering. 2011. V. 7996. Art. 79960S.

5. Veiko V.P., Skvortsov A.M., Sokolov V.I., Quang Tung Pham, Khalecki R.A., Efimov E.I. Effect of laser irradiation on the structures properties such as SiO2/Si // Proc. SPIE – The International Society for Optical Engineering. 2010. V. 7996. Art. 79960S.

6. Bauerle D. Laser Processing and Chemistry. 4th ed. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. 851 p. doi: 10.1007/978-3-642-17613-5

7. Банишев А.Ф., Голубев В.С., Кремнев А.Ю. Генерация и накопление дислокаций на поверхности кремния при воздействии импульсно-периодического излучения YAG: Nd-лазера // Журнал технической физики. 2001. Т. 71. № 8. С. 33–38.

8. Банишев А.Ф., Павлов А.М. Формирование структур дислокаций в приповерхностном слое кремния под воздействием лазерного излучения с микроструктурированным распределением интенсивности // Физика и химия обработки материалов. 2008. № 6. С.11–17.

9. Банишев А.Ф., Голубев В.С., Кремнев А.Ю. Разрушение поверхности кремния в твердой фазе при воздействии импульсов YAG:Nd-лазера // Квантовая электроника. 1998. Т. 25. № 10. С. 941–944.

10. Скворцов А.М., Вейко В.П., Хуинь Конг Ту. Применение импульсного волоконного лазера для микроструктурирования системы SiO2/Si // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 5 (81). С. 128–133.

11. Скворцов А.М., Хуинь Конг Ту, Халецкий Р.А. Механизм микроструктурирования системы SiO2/Si при облучении сканирующим пучком импульсного волоконного лазера // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 3 (85). С. 137–143.

12. Плюснина И.И. Инфракрасные спектры минералов. М.: МГУ, 1967. 139 с.

13. Budhani R.C. et al. Structural order in Si–N and Si–N–O films prepared by plasma assisted chemical vapor deposition process // Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 1987. V. 5. N 4. P. 1644 –1648.

14. Zhigilei L.V., Yingling Y.G., Itina T.E., Schoolcraft T.A., Garrison B.J. Molecular dynamics simulations of matrix assisted laser desorption – connections to experiment // International Journal of Mass Spectrometry. 2003. V. 226. N 1. P. 85–106. doi: 10.1016/S1387-3806(02)00962-4

15. Zhigilei L.V., Leveugle E., Garrison B.J., Yingling Y.G., Zeifman M.I. Computer simulations of laser ablation of molecular substrates // Chemical Reviews. 2003. V. 103. N 2. P. 321–347. doi: 10.1021/cr010459r

16. Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов. Киев: Наукова думка, 1978. 352 с.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License