Влияние лазерного излучения на рельеф поверхности и однородность конденсированных сред при интенсивностях, близких к порогу лучевой прочности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

2 о ДО «97

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ИМ. Б.И.СТЕПАНОВА

УДК 535:621.375.8.004.14

ОСИПОВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ И . ОДНОРОДНОСТЬ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЩ ПРИ ИНТЕНСИВНОСТЯХ, - БЛИЗКИХ К ПОРОГУ ЛУЧЕВОЙ ПРОЧНОСТИ

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МИНСК - 1997

Работа выполнена в Институте физики им Б.И.Степанова Академии Наук Республики Беларусь

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ВАЛЯВКО В.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, МИНЬКО Л.Я.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ИВЛЕВ Г.Д.

Оппонирующая организация - Институт физики твердого тела

и полупроводников АНБ

Зашита состоится _. 1997 г. в 14.00 на

заседании совета по защите диссертаций в Институте физики им Б.И.Степанова АНБ по адресу: г.Минск, пр. Ф.Скорины, 68. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Б.И.Степанова.

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций доктор физ.-мат. наук, профессор

.А .Афанасьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Решение ряда технологических задач настоятельно требует создания новых лазерных систем, всесторонне использующих основные преимущества лазерного излучения, такие как высокие интенсивность, спектральная селективность, пространственная и временная когерентность. Очевидно, что при разработке подобных систем особую актуальность приобретают вопросы детального изучения физических механизмов взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердого тела при интенсивности излучения, близкой к порогу лучевой прочности.

По-прежнему актуальны исследования, направленные' на разработку эффективных методов повышения качества полупроводниковых материалов и создания высокоинтегрировзнных электронных приборов, необходимых для микроэлектронной промышленности, хорошо развитой в Республике Беларусь.

Специфика использования лазерного излучения для генерирования полупроводниковых монокристаллов,в частности антимонида индия, связанная с пороговым по энергии характером воздействия, заключается в необходимости детального исследования лучевой прочности поверхности этого материала в зависимости от его физико-химических параметров.

Воздействие мощного импульсного лазерного излучения на поверхность твердого тела, а также применение интерферометрических схем в лазерных системах зачастую приводят к формированию на обрабатываемой поверхности периодического распределения интенсивности излучения. При достижении пороговой величины в максимумах интенсивности происходят необратимые повреждения поверхности материала. Однако внерезонаторные способы получения периодических структур субмикронного размера, как правило, приводят к формированию структур с синусоидальным профилем, в то время как решение ряда технологических задач требует разработки лазерных способов получения структур штрихового характера. Поэтому представляет интерес исследование характеристик внутрирезонаторного взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердого тела, когда обрабатываемая поверхность является элементом оптического резонатора.

Использование явления многолучевой интерференции при внутри-резонаторном взаимодействии позволило получить высококонтрастные субмикронные периодические структуры на различных материалах. Подобный способ может быть применен в микроэлектронике при изготовлении полупроводниковых приборов с высокой степенью интеграции; в оптическом приборостроении для создания дифракционных решеток с помощью однократного импульса лазерного излучения, а также нанесения микрошкал, сеток и нониусов на различные оптические элементы и материалы.

Несомненная перспективность использования способа внутрирезо-наторной обработки поверхности твердого тела ставит задачи конструирования эффективных схем лазерных резонаторов и выбора оптимальных режимов воздействия. Такой выбор основывается на изучении и правильном учете всех многообразных явлений, возникающих при взаимодействии лазерного излучения с обрабатываемой поверхностью, используемой в качестве поворотного зеркала оптического резонатора при интенсивностях излучения, близких к пороговым для материала поверхности.

С точки зрения получения предельно узких штриховых структур весьма важным представляется изучение влияния модового состава формируемой на поверхности твердого тела периодической картины субмикронных штриховых повреждений. Это потребовало проведения специальных исследований в указанном направлении.

Приведенные в диссертационной работе результаты были получены в ходе выполнения работ по темам: "Оптика 2.55". "Регулярная и хаотическая динамика в оптике и лазерах", "Лазер 3.01". "Исследование внутрирезонаторных методов лазерной обработки поверхности оптических материалов", "Лазер 3.33". "Преобразование параметров световых и ультразвуковых пучков в процессе их взаимодействия в нелинейных кристаллах и полупроводниках".

Основная цель работы заключается в установлении физических закономерностей вне- и внутрирезонаторного взаимодействия импульсного лазерного излучения с поверхностью твердого тела, в том числе полупроводника, при интенсивностях, близким к пороговым для материала поверхности.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить задачи:

- исследования лучевой прочности поверхности монокристаллов анти-монида индия на длине волны 10,6 мкм в зависимости от концентрации свободных носителей;

- изучения эффективности лазерного генерирования поверхности монокристаллов полупроводников, в частности антимонида индия, посредством обработки излучением импульсного ТЕА-лазера на С02;

- выявления основных физических механизмов внутрирезонаторного взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердого тела;

- установления зависимости характеристических размеров периодических структур, формируемых на поверхности твердого тела в процессе внутрирезонаторной обработки, от модового состава используемого лазерного излучения.

Научная новизна полученных результатов:

1. Впервые изучена лучевая прочность монокристаллического антимонида индия в диапазоне концентраций свободных электронов от Ю14 до Ю18 см'3 при воздействии импульсного лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм.

2. Разработан оригинальный способ лазерного генерирования поверхности монокристаллов антимонида индия и других полупроводников посредством обработки импульсным лазерным излучением.

3. Впервые предложен способ внутрирезонаторной обработки поверхности твердого тела, и получены периодические структуры с характеристическими размерами, в десятки раз меньшими длины волны используемого лазерного излучения.

4. Впервые исследовано влияние модового состава лазерного излучения на характеристические размеры формируемых внутрирезонаторным методом периодических штриховых структур.

0 новизне полученных результатов свидетельствуют также четыре авторских свидетельства на изобретения и один патент Российской Федерации.

Практическая значимость предложенного способа лазерного гет-терирования полупроводниковых монокристаллов, в частности антимонида индия, заключается в возможности его применения для повышения однородности полупроводниковых материалов, используемых в микро-

электронике для создания электронных приборов высокой степени интеграции и в других случаях, когда требования к однородности особенно высоки.

Разработанный способ внутрирезонаторной обработки поверхности твердого тела может использоваться для формирования периодических штриховых субмикронных структур: а) в микроэлектронике при изготовлении сверхбольших интегральных схем; б) в оптическом приборостроении для производства дифракционных решеток, микрошкал, сеток; в) в точном машиностроении для прецизионного позиционирования рабочего инструмента относительно обрабатываемого изделия.

В связи с тем, что применение внутрирезонаторной обработки поверхности материалов позволяет в течение одного импульса лазерного излучения изготовить дифракционную решетку высокого качества, шкалу, сетку или нанести на поверхность заданный рельеф,результаты диссертации имеют большое экономическое значение и могут рассматриваться в качестве коммерческого продукта.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Лучевая прочность монокристаллического антимонида индия при воздействии лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм не зависит от концентрации свободных электронов в диапазоне 101Л-101В см"3.

2. Воздействие импульсов излучения TEA C0z-лазера с длиной волны 10,6 мкм на поверхность полупроводниковых монокристаллов, в частности, антимонида индия, благодаря специфике их формы, приводит к получению более высокой однородности полупроводникового материала по сравнению с термическими методами.

3. Внутрирезонаторное взаимодействие лазерного излучения с поверхностью твердого тела, основанное на использовании явления многолучевой интерференции, позволяет формировать периодические структуры с характеристическими размерами в десятки раз меньше длины волны применяемого лазера.

4. Повреждения обрабатываемой поверхности в виде системы резких равноотстоящих канавок могут быть сформированы только при использовании поперечной моды ТЕМ . Отношение ширины штрихов к

периоду штриховой картины, формируемой лазерным пучком со сложным набором продольных мод, зависит от ширины спектра лазерного излучения и длины резонатора и практически не зависит от угла поворота лазерного пучка.

Основные результаты получены автором самостоятельно. Научному руководителю принадлежат общая постановка задачи и обсуждение результатов экспериментов. Соавторы: Аронов А.С., Кеворков М.Н., Попков А.Н., Юрова Е.С. принимали участие в изготовлении экспериментальных образцов и обработке некоторых результатов по лазерному генерированию полупроводников. Соавтор Митьковец А.И. принимал участие в изготовлении экспериментального оборудования. Соавтор Мозго А.А. оказывал методическую помощь в проведении экспериментов по получению поверхностных периодических структур.

Основные результаты диссертации обсуждались на V Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград,I981), VI Всесоюзной конференции по оптике лазеров (Ленинград,1990), Международной конференции по современннм проблемам лазерной физики и спектроскопии (Гродно,1993), Международной конференции "Microelectronic Manufacturing'94" (Остин, США,

1994), Всероссийской конференции по лазерным технологиям (Шатура,

1995), Республиканской конференции по научному и аналитическому приборостроению (Минск, 1995), Всероссийской конференции по физике межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергии с твердыми телами (Нальчик,1995), Международной конференции "Microelectronic Manufacturing'96" (Остин, США, 1996), Международной конференции Material Research Society 1996 Fall Meeting (Бостон, США, 1996).

Результаты диссертации опубликованы в 7 научных статья!, 8 сборниках трудов и тезисов конференций, 4 авторских свидетельствах на изобретения и патенте Российской Федерации.

Диссертационная работа состоит из введения, общей.характеристики работы, пяти глав и выводов. Полный объем диссертации содержит 109 страниц, 29 иллюстраций и 4 таблицы. Список использованных источников включает 131 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В первой главе диссертации приведен обзор литературы по вопросам взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердого тела. Поскольку эта тема интенсивно исследуется на протяжении последних тридцати лет, в настоящее время накоплен обширный экспериментальный и теоретический материал. В этой связи, анализ литературных данных проведен, в первую очередь, с целью продемонстрировать современное состояние проблем взаимодействия импульсного лазерного излучения с поверхностью конденсированных сред при уровнях интенсивности излучения, близких к пороговым для материала поверхности.

В ряде работ отмечено, что при интенсивностях, достаточных для возникновения пробоя с образованием плазмы в области фокуса, происходит существенное увеличение коэффициента взаимодействия лазерного излучения с мишенью. При этом плазма поглощает некоторую часть падающего лазерного излучения и передает энергию этого излучения мишени в процессе газодинамического расширения.Хотя энергия, передаваемая лазером мишени, может увеличиваться за счет этого механизма, сна сообщается на большей площади, чем фокальное пятно большинства лазеров, тем самым снижается эффективность тепловых процессов в фокусе.

Особый интерес представляют результаты экспериментов с полупроводниковыми кристаллами. Воздействие мощных лазерных импульсов приводит к быстрой и высококачественной рекристаллизации аморфизи-рованных в результате ионной имплантации или других причин приповерхностных слоев полупроводников - происходит импульсный лазерный отжиг.

Как с научной, так и с прикладной точек зрения интерес к ла-зерно-индуцированным превращениям поверхности связан с выяснением конкретных режимов лазерных отжига или геттерирования полупроводников, достигаемых при этом уровней активации примеси, профилей ее распределения по глубине, изучением фотостимулированных процессов легирования, химического травления, образования соединений и т.д. Возможность приложения строго определенной порции энергии к малому объему вещества с помощью лазерного излучения открывает широкие возможности применения лазерных технологий в микроэлектронике.

В исследованиях импульсного лазерного воздействия на конденсированные среды важное место в последнее время заняла проблема возникновения упорядоченных поверхностных структур - оптически наведенных решеток. Описанные в литературе поверхностные периодические структуры (ППС) могут представлять собой одномерные, двумерные и более сложные синусоидальные модуляции рельефа поверхности с характерным периодом d ~ х, где х - длина волны лазерного излучения. Причиной образования ППС является возникновение периодически модулированного в пространстве светового поля, вследствие интерференции световой волны с волной, рассеянной реальной неоднородной поверхностью. При этом речь может идти не только о статических, но и о динамических (флуктуационных поверхностных волнах) неоднородностях. Естественно, что неоднородный нагрев приводит к неоднородному плавлению и испарению материала поверхности, тем самым создавая "замороженную" периодическую структуру.

Помимо чисто физических механизмов модуляции рельефа поверхности (шероховатость реальной поверхности, возбуждение поверхностных акустических или капиллярных волн), в специальных условиях к образованию ППС могут приводить и физико-химические механизмы, например, образование ППС при лазерном окислении, при лазерно-индуцированных пиролитическом и фотолитическом осаждении пленок на подложку, при пиролитическом и фотохимическом травлении поверхности материалов под действием лазерного излучения. Все эти процессы можно использовать для создания новой технологии нанесения на поверхность высококачественных дифракционных решеток. Другим важным практическим применением, связанным с резким возрастанием локальных полей вблизи гофрированной поверхности раздела, является повышение эффективности фотопреобразователей, в частности, усиление фотоответа в фотодиодах и увеличении КПД солнечных батарей.

Отметим также, что возможны аналогичные неустойчивости с образованием пространственно-периодических полей концентрации дефектов (вакансий, дислокаций, пор) или различных фаз (аморфной и кристаллической, металлической и диэлектрической с периодами d ~ х) в полупроводниковых и других моно- и поликристаллических' материалах.

Вторая глава посвящена обоснованию выбора принятого направления исследований, разработке общей методики проведения исследований по теме диссертации. Приведены принципы действия и характеристики разработанного экспериментального оборудования, оценки погрешностей измерений.

Основной объем экспериментальных исследований был выполнен при использовании в качестве источника излучения импульсного ТЕА-лазера на С02, работающего в режиме одиночных импульсов.

Лазерная кювета заполнялась газовой смесью состава СОг:К2:Не= =1:1:3 под давлением 0,5 атм. Размеры активного объема составляли 50x4x1,8 см3. Резонатор был образован вогнутым сферическим зеркалом из стали Х18Н9Т с радиусом кривизны 10 м и плоской отражательной дифракционной решеткой (100 штр/мм, угол блеска 33°20', коэффициент отражения в первом порядке - 81%), работавшей в автоколлимационном режиме. Для обратной связи использовался первый порядок дифракции,а выеод излучения из резонатора осуществлялся через нулевой порядок. Использование дифракционной решетки в качестве выходного зеркала резонатора позволяло настраивать лазер на любую из линий генерации в области 9,4 - 10,8 мкм. Часть экспериментов была выполнена с использование лазера на неодимовом стекле (длина волны излучения 1,0бмкм),работавшего в режиме свободной генерации.

В третьей главе представлены и проанализированы результаты исследований лучевой прочности во внерезонаторном режиме на длинах волн 1,06 и 10,6 мкм поверхности различных твердотельных материалов (стекло К8, А1-пленка, Се), а также монокристаллов антимонида индия в широком диапазоне концентраций свободных электронов и различной кристаллографической ориентации при воздействии импульсного излучения ТЕА-лазера на С02-

В качестве образцов ВтБЬ использовались тщательно отполированные и промытые этиловым спиртом плоскопараллельные пластинки толщиной 0,5 - I мм с кристаллографической ориентацией <Ш> и <211>, вырезанные из монокристаллических слитков (выращенных по методу Чохральского) антимонида индия п-типа с концентрацией свободных электронов от 1014 до 1018см~э.

Порог разрушения поверхности образцов фиксировался визуально по яркому свечению обрабатываемого участка поверхности образца и

появлению необратимых повреждений в виде оплавленных облаете! с четкой границей, в пределах которой хорошо заметно исчезновение следов обработки поверхности. При увеличении плотности мощности излучения до значений, в 1,5 - 2 раза превышающих пороговое, картина разрушения приобретала вид, характеризуемый появлением трещиь и мелких кратеров. При плотности мощности излучения, в 3-4 разг превышающей порог разрушения, происходила интенсивная эрозия поверхности материала по всей площади фокального пятна.

Помимо этого, в области разрушения впервые на монокристаллах n-InSb наблюдались повреждения с периодической структурой, период которых коррелирует с длиной волны лазерного излучения в кристалле, что свидетельствует об их интерференционном происхождении. При плотности мощности, близкой к пороговой, эти повреждения имели вид периодических оплавленных канавок, перпендикулярных электрическому вектору световой волны лазерного излучения.

Подобная картина разрушения может быть объяснена в рамках предложенной модели, основанной на интерференции падающей электромагнитной волны и возбуждаемой ею на границе с твердым телом поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ).

Повышение плотности мощности до значений, в 3-4 раза превышающих порог, приводило к локализации периодических повреждений вдоль трещин, образующихся на зеркальной поверхности полупроводника, что может быть обусловлено возбуждением ПЭВ на протяженном дефекте поверхности.

Анализ полученных результатов показывает, что в диапазоне электронных концентраций Ю1*- 101в см~э лучевая прочность антимо-нида индия на длине волны 10,6 мкм практически не зависит от концентрации свободных электронов и составляет величину 20±5 Мвт/см2, что хорошо согласуется с теоретическим значением, равным 22 Мвт/см2.

Не обнаружено заметного влияния кристаллографической ориентации <III> и <2П> образцов на величину лучевой прочности.

В четвертой главе рассмотрены собенности термообработки при генерирования точечных дефектов в полупроводниковых кристаллах. Предложено и экспериментально исследовано применение лазерных импульсов специфической формы для генерирования поверхности моно-

кристаллического антимонида индия.

Лазерное облучение является хорошо контролируемым способом генерирования точечных дефектов. Обратную сторону пластины подвергают высокоэнергетическому лазерному облучению для испарения ее микроскопических участков и образования мелких, близко расположенных друг от друга углублений, вызывающих генерацию нарушений кристаллической решетки и механических напряжений. Облучение производят перед диффузией и термообработкой, между ними или после них. После облучения пластины подвергают отжигу, достаточному для образования дислокаций вокруг нарушенных, напряженных областей и для диффузии подвижных точечных дефектов от рабочей стороны пластины до дислокаций на ее обратной стороне. При лазерном облучении-с энергией ниже пороговой происходит плавление поверхности. Расплавленная поверхность затем рекристаллизуется путем эпитаксии, поэтому генерации кристаллических дефектов не происходит. Лазерное облучение с энергией выше пороговой приводит к испарению материала поверхности, и дальнейшая рекристаллизация происходит уже с образованием поликристаллического полупроводника. Зерна поликристаллов разориентированы по отношению к монокристаллической подложке. На периферии облученной области образуются дефекты, подобные царапинам, дислокации, дефекты упаковки.

Нами проведена экспериментальная проверка предположения о том, что формирование неоднородности в легированном теллуром и нелегированном антимониде индия определяется образованием комплексов с участием точечных дефектов решетки. Изучены возможности улучшения однородности монокристаллов п-1пЗЬ путем облучения лазерным излучением с последующей термообработкой. При этом учитывалось, что лучевая прочность п-1пБЬ на длине волны 10,6 мкм составляет 20 МВт/см2 и существенно не зависит от концентрации носителей в диапазоне М1* - 10*всм~э.

Исследования проводились на монокристаллах п-1пЗР, как легированных теллуром, так и нелегированных, выращенных в направлениях (100), (III) и (211) с плотностью дислокаций ~ 0,3-2-102см"2. Образцы для исследования, имеющие вид прямоугольных параллелепипедов с размерами ~ 30x4x2 ммэ, вырезались вдоль диаметра слитков, выращенных по методу Чохральского.

Для обработки образцов использовалось излучение импульсных лазеров с длинами волн 10,6 и 1,06 мкм. Параметры лазеров: ТЕА-лазер на С02 (х=Ю,б мкм) обеспечивал импульсы излучения с энергией до 1,5 Дж и длительностью 150 не; лазер на неодимовом стекле с LIP-затвором обеспечивал импульсы излучения с энергией до 70 Дж и длительностью 2 мкс. Излучение ТЕА-лазера линейно поляризовано перпендикулярно направлению сканирования.

Ранее было показано, что оптимальным является воздействие соответствующее переходу от плавления к испарению, поэтому нами использовался достаточно широкий диапазон плотностей энергии: от 2,8 до 52 Дж/см2 при х=ю,6 мкм и от 56 до 116 Дж/см2 при х=1,0б мкм. Кроме того, при х=Ю,6 мкм применялись три режима сканирования сфокусированного луча лазера по образцу: I - продольное сканирование вдоль измерительной дорокки с шагом, равным радиусу фокального пятна (0,75 мм), поперечный шаг сканирования при этем составлял 1,5 мм; II - двукратное сканирование в продольном и поперечном направлениях с шагом сканирования равным 0,75 мм в обоих направлениях; III - аналогичен режиму II, но равномерность пространственного распределения энергии по фокальному пятну существенно повышалась путем использования внутрирезонаторной диафрагмы диаметром 6 мм. При х=1,06 мкм образец облучался несфокусированная пучком, сечение которого было сравнимо с размерами образца.

До облучения образцы шлифовались алмазным порошком MI4 и травились з СР-4А (HNO3:HF:CH3C00H=5:3:3) в течение 3-5 с. Для обеспечения распада комплексов в условиях повышенной плотности стоков на поверхности после облучения проводилась термообработка. В исходном и термообработанном материале проводились измерения неоднородности однозондовым потенциальным методом, погрешность которого ~ 8% и разрешение 100 мкм. Величина неоднородности материала образцов определялась как относительное среднеквадратичное отклонение измеряемого сигнала - 6. Кроме измерений неоднородности, измерялись интегральные величины концентрации(п) и подвижности (и) носителей заряда методом эффекта Холла.

С практической точки зрения лазерное генерирование, в отличие от обычной термообработки, также приводящей к снижению неоднородности, позволяет получить лучшую воспроизводимость величины неод-

нородности после термообработки. Так, термообработка монокристаллического InSb, выращенного в направлении (211), позволила получить среднюю величину микронеоднородаости образцов 3=14,3% при разбросе, рассчитанном как относительное среднеквадратичное отклонение значений 6., 66=30,8%. В то же время использование лазерного генерирования в режиме III при длине волны излучения 10,6 мкм позволяет снизить величину разброса более чем в 2 раза (&6=14,3% при 6=13,8%). При этом обращает на себя внимание близость величин S в обоих, случаях. По-видимому, они действительно могут быть интерпретированы как значение 0насЫщ> соответствующее полному распаду комплексов, определяющих неоднородность исходного материала. В соответствии с теоретической моделью величина 6насЦщ определяется неоднородностью остаточных доноров или теллура, которая фиксируется при выращивании кристалла и не должна зависеть, таким образом, от последующих его обработок. Это подтверждается близостью значений &, полученных при лазерном генерировании и обычной термообработке .

В пятой главе изложены результаты исследований особенностей внутрирезонаторного взаимодействия импульсного лазерного излучения с поверхностью твердого тела.

Для демонстрации возможности формирования резких периодических структур на оптических поверхностях, используемых в качестве зеркал лазерного резонатора, была применена оптическая схема, приведенная на Рис.1, где I - активная среда, 2 - 100%-отражающее вогнутое зеркало резонатора, 3 - поворотное зеркало (образец), 4 - 100%-отражающее концевое зеркало.

В качестве усиливающей среды использовался активный элемент ТЕА-лазера на С02- Вогнутое зеркало 2, выполненное из нержавеющей стали I2XI8H9T, имело радиус кривизны 10 м. В качестве зеркал 2 и 3 использовались подложки из стекла К8 (диаметром 40 мм и толщиной 10 мм) с напыленной на них пленкой алюминия толщиной 800 А°. Обрабатываемая подложка устанавливалась в качестве поворотного зеркала 3 на расстоянии 291 см от зеркала 2 (плечо 2-3) и на расстоянии 102 см от концевого плоского зеркала 4 (плечо 3-4). При напряжении на накопительной батарее более 14,5 кВ интенсивность импульсного лазерного излучения на поворотном зеркале 3 пре-

вышала пороговую величину 110 МВт/см2), что приводило к возникновению плазменного факела на поверхности данного зеркала. При этом повреждения поверхности зеркала имели вид системы резких равноотстоящих и параллельных штрихов(канавок).

Рис.1. Оптическая схема экспериментальной установки для исследования внутрирезонаторного формирования периодических структур на оптических поверхностях.

Измерение ширины штриха при помощи оптического микроскопа "Биолам-М" показало, что в изученном диапазоне углов а (определяемых конфигурацией лазерного резонатора) ширина штриха практически не зависела от а и не превышала 0,3 мкм. Конфигурация области повреждений, формируемой на обрабатываемом зеркале, определялась пространственной модовой структурой лазерного пучка. Использование круглой диафрагмы диаметром 12 мм, размещенной в 50 мм от окна лазерной кюветы, позволило получить область повреждений диаметром около 2 мм.

Дальнейшее исследование структуры повреждений поверхности подложек при внутрирезонаторной обработке производилось при помощи сканирующего электронного микроскопа модели "Напо1ар-7", производства фирмы "ОРТОИ" (Германия). На Рис.2а,б приведены фотографии повреждений в виде штриховых канавок, выполненные, соответственно, при увеличениях 2500х(Рис.2а) и 25000х(Рис.26).

Обращает на себя внимание высокая степень прямолинейности и

I

2

параллельности получениях штриховых канавок в совокупности с очень узкой шириной канавки (не более 0,25 мкм). При этом следует отметить, что длина волны лазера на С02 (х=10,6 мкм), применяемого для формирования подобных периодических структур, в данном случае более чем в 40 раз превосходит характеристический размер формируемой структуры (т.е. ширину канавки). Таким образом, использование интерференционных эффектов для определенных видов обработки поверхности материалов позволяет обойти стандартные дифракционные ограничения на минимальные размеры структур, формируемых при помощи лазерного излучения.

а) 5)

Рис.2. Вид штриховых структур при исследовании с помощью сканирующего электронного микроскопа "Ыапо1ар-Т" при увеличении: а) 2500х; б) 25000".

Параметры формируемой штриховой картины, например, размеры обрабатываемой области, расстояние между штрихами(период), отношение периода штриховой картины к ширине штрихов определялись длительностью и мощностью импульса лазерного излучения, а также характеристиками используемого лазерного резонатора. Период штриховой картины определяется формулой

й = \/2з1П(<*/2) (1)

где х-длина волны лазерного излучения; а-угол поворота лазерного пучка обрабатываемым зеркалом.

Наличие двух продольных мод с длинами волн и приводит к формированию двух штриховых картин с периодами с^ и с12, где й= Х1/2з1Л(а/2) и с12= х2/281п(а/2). Поскольку формиро-

ваше двух или более штриховых структур проявляется в уширении штрихов дй основной картины, которое можно оценить выражением:

дй/а % \/2Ъ * 5,3"10~в. (2)

Для использовавшегося ТЕА-лазера на С02 ушрение штрихов,формируемой на обрабатываемом зеркале картины штриховых повреждений, обусловленное продольными модами лазерного излучения составляет

(да/^прод* 100 \/2Ь = 5,3-Г О"4. (3)

Так как в большинстве экспериментов полученные штриховые картины характеризовались дй/й ~ 10~3, можно заключить, что влияние продольных мод на ширину штрихов в ранее рассмотренных условиях экспериментов является одним из существенных факторов, определяющих ширину штрихов и может стать преобладающим для длинноволновых широкополосных лазеров с короткими резонаторами, например, ТЕА-лазеров на С02 высокого давления.

Для оценки влияния поперечных мод лазерного излучения были проведены эксперименты с использованием ТЕА-лазера на С02 и различных конфигураций резонатора. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что картина формируемых на обрабатываемом зеркале повреждений, в основном, определяется модовой структурой лазерного пучка, генерируемого в конкретном лазерном резонаторе. При этом, повреждения обрабатываемой поверхности в виде системы резких равноотстоящих канавок формируются только при воздействии поперечной моды ТЕМоо, а поперечные моды более высокого порядка приводят к повреждениям в виде хаотического набора микрократеров.

Ширина канавок, формируемых на обрабатываемой поверхности, определяется интенсивностью лазерного импульса, параметрами резонатора и продольной модовой структурой лазерного пучка. Однако контрастность штриховой картины, формируемой лазерным пучком со сложным набором продольных мод, определяется, в первую очередь, шириной спектра лазерного излучения, длиной резонатора, коэффициентом отражения зеркал и практически не зависит от угла поворота лазерного пучка.

выводы

1. Показано,что в диапазоне концентраций свободных электронов

см'3 лучевая прочность антимонида индия на длине волны

+ 2

10,6 мкм составляет величину 20г5 МВт/см и практически не зависит от концентрации и кристаллографической ориентации.

2. Разработан оригинальный способ лазерного генерирования полупроводников, позволяющий, в частности, снизить более чем в 2 раза относительное среднеквадратичное отклонение значений микронеоднородности образцов монокристаллического 1пБЬ по сравнению с обычной термообработкой.

3. Предложен и экспериментально испытан оригинальный внутри-резонаторный способ создания периодических структур на поверхности твердого тела посредством формирования соответствующей многолучевой интерференционной картины на обрабатываемой поверхности, используемой в качестве поворотного зеркала оптического резонатора.

4. Показано, что повреждения обрабатываемой поверхности в виде системы резких равноотстоящих канавок формируются только при воздействии поперечной моды ТЕМоо. Ширина канавок, формируемых на обрабатываемой поверхности, определяется интенсивностью лазерного импульса, параметрами резонатора и продольной модовой структурой лазерного пучка. Однако контрастность штриховой картины, формируемой лазерным пучком со сложным набором продольных мод, определяется, в первую очередь, шириной спектра лазерного излучения, длиной резонатора, коэффициентом отражения зеркал и практически не зависит от угла поворота лазерного пучка.

СПИСОК

ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Валявко В.В., Кеворков М.Н., Осипов В.П., Попков А.Н. Лучевая прочность антимонида индия на длине волны 10,6 мкм // Вести АН БССР. Сер. физ.- матем. наук.- 1983.- N 6, с. 62-65.

2. А.с. 1336886 СССР, МКИ4 Н 01 Б 3/10. Лазер / В.В.Валявко, А.И.Митьковец,В.П.Осипов (СССР).- N 3969431/31-25; Заявлено 23.09. 85; Опубл. 30.10.88, Бюл. N 29.- 3 с.

3. Аронов А.С., Валявко В.В..Кеворков М.Н., Осипов В.П.,Юрова E.G. Лазерное генерирование монокристаллического n-InSb // Оптика лазеров. Сб. тезисов VI Всесоюзной конф.- Ленинград, 1990.- с. 454.

4. Аронов А.С., Валявко В.В..Кеворков М.Н., Осипов В.П.,Юрова E.G. Особенности лазерного генерирования монокристаллического n-InSb // Журн. Прикл. Спектр-И.- 1990.- N 6, с. 909-915.

5. А.с. I526413 СССР, МКМ4 G 02 В 5/18, 27/42. Способ нанесения шкал на оптическую поверхность / В.В.Валявко, В.П.Осипов (СССР).-N 44I8I84/24-10; Заявлено 03.05.88; Опубл. 20.07.91,Бкш. N 20.-2с.

6. А.с. 1623376 СССР, МКИ5 G 01 D 15/34. Способ нанесения штрихов на зеркальную поверхность / В.В.Валявко, В.П.Осипов (СССР).-N 4669242/24-10; Заявлено 28.03.89;Опубл. 30.03.92, Бюл. N 12.-2с.

7. ValyavKo V., Osipov V. Submicron-Size Laser Treatment of the Solid. State Surface.- Proceedings of Microelectronic Manufacturing' 94, 18-22 October.- Austin, Texas, USA.: SPIE, 1994.- Vol. 2335-34.- p. 130-133.

8. Валявко В.В., Осипов В.П., Мозго А.А. Внутрирезонаторное формирование субмикронных периодических структур // Ж.Прикл.Спектр-и.

- 1995.- т. 62, N I.- с. III-II6.

9. Валявко В.В., Мозго А.А., Осипов В.П. Лазерное формирование периодических структур на оптических поверхностях // Соврем, проблемы лазерной физики и спектроскопии. Тез. докл. мезд. конф.-Гродно, 1993.- с. 18-20.

10. Валявко В.В., Мозго А.А., Осипов В.П. Лазерное нанесение субмикронных структур на тонкопленочные покрытия // Лазерные технологии. Тез. Всерос. конф.- Москва, 1995.- с. 56.

11. Валявко В.В., Мозго А.А., Осипов В.П. Лазерный способ изготовления шкал,сеток и нониусов для точного приборостроения // Научнее и аналитическое приборостроение. Тез. Республ. конф.- Минск, 1995.

- с. 45-46.

12. Валявко В.В., Мозго А.А., Осипов В.П. Особенности внутрирезо-наторного взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердого тела // Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергии с твердыми телами. Тез. Всерос. конф.- Нальчик, 1995.

13. Пат. 2064667 РФ, МКИ6 G 01 J 9/02.

Способ измерения длины волны лазерного излучения / Валявко В.В., Осипов В.П.(РБ); Институт физики АНБ.- N 5040130; Заявл. 27.04.92; Опубл. 22.11.96; Бюд. N 43.- 3 с.

14. Валявко В.В., Осипов В.П. Влияние модового состава лазерного излучения на внутрирезонаторное формирование периодических поверхностных структур // Ж.Прикл.Спектр-и.- 1997,- т.64, N1.- с.58-62.

15. Valyavko V., Oslpov V. Mode Structure Laser Radiation Influence on the Surface Submlcron-Size Periodical Structures Producing .- Proceedings of Microelectronic Manufacturing'96, 16-18 October.-Austin,Texas,USA.: SPIE,1996,v.2877-20, pp.160-165.

16. Valyavko V., Oslpov V. Submicron-Size Solid-Surface Modification by Intracavity Laser Radiation Treatment.- Proceedings of the 1996 Pall Meeting of the Material Research Society, 2-6 December.-Boston, MA, USA.: Material Research Society, 1996.

P Э 3 Ю M E дысертацы! 0с1пава Уладз!м!ра Пятров1ча

УПЛЫУ ЛАЗЕРНАГА ВЫПРАМЯНЕННЯ НА РЭЛЬЕФ ПАВЕРХН1 I АДНАРОДНАСЦЬ

КАНДЭНСАВАНЫХ АСЯРОДДЗЯУ ПРЫ 1НТЕНС1УНАСЦЯХ, БЛ13К1Х ДА ПАРОГА

ПРАМЕНЕВАИ Ы0ЦНАСЦ1

Ключавыя словы: праменевая моцнасць пауправадн1коу, лазернае гетэ-рыраванне, лазерна-1ндуцыраванае форшраванне перыядычных паверх-невых структур, Унутрырэзанатарная апрацоука паверхн! цвердых цел.

Асно?ная мэта працы заключаецца у выявлены! ф!з!чных закона-мернасцей знешне- 1 унутрырезанатарнага узаемадзеяння лазернага выпрацянення з паверхняй цвердага цела, у там л!ку пауправадн!ка, пры 1нтенс!унасцях, як1я бл!зк1я да парогавых для матэрыяла паверхн!.

Экспериментальна установлена, ягго у дьшпазоне канцэнтрацый свабодных электрона? Ю1* - 1018см~3 праменевая моцнасць антыман!-да 1ндыя на даУжын! хвал! 10,6 мкм складае вел!чыню 20-5 МВт/см2 1 практична не залежыць ад канцзнтрацы! 1 крышталяграф!чнай арыен-тацы!.

Распрацаваны арыПнальны спосаб лазернаго гетэрыравання мона-крышталяу пауправодн1коур у прыватнасц! антыман1да 1ндыя выпрамя-неннем tипульснаго лазера с даужыней хвал! 10,6 мкм, як! дазваляе

зн!з!ць болей чыы у 2 разы адноенае сяреднеквадратычнае адх!ленне значзння? и!кранеаднароднасц! абразцо? ыонакрыштальнаго ТпБЬ у парауненн1 са звычайнай тэрыаапрацоукай.

Прапанаваны 1 экспериментальна даследаваны арыг1нальны ?нут-рырэзанатарны спосаб стварэння суби!кронных перыядычных структур на паверхн! цвердага цела шляхам форшравання адпаведнай шатпра-ыеневай !нтэрферэнцыйнай карц!ны на паверхн!, якая апрацовываецца I выкарыстовываецца У якасц! паваротнаго люстэрка аптычнаго рэза-натара. УстаноУлена, што шрыня штрыхавых пашкодаанняу, як! я фор-Шрувдца на люстэрку, якое апрацовываецца, вызначаюцца нодаввй етруктурай лазернаго пучка, як! генерыруецца у канкрэтным лазернам рэзанатары. Паказана, што аднос!на шырын! штрыхоу да перыяду штры-хавой карц!ны, якая форШруецца лазерным пучком са складаныы наборам прадольных мод, залежыць ад шырын! спектра лазернаго выпраыя-кення 1 даулын! рэзанатэра ! практычна не залеяыць ад вутала пава-рота лазернаго пучка.

РЕЗЮМЕ диссертации Осипова Владимира Петровича ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ И ОДНОРОДНОСТЬ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД ПРИ ИНТЕНСИВНОСТЯХ, БЛИЗКИХ К ПОРОГУ ЛУЧЕВОЙ ПРОЧНОСТИ

Ключевые слова: лучевая стойкость полупроводников, лазерное генерирование, лазерно-индуцированное формирование периодических поверхностных структур, внутрирезонаторная обработка поверхности твердых тел.

Основная цель работы заключается в установлении физических закономерностей вне- и внутрирезонаторного взаимодействия импульсного лазерного излучения с поверхностью твердого тела при интен-сивностях, близких к пороговым для материала поверхности.

Экспериментально установлено, что в диапазоне концентраций свободных электронов Ю14- Ю18 см'э лучевая прочность антимонида индия на длине волны 10,6 мкм составляет величину 20^5 МВт/см2 и практически не зависит от концентрации и кристаллографической ориентации.

Разработан оригинальный способ лазерного генерирования монокристаллов полупроводников, в частности антимонида индия, излучением импульсного лазера с длиной волны 10,6 мкм, позволяющий снизить более чем в 2 раза относительное среднеквадратичное отклонение значений микронеоднородности образцов монокристаллического InSb по сравнению с обычной термообработкой.

Предложен и экспериментально испытан оригинальный внутрирезо-наторный способ создания субмикронных, периодических структур на поверхности твердого. тела посредством формирования соответствующей многолучевой интерференционной картины на обрабатываемой поверхности, используемой в качестве поворотного зеркала оптического резонатора. Установлено, что ширина формируемых на обрабатываемом зеркале штриховых повреждений определяется модовой структурой лазерного пучка, генерируемого в конкретном лазерном резонаторе. Показано, что отношение ширины штрихов к периоду штриховой картины, формируемой лазерным пучком со сложным набором продольных мод, зависит от ширины спектра лазерного излучения и длины резонатора и практически не зависит от угла поворота лазерного пучка.

RESUME of the thesis by Vladimir Osipov "Laser Irradiation Influence on the Surface Relief and Condensed Media Homogeneity at the Near-Threshold Intensities"

Key words: optical strength of the semiconductors,laser gettering, laser-Induced forming of the periodical surface structures, intra-cavity treatment of the solid-state surface.

The main aim of the work Is to Investigate the physical mechanisms of the outer- and intracavity Interaction of the pulse laser radiation with the solid-state surface (including semiconductor surface) at the Intensities near to the limit of the surface material.

It is experimentally shorn, that In the range of the free electron concentration from Ю^-Ю1® cm"3 and at the wavelength of 10.6 m the optical strength of indium antimonide practically

doesn't depend on the concentration and on the crystallographlc orientation and is equal to 20-5 M/cm-2.

It is developed the original method of the single-crystal semiconductors (for an example, indium antimonide) laser getterlng by the impulse 10.6 ^m-laser radiation. This method makes it possible to reduce In more than 2 times the relative mean-square deviation of the inhomogeneity magnitude of the single-crystal InSb samples in comparison with the common thermal treatment._

It is preposed and experimentally investigated the original intracavlty method of the submicron periodical structure production on the solid-state surface by means of the corresponding multibeam interference picture forming on the treated surface used as the turn mirror of the optical resonator. It is stated, that the width of the groove destructions formed on the treated mirror is limited by the mode structure of the laser beam, which is generated in defined laser resonator. It is shown,that the groove width relation - to the period of the groove system formed by the laser beam with the complex longitudinal mode- set depends on the laser radiation spectral width and the cavity length and practi-