СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..........................................................7
Глава I. ОБРАЗОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ И УПОРЯДОЧЕННЫХ СТРУКТУР ДЕФЕКТОВ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ ПРИ
ЛАЗЕРНОМ ОСАЖДЕНИИ.......................................34
§1.1. Дефекты в тонких пленках..............................34
§1.2. Взаимодействие дефектов с полями упругих напряжений
и температуры. Основные уравнения описывающие движение
дефектов...............................................35
§1.3. Лазерное пиролитическе осаждение металлических пленок на неоднородно нагретую подложку. Образование упорядоченных
структур пор...........................................42
§1.4. Методика эксперимента и результаты....................44
§1.5. Интерпретация результатов образования кольцевых структур пор с позиций пористо-деформационной неустойчивости
(ПДН)..................................................52
§1.6. Сравнение теории с экспериментом......................59
§1.7. Влияние дефектов на свойства ВТСП-пленок полученных
методом импульсного лазерного испарения мишени.........61
1.7.1. Особенности лазерного напыления ВТСП пленок 61
1.7.2. Методика диагностики продуктов испарения ВТСП керамики................................................63
§1.8. Экспериментальные результаты и их обсуждение..........65
§1.9. Исследование влияния отжига в вакууме и облучения ионами
на свойства ВТСП-пленок................................70
Приложение I:...............................................74
Приложение II:..............................................75
Выводы к главе I:...........................................80
2
Глава И! ГЕНЕРАЦИЯ УПОРЯДОЧЕННЫХ СТРУКТУР ДЕФЕКТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО
КРЕМНИЯ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ..............................81
§2.1. Поглощение лазерного излучения в поверхностном слое
полупроводников. Основные факторы определяющие генерацию
высокой концентрации дефектов..............................81
§2.2. Формирование структур дефектов и рельефа поверхности при
воздействии лазерного излучения............................84
§2.3. Генерация обратимых и необратимых структур дефектов и локальное плавление поверхности кремния при воздействии миллисекундных лазерных импульсов............................86
2.3.1. Методика проведения эксперимента....................88
2.3.2. Экспериментальные результаты........................90
§2.4. Формирование упорядоченных структур на поверхности
кремния в результате неоднородного плавлении поверхности на дислокациях. Суперпозиция когерентных и некогерентных
структур...................................................94
§2.5. Качественное обсуждение экспериментальных результатов ....100
§2.6. Дефектно-деформационная неустойчивость и образование
поверхностной решетки дефектов............................105
§2.7. Образование одномерной и двумерной поверхностной решетки
дефектов..................................................108
§2.8. Возможность управления диффузионными и деформационно-индуцированными потоками дефектов в ковалентных полупроводниках с помощью мощного линейно-поляризованного лазерного излучения....................................113
§2.9. Генерация дислокаций и структур дислокаций на поверхности кремния при квазистационарном режиме лазерного
воздействия...............................................117
2.9.1. Краткое описание экспериментальных результатов.....118
3
§2.10. Интерпретация наблюдаемых структур дислокаций с позиций
модели ДиД упорядочения дислокаций....................118
Выводы к главе II:..........................................123
Глава Ш. РАЗРУШЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ И ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОМ
ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.........................125
§3.1. Генерация и накопление дефектов в поверхностном слое
кремния при воздействии лазерных импульсов в вакууме....125
§3.2. Экспериментальная установка и результаты исследований.128
§33. Обсуждение результатов.................................134
§3.4. Генерация дефектов в поверхностном слое кремния при воздействии лазерных импульсов в газовой атмосфере. Ускоренная диффузия газа в обогащенном дефектами приповерхностном слое.........................................145
§3.5. Исследование изменений рельефа поверхности на воздухе.149
§3.6. Формирование неоднородностей рельефа поверхности при воздействии лазерных импульсов в атмосфере различных
газов.................................................153
§3.7. Разрушение поверхности кремния и меди при импульснопериодическом воздействии субмикросекундных лазерных
импульсов на воздухе....................................164
Выводы к главе III:.........................................168
Глава IV. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ПЛАСТИН И ПЛЕНОК, ВОЗБУЖДАЕМАЯ ПЛАСТИЧЕСКИМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ...........................................169
§4.1. Состояние исследований по деформационно-стимулированной
люминесценции металлов..................................169
§4.2. Механолюминесценция хрупких металлов возбуждаемая
воздействием миллисекундных мпульсов Nd:YAG лазера......171
4
4.2.1. Экспериментальная установка, подготовка образцов и методика исследования механолюминесценции металлов...............................................172
4.2.2. Определение вклада теплового свечения в измеряемый сигнал.................................................174
4.2.3. Исследование механолюминесценции вольфрама. Экспериментальные результаты...........................176
4.2.4. Оценки интенсивности механолюминесценции........179
§4.3. Исследование механолюминесценции молибдена. Зависимость
порога возбуждения механолюминесценции от толщины
образца. Экспериментальные результаты..................183
§4.4. Обсуждение экспериментальных результатов..............188
§4.5. Исследование спектрального состава механолюминесценции
вольфрама..............................................194
4.5.1. Состояние проблемы по исследованию спектрального состава механолюминесценции металлов...................194
4.5.2. Экспериментальная установка для регистрации спектров механолюминесценции....................................195
4.5.3. Экспериментальные результаты и методика обработки спектров механолюминесценции...........................196
4.5.4. Обсуждение результатов исследования спектрального состава механолюминесценции............................198
§4.6. Механолюминесценция тонких металлических пленок.......206
4.6.1. Экспериментальные результаты и их обсуждение....207
4.6.2. Возбуждение MJI воздействием коротких лазерных импульсов. Экспериментальные результаты и их обсуждение.............................................210
Выводы к главе IV:..........................................215
5
Глава V. ФОРМИРОВАНИЕ КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКОГО РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ РАСПЛАВА НА СТЕНКАХ КАНАЛА ПРОПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА МЕТАЛЛЫ И ПОЛУПРОВОДНИКИ... 217 §5.1. Неустойчивости поверхности расплава и формирование квази-периодического рельефа при воздействии лазерных импульсов
на материалы...............................................217
§5.2. Колебательный режим движения расплава в канале проплавления при воздействии миллисекундных лазерных импульсов...219
5.2.1. Методика эксперимента и результаты..................221
5.2.2. Обсуждение экспериментальных результатов............229
§5.3. Формирование канала проплавления при воздействии
субмиллисекундных лазерных импульсов на металлы. Влияние внешнего давления и типа газа на развитие неустойчивости рельефа поверхности расплава и скорость образования канала
проплавления..........................................235
5.3.1. Методика эксперимента и результаты.............236
53.2. Обсуждение экспериментальных результатов.......238
§5.4. Исследование динамики развития микрорельефа поверхности
под воздействием лазерного импульса...................249
Выводы к главе V:..........................................256
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:..............................................257
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:.........................................262
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Лавинообразное развитие современной нано-микроэлектроники, оптоэлектроники и лазерных информационных систем стимулирует потребность в новых, перспективных материалах, которые при предельно малых размерах были бы устойчивы к длительному воздействию интенсивных электрических, тепловых и световых (в том числе лазерных) нагрузок.
Для направленного поиска материалов, удовлетворяющих этим требованиям, необходимо детальное знание причин и механизмов, которые приводят к их деградации и разрушению при соответствующих нагрузках.
Как правило, деградация материала связана с происходящими структурными изменениями (генерацией и накоплением структурных дефектов), которые в конечном итоге и приводят к необратимым изменениям свойств материала и к его разрушению. Особенно критично процесс дефектообразования влияет на свойства кристаллических материалов, имеющих микронные и субмикронные размеры. Именно такого размера элементы используются в современной электронике. Поэтому исследование процессов дефектообразования, взаимодействия дефектов, а также влияние исходной концентрации дефектов на процесс разрушения представляют особый интерес для определения предельных возможностей материалов.
В любом кристалле уже изначально имеется определенная концентрация собственных равновесных дефектов, что следует из термофлуктуационного механизма образования дефектов при заданной температуре Т0. Так, равновесная концентрация точечных дефектов, например, вакансий, определяется как п(То)=Н0ехр(-Еу/кТ0), где Еу -энергия образования вакансии, Т0 - температура образца. Существование протяженных дефектов (неравновесных дефектов), как правило, связано с
7
процессом получения материала или с процессом ее дальнейшей обработки; хотя следует заметить, что современные технологии в принципе позволяют получать материалы с наперед заданной концентрацией протяженных дефектов, в том числе и бездислокационные и безпористые материалы, например, монокристаллы кремния, нитевидные монокристаллы (усы), тонкие монокристаллические пластинки [1,2].
В монокристаллических материалах основными собственными структурными дефектами являются: точечные дефекты - вакансии, междоузлия, протяженные дефекты - дислокации, поры [3-10]. В поликристаллических материалах, которые состоят из множества монокристаллических зерен, понятие дефектности имеет более широкий смысл, так как зерна чаще всего имеют разную ориентацию, а в границах зерен могут скапливаться различные дефекты, образовываться микропустоты и микротрещины, поэтому сами границы зерен условно можно считать собственными двухмерными дефектами, характерными для поликристаллов. Кроме того, как в монокристаллах, так и поликристаллах могут содержаться несобственные дефекты - примесные атомы и скопления примесных атомов.
Во многих современных технологиях обработки (модификации поверхности) материалов используется лазерное излучение (лазерная термообработка, отжиг, легирование, рекристаллизация, нанесение покрытий и т.д.) [11-16]. Возможность локально воздействовать на участки поверхности размером до долей микрона, высокая скорость нагрева и мобильность в управлении лазерным лучом делают методы лазерной модификации материалов все более привлекательными. Однако наряду с очевидными преимуществами использования лазерного излучения для обработки материалов, воздействие лазерного излучения может сопровождаться рядом нежелательных последствий, связанных с генерацией дефектов, структур дефектов и неоднородным плавлением поверхности [17-36].
8
Известно, что воздействие лазерного излучения на поглощающие материалы может вызвать как пространственное перераспределение уже имеющихся дефектов, так и привести к значительному увеличению их концентрации за счет рождения новых дефектов (вакансий, междоузлий). При этом плотность мощности лазерного импульса I может быть значительно меньше порога плавления поверхности I[h. Так, например, при воздействии лазерных импульсов с I< Ith на полупроводниковые материалы (энергия кванта hco>Eg, где Eg - ширина запрещенной зоны) концентрация точечных дефектов в приповерхностном слое толщиной Ah^a'1 может возрасти до п«1019+1021 см'3 [34], где а - коэффициент поглощения лазерного излучения I=Ioexp(-az). Основными факторами, которые могут привести к образованию дефектов в полупроводниках, являются нагрев, деформация решетки и электронное возбуждение приповерхностного слоя (генерация электронно-дырочных пар). Однако каждый из этих факторов по отдельности не может привести к столь значительному повышению концентрации дефектов. Согласно [22, 23], максимальная концентрация дефектов образуется при одновременном действии всех перечисленных факторов. В работах [22, 23, 25] проведен подробный анализ электронно-деформационно-тепловой модели (ЭДТ) лазерно-индуцированного дефектообразования в полупроводниках, учитывающей все эти факторы. Образование дефектов в металлах при воздействии лазерных импульсов рассмотрено в работах [37,38].
С увеличением плотности мощности лазерного импульса увеличиваются температура материала и концентрация дефектов. В результате все более существенным становятся взаимодействия полей деформации, температуры и концентрации дефектов. При определенных условиях воздействия однородное распределение концентрации дефектов становится неустойчивым (концентрационно-деформационно-тепловые неустойчивости КДТН [39-46]) и в приповерхностном слое начинают образовываться более крупные дефекты: дислокации и поры, а также
9
периодические структуры дислокаций и пор. Общая схема развития КДТН выглядит следующим образом: флуктационная гармоника поля упругих деформаций среды модулирует какой-либо параметр среды - энергию миграции дефектов, ширину запрещенной зоны, скорость дрейфа, скорость генерации и рекомбинации дефектов. Модуляция этих величин приводит соответственно к пространственно-временной модуляции поглощения лазерного излучения, температуры и концентрации дефектов в приповерхностном слое. Модуляция температуры и концентрации дефектов приводят к еще большей модуляции параметров среды, и, таким образом, между ними организуется положительная обратная связь, приводящая к развитию КДТН с экспоненциальным во времени ростом Фурье гармоник возмущений температуры и концентрации дефектов. Образование крупных пор или скопления дислокаций может вызвать начало образования микротрещин и, как следствие, начало разрушения материала в процессе лазерной обработки. Кроме того, в местах скопления крупных дефектов, как правило, увеличивается поглощение излучения и уменьшается температура плавления, что может привести к нежелательному неоднородному (локальному) плавлению поверхности при обработке. Поэтому изучение вышеперечисленных особенностей воздействия лазерного излучения на материалы имеет как фундаментальное значение, для определения механизмов генерации и самоорганизации дефектов в различных материалах, так и практический интерес, для выбора оптимальных режимов лазерной обработки материалов.
В ряде экспериментальных и теоретических работ исследовались процессы твердофазного разрушения металлов, полупроводников и диэлектриков при многократном (импульсно-периодическом) воздействии лазерных импульсов. Так в работах [47, 48] представлены результаты исследования миогоимпульсного лазерного разрушения (МЛР) медных и серебряных зеркал. Было показано, что критическое число импульсов
ю
снижается при увеличении интенсивности лазерных импульсов. MJTP полупроводников (кремния) исследовалось в работах [30, 34, 49-52], где было установлено, что зависимость критического числа импульсов в серии от интенсивности mc=mc(I) аналогично случаю металлов, и что существует минимальный уровень интенсивности Ith., ниже которого повреждение не наступает при любом количестве импульсов. В диэлектриках (щелочно-гаплоидные кристаллы, стекла) МЛР исследовалось в работах [53-55]. В настоящее время для объяснения МЛР предлагаются два отличных друг от друга механизма. Статистический механизм и механизм, связанный с генерацией и накоплением дефектов. Статистический механизм предполагает существование конечной вероятности повреждения
материала при воздействии одним импульсом любой интенсивности. По мнению авторов [51], статистический механизм больше подходит для описания разрушения изначально дефектных кристаллов. Механизм многоимпульсного разрушения основывается на предположении, что в материале происходят постепенные микроскопические изменения, связанные с генерацией и накоплением дефектов от импульса к импульсу. Так, в работах [56-58] предполагалось, что постепенное накопление дислокаций в металлах с образованием периодических дислокационных структур приводит к увеличению поглощения и ответственно за эффект МЛР. В работе [59] было высказано предположение, что при МЛР прозрачных диэлектриков также происходит генерация и накопление дефектов от4 импульса к импульсу. Скопление дефектов инициирует локальные напряжения, приводящие, при превышении порогового значения, к пластической деформации, которая, по мнению авторов, есть начало быстрых необратимых изменений оптических свойств материала.
Таким образом, определены следующие общие закономерности многоимпульсного лазерного разрушения: 1) существует минимальное значение плотности мощности 10 воздействующего лазерного импульса, ниже которого разрушение не наступает при любом числе импульсов N;
и
2) при 1>10 критическое число импульсов, вызывающее разрушение, уменьшается с увеличением I. Определенная таким образом 10, вероятно, есть минимальная плотность мощности, ниже которой генерацией и накоплением дефектов от импульса к импульсу можно пренебречь. В случае 1>10 начинается процесс накопления дефектов, при этом чем выше I, тем быстрее идет накопление дефектов от импульса к импульсу и тем быстрее наступает разрушение материала.
В лазерной оптике оптические элементы часто подвергаются многократному воздействию интенсивных световых (лазерных) и тепловых полей. Это непосредственно относится к элементам, которые используются для управления лазерным лучом (зеркала, дефлекторы, преобразователи излучения), и к материалам в приборах, используемых для измерения интенсивности излучения, где в качестве чувствительного элемента применяются полупроводниковые, пьезокерамические и сверхпроводящие пленки (в том числе из сверхпроводящей керамики YBaCuO, например: болометры, квантовые интерферометры SQUID и т.д.). В процессе работы этих элементов и приборов в ряде случаев наблюдается внезапное разрушение поверхности рабочего материала (поверхностного слоя или покрытия), что, согласно [47-59], может быть связано с генерацией и накоплением дефектов. Подобная ситуация, например, наблюдается в оптических зеркалах, находящихся длительное время под лучевой нагрузкой, и в особенности под импульсно-периодической лучевой нагрузкой. Последовательность развития процесса разрушения при этом объясняют следующим образом: при 1>1о, в некотором
локальном участке поверхности, флуктуации концентрации дефектов достигают критического значения Дпкр, при превышении которого начинается их быстрое накопление. Увеличение концентрации дефектов приводит к увеличению поглощения лазерного излучения и температуры. Повышение температуры и термонапряжений порождают еще большее количество дефектов и, таким образом, организуется положительная
12
обратная связь между концентрацией дефектов и поглощенным излучением, приводящая к экспоненциально-быстрому росту локальной концентрации дефектов и разрушению поверхности зеркала. Чем выше I, тем быстрее реализуется критическая флуктуация плотности дефектов и тем быстрее разрушается поверхность зеркала.
Для управления процессом дефектообразования и получения стойких к внешним воздействиям материалов возникает необходимость в разработке соответствующих методов диагностики дефектов, позволяющих в реальном времени давать информацию об изменении дефектной структуры материала в процессе воздействия лазерного излучения.
Известно, что наличие в поверхностном слое повышенной концентрации дефектов приводит к изменению упругих и термоупругих коэффициентов материала (сжатия, сдвига, температурного расширения и теплопроводности), поэтому можно ожидать, что наличие дефектов проявится и на динамических характеристиках деформационного отклика поверхности на импульсное внешнее воздействие. Поэтому представляет интерес разработка и использование методов, основанных на деформационном отклике материала, для исследования процессов генерации и взаимодействия дефектов, а также исследования механизмов разрушения материала. Например, в работах [60-62] по деформационному отклику поверхности измерялись сдвиговые напряжения Су(гД) и термодеформации (термоупругие смещения и7.(гД) ) в поверхностном слое металлов и полупроводников, предшествующие разрушению поверхности при воздействии серии коротких лазерных импульсов. Термодеформации поверхности регистрировалась по изменению угла отражения (рассеяния) луча пробного лазера.
Активация процессов рождения и взаимодействия дефектов при интенсивных внешних воздействиях, особенно в условиях, близких к порогу разрушения материала, и при разрушении, может сопровождаться
13
эмиссией частиц и света (электронов, ионов, атомов, кластеров и фотонов) [63-68]. Энергетическое и временное распределение эмитированных частиц непосредственно связаны с реакциями взаимодействия структурных дефектов в процессе разрушения, что позволяет использовать эмиссионные явления для исследования механизмов деградации и разрушения различных материалов.
Поэтому все больший интерес в последнее время проявляется к исследованиям деформационно-стимулированных явлений - эмиссии частиц и света (люминесценции), возникающих при пластической деформации материала в результате механических или тепловых воздействий [65-89]. Установлено, что при пластической деформации многих материалов (диэлектриков, полупроводников, металлов) наблюдается слабое оптическое свечение - механолюминесценция МЛ. К настоящему времени опубликован целый ряд работ, в которых исследовалась МЛ, возникающая при взаимодействии различных дефектов, например, дислокаций в диэлектриках [63,65,66,82,83-87], примесных центров и дислокаций в полупроводниках [63,66,69,80,81], дислокаций между собой и с поверхностью в металлах [70-74,88,89]. Установлено, что интенсивность МЛ зависит от величины и скорости воздействия внешних напряжений, а также от концентрации и подвижности дефектов.
Механолюминесценция - это неравновесное свечение, возникающее при пластической деформации материала, оно обусловлено взаимодействием структурных дефектов между собой или с границей раздела. Возможность возбуждения МЛ материала в видимой области спектра указывает на то, что в процессе деформации происходит возбуждение электронных состояний и их последующий излучательный распад. Поэтому основное внимание при исследовании МЛ, как правило, было обращено на поиск механизмов возбуждения электронных переходов, вызванных перестройкой структуры материала при
14
деформации. Механолюминесценция - давно известное, но до настоящего времени мало изученное явление. Но уже в ранних работах [63,64,66,69] предлагалось использовать ее для исследования деформационно-стимулированных реакций взаимодействия структурных дефектов.
Больший успех достигнут в понимании механизмов возбуждения МЛ в диэлектриках и полупроводниках. Однако механизм возбуждения люминесценции металлов при воздействии импульсных механических напряжений до настоящего времени остается мало изученным. Практически отсутствуют экспериментальные данные о параметрах люминесценции: о спектральном составе, о зависимости спектрального состава и интенсивности от величины воздействующей нагрузки и характеристик материала (теплопроводности, электропроводности, концентрации дефектов). Существующие (немногочисленные) работы посвящены, в основном, исследованию МЛ меди и благородных металлов. Возбуждение МЛ авторы этих работ связывают с взаимодействием и аннигиляцией дислокаций противоположного знака в тонком поверхностном слое или с их выходом на поверхность.
В ряде последних работ для исследования МЛ металлов использовались лазерные импульсы. При воздействии лазерных импульсов на поглощающие материалы в поверхностном слое за короткое время достигаются высокие градиенты температуры и термонапряжений, которые могут привести к активации движения и взаимодействия дефектов, имеющихся в материале, и, как следствие, к возбуждению МЛ. Поэтому представляет интерес использование мощных лазерных импульсов для возбуждения МЛ. Таким методом в работах [71-73,88,89] исследовалась МЛ пластичных металлов (медь и благородные металлы).
Рассмотренные выше лазерно-стимулированные процессы генерации, взаимодействия и самоорганизации дефектов и разрушения материала происходят в твердой фазе, т.е. когда плотность мощности лазерного излучения ниже порога плавления.
15
Если плотность мощности лазерного импульса выше порога плавления поверхности, то в этом диапазоне значений 1лаз. в зависимости от параметров материала и лазерного импульса может наблюдаться другой, часто встречающийся в практических приложениях вид неустойчивостей, связанный с движением расплава и паров материала в зоне воздействия лазерного импульса. Развитие этих неустойчивостей приводит к формированию периодического рельефа поверхности [90-105]. С другой стороны, в таких технологических процессах, как лазерная рекристаллизация и аморфизация, резка, сварка это явление становится нежелательным.
Для большинства материалов при значениях I < 5хЮ5 Вт/см2 движение расплава, как правило, определяется термокапиллярными силами, которые при определенных условиях приводят к развитию термокапиллярной неустойчивости рельефа поверхности расплава [90-92,100-102] и к образованию периодических структур. Известны мелкомасштабные (когерентные) поверхностные периодические структуры (ППС) с периодом с!~Х (где А,-длина волны воздействующего лазера) и крупномасштабные структуры с периодом с1»^. Период и ориентация мелкомасштабных структур определяются периодом и ориентацией вектора поляризации воздействующего лазера, а причиной их появления является возбуждение капиллярных волн на поверхности расплава за счет интерференции в поверхностном слое падающего и дифрагированного лучей. В работах [106,107] исследовались ППС, образованные сканирующим лучом лазера. Отмечалась возможность получения большей монохроматичности решеток и возможность использования этого фундаментального явления для получения высококачественных дифракционных решеток [104-108].
Для крупномасштабных структур их форма, период и ориентация не зависят от длины волны и поляризации воздействующего лазера. Причиной появления таких структур, как правило, является развитие
16
термокапиллярной или капиллярно-испарительной неустойчивости капиллярных волн в неоднородно нагретом слое расплава, которые после остывания расплава остаются в виде модуляций рельефа поверхности материала. По форме такие структуры весьма разнообразны, особенно в случае образования в зоне воздействия лазерного излучения канала проплавления (КП). Чаще всего они представляют собой набор концентрических колец или суперпозицию кольцевых и радиальных структур, исходящих от центра облучаемой зоны. В ряде случаев, например при многоимпульсном воздействии, наблюдаются и более сложные крупномасштабные структуры, представляющие собой упорядоченное распределение конических по форме локальных неоднородностей поверхности [109-111]. В работах [112,113] обнаружена новая форма периодических структур, представляющая собой спиралеобразную модуляцию рельефа поверхности стенок КП в металлах, причем замечено, что тенденция к образованию таких структур подавляется с увеличением давления окружающего газа.
Целью работы является выявление закономерностей и механизмов лазерно-стимулированных процессов генерации, взаимодействия и самоорганизации структурных дефектов и рельефа поверхности в конденсированных средах (в тонких металлических пленках, в приповерхностном слое полупроводников, металлов и на поверхности расплава на стенках канала проплавления).
В частности:
1. Определение особенностей газофазного осаждения металлических пленок на неоднородно нагретую поверхность и определение механизмов, приводящих к разрушению пленок
2. Установление последовательности генерации структур дефектов в поверхностном слое полупроводников и влияние их на неоднородное
17
плавление поверхности полупроводников (на примере кремния) при воздействии миллисекундных импульсов Ш3+:УАО лазера.
3. Выявление механизмов и построение модели твердофазного разрушения поверхности полупроводников (на примере кремня) при импульснопериодическом воздействии субмикросекундных импульсов Ыс13+:УАО лазера в вакууме и в атмосфере различных газов.
4. Выявление механизмов деформационно-стимулированной люминесценции хрупких металлических пластин и тонких металлических пленок, возникающей при воздействии лазерных импульсов
5. Экспериментальное исследование механизмов формирования рельефа поверхности расплава на стенках канала проплавления и определение зависимости скорости её образования от давления и типа окружающего газа и плотности мощности воздействующего лазерного излучения. Научная новизна работы
Выполнен цикл экспериментальных работ, направленных на изучение новых механизмов генерации, взаимодействия и самоорганизации структурных дефектов в тонких металлических пленках, в поверхностном слое полупроводников и металлов, а также формирования рельефа поверхности расплава на стенках КП при воздействии лазерного излучения
1. Обнаружено новое явление, представляющее собой образование упорядоченных структур пор в металлических пленках при их лазерном осаждении на неоднородно нагретую поверхность. Определены критические режимы осаждения, приводящие к образованию структур пор. Для интерпретации наблюдаемого явления предложена модель пористодеформационной неустойчивости (ПДН), которая качественно согласуется с экспериментальными результатами.
2. Впервые зарегистрированы обратимые (релаксирующие после окончания лазерного импульса) дислокационные структуры. Определены условия и последовательность генерации обратимых и необратимых
18
дислокационных структур на поверхности кремния при воздействии лазерного излучения.
3. Обнаружен эффект аномально продолжительной деформации поверхности кремния, возникающий при воздействии лазерных импульсов в газовой атмосфере. Установлено, что наблюдаемый эффект связан с лазерно-стимулированной, ускоренной диффузией атомов окружающего газа в приповерхностный слой и образованием медленно релаксирующих локальных неоднородностей, представляющих собой дислокации в окружении повышенной концентрации атомов газа.
4. Установлены механизмы и предложена физическая модель роста дислокаций при импульсно-периодическом воздействии коротких лазерных импульсов в вакууме и в атмосфере окружающего газа, качественно описывающая разрушение поверхности полупроводников (на примере монокристаллического кремния).
5. Зарегистрирована деформационно-стимулированная люминесценция хрупких мелкодисперсных металлов. Установлена связь между порогом возбуждения люминесценции и дисперсностью материала.
6. Зарегистрирован колебательный режим движения (абляции) расплава из канала проплавления при воздействии миллисекундных лазерных импульсов на металлы. Обнаружена новая форма крупномасштабных структур рельефа поверхности на стенках КП (спиралеподобная структура), характеризующая форму колебательного движения расплава по стенкам канала (вид неустойчивости рельефа поверхности расплава).
Практическая ценность работы
1. Предложены рекомендации по выбору режима осаждения пленок, при котором можно избежать образования структур пор и тем самым получать однородные, с хорошей адгезией пленки.
2. Результаты исследования деформационно-стимулированной люминесценции могут быть использованы для создания бесконтактного,
19
неразрушающего метода диагностики дефектов и начальной стадии разрушения твердых тел.
3. Результаты исследования зависимости скорости образования канала проплавления от давления внешней атмосферы могут быть использованы в таких практических приложениях, как глубоководная лазерная резка и сварка.
4. Результаты по многоимпульсному разрушению поверхности полупроводников могут быть использованы в технологии лазерной обработки полупроводников для определения критических параметров используемого лазерного излучения.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Обнаружение и определение основных характеристик нового явления образования упорядоченных структур пор в пленках в процессе их осаждения из газовой фазы на неоднородно нагретую поверхность. Образование упорядоченных структур пор зависит от условий осаждения (скорости осаждения, градиента температур) и наблюдается в местах, где пленка достигает критической толщины.
2. Результаты экспериментального определения последовательности микроструктурных изменений в приповерхностном слое монокристаллического кремния, обусловленных твердофазной генерацией дефектов и структур дефектов при воздействии миллисекундных импульсов лазера. Полученные экспериментальные результаты позволили установить, что до определенного, порогового значения плотности энергии Е,ь лазерного импульса имеет место генерация обратимых структур дефектов (структур дислокаций), которые релаксируют после окончания лазерного импульса, а выше Е^ -необратимых (сохраняющихся) структур дислокаций. Неоднородное плавление поверхности начинается в местах пересечения линий
20
дислокаций и связано с понижением порога плавления поверхности по Е„ в этих местах.
3. Физическая модель и подтверждающие ее экспериментальные результаты исследования твердофазного разрушения поверхности монокристаплического кремния при импульсно-периодическом воздействии субмикросекундных импульсов Ыс13+:УАС лазера в вакууме и в атмосфере окружающего газа. Твердофазное разрушение поверхности в вакууме определяется конкуренцией процессов роста дислокаций за время действия лазерного импульса и их релаксацией в период между импульсами. В атмосфере окружающего газа на разрушение поверхности оказывает существенное влияние лазерно-стимулированная диффузия газа в приповерхностный слой материала.
4. При импульсной пластической деформации хрупких мелкозернистых металлов с низкой подвижностью дислокаций может возбуждаться люминесценция. Возможной причиной люминесценции являются реакции взаимодействия зернограничных дислокаций с примесями, локализованными в межзеренной области.
5. Развитие неустойчивостей в расплаве на стенках канала проплавления, образующегося при воздействии лазерного излучения, может приводить к образованию как крупномасштабных некогерентных (с периодом с!«30-40 мкм), так и мелкомасштабных когерентных (с периодом <\*Х, где X - длина волны лазера) упорядоченных структур. Крупномасштабные структуры определяют колебательную форму выноса (абляции) расплава из канала проплавления. Наличие высокого внешнего давления оказывает существенное влияние на развитие неустойчивостей в расплаве и на формирование упорядоченных структур.
Апробация работы:
Основные результаты диссертации обсуждались на семинарах ИПЛИТ РАН, ИОФАН, ФИАН, МГУ и ТРИНИТИ, а также докладывались на национальных и международных конференциях:
21
VII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом, Ленинград, 1988, 1990, 1996 гг.; Всесоюзном семинаре “Лазерная техника и технология”, Вильнюс, 1988 г.; XIII Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике”, 1988, 1991, 1998, 2001гг.; II Всесоюзном симпозиуме по ВТСП, Харьков, 1988 г.; II Всесоюзной конференции по ВТСП, Киев, 1989 г.; III Всесоюзной конференции “Применение лазеров в народном хозяйстве”, Шатура, Моск. обл., 1989 г.; Всесоюзной конференции “Физика и применение твердотельных лазеров”, Москва, 1990 г.; Int. Conf. on Advanced Materials and Laser Technology ALT92, IOFAN, Moscow, 1992г.; VII Международной конференции “Оптика лазеров”, Санкт-Петербург, 1993 г.; Всесоюзной конференции “Лазерные технологии-93”, Шатура, Моск. обл., 1993 г.; The International Symposium on High Power Lasers and Laser Applications, Vienna, Austria, 1994; Int. Conf. ILLA-98, Shatura, Moscow region, Russia, 1998, 2001 гг.; Международной конференции по росту и физике кристаллов, Москва, Россия, 1998, 2000, 2002 гг., Advanced High-Power Laser and Applications AHPLA ’99, Osaka, Japan, 1999; Russian-German Laser Symposium, Vladimir-Suzdal, 2000; International Symposium Laser Technologies and Lasers, LTL’2001, Plovdiv-Smolyan, Bulgaria, 2001; Conference on Lasers, Applications and Technologies, LAT-2002, Moscow, Russia, 2002.
Личный вклад автора
В диссертацию вошли результаты исследований, проведенных автором в ИПЛИТ РАН. Автором поставлены научные задачи, выбраны пути их решения и предложены методы и схемы экспериментальных исследований. Все вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены либо самим автором, либо при его определяющей роли.
22
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы: 25 статей в журналах, 16 статей в трудах SPIE, 3 статьи в трудах школ и 3 препринта. Кроме этого, результаты работы опубликованы в тезисах докладов более чем 45 различных конференций. Список публикаций приведен в конце диссертации в списке литературы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Материал диссертации изложен на 285 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 1 таблицу, библиографию из 284 наименований.
Краткое содержание работы
Во введении обосновывается актуальность исследований, анализируется современное состояние работ в этом направлении и определяются цели и конкретные задачи, которые предполагается решить в работе.
Первая глава посвящена исследованию механизмов генерации, взаимодействия и самоорганизации структурных дефектов в тонких металлических пленках в процессе их осаждения на поверхности подложки с неоднородным распределением температуры. Для получения неоднородного распределения температуры на поверхности подложки использовалось лазерное излучение. Осаждение пленок проводилось методом пиролитического разложения паров карбонилов на неоднородно нагретой с помощью лазерного излучения подложке. Кратко описаны экспериментальная установка и методика осаждения. Обнаружено, что при определенных режимах осаждения в пленке наблюдается явление образования периодических структур пор.
Определены режимы осаждения и измерены критические параметры осаждаемой пленки (скорость осаждения, толщина пленки, распределение
23
толщины пленки вдоль подложки, распределение температуры вдоль подложки), при которых наблюдается образование периодических структур пор. Показано, что при определенных условиях осаждения начинается периодическое отслоение пленки по местам скопления пор. Измерены основные параметры образующихся структур пор - период структур и зависимость периода от температуры и градиента температуры. Измерения толщины пленок проводилось на интерферометре “Zygo,\ а измерения параметров структур - на профилометре “Та1уз(ер”. Установлено, что образование структур пор зависит от скорости осаждения пленки и что существуют режимы осаждения, при которых можно избежать образования структур пор и, таким образом, получать качественные пленки с высокой адгезией с подложкой. Обсуждаются основные силы и механизмы, приводящие к пространственному распределению дефектов в пленке. Дана интерпретация наблюдаемого явления. Согласно модели, предложенной в работе [43], образование периодических кольцевых структур пор происходит в результате развития пористо-деформационно-тепловой неустойчивости (ПДН), физический механизм которой состоит в следующем. При превышении определенной скорости осаждения (роста пленки) концентрация пор достигает некоторой критической концентрации и однородное распределение становится неустойчивым. Возбуждение затравочной изгибной деформации в пленке приводит к образованию периодически повторяющихся областей растяжения и сжатия. Вследствие деформационно-индуцированного дрейфа в областях сжатия пленки скапливаются вакансии, а в областях растяжения - поры. Это усиливает затравочные деформации, и, таким образом, организуется положительная обратная связь, приводящая к неустойчивости связанных между собой деформационной и концентрационной гармоник. В результате в областях растяжения достигается высокая неравновесная плотность пор и, как следствие, возможно образование макропор., С учетом симметрии задачи (условий
24
осаждения пленки) это приводит к образованию концентрических скоплений из пор. В местах скопления пор уменьшается адгезия пленки с подложкой, в результате происходит периодическое отслоение пленки от подложки.
Исследовалось влияние структурных дефектов на свойства ВТСП-пленок, полученных методом лазерного испарения мишени из керамики УЬаСиО с последующим осаждением продуктов испарения на соответствующую подложку. По спектрам эмиссии продуктов испарения показано, что при испарении мишени и транспортировке продуктов испарения к подложке происходит частичная потеря кислорода, в результате чего нарушается стехиометрия напыляемых пленок по кислороду и образуется значительное количество дефектов структуры -кислородных вакансий, что, согласно существующим представлениям, понижает температуру сверхпроводящего перехода. При напылении в атмосфере кислорода, в результате взаимодействия продуктов испарения с кислородом, происходит восполнение недостающего кислорода и, таким образом, пленки получаются стехиометричного состава.
Исследовалось влияние радиационного дефектообразования (генерации вакансий) в кислородной подрешетке ВТСП-пленок, возникающего при облучении их ионами №‘, на сверхпроводящие свойства пленок. Установлено, что с увеличением дозы облучения и, таким образом, с увеличением концентрации вакансий в кислородной подрешетке, происходит падение температуры сверхпроводящего перехода ВТСП-пленок.
Во второй главе диссертации представлены результаты исследования процессов генерации, взаимодействия и самоорганизации структурных дефектов в поверхностном слое полупроводников (кремния), возникающих при воздействии миллисекундных лазерных импульсов с р-поляризацией и непрерывного лазерного излучения. Описана экспериментальная
25
установка, применяемые методы диагностики и методика исследований. Диагностика изменений рельефа поверхности в процессе воздействия лазерного импульса осуществлялась по зеркальному и дифракционному рассеянию луча пробного лазера. После лазерного воздействия поверхности образцов подвергались травлению и далее исследовались с помощью оптического микроскопа и на профилометре. В ряде опытов, для выявления нестабильных структур дефектов, облучение образцов лазерными импульсами осуществлялось непосредственно в травителе.
Показано, что образование структур дислокаций (Д-решеток) на поверхности кремния начинается при плотностях энергии, меньших порога локального плавления и имеет пороговый характер: при Ел<6.5 Дж/см структур на поверхности кремния не зарегистрировано, при 6.5<ЕЛ<7.5 Дж/см2 на поверхности формируются нестабильные структуры дислокаций, которые быстро релаксируют после окончания лазерного импульса; при Ел>7.5 Дж/см2 образование структур дислокаций имеет необратимый характер. Установлено, что дислокационная структура на поверхности (100) кремния является суперпозицией двух, направленных соответственно по кристаллографическим осям X и У, дислокационных структур (структур линий скольжения дислокаций).
Показано, что в местах пересечения линий скольжения дислокаций,
л
при ЕЛ>8.5 Дж/см , начинается локальное плавление поверхности и формирование упорядоченной ячеистой структуры. Увеличение плотности ячеек и их слияние приводит к образованию периодической структуры (решеток) неоднородного плавления поверхности с постоянным периодом с!1«3-3.5 мкм и ориентацией, определяемой взаимной ориентацией вектора Е лазерного излучения и кристаллографических осей кремния.
Дальнейшее увеличение Ел приводит к формированию решетки, период и ориентация которой определяются параметрами лазерного излучения (И-решетки), в результате на поверхности наблюдается суперпозиция решеток
26
- Київ+380960830922