193 nm 紫外激光對單晶硅的損傷特性研究*

王 璽，雷武虎，張永寧，王畢藝，李 樂

（1.國防科技大學電子對抗學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室，安徽 合肥 230037；2.國防科技大學電子對抗學院先進激光技術安徽省實驗室，安徽 合肥 230037；3.電磁空間安全全國重點實驗室，天津 300308；4.中國人民解放軍94639 部隊，安徽 六安 237000）

0 引言

單晶硅是計算機芯片、自動控制和信息處理、光電轉換、人工智能等領域中常用半導體器件的基礎材料，廣泛應用于相關領域［1-4］。與紅外激光相比，波長更短的紫外激光優勢在于單光子能量高、靶耦合效率高以及衍射光斑小等，波長更短的深紫外激光特別適合于未來空間作戰。如在193 nm 紫外波段，激光脈沖能量大于600 mJ，是200 nm 以下波段中唯一可以大功率輸出的激光［5］。因此，研究波長更短的紫外激光對半導體單晶硅的損傷問題具有重要的應用價值［6-9］。本文主要開展了193 nm 紫外激光對單晶硅的損傷實驗，通過表面損傷形貌和數值模擬分析，討論了193 nm 紫外激光對單晶硅的損傷閾值和機理。

1 193 nm 激光輻照單晶硅材料表面損傷實驗

1.1 實驗系統

實驗系統如圖1 所示，主要由193 nm ArF 準分子激光器、激光能量計、聚焦透鏡、衰減片、分光鏡與二維移動平臺等組成。激光脈沖寬度約為25 ns，激光重復頻率為1 Hz，最大單脈沖能量可達600 mJ，輸出激光呈矩形光斑。實驗中對損傷樣品的測試采用 1-on-1 和S-on-1 的方法。1-on-1 是樣品上的每個照射點只受到一個激光脈沖照射時，無論照射點是否發生損傷，將樣品移動到下一個沒有被照射的點，然后增加激光的能量密度繼續照射。S-on-1 為多脈沖損傷，是在樣品同一個點上用相同激光能量密度的多脈沖激光進行輻照，然后移動至下一個沒有被照射的點進行多脈沖照射，實驗中每一個點的排布和1-on-1 一樣，S是每個點輻射的脈沖數目。根據ISO21254 國際激光損傷判定標準，實驗中采用Nomarski 微分干涉相襯顯微鏡（DIC）觀察材料的損傷情況。193 nm 紫外激光經過整形聚焦后為直徑1 mm 的圓形光斑。

圖1 193 nm 紫外激光損傷單晶硅的實驗系統示意圖

1.2 實驗結果與分析

圖2 為激光能量密度分別為1 J/cm2、2.9 J/cm2、10.2 J/cm2時，單脈沖激光對單晶硅表面的損傷形貌。整個損傷光斑邊緣非常齊整，材料表面產生了明顯的熔融損傷和應力損傷，中心有明顯的熔融燒蝕，邊緣更多是縱橫交錯的裂紋；隨著激光能量密度增加，損傷區域逐漸擴大，熔融燒蝕的痕跡也更加細密，損傷坑邊緣能看出噴濺痕跡，整個損傷坑熔融損傷和應力損傷縱橫交織，形成明顯的網狀損傷結構，這可能是由激光損傷過程中形成的彈性波源產生的表面橫向波造成的。該橫向波沿溫度梯度分布，從高溫區向低溫區擴散，在橢圓損傷坑外沿上形成了駐波節線，使其網狀結構更加明顯，這一特點與文獻［10］中248 nm激光對單晶硅的損傷形貌幾乎相同。

圖2 DIC 顯微鏡觀察單脈沖激光對單晶硅表面的損傷形貌

圖3 為激光能量密度為10.2 J/cm2時，脈沖數分別為5、10、20 個激光對單晶硅表面的損傷形貌。5 個激光脈沖時，單晶硅表面已經出現較為嚴重的熔融和應力損傷，損傷區域呈現出明顯的濺射物痕跡，邊緣變得不再齊整，而是有了向外噴濺擴張的趨勢。隨著脈沖數的增加，損傷程度進一步加深，中心處呈現出大范圍的波浪狀熔融燒蝕痕跡，推測這是由高溫熔融狀態下的液體硅沸騰形態在冷卻后形成的，損傷外圍產生了層次分明的噴濺現象和環狀裂紋。

圖3 DIC 顯微鏡觀察不同脈沖數激光對單晶硅表面損傷形貌（激光能量密度為10.2 J/cm2）

從總體趨勢來看，隨著脈沖數增多，單晶硅表面損傷程度不斷加深，損傷區域邊緣不規則程度明顯增加，并形成向外圍噴射飛濺的波浪形損傷形貌，最初的應力損傷裂紋被覆蓋，熔融損傷逐漸成為主要損傷樣式。

從實驗結果可以看出，193 nm 紫外激光對單晶硅的損傷機理主要為熱力耦合。單晶硅的化學鍵能為1.82 eV，而193 nm紫外激光單光子能量為6.43 eV，遠超Si-Si 鍵鍵能，193 nm紫外激光很容易對單晶硅造成嚴重的損傷，使得Si-Si 鍵吸收193 nm 單光子能量產生斷裂，在熔融和應力損傷的共同作用下，形成了實驗所見的燒蝕熔融、裂紋、液狀物飛濺、邊緣不規則擴散等損傷形貌。

2 數值模擬研究

2.1 理論模型

利用有限元法分析193 nm 紫外激光輻照下單晶硅的溫度場及應力場分布。在空間建立二維坐標系roz，圓形片狀單晶硅半徑R=10 mm，厚度H=0.1 mm，其圓心位于坐標系原點O，激光束I0沿z軸方向聚焦后輻照于單晶硅片表面，形成光斑半徑r=0.5 mm 的圓形光斑，激光脈沖寬度為25 ns。理論模型如圖4 所示。

圖4 理論模型

單晶硅的材料參數如表1 所示。

單晶硅視為各項同性均勻材料，在激光輻照中熱傳導過程用如下方程表示：

式中，ρ為硅的密度，c為比熱容，T為硅表面瞬時溫度，k為熱導率，Q為體積熱源。熱源Q可以表示為：

式中，R為193 nm 激光反射率，α為激光吸收系數。

式中，I0為激光峰值功率，ω為激光光斑半徑。邊界條件為：

初始溫度為：

設整個模型處于真空環境中，激光脈沖的持續時間很短，因此可以忽略熱輻射和熱對流的影響。

2.2 損傷閾值

圖5 為激光能量密度為0.71 J/cm2時，單脈沖作用下單晶硅的溫度場和應力場分布情況。在一個激光脈沖輻照下，模型表面最高溫度剛好達到硅材料熔點1 680 K，如圖5 （a）所示，此時將產生熔融損傷，可認為熔融損傷閾值即為0.71 J/cm2。由圖5 （b）可知，單晶硅表面溫度達到熔點時，硅片表面激光輻照中心處最大應力已經達到了854 MPa，超過了硅的最大抗拉強度500 MPa，將會產生應力損傷，由此說明應力損傷發生在熔融損傷之前。當激光能量密度為0.415 J/cm2時，在一個激光脈沖輻照下單晶硅表面熱應力剛好達到其抗拉強度500 MPa，如圖6 所示，此時硅片表面恰好產生應力損傷，可認為熱應力損傷閾值即為0.42 J/cm2。此時硅片表面最高溫度為1 109 K，還未達到硅材料的熔點1 680 K，不會產生熔融損傷。

圖5 激光能量密度為0.71 J/cm2時模型溫度場及應力場分布情況

圖6 激光能量密度為0.42 J/cm2時模型溫度場及應力場分布情況

從模擬結果可以看出，激光輻照下單晶硅溫度場和熱應力場均呈現出由表面至底部遞減的分布態勢，單晶硅模型表面溫度最高，受到的應力最大，底部溫度最低，受到的應力最小。模型表面光斑中心處溫度和應力隨輻照時間的增加而逐漸升高。從損傷閾值上可以看出，193 nm 紫外激光輻照單晶硅，首先產生應力損傷，其次才是熔融損傷。

3 結束語

本文開展了193 nm 紫外激光對單晶硅的損傷實驗，觀察分析了材料表面的損傷形貌，建立了193 nm紫外激光損傷單晶硅的理論模型，分析了材料的溫度場及應力場分布，計算得到了193 nm 紫外激光對單晶硅的損傷閾值，討論了193 nm 紫外激光對單晶硅的損傷機理。實驗研究表明，193 nm 紫外激光對單晶硅的損傷機理主要為熱力耦合，應力損傷先發生，材料表面呈現出明顯的燒蝕狀的熔融損傷和裂紋狀的應力損傷，整個損傷區域邊緣齊整。在能量密度低或脈沖數較少的情況下，2 種損傷形貌區別明顯，而在較高能量密度和多脈沖的情況下，熔融損傷逐漸占據主導，整個材料表面呈現出波浪狀的燒蝕形貌，并且損傷邊緣也出現了明顯的液體飛濺現象。計算結果表明，193 nm 紫外激光對單晶硅的熔融損傷閾值為0.71 J/cm2、熱應力損傷閾值為0.42 J/cm2。