激光等離子體對硅表面微納粒子除去機理研究

羅錦鋒，宋世軍，王平秋，劉全喜

(1.信陽職業技術學院 汽車與機電工程學院，信陽 464000；2.西南技術物理研究所，成都 610041)

引　言

元件表面的微納米雜質粒子對微納制造、光電器件研制及應用等都具有很大的危害性，所以對其有效去除方法的研究有實際應用價值[1-2]。已有的研究表明：對微納米粒子的去除，使用傳統清洗方式效果不佳，難以滿足要求[3]。激光清洗作為一種新型清洗技術，具有去除能力強、效果好、非接觸以及易于操作等優勢，具有廣泛的應用前景[4]。激光清洗過程包含許多復雜的物理過程，如激光等離子體的產生、沉積激光能量的累積以及等離子體膨脹和輻射等，都會對微粒產生作用，也將直接影響去除效果[5-6]。

本文中首先采用納秒紫外激光脈沖產生的等離子體，并對硅基底上的微粒進行去除實驗，隨后基于基底微粒的附著模型，對激光等離子體效應對微粒的作用機理進行了研究。

1　實　驗

1.1　實驗裝置

當激光脈沖直接聚焦到硅表面，硅會直接對激光進行吸收，造成硅材料的直接擊穿而產生損傷，還會造成基底的極大破壞[7]。為了避免激光直接輻照造成基底表面的熱力學破壞，要將激光脈沖在平行于基底表面上方進行擊穿，這樣可以避免激光對基底的破壞，還可以充分利用激光等離子體沖擊波對微粒的作用效應。實驗中，激光脈沖經過透鏡聚焦后，在硅基底上部的空氣中產生激光等離子體，聚焦中心與基底的垂直距離保持在毫米量級。硅表面的微粒是激光燒蝕硅材料時，凝結在表面的冷卻物。實驗原理如圖1所示。

Fig.1　Experimental set-up

實驗中采用的激光脈沖波長為355nm(Quanta Ray,GCR，Q-switched mode)，激光脈寬為8ns，輸出脈沖能量穩定度大約為3%。激光經過焦距為5cm的透鏡聚焦后對空氣進行擊穿而產生激光等離子體。激光等離子體輻射光譜通過光纖耦合到光柵光譜儀(光柵1300mm-1，焦距為25cm，工作波段為250nm～800nm)，把模擬光譜信號通過高速數字示波器記錄后處理顯示，激光聚焦后的焦點位置距硅表面垂直距離在1mm左右。

1.2　實驗結果

實驗中，輸出激光脈沖能量為56mJ，作用次數為3次，微粒去除效果采用掃描電鏡進行觀測對比，如圖2所示。

由圖2a可見，在硅基底表面分布著直徑為十幾納米到2μm不等的微粒，這些微粒在激光等離子體作用下，除極小的納米微粒外，基本都被去除，去除后的效果如圖2b所示。微粒去除前后的粒子去除分布圖如圖3所示。

由圖3可見，激光等離子體沖擊波去除微納粒子的效果非常明顯，直徑在0.5μm以上的微粒去除比較徹底，而小于此粒徑的微粒基本去除原有數量的50%左右。

Fig.2Morphologies of silicon surface with particles before and after cleaning

a—before cleaningb—after cleaning

Fig.3　Size distribution of particles before and after cleaninga—before cleaning　b—after cleaning

激光等離子體的另一個特性是輻射寬譜光譜，其光譜分布如圖4所示。

由圖4可見，激光等離子體輻射光譜由連續光譜與疊加其上的線狀譜線組成，光譜范圍很寬，從紫外一直擴展到近紅外，但主要集中在可見光范圍。寬譜光輻射有助于增強基底表面微粒對等離子體輻照能量的有效吸收[8-9]。

Fig.4　Emission spectra of laser plasma

2　理論研究

激光等離子體的產生、擴散以及自身的特征都會對基底表面的微粒產生作用，直接影響到去除效果。可以說，微粒去除的物理過程與激光等離子體的特征密不可分，下面進行詳細的理論分析。

2.1　激光等離子體發射光譜特性分析

2.1.1激光等離子體產生過程空氣帶隙很寬，對激光透過率極高，但是當激光脈沖強度達到一定程度時，空氣幾乎變得不透明，這是由于多光子電離擊穿效應使得輻射區域自由電子密度增加。

擊穿電離產生的自由電子有兩個主要過程：第一過程是多光子電離，主要是基于多光子電離效應使得空氣的自由電子密度得到少量增加，這些自由電子可以作為種子電子為后續大量自由電子的產生奠定基礎[9]；第二過程是自由電子密度增加到一定程度時，通過逆韌致吸收效應對后續激光脈沖能量進行強烈的吸收，從而使得自由電子密度得到極大的增長，這是雪崩電離階段。在這個過程中，空氣的自由電子密度高達1013cm-3 [9]，大部分激光脈沖能量被吸收沉積，透過量極少[7-8]。如此高密度的等離子體在短時間內集中沉積了大部分的激光脈沖能量，所以具備了高溫高壓特性。

2.1.2激光等離子體輻射光譜特性由圖4所示，輻射光譜有兩部分組成：連續光譜和線狀光譜，所表征的物理過程各不相同[10-11]。連續光譜輻射主要是出于電離態的高能自由電子向低能自由態躍遷所發射的光譜，這種輻射稱之為韌致輻射。疊加其上是線狀光譜輻射，是元素特定能級的躍遷，屬于元素復合躍遷發射的光譜，可以明顯觀測到空氣中O和N元素的輻射譜線。

2.1.3等離子體輻射光對微粒的作用效應激光等離子體可以看作是激光與微粒之間的熱量傳輸中介，可以有效地將激光脈沖能量傳遞給微粒。微粒和基底的材料不同、形狀和大小不同，會引起對等離子體輻照的吸收也不同，進而產生不同的溫差和相應的膨脹應力差，這就會使得微粒與基底更易于分離[12-14]。

2.2　激光等離子體沖擊波效應

激光脈沖首先在焦點處將空氣擊穿產生激光等離子體，隨后在逆韌致吸收作用下，激光等離子體對后續激光脈沖能量進行強烈吸收，從而導致激光脈沖能量的集中沉積；同時，激光等離子體的高溫特性會促使其迅速向外膨脹，形成高壓沖擊波；沖擊波以焦點為中心向外擴散，最終形成球狀爆炸波。以點爆炸模型進行分析，當把激光等離子體視為自由理想氣體、忽略輻射損耗時，可以得到激光等離子體沖擊波的膨脹速度與壓強的關系，如下式所示[15]：

(1)

(2)

(3)

Fig.5Wave-front spatial distribution of plasma shock front at the same time interval

(1)式和(2)式可以分析沖擊波半徑隨時間的變化規律，取沖擊波的時間間隔為20ns，可以得到沖擊波波前的膨脹隨時間的變化規律，如圖5所示。

由圖5可見，沖擊波的波前半徑會隨著時間向外擴散，但在單位時間內的擴散距離越來越短，這說明擴散速度逐漸變慢，也表明沖擊波的快速擴散主要在初始階段。根據(3)式可以得到沖擊波壓強的徑向空間分布，如圖6所示。

Fig.6　Distribution of the pressure of shock wave

由圖6可見，沖擊波壓強沿徑向迅速減小，在距焦點半徑小于1mm的范圍內處于GPa量級，在小于400μm的范圍則會高于1GPa。通常，對典型納米微粒的去除力應在幾十千帕左右[17]。實驗表明，在聚焦到硅表面小于2mm范圍內都可以有效去除微粒。但當焦點與硅表面距離在小于0.2mm范圍內時，沖擊波壓強達到幾十吉帕，這已遠遠超出了基底的抗沖擊能力，使基底發生破碎和斷裂[18]。因此，控制焦點與硅基底表面的有效距離也是去除元件表面雜質微粒的關鍵問題之一。

綜上可見，微粒的有效去除是激光等離子體綜合作用的結果，其中微粒對激光等離子體的輻射光吸收而引起的熱膨脹效應，會在微粒與基底之間產生應力差，使微粒更易于去除。但這種應力差一般會小于微粒與基底之間黏附力(范德華力)，且應力消失后，微粒依然附著在基底上，所以很難實現有效去除[19-20]。而在等離子體沖擊波的作用下，微粒則可以實現與基底的有效剝離，從達到清洗基底的目的[21-22]。故激光等離子體沖擊波效應才是微粒去除的主要原因。

3　結　論

利用激光等離子體可以對精密元件表面的雜質微粒進行有效去除，主要是基于激光等離子體的寬譜輻照效應和沖擊波效應。輻射效應可以將激光脈沖能量有效傳遞給基底材料以及表面的雜質微粒，由于基底和微粒的熱膨脹程度不同從而使兩者產生剝離；激光等離子體沖擊波產生的巨大沖擊力會進一步克服微粒與基底表面的吸附力而實現雜質微粒的完全去除。理論分析表明，沖擊波的沖擊力大小與元件表面和激光聚焦的焦點之間的距離密切相關。在實際的雜質微粒去除過程中，要通過控制對元件表面和焦點之間的距離，使等離子體沖擊波的應力保持在小于材料的斷裂極限且大于微粒的剝離力這個范圍內，來實現對表面雜質微粒有效去除。