不同延時的組合脈沖激光致硅表面損傷研究

呂雪明,李澤文,張檢民,倪曉武

(1.常州信息職業技術學院 智能裝備學院，常州 213000； 2.南京理工大學 理學院，南京 210094；3.西北核技術研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室，西安 710024)

引 言

半導體是光電探測器的基礎材料[1-2]，并且在微電子和太陽能電池領域有著重要的應用[3-5]。硅是地球上第二豐富的元素，它作為一種典型的半導體材料，被廣泛應用于各個領域。前人對這種材料的激光輻照效應進行了廣泛的研究，激光輻照硅及硅基材料時，會產生解理斷裂、熔化和汽化等不可逆損傷。因此，研究激光波長、脈寬、脈沖數量等因素對其損傷形貌的影響具有重要意義。而大多數研究都是針對單束脈沖激光(脈寬包括飛秒[6-12]、皮秒[13-14]、納秒[15-18]、毫秒[19]等)和連續激光[20-22]。到目前為止，關于組合脈沖激光輻照致硅材料損傷形貌的研究還很少。

一般來說，半導體在激光輻照下的表面損傷形貌具有粗糙表面、激光誘導的周期性表面結構以及熔化再凝固形成的非晶態等特征。例如，BONSE等人[7]研究了單束飛秒激光對單晶硅的表面改性，發現了幾種不同的表面形貌結構(邊緣和突起)，并討論了它們的形成原因。SUN等人[18]報道了波長為1.06μm的單束納秒脈沖激光輻照SiO2層時表面產生的周期性同心結構，并進一步研究了激光能量密度對該結構的條紋周期、損傷部位大小和深度的影響。關于雙脈沖激光的研究也有不少。比如，SIVAKUMAR等人[10]提出了一種在空氣環境下利用雙波長雙脈沖飛秒激光輻照增加網狀硅納米纖維結構形成的獨特方法。ZHAO等人[11]通過建立原子模擬模型，分析了延遲時間對飛秒雙脈沖激光燒蝕硅的影響，發現在總的脈沖能量相等的情況下，與單脈沖相比，雙脈沖燒蝕能顯著提高對硅的燒蝕效率。

然而，上述研究并未涉及組合脈沖激光輻照硅材料產生表面形貌的研究。毫秒激光因其具有脈沖持續時間長、能量大等優點，在激光加工工業中應用廣泛，能量耦合效率高[23]。而高功率密度的納秒脈沖激光輻照很容易造成材料表面的損傷，盡管相互作用過程中會產生空氣擊穿和等離子體[24]。SALLEO等人[25]指出,有兩種辦法可以有效提高加工效率，一是采用材料吸收更強的短波長激光，二是在樣品上激光作用的位置引入缺陷來增加對激光的吸收。考慮到在激光有效作用過程中，不僅需要激光能量的累積，還需要高峰值功率，因此,本文中采用了在毫秒脈沖激光作用過程中增加一束脈寬為納秒的脈沖激光疊加作用的組合方式，簡稱為組合脈沖激光。本文中通過實驗研究了單晶硅材料在兩種激光工作模式(單束毫秒脈沖激光和組合脈沖激光)輻照下的表面損傷形貌；討論了組合脈沖激光輻照單晶硅材料時不同延遲時間對熔融深度和表面損傷半徑的影響；最后，在實驗結果和前人研究的基礎上，分析了組合脈沖激光輻照硅材料的損傷機理。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。毫秒激光器采用鐳寶公司Meyer-50激光器，其脈寬0.5ms～2.5ms可調(本文中所用1ms)，最大激光輸出能量50J。納秒激光器為鐳寶公司DAWA-200激光器，脈寬7ns，最大輸出能量200mJ。兩束激光的波長1064nm，以TEM00模式輸出，空間分布呈近高斯分布。兩束輸出激光束通過聚焦透鏡L1(f=125mm)聚焦于樣品，調整透鏡位置，使得光斑半徑均為1.1mm。(100)單晶硅靶材(厚度0.5mm)放置在3維平移臺上。實驗前，硅片經過異丙醇和去離子水清洗后，再用HF溶液去了氧化層，最后再經去離子水清洗一遍。入射激光的能量大小可以由衰減片和分束器調節，并由能量計實時記錄。此外，還利用PIN光電二極管實時檢測入射激光的散射信號。圖1中BS為分光鏡，M1和M2為反光鏡，PBS為偏振分光棱鏡。

Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

實驗中靶材表面溫度可以通過一臺高速紅外測溫儀記錄(型號為KGA 740-LO，該測溫儀發射率0.1～1可調，響應時間為6μs，最小取樣時間間隔為10μs，感光頻譜范圍為2μm～2.2μm，溫度記錄范圍350℃～3500℃)。在激光輻照過程中，整個硅片的溫度是非均勻且不斷變化的，發射率也會隨之不斷改變[26]。而液態硅的發射率隨溫度變化較小，因此紅外測溫儀的發射率設定為波長2μm～2.2μm范圍內的平均值0.17[27]。兩束脈沖激光的延遲時間Δt定義為探測得到的毫秒脈沖激光信號的上升沿與納秒脈沖激光信號峰值之間的時間間隔，可以通過DG535數字延遲發生器控制。當納秒脈沖激光在毫秒脈沖激光之前激發時，該值為負值。

2 結果與討論

2.1 溫度場結果

根據實驗中單束毫秒脈沖激光和組合脈沖激光分別輻照測得的結果，圖2中給出了靶材表面中心點的溫度變化情況。延遲時間分別取了0.3ms和0.7ms，兩束脈沖激光的能量密度分別為69.9J/cm2和2.9J/cm2，選取原因在之前的工作中已經有相關解釋[28]。相比之下，這兩種激光工作模式引起的溫升過程較為相似，除了組合脈沖激光輻照過程中發生的突變。即使靶材表面仍被毫秒脈沖激光輻照，但納秒脈沖激光的輻照會在很短時間內(微秒量級)造成劇烈溫升，隨后溫度迅速降低。這是因為毫秒脈沖激光的功率密度遠小于納秒脈沖激光。

Fig.2 Temperature evolution at the center point of sample surface under the two laser operation modes

實際上，納秒脈沖激光輻照過程中溫度可以達到氣化點。但實驗過程中紅外測溫儀將硅的發射率設成了固定值0.17，而硅的實際發射率會隨著溫度的改變而改變[29]。此外，紅外測溫儀的最小采樣時間是10μs，所以只能得到納秒脈沖激光輻照過程中溫升的近似趨勢。在參考文獻[30]中該紅外測溫儀的測量原理和曲線分析有更詳細的解釋，比如溫升曲線中產生的峰和谷。

2.2 表面損傷形貌及分析

Fig.3 Surface damage morphology induced by two different laser operation modes

圖3b～圖3e中給出了不同延遲時間的組合脈沖激光輻照硅靶材時造成的表面損傷形貌。考慮不同的損傷效應和圖2中的溫度變化情況，與圖3a相比，可以將它們分為3種:(1)納秒脈沖激光在靶材表面未完全熔化前開始輻照，如圖3b所示,與圖3a相比，圖3b中出現了明顯的燒蝕區域；(2)納秒脈沖激光在靶材表面完全熔化之后開始輻照，如圖3c、圖3d所示，靶材表面中心處的熔坑逐漸擴大，燒蝕區域面積增大但燒蝕深度變淺，損傷區域邊緣能明顯看到熔融產物凝固之后形成的皺褶，并且部分解理條紋被覆蓋；(3)納秒脈沖激光在毫秒脈沖激光輻照結束之后開始輻照，如圖3e所示，毫秒脈沖激光輻照結束后靶材冷卻過程中表面會出現解理條紋，此時靶材表面表現出脆性。在納秒脈沖激光輻照下，靶材表面會形成更加明顯的燒蝕區域，覆蓋一部分解理條紋，甚至對表面產生的沖擊力會造成塊狀表層的脫落。

從損傷形貌上可以看出，組合脈沖激光對靶材表面的損傷效果更為顯著，且延遲時間的變化也會產生不同的影響。因此，本文中進一步研究了激光輻照后靶材表面損傷半徑和熔融深度的變化情況。圖4是根據實驗結果獲得的靶材表面損傷半徑隨激光能量密度的變化關系。與毫秒脈沖激光相比，納秒脈沖激光的能量密度較低，熱影響范圍和熱擴散深度較小[33]，因此,分析過程中僅考慮了損傷半徑隨毫秒脈沖激光能量密度的變化情況。通過圖4a和圖4b中的線性擬合發現，單毫秒脈沖激光和組合脈沖激光作用結果的曲線趨勢近似，即：隨著入射激光能量密度的增加，損傷半徑逐漸增大，并且兩種情況下的斜率近似。這說明在這兩種激光工作模式下，靶材表面的損傷半徑主要與毫秒脈沖激光的能量密度有關。

圖5是組合脈沖激光輻照硅靶材時熔融深度和損傷半徑隨延遲時間的變化曲線。由于實驗條件的限制，熔融深度可以通過數值模型[28]計算得到。從圖中可以發現，表面損傷半徑一直保持在1.1mm左右，延遲時間的變化對損傷半徑的影響較弱，這也側面驗證了損傷半徑主要依賴于入射毫秒脈沖激光能量密度的大小。納秒脈沖激光輻照造成的表面燒蝕將增加靶材表面的粗糙度，而較小的延遲時間意味著納秒脈沖激光輻照結束后，毫秒脈沖激光的剩余輻照時間較長，這會進一步提高靶材對毫秒脈沖激光能量耦合的效率。但隨著延遲時間的延長，靶材表面將逐漸熔化，這將導致更高的表面反射率[30]，甚至會出現蒸汽或等離子屏蔽[34]。因此，與損傷半徑變化趨勢不同，熔融深度會隨延遲時間的改變而發生較大變化：當延遲時間大于零后，它會隨著延遲時間的增大而逐漸減小。這個趨勢與PAN等人的研究結果相吻合[35]。

Fig.4 Surface damage radius vs. incident energy density of the ms lasera—the single ms laser b—CPL(delay 0.7ms)

Fig.5 Change of melting depth and damage radius with different delays of CPL

2.3 討論

組合脈沖激光和單毫秒脈沖激光輻照對硅靶材造成的表面損傷有許多不同之處，這是不同脈寬的脈沖激光損傷機制不同所導致的。在本文實驗中，熱損傷是毫秒脈沖激光的主要損傷機制，而表面燒蝕和應力損傷則是由納秒脈沖激光輻照造成的[36]。從表面損傷形貌的角度來說，組合脈沖激光的損傷效應更為嚴重，且不同的延遲時間造成的損傷效應也不相同。原因之一是毫秒脈沖激光的預加熱效應：在毫秒脈沖激光輻照預加熱下，靶材表面溫度升高，硅的吸收系數將逐漸增大。同時靶材表面變軟，材料屈服強度大大降低。因此，靶材在納秒脈沖激光輻照下更容易產生表面損傷，包括燒蝕、反沖壓力和應力損傷。另一個原因與后續毫秒脈沖激光和納秒脈沖激光造成的表面損傷相互作用有關。納秒脈沖激光造成的表面損傷會增加表面粗糙度，從而增大了靶材對后續毫秒脈沖激光能量的吸收，進一步加劇表面損傷。

但是延遲時間較長時，在納秒脈沖激光輻照之前靶材表面中心區域已經部分熔化，液態硅的表面反射率較高，會導致激光能量的耗散。不過在這樣的情況下，靶材會在納秒脈沖激光的輻照下更容易達到更高溫度，甚至會發生汽化、飛濺甚至等離子體現象，這在本文中沒有討論。

3 結 論

通過實驗測量獲得了單束毫秒脈沖激光和組合脈沖激光分別輻照下硅靶材表面的溫升情況，并比較了這兩種激光模式造成的靶材表面損傷形貌。研究發現,組合脈沖激光造成的損傷效應更為嚴重，根據延遲時間的不同，表面損傷形貌可分為3種。進一步研究表明，表面損傷半徑主要取決于入射毫秒脈沖激光的能量密度，延遲時間對它的影響較小，而熔融深度會隨著延遲時間的增加而減小。討論了組合脈沖激光輻照硅靶材的損傷機理，組合脈沖激光損傷效果的增強主要與毫秒脈沖激光的預加熱效應以及納秒脈沖激光造成的表面損傷與后續毫秒脈沖激光的相互作用有關。本文中的研究結果可為今后組合脈沖激光加工半導體材料提供參考。