納秒和飛秒激光燒蝕單晶硅的超快診斷

田潤妮，王俊波，邱 榮，周 強，蔣 勇，楊永佳

(西南科技大學-中國工程物理研究院激光聚變中心極端條件物質特性聯合實驗室，綿陽621010)

引 言

單晶硅是制造半導體器件的理想材料，被廣泛應用于半導體和太陽能光伏產業。近年來隨著高功率脈沖激光在工業、國防和科研領域的廣泛應用，如飛秒燒蝕微加工［1-2］、納米微結構形成［3-5］、太陽能電池和光電探測器制造［6-7］，使單晶硅的應用領域進一步擴大。然而，激光與半導體材料相互作用是一個復雜的過程，該過程中的激光能量沉積和能量轉移與激光參量、材料特性以及環境有密切關系。因此，研究高功率脈沖激光燒蝕單晶硅的過程及物理機制有重要意義。

對于脈沖激光燒蝕物質的機制，已發展了多種理論，諸如相爆炸［8］、庫倫爆炸［9］、熱彈性波［10］等。PEREZ等人［11-12］用分子動力學方法研究了飛秒脈沖激光燒蝕固體材料，認為飛秒激光燒蝕固體材料包含分裂、同質成核、汽化3個過程，這些過程都與激光能量的沉積有關。MARTYNYUK［13］首先了提出激光燒蝕材料的相爆炸理論。CHEN等人［14］基于相爆炸理論建立了兩步加熱模型，研究了真空中超短脈沖激光燒蝕金屬材料的超熱和物質移除過程，發現利用兩步加熱模型理論計算的燒蝕深度和實驗數據符合得很好。YOO等人［15］研究了高功率納秒激光燒蝕硅材料過程中的相爆炸和大粒子的產生，發現超熱液體層內的相爆炸產生了粒子噴發物。ZHANG等人［16］研究了飛秒激光燒蝕金屬鋁材料的物質噴發過程，認為燒蝕過程是包括熱和非熱燒蝕機制混合的材料移除過程。對短脈沖強激光的燒蝕機制還需進一步研究，對比研究飛秒和納秒激光燒蝕單晶硅的動力學過程，有助于對單晶硅燒蝕過程中激光能量轉換和轉移的機制進行討論和分析。

本文中利用抽運-探測技術對比研究了飛秒和納秒脈沖激光燒蝕單晶硅的動力學過程，特別是物質的燒蝕噴發過程。通過觀察等離子體、沖擊波和物質噴發的產生和發展過程，對比研究飛秒激光和納秒激光與單晶硅相互作用的動力學過程，討論并分析了脈沖激光與物質相互作用的機制。

1 實驗方法及內容

Fig.1 Schematic diagram of experimental setup of laser ablation of silicon a—femtosecond laser b—nanosecond laser

實驗光路示意圖如圖1所示。采用Spectra-Physics公司的 LAB190-10調 Q Nd∶YAG激光器(波長1064nm，脈寬10ns)和摻鈦藍寶石飛秒激光系統(脈寬50fs，中心波長800nm，重復頻率10Hz，單脈沖最大能量35mJ)，使用PI公司的ES3200工業CCD作為圖像采集相機，采用WaveSurfer104Xs示波器結合光電探測器測量抽運激光和探測激光脈沖之間的延遲時間，用同步信號發生器(DG645)控制納秒和飛秒激光器的觸發、機械快門和CCD快門的開啟時間。抽運光經透鏡聚焦到樣品表面，探測光經BBO晶體倍頻后通過作用區域，為防止基頻光和等離子體發光進入到CCD，探測光經窄帶通濾光片和中性密度衰減片后進入到CCD。圖1a為飛秒激光燒蝕單晶硅的實驗光路示意圖，利用分光原理得到抽運光和探測光，利用光學延遲線控制時間延遲，時間延遲范圍受實驗室空間的限制。圖1b為納秒激光燒蝕單晶硅的實驗光路示意圖，激發光為倍頻后的納秒激光(532nm)，利用信號發生器控制抽運光(納秒激光)和探測光(飛秒激光)的時間延遲，時間延遲精度受激光器時鐘精度的影響。實驗樣品采用厚度400μm的拋光單晶硅片。

2 結果與討論

圖2是波長為800nm、脈寬50fs、單脈沖能量8mJ、平均能量密度約32J/cm2的飛秒激光燒蝕單晶硅過程的時間分辨陰影圖。圖中反映了沖擊波、等離子體和物質噴發的產生與發展過程，其中圖2a是延遲時間為0.6ns時的圖像，圖中箭頭所示區域(見標識C)為等離子體區，此時等離子體溫度和密度都較高，透光率低。隨著延遲時間增加，等離子體迅速膨脹，壓縮周圍空氣形成沖擊波。在延遲1.3ns和2.3ns時，可清楚觀察到物質噴發現象，如圖2b和圖2c中箭頭所指區域(見標識A)。隨著等離子體膨脹，其溫度降低、自由電子密度下降，沖擊波內部的透光率增加。

Fig.2 Time-resolved shadow graphs of fs laser pulse ablation of silicona—0.6ns b—1.3ns c—2.3ns d—4.3ns e—6.3ns f—8.2ns

飛秒激光燒蝕單晶硅形成的等離子體和沖擊波初期呈扁平狀，這是由激光光斑導致的，樣品表面吸收激光能量，整個光斑輻照區域的表面材料和雜質同時被電離產生等離子體，隨后等離子體膨脹逐漸形成球形沖擊波。由于飛秒激光脈寬短，能量在材料內來不及重新分布脈沖已經結束，脈沖激光與等離子體的相互作用弱，可以不考慮等離子體屏蔽效應，所以更多的激光能量被材料吸收用于產生等離子體。雖然隨延遲時間增加，透光率逐漸增加，但是由于膨脹半球內等離子體密度仍然很高，導致透光率低，所以膨脹半球內部明顯比周圍環境要暗。圖中沖擊波邊界是一條亮線，這是因為高溫高壓等離子體向外膨脹過程中擠壓周圍空氣，使空氣產生電離形成的電離發光。

圖3是波長為532nm、脈寬為10ns、單脈沖能量為48mJ、平均能量密度約為78J/cm2的納秒激光燒蝕單晶硅過程的時間分辨陰影圖。激光脈沖剛結束時，輻照區域為高溫高密度的等離子體，如圖3a所示。隨延遲時間增加，等離子體膨脹壓縮周圍空氣形成沖擊波。隨著延遲時間增加，等離子體膨脹很快，由于圖3中選取的延遲時間間隔較大，所以在隨后的圖中沖擊波半球迅速變大，等離子體密度迅速下降，透光率增加，所以沖擊波半球內部亮度和周圍環境相差不大。從圖3d和圖3e中的標識A區域可觀察到物質噴發，噴發物已經從靶面分離，其形態與飛秒激光燒蝕形成的噴發物完全不同。圖4為1060ns延時的時間分辨陰影圖及其局部放大圖。從圖中可以清晰的看到此時物質噴發演化的形態，噴發物呈液滴狀，直徑在25μm～35μm之間。

Fig.3 Time-resolved shadow graphs of ns laser pulse ablation of silicona—13ns b—78ns c—163ns d—356ns e—495ns f—896ns

Fig.4 Time-resolved shadow graphs and the partial enlarged shadow graphs of ns pulse laser ablation of silicon at 1060ns delay time

在納秒激光燒蝕單晶硅的過程中，當激光脈沖剛結束時，表面噴發物主要是等離子體。在延遲200ns～300ns時，觀察到物質移除開始出現，這與參考文獻［17］中所述相似。在延遲356ns和495ns時，觀察到的物質噴發為氣液混合物，對于納秒激光，由于脈沖持續時間較長，熱傳導和等離子體屏蔽效應明顯［18］，導致材料吸收激光能量效率降低，而且沖擊波的膨脹會導致內部等離子體密度與溫度下降以及內部透光率增加，從而易于分析噴發物。當延遲時間為1060ns時，觀察到噴發物主要是液滴，其半徑為25μm～35μm，這與參考文獻［15］和參考文獻［19］中的結果基本一致，當樣品接近單晶硅熱力學臨界溫度時，同質成核高速形成，在近表面區域爆炸為蒸汽和液滴的混合物。對比圖2、圖3中沖擊波邊界線較暗，是因為納秒燒蝕觀測延遲時間較長，等離子體溫度下降，電離發光不存在。根據實驗結果可以得到沖擊波前端位置與樣品表面的距離R和時間t的關系，如圖5所示。依據SEDOV的爆炸波理論，對一個半球形的沖擊波，靶材的表面和爆炸波前位置之間的膨脹距離R取決于轉化為等離子狀態的激光能量E。R和E之間的關系可以通過SEDOV的爆炸理論進行估算［20］:

Fig.5 Distance from shock wave front to surface vs.time delaya—femtosecond laser b—nanosecond laser

式中，C是常數，約等于1，E是驅動等離子體膨脹的能量，ρ是空氣的質量密度，R是等離子膨脹半徑，t為時間。半徑R和時間t遵循圖5的規律。從圖5可看出，實驗值與理論值的趨勢非常吻合，因此可以用SEDOV的爆炸理論解釋實驗觀察到的沖擊波膨脹過程。

從上述結果分析，噴發過程的不連續及噴發時間和噴發物的變化表明，激光燒蝕過程在不同的時間其主導機制不同，其中相爆炸和熱彈性波起到了重要作用。當樣品被快速加熱，熔化層變為超熱層時就會發生相爆炸，相爆炸的閾值為(0.8～0.9)Tc(Tc=7925K，是硅的熱力學臨界溫度)。對于飛秒和納秒脈沖激光燒蝕單晶硅，開始都是由于聚焦后的高能量密度激光脈沖照射到樣品，樣品表層的材料、污染物、樣品表面附近的空氣中存在少量自由電子被激光電離，導致材料表面等離子體化，等離子體膨脹壓縮周圍空氣形成沖擊波。接著由于熱彈性波膨脹壓縮樣品的反作用，都出現了物質噴發現象，只是物質噴發時間和噴發物的形態和尺寸不同，飛秒激光燒蝕在1ns～2ns延遲時間開始出現物質噴發，噴發物為等離子體;納秒激光燒蝕在200ns～300ns延遲時間開始出現物質噴發，觀察到的噴發物為氣液混合物，1060ns延遲時間測量到25μm～35μm的小滴噴發物，形成這種不同的原因可能是飛秒和納秒激光脈寬及激光能量密度不同。同時飛秒和納秒脈沖激光燒蝕單晶硅形成的沖擊波膨脹都很好的符合SEDOV的爆炸理論。

3 結論

基于抽運-探測系統的超快時間分辨技術對比研究了飛秒和納秒激光燒蝕單晶硅材料表面的動態過程，實驗獲得了飛秒激光和納秒激光燒蝕單晶硅表面后等離子體、沖擊波和物質噴發的產生和演化過程。飛秒和納秒激光燒蝕單晶硅過程中都出現了不連續的物質噴發，表明在脈沖激光燒蝕單晶硅的過程中，存在多種燒蝕機制，不同時間階段由不同的機制主導。分析表明，燒蝕過程中相爆炸和熱彈性波起著重要的作用。此研究結果有助于進一步理解脈沖激光燒蝕單晶硅的物理機制。

［1］ XIA B，JIANG L，WANG S M，et al.Femtosecond laser drilling of micro-holes［J］.Chinese Journal of Lasers，2013，40(2):0201001(in Chinese).

［2］ BAI L，ZHAO X L，LIU Y，et al.Optical fiber micro-hole sensor fabricated with femtosecond laser［J］.Laser Technology，2013，37(1):101-104(in Chinese).

［3］ YUAN Ch H，LI X H，TANG D Ch，et al.Influence of wavelength and atmosphere on laser induced microstructure of silicon surface［J］.Laser Technology，2010，34(5):647-649(in Chinese).

［4］ YE X，ZHOU M，YU Z，et al.Periodical micro-structure and parameter optimization of pyrolytic carbon surface induced by nanosecond laser［J］.Laser Technology，2013，37(4):537-540(in Chinese).

［5］ KANG X M，YU L，YANG G F，et al.Experimental research of increase-friction characteristics of no-match friction-pair surface based on laser micro-modelling［J］.Laser Technology，2013，37(4):449-454(in Chinese).

［6］ CHEN Zh D，WU Q，YANG M，et al．Generation and evolution of plasma during femtosecond laser ablation of silicon in different ambient gases［J］.Laser and Particle Beams，2013，31(3):539-545.

［7］ CHEN Zh D，WU Q，YANG M，et al.Time-resolved photoluminescence of silicon microstructures fabricated by femtosecond laser in air［J］.Optics Express，2013，21(18):21329-21336.

［8］ LORAZO P，LEWIS L J，MEUNIER M.Short-pulse laser ablation of solids:from phase explosion to fragmentation［J］.Physical Review Letters，2003，91(22):225502.

［9］ ROETERDINK W G，JUURLING L B F，VAUGHAN O P H，et al.Coulomb explosion in femtosecond laser ablation of Si(111)［J］.Applied Physics Letters，2003，82(23):4190-4192.

［10］ WANG X，XU X.Thermoplastic wave in metal induced by ultrafast laser pulses［J］.Journal of Thermal Stresses，2002，25(5):457-473.

［11］ PEREZ D，LEWIS L J.Ablation of solids under femtosecond laser pulses［J］.Physical Review Letters，2002，89(25):255504.

［12］ PEREZ D，LEWIS L J.Molecular-dynamics study of ablation of solids under femtosecond laser pulses［J］.Physical Review，2003，B67(18):184102.

［13］ MARTYNYUK M M.Vaporization and boiling of liquid metal in an exploding wire［J］.Soviet Physics Technical Physics，1974，19(6):793-797.

［14］ CHEN J K，BERAUN J E.Modelling of ultrashort laser ablation of gold films in vacuum［J］.Journal of Optics，2003，A5(3):168-173.

［15］ YOO J H，JEONG S H，MAO X L，et al.Evidence for phase-explosion and generation of large particles during high power nanosecond laser ablation of silicon ［J］.Applied Physics Letters，2000，76(6):783-785.

［16］ ZHANG N，ZHU X，YANG J，et al.Time-resolved shadowgraphs of material ejection in intense femtosecond laser ablation of aluminum［J］.Physical Review Letters，2007，99(16):167602.

［17］ ZHOU Y，WU B，TAO S，et al.Physical mechanism of silicon ablation with long nanosecond laser pulses at 1064nm through time-resolved observation［J］.Applied Surface Science，2011，257(7):2886-2890.

［18］ SALLé B，GOBERT O，MEYBADIER P，et al.Femtosecond and picosecond laser microablation:ablation efficiency and laser microplasma expansion［J］.Applied Physics，1999，A69(1):S381-S383.

［19］ WANG K P，ZHANG Q H.The ablation microstructures of mono crystalline silicon by high power nanosecond laser［J］.Laser Journal，2012，33(5):36-37(in Chinese).

［20］ ADEN M，KREUTZ E W，SCHLüTER H，et al.The applicability of the Sedov-Taylor scaling during material removal of metals and oxide layers with pulsed and excimer laser radiation ［J］.Journal of Physics，1997，D30(6):980-989.