Диссертация (1143290), страница 27

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 27)

Тензор деформации в декартовых координатах для однородного и изотропного тела определяется по следующей формуле [210]:ij =T ij ,(5.4)где εij – деформации, α – коэффициент теплового расширения, T – температура,δij – термические напряжения.Температурные напряжения σij, обуславливающие добавочные удлинения исдвиги образца, согласно формулам классической теории упругости имеют следующий вид [210]:ij =1 kk ij   T ij , ij 2E 1 (5.5)где Е – модуль Юнга, µ – коэффициент Пуассона.В отсутствии массовых сил система уравнений замыкается условием равновесия:ijxi 0.(5.6)В приведённых формулах (5.4 – 5.6) подразумевается соглашение Эйнштейна о суммировании по повторяющимся индексам [210].179На рисунке 5.10 представлены результаты расчета деформации (рисунок5.10, а) и термических напряжений (рисунок 5.10, б) на поверхности неорганического стекловидного диэлектрика при воздействии лазерного луча.абРисунок 5.10 – Результаты расчета деформации (а) и термических напряжений(б) на поверхности неорганического стекловидного диэлектрика при обработке лазерным лучомСледовательно, исследованы процессы лазерной обработки поверхности неорганического стекловидного диэлектрика при разных условиях с применениемлазерной установки (LIMO 100-532/1064-U, длина волны 532 нм).

На основе результатов расчетов определено, что температура на поверхности подложки нелинейно зависит от скорости сканирования луча лазера. В результате исследованийпоказано, что при средней мощности лазерного излучения 25 Вт со скоростью лучалазера 10 мм/с температура на поверхности будет порядка 750 0C. Проведен расчетдеформаций и термических напряжений на поверхности неорганического стекловидного диэлектрика при воздействии лазерного излучения. Полученные результаты позволяют выбрать оптимальный режим обработки материала, сократить перепад высот и среднюю шероховатость поверхности боросиликатного стекла, которое относится к перспективным материалам для получения спая боросиликатноестекло – сапфир для микро- и наноэлектроники.1805.2 Исследование процесса лазерной обработки структуры пленкасапфирБазовым элементом большинства устройств электроники являются высококачественные тонкие пленки и пленочные структуры, сформированные на подложках, характеризуемых определенным набором свойств.

Пленки на сапфировойподложке могут быть весьма полезными при создании новых газочувствительныхдатчиков и специальных тонкопленочных покрытий топливных элементов, сочетающих в себе свойства катализаторов и проводящих элементов, защитных покрытий, устройств тонкопленочной оптоэлектроники. Для получения эпитаксиальныхплёнок высокого качества и практического их использования исключительно важен выбор материала подложки. Важные преимущества сапфировой подложки –инертность, способность выдерживать высокие температуры и механическиенагрузки, наличие больших диаметров. Поэтому, ее используют даже тогда, когдапараметры кристаллической решетки не совсем соответствуют параметрам гетероэпитаксиальных структур.Современные полупроводниковые технологии и, в первую очередь, микро- иоптоэлектроника требуют не только совершенствования известных (термическийотжиг в муфельных печах, химическое травление), но и создания принципиальноновых технологических методов.

К их числу относятся лазерный отжиг и лазернаяабляция полупроводников.При исследовании воздействия лазера на структуру пленка – сапфир наиболее существенным является нахождение температуры и режимов термообработки,способствующих максимальному отжигу дефектов (межузельных атомов или вакансий), максимальной активации внедренной примеси и эффективному роступленки [213].Взаимодействие лазерного излучения с материалом в видимом спектре длинволн (от ультрафиолетовой до инфракрасной зоны) осуществляется на уровнеэлектронной подсистемы [214]. Каждый из перечисленных выше процессов детально описать достаточно трудно.

Также в частности трудно получить математи181ческую модель описания взаимодействия материала со светом. Тем не менее, длямногих практически значимых случаев время прохождения процессов возбуждения, термолизации и рекомбинации носителей заряда меньше на несколько порядков длительности светового импульса, что дает возможность судить о преимущественно тепловых процессах в материале [214].Установлено, что процессами теплопроводности определяется перенос тепловой энергии в материале [215]. Процесс переноса теплоты теплопроводностьюможет происходить лишь в том случае, когда температура в различных точках материала неодинакова.

Передача теплоты теплопроводностью в веществе приводитк изменению температуры как в пространстве, так и во времени. Следовательно,при лазерном воздействии на материал появляется нестационарное температурноеполе. Связь между параметрами, характеризующими теплопередачу, устанавливаетуравнение теплопроводности [215].Обзор литературных источников, представленный в первой главе, показал,что одним из газочувствительных материалов химических сенсоров, предназначенных для обнаружения большого количества токсичных веществ в воздухе, является оксид железа Fe2O3 [110-112].Исследуем случай лазерного отжига пленки оксида железа (Fe2O3) толщинойоколо 1 мкм на поверхности сапфировой подложки (рисунок 5.11).Рисунок 5.11 – Схема лазерного отжига структуры пленка – сапфир182Cтруктура пленка – сапфир, подвергающаяся лазерному отжигу (инфракрасным Nd:YAG-лазером с длиной волны 1064 нм, длительностью лазерного импульса 80 нс, частотой следования импульсов 10 кГц), изотропна и гомогенна.

Длякаждого слоя нестационарные одномерные уравнения теплопроводности можнопредставить в виде следующих выражений [216-235]:ρ1 с1ρ2 с2∂T1 (x,t)∂t∂T2 (x,t)∂t= k1= k2∂2 T1 (x,t)∂x2∂2 T2 (x,t)∂x2+ F1 (x),+ F2 (x),(5.7)(5.8)где Ti – температуры (К), ρi – плотности (г/см3), ci – удельные теплоемкости(Дж/(г∙К)), ki – коэффициенты теплопроводности (Вт/(см∙К)) соответственно пленки и сапфира, Fi (x) – тепловые источники (результат поглощения излучения лазера) в каждом веществе, x – координата, t – время воздействия лазером (с).При нагреве различных материалов с помощью лазерного излучения распределение плотности мощности светового потока I(x) в поглощающей среде по глубине x можно описать в дифференциальном виде законом Бугера-Ламберта [213]:dI(x)= −αI(x)dxгде α – коэффициент поглощения (см-1).(5.9)В видимом спектре длин волн (от инфракрасной до ультрафиолетовой области) для многих веществ свойственен высокий коэффициент поглощения, которыйможно рассматривать постоянным [215].

В данном случае изменение плотностисветового потока по глубине характеризуется интегральным законом БугераЛамберта (тепловой источник). Следовательно, при нагревании с помощью лазерного излучения структуры пленка-сапфир распределение плотности мощности светового потока в поглощающей среде по глубине x представляется с помощью выражения [215]:F1 = α1 (1 − R1 )I0 exp(−α1 x),F2 = α2 (1 − R 2 )(1 − R1 )I0 exp(−α2 (x − L1 )),(5.10)(5.11)183где I0 – плотность мощности воздействующего излучения лазера на поверхностьпленки Fe2O3 (Вт/см2), Ri – показатель отражения пленки и сапфира соответственно.Вид решения уравнений (5.7), (5.8) характеризуется функцией, зависящей оттепловых источников Fi (x) и значений теплофизических постоянных ρi, ci, ki, а однозначность решения – граничными условиями для каждой определенной задачинагрева.

Таким образом, для нагрева структуры пленка – сапфир требуются условия однозначности, то есть дополнительные условия, которые однозначно описывают данную задачу теплопроводности [215].Приведем граничные и начальные условия для структуры пленка – сапфир.На обрабатываемой лазером пленке (при x = 0) выполняются граничные условиятретьего рода (так как известны температура окружающей среды и закон теплообмена между окружающей средой и поверхностью облучаемого материала), характеризующие конвекционный теплообмен (по закону Ньютона) между окружающейсредой и поверхностью пленки [215]:∂T1 (x = 0, t)(5.12)= (T1 − T0 ),∂xгде T0 – температура окружающей среды, β – коэффициент конвекционной тепло−k1передачи (Вт/(см2·К)), определяющий интенсивность теплообмена между поверхностью пленки Fe2O3 и окружающей средой.На второй границе (рисунок 5.11) структуры пленка – сапфир (x = L1 + L2)действует граничное условие первого рода (на границе не происходят процессыпоглощения или выделения теплоты), определяющее распределение температурного поля на поверхности в любой момент времени:T2 (x = L1 + L2, t) = T0.(5.13)Начальное условие для уравнения теплопроводности заключается в указаниитемпературы в исходный момент времени t = 0 во всех точках структуры, подвергаемой обработке лазерным излучением:184T1 (x, 0) = T0,(5.14)T2 (x, 0) = T0.(5.15)Численный метод [162], основывающийся на аппроксимации частных производных исходных дифференциальных уравнений соответствующими конечнымиразностями, применялся для решения нестационарных уравнений теплопроводности (5.7), (5.8) при обработке структуры пленка – сапфир лазерным излучением сучетом граничных условий (5.12), (5.13).На рисунке 5.12 приведено распределение температуры в исследуемом образце при средней мощности лазерного излучения 90 Вт (длина волны лазера 1064нм).

На рисунке 5.13 представлено распределение температурного поля при средней мощности лазера 50 Вт. Результаты исследования демонстрируют, что дляпроцесса лазерного нагрева границы сапфир-пленка (жидкость) характерен большой градиент температур, но максимум температуры оказывается на поверхностипленки (рисунок 5.12, 5.13).Рисунок 5.12 – Распределение температурного поля в образце при среднеймощности лазера 90 Вт (длина волны 1064 нм)185Рисунок 5.13 – Распределение температурного поля в образце при среднеймощности лазера 50 Вт (длина волны 1064 нм)На основе проводящих окислов металлов, таких как TiO2 и SnO2, образуютсяструктуры полупроводник-диэлектрик-полупроводник, применяемые для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Характеристики

Список файлов диссертации