Лазерно-стимулированные микроструктурные процессы в конденсированных средах (1097637), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При напылении в атмосфере кислорода, в результате взаимодействияпродуктов испарения с кислородом, происходит восполнение недостающегокислорода, и таким образом пленки получаются стехиометричного состава.Исследовалось влияние радиационного дефектообразования (генерациивакансий) в кислородной подрешетке ВТСП-пленок, возникающего приоблучении их ионами Ne+, на сверхпроводящие свойства пленок.
Установлено,что с увеличением дозы облучения, и таким образом, с увеличениемконцентрации вакансий в кислородной подрешетке происходит падениетемпературы сверхпроводящего перехода ВТСП -пленок.12Во второй главе диссертации представлены результаты исследованияпроцессовгенерации,взаимодействияисамоорганизацииструктурныхдефектов в приповерхностном слое кремния, возникающих при воздействиимиллисекундных импульсов Nd:YAG и Nd:YAlO3 лазеров с p-поляризацией инепрерывногоизлучениялазера.Nd:YAGОписанаэкспериментальнаяустановка, применяемые методы диагностики и методика исследований.Диагностика изменений рельефа поверхности в процессе воздействия лазерногоимпульса осуществлялась по зеркальному и дифракционному рассеянию лучапробноголазера.Послелазерноговоздействияповерхностиобразцовподвергались травлению и далее исследовались с помощью оптическогомикроскопа и на профилометре. В ряде опытов, для выявления нестабильныхструктурдефектов,облучениеобразцовлазернымиимпульсамиосуществлялось непосредственно в травителе.
На рис.2 показаны структуры наповерхности кремния, полученные при разных режимах облучения.Показано,чтообразованиеструктурдислокаций(Д-решеток)наповерхности кремния начинается при плотностях энергии, меньших порогалокального плавления и имеет пороговый характер: при Ел<6.5 Дж/см2 структурна поверхности кремния не зарегистрировано, при 6.5<Ел<7.5 Дж/см2 наповерхности формируются нестабильные структуры дислокаций, которыебыстро релаксируют после окончания лазерного импульса; при Ел≥7.5 Дж/см2образование структур дислокаций имеет необратимый характер.
Установлено,что дислокационная структура на поверхности (100) кремния являетсясуперпозицией двух, направленных соответственно по кристаллографическимосям X и Y, дислокационных структур (структур линий скольжениядислокаций). Следует отметить, что на возможность образования структурдислокаций на поверхности кремния при воздействии миллисекундныхлазерных импульсов ранее обращалось внимание в работе [2∗].Показано, что в местах пересечения линий дислокаций, при 8.5≤Ел<35Дж/см2, начинается локальное плавление поверхности и формированиеупорядоченной ячеистой структуры.
Увеличение плотности ячеек и их слияние13приводят к образованию периодической структуры (решеток) неоднородногоплавления поверхности с постоянным периодом d1≈3-3.5мкм и ориентациейопределяемой взаимной ориентацией вектора E лазерного излучения икристаллографических осей кремния.Дальнейшее увеличение Ел>35 Дж/см2 приводит к формированию решетки,период и ориентация которой определяются параметрами лазерного излучения(И-решетки), в результате на поверхности наблюдается суперпозиция решеток сзависящим и не зависящим от длины волны лазера периодом.
При больших Ел,преобладают И-решетки.Рис.2. а)Увеличение М=500, Ел≈6.5Дж/см2, поверхность кремния после облучениянепосредственно в травителе; b) М=250, Ел≈7.5Дж/см2, на облученном участке поверхностипосле обработки в травителе проявляется структура дислокаций в виде прямых линий,ориентированных вдоль кристаллографических направлений; c) М=250, Ел≈12Дж/см2.,локальное плавление начинается на пересечениях линий дислокаций; г) М=250, E⊥X,Ел≈35Дж/см2, решетка с не зависящим от длины волны лазерного излучения периодомd≈3÷3.5мкм, образованная в результате слияния локальных лунок плавления.14Показано, что при длительном облучении (t≈60-70 c) поверхности кремниянепрерывным лазерным излучением имеет место генерация упорядоченныхструктур дислокаций [9].Интерпретация экспериментальных результатов проводится на основетеории диффузионно-деформационной неустойчивости (ДДН), предложенной вработах[9,11].ПоявлениеД-структуррешетокпривоздействиимиллисекундных лазерных импульсов связывается с процессом генерации иупорядочения точечных дефектов в тонком (толщиной порядка ∼10-5см)приповерхностном слое полупроводника [11].
Действие лазерного излученияприводит к генерации большого числа точечных дефектов (вакансий имеждоузлий) в приповерхностном слое полупроводника. Пространственнооднородное поле точечных дефектов с концентрацией ndo при превышенииопределенной критической концентрации ndo>ndc становится неустойчивым, иразвивается ДДН с образованием либо протяженных дефектов (пор илидислокационных петель), либо с образованием периодических решетокскоплений точечных дефектов. Механизм ДДН состоит в следующем.Локальная флуктационная фурье-гармоника концентрации дефектов nd1приводит к появлению сил F∼grad(nd1), деформирующих упругий континуум исоздающих фурье-гармонику деформации ξ=div(u), где u - вектор смещениясреды. Поскольку в поле деформаций дефект обладает энергией w=θd⋅ξ, гдеθd=const, то это вызывает появление потоков дефектов j∼grad(ξ), направленныхк потенциальным деформационным ямам.
Это усиливает исходную амплитудузатравочной фурье-гармоники концентрации дефектов, так что при ndo> ndcвозникаетнеустойчивость.Врезультатедефектыавтолокализуютсявсозданных ими же самими потенциальных ямах. ДДН стабилизируетсянелинейностью упругого континуума. В местах скопления точечных дефектовначинается образовывание дислокационных петель.Механизм упорядочения дислокаций при воздействии непрерывноголазерногоизлучениясвязансмежплоскостнымперераспределениемдислокаций за счет деформационно-индуцированного дрейфа вакансий [9].15Втретьейразрушенияглаведиссертацииповерхностиисследуютсякремнияприпроцессыимпульсномтвердофазногоиимпульсно-периодическом воздействии субмикросекундных импульсов излученияNd:YAG: -лазера с допороговой плотностью мощности I<Im, где Im-порогплавления поверхности.
Диагностика изменений рельефа поверхности впроцессе лазерного облучения осуществлялась по диффузному рассеянию лучапробного He-Ne лазера. В ряде случаев проводилась последующая обработкаобразцов в травителе (состав травителя позволял выявлять дислокации имикротрещины)иисследованиеспомощьюоптическогомикроскопа.Теоретически процессы многоимпульсной генерации и накопления дефектовранее рассматривались, например, в работе [3∗] для металлов и в работе [4∗] дляполупроводников.Исследовалось влияние окружающей атмосферы и типа газа на процессгенерации дефектов в поверхностном слое и порог разрушения поверхности. Сэтой целью эксперименты проводились в вакууме (P≈10-2 Torr.) и в атмосфере(Pгаз≈1 атм.) различных газов:-активных (кислород, азот, углекислый газ) ипассивных (инертные газы гелий, аргон, криптон).Исследования в вакууме.
Установлено, что при воздействии одиночногоимпульса с плотностью мощности вплоть до порога плавления (Im)твердофазногоразрушенияповерхностинепроисходит.Твердофазноеразрушение наблюдается только при импульсно-периодическом воздействии.Построена зависимость критического числа лазерных импульсов Nc(I,τ) (гдеNc(I,τ)-минимальное необходимое число лазерных импульсов, воздействиекоторых приводит к появлению диффузного рассеяния зондирующего лучаповерхностью) от их плотности мощности и периода следования см.рис.3. Нарис.4 показаны изменения (разрушение) поверхности после воздействиялазерных импульсов.Анализ полученныхзависимостейNc(I,τ), а также исследованияизменений структуры поверхности образцов позволяют заключить, чторазрушение поверхности связанно с генерацией и ростом дислокаций.16Качественно, образование и увеличение размера дислокации Rk (Rkрадиус дислокационного диска после воздействия k импульсов) в зависимостиот числа лазерных импульсов k можно интерпретировать следующим образом.В течение действия лазерного импульса происходит разогрев тонкогоприповерхностного слоя и генерация в нем значительной концентрации (доn∼1019-1021 см-3) точечных дефектов.Рис 3.
Зависимости критического числа Nc от плотности мощности и периода следованиялазерных импульсов Nc=N(I, τ):a) I=3.4×106 Вт/см2; b) I=3.1×106 Вт/см2; c) I=2.8×106 Вт/см2;d) I=2.5×106 Вт/см2За время между импульсами температура быстро падает до начальной, аконцентрация дефектов в результате взаимной рекомбинации, диффузии истока уменьшается, в результате прекращается рост дислокаций и начинаетсяобратный процесс- релаксация дислокаций.17Конкуренция процессов роста и релаксации дислокаций, в конечном итоге иопределяет разрушение поверхности.Исследования в атмосфере газов.
Обнаружено, что воздействие одиночногосубмикросекунднноголазерногоимпульсанакремнийватмосфереокружающего газа инициирует появление аномально продолжительного повремени скачка интенсивности рассеянного излучения пробного луча.Рис.4. Фотографии поверхности образцов после облучения (I=2.8×106 Вт/см2, τ=20 мс) иобработки в травителе (время облучения: 1 - 10 с, 2 - 20 с, 3 - 50 с, 4 - 100 с).Длительность аномального рассеяния составляет ∼0.5 с, что почти на шестьпорядков превышает длительность воздействующего лазерного импульса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
