193 nm 紫外激光對(duì)單晶硅的損傷特性研究*

王 璽，雷武虎，張永寧，王畢藝，李 樂(lè)

（1.國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037；2.國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院先進(jìn)激光技術(shù)安徽省實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037；3.電磁空間安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300308；4.中國(guó)人民解放軍94639 部隊(duì)，安徽 六安 237000）

0 引言

單晶硅是計(jì)算機(jī)芯片、自動(dòng)控制和信息處理、光電轉(zhuǎn)換、人工智能等領(lǐng)域中常用半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域［1-4］。與紅外激光相比，波長(zhǎng)更短的紫外激光優(yōu)勢(shì)在于單光子能量高、靶耦合效率高以及衍射光斑小等，波長(zhǎng)更短的深紫外激光特別適合于未來(lái)空間作戰(zhàn)。如在193 nm 紫外波段，激光脈沖能量大于600 mJ，是200 nm 以下波段中唯一可以大功率輸出的激光［5］。因此，研究波長(zhǎng)更短的紫外激光對(duì)半導(dǎo)體單晶硅的損傷問(wèn)題具有重要的應(yīng)用價(jià)值［6-9］。本文主要開(kāi)展了193 nm 紫外激光對(duì)單晶硅的損傷實(shí)驗(yàn)，通過(guò)表面損傷形貌和數(shù)值模擬分析，討論了193 nm 紫外激光對(duì)單晶硅的損傷閾值和機(jī)理。

1 193 nm 激光輻照單晶硅材料表面損傷實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示，主要由193 nm ArF 準(zhǔn)分子激光器、激光能量計(jì)、聚焦透鏡、衰減片、分光鏡與二維移動(dòng)平臺(tái)等組成。激光脈沖寬度約為25 ns，激光重復(fù)頻率為1 Hz，最大單脈沖能量可達(dá)600 mJ，輸出激光呈矩形光斑。實(shí)驗(yàn)中對(duì)損傷樣品的測(cè)試采用 1-on-1 和S-on-1 的方法。1-on-1 是樣品上的每個(gè)照射點(diǎn)只受到一個(gè)激光脈沖照射時(shí)，無(wú)論照射點(diǎn)是否發(fā)生損傷，將樣品移動(dòng)到下一個(gè)沒(méi)有被照射的點(diǎn)，然后增加激光的能量密度繼續(xù)照射。S-on-1 為多脈沖損傷，是在樣品同一個(gè)點(diǎn)上用相同激光能量密度的多脈沖激光進(jìn)行輻照，然后移動(dòng)至下一個(gè)沒(méi)有被照射的點(diǎn)進(jìn)行多脈沖照射，實(shí)驗(yàn)中每一個(gè)點(diǎn)的排布和1-on-1 一樣，S是每個(gè)點(diǎn)輻射的脈沖數(shù)目。根據(jù)ISO21254 國(guó)際激光損傷判定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)中采用Nomarski 微分干涉相襯顯微鏡（DIC）觀察材料的損傷情況。193 nm 紫外激光經(jīng)過(guò)整形聚焦后為直徑1 mm 的圓形光斑。

圖1 193 nm 紫外激光損傷單晶硅的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 為激光能量密度分別為1 J/cm2、2.9 J/cm2、10.2 J/cm2時(shí)，單脈沖激光對(duì)單晶硅表面的損傷形貌。整個(gè)損傷光斑邊緣非常齊整，材料表面產(chǎn)生了明顯的熔融損傷和應(yīng)力損傷，中心有明顯的熔融燒蝕，邊緣更多是縱橫交錯(cuò)的裂紋；隨著激光能量密度增加，損傷區(qū)域逐漸擴(kuò)大，熔融燒蝕的痕跡也更加細(xì)密，損傷坑邊緣能看出噴濺痕跡，整個(gè)損傷坑熔融損傷和應(yīng)力損傷縱橫交織，形成明顯的網(wǎng)狀損傷結(jié)構(gòu)，這可能是由激光損傷過(guò)程中形成的彈性波源產(chǎn)生的表面橫向波造成的。該橫向波沿溫度梯度分布，從高溫區(qū)向低溫區(qū)擴(kuò)散，在橢圓損傷坑外沿上形成了駐波節(jié)線，使其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加明顯，這一特點(diǎn)與文獻(xiàn)［10］中248 nm激光對(duì)單晶硅的損傷形貌幾乎相同。

圖2 DIC 顯微鏡觀察單脈沖激光對(duì)單晶硅表面的損傷形貌

圖3 為激光能量密度為10.2 J/cm2時(shí)，脈沖數(shù)分別為5、10、20 個(gè)激光對(duì)單晶硅表面的損傷形貌。5 個(gè)激光脈沖時(shí)，單晶硅表面已經(jīng)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的熔融和應(yīng)力損傷，損傷區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的濺射物痕跡，邊緣變得不再齊整，而是有了向外噴濺擴(kuò)張的趨勢(shì)。隨著脈沖數(shù)的增加，損傷程度進(jìn)一步加深，中心處呈現(xiàn)出大范圍的波浪狀熔融燒蝕痕跡，推測(cè)這是由高溫熔融狀態(tài)下的液體硅沸騰形態(tài)在冷卻后形成的，損傷外圍產(chǎn)生了層次分明的噴濺現(xiàn)象和環(huán)狀裂紋。

圖3 DIC 顯微鏡觀察不同脈沖數(shù)激光對(duì)單晶硅表面損傷形貌（激光能量密度為10.2 J/cm2）

從總體趨勢(shì)來(lái)看，隨著脈沖數(shù)增多，單晶硅表面損傷程度不斷加深，損傷區(qū)域邊緣不規(guī)則程度明顯增加，并形成向外圍噴射飛濺的波浪形損傷形貌，最初的應(yīng)力損傷裂紋被覆蓋，熔融損傷逐漸成為主要損傷樣式。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，193 nm 紫外激光對(duì)單晶硅的損傷機(jī)理主要為熱力耦合。單晶硅的化學(xué)鍵能為1.82 eV，而193 nm紫外激光單光子能量為6.43 eV，遠(yuǎn)超Si-Si 鍵鍵能，193 nm紫外激光很容易對(duì)單晶硅造成嚴(yán)重的損傷，使得Si-Si 鍵吸收193 nm 單光子能量產(chǎn)生斷裂，在熔融和應(yīng)力損傷的共同作用下，形成了實(shí)驗(yàn)所見(jiàn)的燒蝕熔融、裂紋、液狀物飛濺、邊緣不規(guī)則擴(kuò)散等損傷形貌。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 理論模型

利用有限元法分析193 nm 紫外激光輻照下單晶硅的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布。在空間建立二維坐標(biāo)系roz，圓形片狀單晶硅半徑R=10 mm，厚度H=0.1 mm，其圓心位于坐標(biāo)系原點(diǎn)O，激光束I0沿z軸方向聚焦后輻照于單晶硅片表面，形成光斑半徑r=0.5 mm 的圓形光斑，激光脈沖寬度為25 ns。理論模型如圖4 所示。

圖4 理論模型

單晶硅的材料參數(shù)如表1 所示。

單晶硅視為各項(xiàng)同性均勻材料，在激光輻照中熱傳導(dǎo)過(guò)程用如下方程表示：

式中，ρ為硅的密度，c為比熱容，T為硅表面瞬時(shí)溫度，k為熱導(dǎo)率，Q為體積熱源。熱源Q可以表示為：

式中，R為193 nm 激光反射率，α為激光吸收系數(shù)。

式中，I0為激光峰值功率，ω為激光光斑半徑。邊界條件為：

初始溫度為：

設(shè)整個(gè)模型處于真空環(huán)境中，激光脈沖的持續(xù)時(shí)間很短，因此可以忽略熱輻射和熱對(duì)流的影響。

2.2 損傷閾值

圖5 為激光能量密度為0.71 J/cm2時(shí)，單脈沖作用下單晶硅的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布情況。在一個(gè)激光脈沖輻照下，模型表面最高溫度剛好達(dá)到硅材料熔點(diǎn)1 680 K，如圖5 （a）所示，此時(shí)將產(chǎn)生熔融損傷，可認(rèn)為熔融損傷閾值即為0.71 J/cm2。由圖5 （b）可知，單晶硅表面溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，硅片表面激光輻照中心處最大應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了854 MPa，超過(guò)了硅的最大抗拉強(qiáng)度500 MPa，將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力損傷，由此說(shuō)明應(yīng)力損傷發(fā)生在熔融損傷之前。當(dāng)激光能量密度為0.415 J/cm2時(shí)，在一個(gè)激光脈沖輻照下單晶硅表面熱應(yīng)力剛好達(dá)到其抗拉強(qiáng)度500 MPa，如圖6 所示，此時(shí)硅片表面恰好產(chǎn)生應(yīng)力損傷，可認(rèn)為熱應(yīng)力損傷閾值即為0.42 J/cm2。此時(shí)硅片表面最高溫度為1 109 K，還未達(dá)到硅材料的熔點(diǎn)1 680 K，不會(huì)產(chǎn)生熔融損傷。

圖5 激光能量密度為0.71 J/cm2時(shí)模型溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布情況

圖6 激光能量密度為0.42 J/cm2時(shí)模型溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布情況

從模擬結(jié)果可以看出，激光輻照下單晶硅溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)均呈現(xiàn)出由表面至底部遞減的分布態(tài)勢(shì)，單晶硅模型表面溫度最高，受到的應(yīng)力最大，底部溫度最低，受到的應(yīng)力最小。模型表面光斑中心處溫度和應(yīng)力隨輻照時(shí)間的增加而逐漸升高。從損傷閾值上可以看出，193 nm 紫外激光輻照單晶硅，首先產(chǎn)生應(yīng)力損傷，其次才是熔融損傷。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)展了193 nm 紫外激光對(duì)單晶硅的損傷實(shí)驗(yàn)，觀察分析了材料表面的損傷形貌，建立了193 nm紫外激光損傷單晶硅的理論模型，分析了材料的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布，計(jì)算得到了193 nm 紫外激光對(duì)單晶硅的損傷閾值，討論了193 nm 紫外激光對(duì)單晶硅的損傷機(jī)理。實(shí)驗(yàn)研究表明，193 nm 紫外激光對(duì)單晶硅的損傷機(jī)理主要為熱力耦合，應(yīng)力損傷先發(fā)生，材料表面呈現(xiàn)出明顯的燒蝕狀的熔融損傷和裂紋狀的應(yīng)力損傷，整個(gè)損傷區(qū)域邊緣齊整。在能量密度低或脈沖數(shù)較少的情況下，2 種損傷形貌區(qū)別明顯，而在較高能量密度和多脈沖的情況下，熔融損傷逐漸占據(jù)主導(dǎo)，整個(gè)材料表面呈現(xiàn)出波浪狀的燒蝕形貌，并且損傷邊緣也出現(xiàn)了明顯的液體飛濺現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果表明，193 nm 紫外激光對(duì)單晶硅的熔融損傷閾值為0.71 J/cm2、熱應(yīng)力損傷閾值為0.42 J/cm2。