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激光辐射硅表面波纹形成的分析与研究

来源:诚信论文网     更新时间:2008-10-03      文字:[    ]
激光辐射硅表面波纹形成的分析与研究
【诚信论文工作室创作(发表的职称论文),未经容许不得转载
   摘要:本文通过实验中改变激光辐射硅材料Si(100)表面的脉冲个数,研究激光辐射材料的参数对波纹形成的影响,分析材料表面波纹的形成过程。 激光功率固定一定,脉冲个数太少时,材料表面出现烧痕但没有波纹;随着增加脉冲个数的增加,表面出现环行区域波纹,甚至中心出现中央区域波纹;脉冲个数太多,波纹结构破坏,出现孔结构。选用Si(100)作为实验材料,在激光功率一定的条件下,改变脉冲个数,对硅表面进行辐射,并通过原子力显微镜AFM观测辐射后的表面形貌,研究分析表面波纹结构的形成过程和条件。
    关键词:激光;表面波纹;Si ;原子力显微镜;脉冲个数
 
1 引言
    近年来激光加工的应用日益广泛,人们对激光与材料相互作用破坏的机理和效应的研究日益深入,很多研究者在实验中发现:当激光辐射材料半导体表面的功率密度在该材料的损伤阈值附近时会形成周期性、永久性的表面波纹(LIPSS)。波纹出现的规律很难掌握,如波纹的形状、周期、取向等变化较大,另外波纹的形成还与材料特性,材料熔融冷却后再固化有关,目前对波纹现象尚没有统一完整的理论解释。Bimbaum于1965年研究了在脉冲红宝石激光系统中,调Q用的各种半导体材料表面发生光栅样损伤图案,之后相似的条纹也曾在其它激光辐照实验中出现,
 
 
2 实验装置
    激光辐射硅材料Si(100)表面产生波纹的实验装置为美国Clark公司生产的CPA-2110i飞秒激光系统如图1所示。系统由以下为四部分构成:(1)飞秒激光器,由泵浦激光源和飞秒超快谐振腔等组成。(2)光束导向系统,包括对飞秒光束的滤光、衰减和扩束,最后通过一个大数值孔径的物镜将激光束聚焦到样品中。加工光束的通断由光路中的光闸通过计算机控制来实现。(3)用于实现三维扫描的移动平台,该平台动作由计算机控制,微米级的移动精度保证了曝光点的准确定位。(4)实时监测部分。激光聚焦及焦点处材料所发生的变化可通过CCD进行实时监测。实验中使用的激光器发出波长775nm,脉冲宽度150fs,重复频率1KHz的飞秒脉冲激光。应用能量衰减器(Attenuator)实现对激发功率的调节。通过激光功率计实测物镜输出端的功率值。用原子力显微镜(AFM)观察激光辐照实验样品后表面波纹的结构和形貌特征。
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3 实验结果与分析
    在激光功率固定为0.25mW的情况下,改变脉冲个数,辐射硅表面,图2是利用AFM测得波纹形成过程中的形貌特征。当脉冲个数N=1时,激光开始烧蚀材料但没有出现波纹;当N=5时,烧蚀区域开始出现第一种波纹,即图2 (b)的环形区域波纹,波纹间距约为739nm,各波纹深度有规律变化,此变化与飞秒激光光强的高斯分布曲线相一致,最深处可以达到130.7 nm;当N=10时,烧蚀区域中间开始出现第二种波纹,即图2(c)的中央区域波纹,但第一种波纹仍存在,第二种波纹的走向与第一种波纹走向接近正交,且波纹宽度比第一种要宽,约为1.45μm,深度也比第一种波纹深些,深度约为198nm;当N=50时,第二种波纹被逐渐破坏,中间出现烧蚀孔,孔深约为670nm。可见随着脉冲数的增加,波纹结构被破坏,逐渐形成了孔。
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Fig.2  AFM micrographs of the surface of Si material irradiated by pulsed laser
                       图2 硅表面经过脉冲激光辐射的AFM照片
    材料光学表面产生波纹的起因是激光辐照在材料缺陷或尘埃粒子上的散射。由于散射光与入射激光都是相干的,彼此干涉后,受到调制的光辐照在材料表面上形成干涉图案。在材料的光滑表面上,可以观察到等间距的平行条纹。在线偏振光垂直辐照下,环形区域的波纹间距接近激光波长,且波纹走向垂直于激光偏振方向。由于这两个性质,通常认为波纹是由于入射波与散射波干涉,造成表面非均匀能量沉积而形成的。
    波纹的形成还与材料特性,材料熔融冷却后再固化有关。当脉冲激光对硅材料的辐照强度远远高于熔化阈值时,就会发生均匀的熔化,而熔化温度的横向变化所产生的力,将波纹固定在硅材料表面上。液体的表面张力随着温度的升高而减小,而且液体有从较热的区域向较冷的区域扩张的趋势。因此,脉冲激光辐照硅材料表面产生凸凹状形变波纹。
    实验现象验证了理论解释。即受到调制的光辐照在材料表面上形成波纹的基本过程是:在激光辐照下材料熔化,产生形变,然后又重新固化,形变也随之“冻结”。产生形变的机理与吸收的光通量以及材料特性有关。表面形变是最常见,也是最有效的散射体,但是“潜藏的”图形,像晶格温度或自由载流子密度的横向变化,似乎也可能导致某种程度的散射,即使对光滑的表面也是如此。无论初态如何,来自不同散射源的散射场总要发生相互作用,波纹的衍射又产生二次波纹。最后的图形包含在几个间隔频率上的傅里叶分量中。这样,一旦一种条纹被刻在材料表面上,它就能长久地与后续光波相干,使入射激光完全地或部分地叠加在上面。
    通过波纹的形成原因与形成过程的讨论,可以得出波纹的几个形成条件:激光能量应在激光与材料作用阈值附近,过高的能量会直接破坏波纹;单脉冲作用没有看到类似波纹形成,适当的脉冲作用于材料表面产生波纹,过量的脉冲作用于材料表面也会破坏波纹结构。
 
参考文献:
[1] J. Bonse∗, S. Baudach, J. Krüger et al., Femtosecond laser ablation of silicon-modification thresholds and morphology, Appl. Phys. A, 2002, 74:19-25
[2] J. Bonse, M. Munz, H. Stum, Structure formation on the surface of indium phosphide irradiated by femtosecond laser pulses, J. Appl. Phys., 2005, 97:13538-1-9
[3] J. F. Young, J. S. Preston, H. M. Van Driel et al., Laser induced periodic surface structure. Ⅱ: experiments on Ge, Si, Al and brass [J]. Phys. Rev. B, 1983, 27(2):1155-1172
[4] J. J. Yu, Y. F. Lu, Laser engineered rippling interfaces for developing microtextures, adherent coatings and surface coupling [C]. SPIE, 1999,3898: 252-262
[5] J. J. Yu, Y. F. Yu, Effects of rapid thermal annealing on ripple growth in excimer laser-irradiated silicon-dioxide/silicon substrates [J]. Applied Surface Science, 2000, 154-155 670-674
[6] N. C. Kerr, B. A. Omar, S. E. Clark et al., the topography of laser-induced ripple structures, J. Phys. D: Appl. Phys., 1990, 23:884-889
[7] Amit Pratap Singh, Avinashi Kapoor, K. N. Tripathi et al., Ripples and grain formation in GaAs surfaces exposed to ultrashort laser pulses, Optics & Laser Technology, 2002, 34:533-540
 

 


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