МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ПРИ ОДНОКРАТНОМ ОБЛУЧЕНИИ СДВОЕННЫМ ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ

Кузьмин Е.В., Поляков Д.С., Самохвалов А.А., Шандыбина Г.Д. Микроструктурирование поверхности кремния при однократном облучении сдвоенным фемтосекундным лазерным импульсом // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 3. С. 417–425. doi:10.17586/2226-1494-2019-19-3-417–425

Предмет исследования. Оценка возможности формирования периодических микроструктур на поверхности кремния за один сдвоенный фемтосекундный лазерный импульс. Метод. Использован экспериментальный метод сдвоенных фемтосекундных лазерных импульсов на основе интерферометра Майкельсона и теоретический метод численного моделирования процесса фотовозбуждения полупроводника в приближении диэлектрической проницаемости. Основные результаты. Представлены экспериментальные результаты по облучению поверхности монокристаллического кремния одним сдвоенным фемтосекундным лазерным импульсом вблизи порога абляции при различных временных задержках. Результаты анализа полученных оптических изображений поверхности лазерооблученного кремния сопоставлены с результатами теоретического моделирования процесса фотовозбуждения полупроводника на основе представлений теории поляритонов. Обоснована проблематичность формирования поверхностных периодических микроструктур на кремнии за один фемтосекундный лазерный импульс. Практическая значимость. Проведенное исследование полезно при выборе промышленно выгодных высокочастотных режимов фемтосекундного микроструктурирования поверхности полупроводников.

1. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. Л.: Машиностроение, 1982. 247 с.
2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005. 416 с.
3. Nayak B.K., Mool C.G. Ultrafast laser-induced self-organized conical micro/nano surface structures and their origin // Optics and Lasers in Engineering. 2010. V. 48. N 10. P. 966–973. doi: 10.1016/j.optlaseng.2010.05.009
4. Ming Z., Yin G., Zhu J-T., Zhao L. Picosecond pulse laser microstructuring of silicon // Chinese Physics Letters. 2003. V. 10. P. 1789–1791. doi.: 10.1088/0256-307X/20/10/338
5. Chichkov B.N., Momma C., Nolte S., von Alvensleben F., Tunnermann A. Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids // Applied Physics A. 1996. V. 63. N 2. P. 109– 115. doi: 10.1007/BF01567637
6. Kautek W., Kruger J. Femtosecond pulse laser ablation of metallic, semiconducting, ceramic and biological materials // Proc. SPIE. 1994. V. 2207. P. 600–611. doi: 10.1117/12.184768
7. Her T., Finlay R.J., Wu C., Deliwala S., Mazur E. Micro- structuring of silicon with femtosecond laser pulses // Applied Physics Letters. 1998. V. 73. N 12. P. 1673–1675. doi: 10.1063/1.122241
8. Sarnet T., Carey J., Mazur E. From black silicon to photovoltaic cells, using short pulse lasers // AIP Conference Proceedings. 2012. V. 1464. P. 219. doi: 10.1063/1.4739876
9. Dolgaev S.I., Lavrishev S.V., Lyalin A.A., Simakin A.V., Voronov V.V., Shafeev G.A. Formation of conical microstructures upon laser evaporation of solids // Applied Physics A. 2001. V. 73. N 2. P. 177–181. doi: 10.1007/s003390100530
10. Cunha A., Serro A.P., Oliveira V., Almeida A., Vilar R., Durrieu M. Wetting behaviour of femtosecond laser textured Ti–6Al–4V surfaces // Applied Surface Science. 2013. V. 265. P. 688–696. doi: 10.1016/j.apsusc.2012.11.085
11. Бонч-Бруевич А.М., Коченгина М.К., Либенсон М.Н., Макин В.С., Пудков С.Д., Трубаев В.В. Возбуждение поверхностных и волноводных мод интенсивным лазерным излучением и их влияние на характер поверхностного разрушения конденсированных сред // Изв. АН СССР. сер. Физ. 1982. Т. 46. № 6. C. 1186–1193.
12. Емельянов В.И., Земсков Е.М., Семиногов В.Н. Теория образования поверхностных решеток при действии лазерного излучения на поверхность металлов, полупроводников и диэлектриков // Квантовая электроника. 1983. Т. 10. № 12. C. 2389–2398.
13. Guk I.V., Kuzmin E.V., Shandybina G.D., Yakovlev E.B., Dyukin R.V., Kulagin V.S. Influence of multi-pulse action on the evolution of silicon microrelief under femtosecond laser irradiation // Journal of Optical Technology. 2017. V. 84. N 7. P. 462–466. doi: 10.1364/JOT.84.000462
14. Fraggelakis F., Mincuzzi G., Lopez J., Manek-Honninger I., Kling R. Texturing metal surface with MHz ultra-short laser pulses // Optics Express. 2017. V. 25. N 15. P. 18131–18139. doi: 10.1364/OE.25.018131
15. Bonse J., Baudach S., Kruger J., Kautek W., Lenzner M. Femtosecond laser ablation of silicon-modification thresholds and morphology // Applied Physics A. 2002. V. 74. N 1. P. 19–25. doi: 10.1007/s003390100893
16. Shugaev M.V., Gnilitskyi I., Bulgakova N.M., Zhigilei L.V. Mechanism od single-pulse ablative generation of laser-induced periodic surface structures // Physical Review B. 2017. V. 96. N 20. P. 205429. doi: 10.1103/PhysRevB.96.205429
17. Polyakov D.S., Yakovlev E.B. Modelling of heating and photoexcitation of single-crystal silicon under multipulse irradiation by a nanosecond laser at 1.06 μm // Quantum Electronics. 2018. V. 48. N 3. P. 255–262. 
18. Polyakov D.S., Yakovlev E.B. Influence of Burstein-Moss effect on photoexcitation and heating of silicon by short and ultrashort laser pulses at wavelength 1.06 μm // Applied Physics A. 2018. V. 124. N 12. P. 803. doi: 10.1007/s00339-018-2225-x
19. Derrien T. J-Y., Kruger J., Itina T.E., Holm S., Rosenfeld A., Bonse J. Rippled area formed by surface plasmon polaritons upon femtosecond laser double-pulse irradiation of silicon // Optics Express. 2013. V. 21. N 24. P. 29643–29655. 
20. Акципетров О.А., Баранова И.М., Евтюхов К.Н. Нелинейная оптика кремния и кремниевых наноструктур. М.: Физматлит, 2012. 544 с.
21. Sokolowski–Tinten K., von der Linde D. Generation of dense electron-hole plasmas in silicon // Physical Review B. 2000. V. 61. N 4. P. 2643–2650. doi: 10.1103/PhysRevB.61.2643
22. Либенсон М.Н. Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы в конденсированных средах и их взаимное влияние. СПб: Наука, 2007. 423 с.
23. Либенсон М.Н., Румянцев А.Г. Возбуждение светом цилиндрических поверхностных электромагнитных волн // Оптика и спектроскопия. 1986. Т. 60. № 4. С. 675.
24. Bonse J., Kruger J. Pulse number dependence of laser-induced periodic surface structures for femtosecond laser irradiation of silicon // Journal of Applied Physics. 2010. V. 108. N 3. P. 034903. doi: 10.1063/1.3456501
25. Tull B.R., Carey J.E., Mazur E., McDonald J.P., Yalisove S.M. Silicon surface morphologies after femtosecond laser irradiation // MRS Bulletin. 2006. V. 31. N 8. P. 626–633. doi: 10.1557/mrs2006.160
26. Gurevich E.L. On the influence of surface plasmon- polariton waves on pattern formation upon laser ablation
// Applied Surface Science. 2013. V. 278. P. 52–56. doi: 10.1016/j.apsusc.2013.01.103.

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