Лазерно-стимулированные микроструктурные процессы в конденсированных средах

На правах рукописиУДК 538.975: 535.21:548.4548.4.001БАНИШЕВ Александр ФедоровичЛАЗЕРНО-СТИМУЛИРОВАННЫЕ МИКРОСТРУКТУРНЫЕПРОЦЕССЫ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХСпециальность: 01.04.21-“Лазерная физика”Авторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМ о с к в а - 2004Работа выполнена в Институте проблем лазерныхи информационных технологий Российской Академии наукОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:Доктор физико-математических наук, профессорДоктор физико-математических наук, профессорДоктор физико-математических наук, профессорПЛОТНИКОВГеннадий СемёновичМАЛЮТАДмитрий ДмитриевичБУБЛИКВладимирТимофеевичВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:Научный центр волновых исследований ИОФ РАНЗащита состоится “ 15 ” апреля 2004г.

в 15-00 часна заседании диссертационного совета Д501.001.31в Московском государственном универ ситете им. М.В.Ломоносовапо адресу: 119899, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, ул.Академика Хохлова,д.1, Корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А.АхмановаС диссертацией можно ознакомиться в библиотекефизического факультета МГУАвтореферат разослан “ 12 ” марта 2004 г.УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬдиссертационного совета Д 501.001.31к.ф.-м.н., доцентТ.М.ИЛЬИНОВА2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследований. Во многих современных технологияхобработки (модификации поверхности) материалов используется лазерноеизлучение (лазерное легирование, отжиг, термообработка, нанесение покрытийи т.д.). Возможность локально воздействовать на участки поверхностиразмером до долей микрона, высокая скорость нагрева и мобильность вуправлениилазернымлучомделаютметодылазерноймодификацииматериалов все более привлекательными. Однако, наряду с очевиднымипреимуществамииспользованиялазерногоизлучениядляобработкиматериалов, воздействие мощного излучения может сопровождаться рядомнежелательных последствий, связанных с генерацией дефектов, структурдефектов, неоднородным плавлением и образованием периодических структуррельефа поверхности.

Особенно критично наличие дефектов влияет на свойствакристаллических материалов, имеющих микронные и субмикронные размеры.Именно такого размера элементы используются в современной электронике.Другой важный в практическом отношении пример, где генерация инакопление дефектов приводят к необратимым изменениям свойств материалаэто разрушение оптических элементов (зеркал, оптических покрытий и т.д.),находящихсядлительное время под воздействием мощного лазерногоизлучения (особенно импульсно-периодического).Для выбора оптимальных режимов лазерной обработки материалов исоздания, стойких к воздействию лазерного излучения оптических элементовнеобходимо детальное знание механизмов генерации, взаимодействия инакопления структурных дефектов.Возможностьлазернойгенерациивкристаллах(диэлектриках,полупроводниках, металлах) высокой концентрации структурных дефектов(вакансий, междоузлий, дислокаций, пор) –давно известное явление.

Однако донастоящего времени не до конца понятыми остаются механизмы аномальновысокойлазерно-стимулированнойдиффузии3дефектов,механизмыобразования и роста макродефектов (дислокаций, кластеров) в инициируемыхлазерным излучением неоднородных полях температуры и концентрацииточечных дефектов, а также механизмы формирования упорядоченныхструктур макродефектов (упорядоченных структур дислокаций, кластеров). Какправило, твердофазное разрушение материала связано именно с ростоммакродефектов.При воздействии на материалы лазерных импульсов с плотностью мощностивыше порога плавления на поверхности расплава могут наблюдатьсяупорядоченные структуры рельефа поверхности. Для плоской геометрии этиструктуры достаточно хорошо изучены и изложены в ряде книг, обзоров и вбольшом количестве оригинальных работ. В ряде практических приложениймощных лазеров (в лазерной резке, пробивке отверстий) подобные структурычасто образуются на поверхности расплава в канале проплавления (КП) иостаются на его стенках после остывания расплава, тем самым, ухудшаякачествообработки.Формированиеупорядоченныхструктур-этофундаментальное физическое явление, связанное с развитием неустойчивостейрельефа поверхности расплава к действию различных сил: капиллярных,термокапиллярных, давления отдачи паров, испарительных.

Исследование(особенно экспериментальное исследование) динамики движения расплава вКП и формирования поверхностных структур представляет серьезныетрудности,идонастоящеговременисуществуетпотребностьвэкспериментальных работах в этом направлении.Целью работы является выявление закономерностей и механизмов лазерностимулированных процессов генерации, взаимодействия и самоорганизацииструктурных дефектов и рельефа поверхности в конденсированных средах (втонких металлических пленках, в приповерхностном слое полупроводников,металлов и на поверхности расплава на стенках канала проплавления).В частности:41.

Определение особенностей газофазного осаждения металлических пленок нанеоднородно нагретую поверхность и определение механизмов, приводящих кразрушению пленок.2.Установлениепоследовательностигенерацииструктурдефектоввповерхностном слое полупроводников и влияние их на неоднородноеплавлениеповерхностиполупроводников(напримерекремния)привоздействии миллисекундных импульсов Nd3+:YAGлазера.3. Выявление механизмов и построение модели твердофазного разрушенияповерхностиполупроводниковпримере(накремня)приимпульсно-периодическом воздействии субмикросекундных импульсов Nd3+:YAG лазера ввакууме и в атмосфере различных газов.4.

Выявление механизмов деформационно-стимулированной люминесценциихрупких металлических пластин и тонких металлических пленок, возникающейпри воздействии лазерных импульсов5. Экспериментальное исследование механизмов формирования рельефаповерхности расплава на стенках канала проплавленя и определениезависимости скорости её образования от давления и типа окружающего газа иплотности мощности воздействующего лазерного излучения.Научная новизна работыВыполнен цикл экспериментальных работ, направленный на изучениеновых механизмов генерации, взаимодействия и самоорганизации структурныхдефектоввтонкихметаллическихпленках,вповерхностномслоеполупроводников и металлов, а также формирования рельефа поверхностирасплава на стенках КП при воздействии лазерного излучения1.Обнаруженоновоеявление,представляющеесобойобразованиеупорядоченных структур пор в металлических пленках при их лазерномосаждении на неоднородно нагретую поверхность.

Определены критическиережимыосаждения,интерпретацииприводящиенаблюдаемогокобразованиюявления5предложенаструктурмодельпор.Дляпористо-деформационной неустойчивости (ПДН), которая качественно согласуется сэкспериментальными результатами.2. Впервые зарегистрированы обратимые (релаксирующие после окончаниялазерного импульса) дислокационные структуры. Определены условия ипоследовательность генерации обратимых и необратимых дислокационныхструктур на поверхности кремния при воздействии лазерного излучения.3. Обнаружен эффект аномально продолжительной деформации поверхностикремния, возникающий при воздействии лазерных импульсов в газовойатмосфере.

Установлено, что наблюдаемый эффект связан с лазерностимулированной, ускоренной диффузией атомов окружающего газа вприповерхностный слой и образованием медленно релаксирующих локальныхнеоднородностей,представляющихсобойдислокациивокруженииповышенной концентрации атомов газа.4. Установлены механизмы и предложена физическая модель роста дислокацийпри импульсно-периодическом воздействии коротких лазерных импульсов ввакууме и в атмосфере окружающего газа, качественно описывающаяразрушение поверхности полупроводников (на примере монокристаллическогокремния).5.Зарегистрированадеформационно-стимулированнаялюминесценцияхрупких мелкодисперсных металлов. Установлена связь между порогомвозбуждения люминесценции и дисперсностью материала.6.

Зарегистрирован колебательный режим движения (абляции) расплава изканала проплавления при воздействии миллисекундных лазерных импульсов наметаллы. Обнаружена новая форма крупномасштабных структур рельефаповерхности на стенках КП (спиралеподобная структура), характеризующаяформуколебательногодвижениярасплаванеустойчивости рельефа поверхности расплава).6постенкамканала(видПрактическая ценность работы1.