飛秒脈沖激光輻照半導(dǎo)體材料的熱/力特性

韓雅菲，吉鴻飛，賀麗萍

（1.遼寧省瞬態(tài)物理力學(xué)與能量轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，應(yīng)用需求不斷提高，器件的加工需要具備更高的分辨率。飛秒脈沖激光作用時(shí)間與能量弛豫時(shí)間短，靶板熱影響區(qū)域小[1]，可以有效改善靶板殘余應(yīng)力與應(yīng)力損傷情況。因此，研究飛秒脈沖激光輻照半導(dǎo)體材料的熱/力特性在材料的精密加工、低溫加工等方面具有重要價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)飛秒脈沖激光作用固體材料的力/熱效應(yīng)開(kāi)展了許多研究。D P Korfiatis[2]利用雙溫模型仿真計(jì)算得到了閾值隨脈寬的增加呈冪增長(zhǎng)的結(jié)論。黎小鹿[3]研究了飛秒激光輻照下半導(dǎo)體表面的熱效應(yīng)。李志明[4]對(duì)飛秒激光作用單晶硅材料進(jìn)行數(shù)值模擬，得到硅的電子溫度、晶格溫度等隨入射能量強(qiáng)度的變化規(guī)律。Ashkin A[5]利用單光束成功觀測(cè)到聚焦激光束的力學(xué)效應(yīng)。林曉初[6]利用壓電探測(cè)器和超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀構(gòu)成的應(yīng)力/應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)得到了激光脈沖作用靶板的應(yīng)力/應(yīng)變過(guò)程。認(rèn)為實(shí)驗(yàn)條件下飛秒脈沖激光脈沖加載的瞬態(tài)應(yīng)力為GPa級(jí)。

激光輻照材料產(chǎn)生的熱效應(yīng)具有幾何尺寸小、隱藏在材料內(nèi)部等特點(diǎn)，且常規(guī)的應(yīng)力測(cè)量方法易受固體表面溫度的影響，因此實(shí)驗(yàn)采取非接觸式測(cè)量的方式研究飛秒脈沖激光輻照材料的熱/力演化過(guò)程。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在遼寧省瞬態(tài)物理力學(xué)與能量轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，飛秒激光輻照單晶硅靶板的熱/力特性測(cè)量系統(tǒng)由一臺(tái)飛秒脈沖激光器、兩臺(tái)高速攝像機(jī)、兩臺(tái)紅外熱像儀、同步測(cè)量電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)終端組成。利用紅外熱像儀獲得單晶硅表面溫度演化過(guò)程，利用高速攝像機(jī)組成DIC測(cè)量系統(tǒng)獲得單晶硅表面的應(yīng)力/應(yīng)變演化過(guò)程。

激光器輸出的最大頻率為1 000 Hz，單脈沖的平均能量為3 mJ。激光脈沖持續(xù)時(shí)間為100 fs，波長(zhǎng)為780 nm。使用焦距200 mm的凸透鏡將激光能量聚焦在硅片靶板中央。單晶硅靶板半徑為25 mm，厚度為1 mm。圖1為實(shí)驗(yàn)的加載測(cè)試系統(tǒng)與靶板實(shí)物圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)的加載測(cè)試系統(tǒng)與靶板實(shí)物圖

2 結(jié)果及分析

2.1 飛秒脈沖激光輻照單晶硅的中心溫度演化

飛秒脈沖激光輻照單晶硅，用紅外熱像儀記錄激光燒蝕單晶硅的溫度場(chǎng)演化過(guò)程（采樣頻率為115 Hz）。激光的輻照位置在紅外熱像儀中如圖2所示。

圖2 紅外熱成像儀中的單晶硅靶板

由圖2可知，激光輻照單晶硅晶圓靶板時(shí)，溫度呈高斯分布，由于靶板為均質(zhì)材料，各向同性，各個(gè)方向激光吸熱能力相同；面向光源的靶板在相同時(shí)刻的熱影響區(qū)域大于后靶板。

圖3為激光輻照單晶硅靶板時(shí)，靶板表面最高溫度的演化。當(dāng)t＜0.5 s時(shí)，靶板前后表面溫度差快速增大；當(dāng)t＞0.5 s時(shí)，前靶板的溫度產(chǎn)生較大的振蕩；靶板后表面則呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的趨勢(shì)。由熱傳導(dǎo)定律可知：飛秒脈沖激光燒蝕單晶硅，能量進(jìn)入單晶硅內(nèi)部，溫度快速上升，靶板背面幾乎只受熱傳導(dǎo)影響，溫度上升緩慢；到達(dá)t=0.5 s時(shí)刻，單晶硅表面被激光燒蝕，能量進(jìn)入靶板內(nèi)部，快速加熱坑內(nèi)單晶硅、擊穿焦點(diǎn)處空氣，產(chǎn)生了材料的汽化沖擊波和等離子體爆炸反應(yīng)，爆炸過(guò)后產(chǎn)生的稀疏波不斷帶走材料表面被加熱的單晶硅，因此單晶硅靶板表面的溫度呈現(xiàn)不斷震蕩上升并趨近于恒定溫度的過(guò)程。

圖3 靶板最高溫度的時(shí)程曲線

2.2 飛秒脈沖激光輻照單晶硅的應(yīng)力/應(yīng)變演化

利用DIC測(cè)量系統(tǒng)將隨機(jī)的散斑圖案噴涂于待測(cè)試件表面，通過(guò)圖像解析進(jìn)行變形和位移測(cè)量，得到單晶硅表面應(yīng)力/應(yīng)變。圖4為10 ms時(shí)刻靶板的徑向與環(huán)向應(yīng)變分布圖。

圖4 10ms時(shí)刻靶板的徑向與環(huán)向應(yīng)變分布圖

圖中圓點(diǎn)為單晶硅靶板的中心點(diǎn)，即激光輻照點(diǎn)。利用DIC測(cè)試軟件提取材料表面的徑向與環(huán)向應(yīng)變分布，提取位置如圖4中豎線所示

公式（1）為材料線彈性階段的應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系。經(jīng)計(jì)算得到飛秒脈沖激光輻照單晶硅靶板的徑向與環(huán)向應(yīng)力分布，如圖5所示。

圖5 單晶硅靶板的徑向與環(huán)向應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果表明飛秒脈沖激光輻照單晶硅，徑向應(yīng)力為MPa量級(jí)，呈壓應(yīng)力狀態(tài)，環(huán)向應(yīng)力約為徑向應(yīng)力的1/10，呈拉應(yīng)力狀態(tài)。隨著與輻照中心距離的增大，徑向應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建飛秒脈沖激光輻照單晶硅的熱/力特性測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輻照單晶硅過(guò)程中溫度、應(yīng)力應(yīng)變演化的測(cè)量，得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)飛秒脈沖激光輻照單晶硅靶板時(shí)，主要能量吸收過(guò)程表現(xiàn)為中心高溫區(qū)對(duì)能量的吸收；飛秒脈沖激光輻照單晶硅產(chǎn)生的汽化沖擊波和等離子體爆炸反應(yīng)不斷地帶走表面被加熱的單晶硅；激光輻照單晶硅產(chǎn)生的溫升效應(yīng)呈現(xiàn)不斷震蕩上升并逐漸趨于恒定的特征。

（2）飛秒激光輻照單晶硅產(chǎn)生的徑向熱應(yīng)力為壓應(yīng)力，數(shù)值為MPa量級(jí)。隨著與燒蝕中心距離的增加，應(yīng)力不斷減小。環(huán)向應(yīng)力為壓應(yīng)力，該值約為徑向應(yīng)力的1/10。

通過(guò)新的思路得到了激光燒蝕過(guò)程中材料表面溫度與應(yīng)力/應(yīng)變的演化，為材料的精密加工、低溫加工等方面提供支撐。不足之處：激光作用時(shí)與材料接觸的空間小，能量變化劇烈，但由于采樣率的限制，無(wú)法獲得單個(gè)脈沖作用前后材料表面溫度變化，需要采取新的實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行研究。