Лазерный мир

Ю.И. Пестов, В.С. Макин // Труды конференции «Прикладная оптика-2006». Т.2. — С.157.

Методом скоростной фотографии исследована динамика роста острия на поверхности кремния после облучения импульсом лазера. Предложена модель формирования острия из ванны расплава, учитывающая изменение плотности материала при фазовом переходе и неполное смачивание расплавом своей твердой фазы.
Введение
В настоящее время возрастает интерес к лазерному формированию микроострий и наноострий на поверхности кремния [1,2]. Ранее авторами обнаружено и объяснено явление формирования острийного выступа рельефа после облучения поверхности кремния и германия импульсом излучения лазера при плотности энергии облучения выше порога плавления и ниже порога выноса расплава испарительным давлением [3,4]. В данной работе методом скоростной фотографии исследована динамика роста острия на кремнии после облучения его граничащей с воздухом поверхности импульсом неодимового лазера. Предложена математическая модель формирования острия при кристаллизации ограниченной ванны расплава, в основе которой лежит учет действия сил поверхностного натяжения и изменения плотности материала при плавлении и кристаллизации.
Показана важность учета неполного смачивания расплавом своей твердой фазы.

Эксперимент
Схема экспериментальная установка приведена на рис.1. Импульс излучения свободной генерации силового лазера 1 типа ГОС-1001 (λ=1,06 мкм, τи=1,65 мс), формирует ванну расплава на поверхности кремниевой пластины 8. Излучение лазера 1 проходит через диафрагму 2, ослабляющие фильтры 3, светоделительные пластинки 4 , отклоняющие часть энергии пучка на измеритель энергии излучения 5 и формы импульса генерации 16. Далее излучение лазера 1 линзой 6 через защитное стекло 7 проецируется на поверхность 8 в пятно диаметром d=1 мм с близким к однородному распределением плотности энергии. При этом линза 6 создает на поверхности 8 изображение диафрагмы 2. Для фотографирования растущего выступа через интервал времени τ1 после начала силового импульса осуществлялась его подсветка импульсом излучения лазера 9 на молекулярном азоте типа ИЛГИ-503 с длительностью импульса 10 нс и длиной волны излучения λ=337 нм. Излучение этого лазера под скользящим углом падения 5-10о подавались на плоскую полированную поверхность образца 8, служившую одновременно зеркалом для излучения подсветки, что позволило существенно увеличить освещенность изображения объекта, формируемого кварцевой линзой 10 на поверхности пластины 12 из стекла ЖС-19. Возникающее на поверхности стекла ЖС-19 за счет его люминесценции изображение объекта в видимой области спектра регистрировалось на аэрофотопленку (тип 17, чувствительность 550 ед. ГОСТ) с 3х – кратным увеличением фотокамерой 14 «Зенит-Е» с объективом 13 «Гелиос-44-2». Для предотвращения паразитных засветок фотопленки перед пластиной 12 устанавливался светофильтр 11 из стекла УФС-2.

Во время действия импульса лазера (рис.3a,b) происходит плавление кремния и вытеснение расплава под действием давления паров кремния на край формируемой ванны. При этом по периметру ванны образуется бортик расплава высотой до 80 мкм над уровнем исходной поверхности, в котором содержится бóльшая часть образовавшийся расплава. Уже к окончанию импульса лазера (рис.3с) расплав под действием капиллярных сил собирается в ванне и его граница раздела с воздухом образует вогнутый мениск, так как для кремния справедливо ρl >ρs, где ρl=2,68 г/см3 и ρs=2,42 г/см3 – плотности жидкой и твердой фаз, соответственно. Однако кристаллизация начинается не сразу, так как расплав нагрет выше температуры плавления. Появление выпуклого мениска (выступа) жидкой фазы в центре ванны (рис.3d) свидетельствует о вытеснении расплава движущимся фронтом кристаллизации, которое происходит вследствие выполнения ρl >ρs. На следующем этапе (рис.3e-g) скорость роста высоты выступа, представляющего собой каплю расплава на пьедестале из твердой фазы, возрастает. Кристаллизация завершается формированием конусообразного острия высотой H ≅ 150 мкм над уровнем исходной поверхности образца.

Полное содержание статьи: http://www.niiki.ru/doc/konf/po2006/2_44.pdf