飞秒脉冲激光辐照半导体材料的热/力特性

韩雅菲，吉鸿飞，贺丽萍

（1.辽宁省瞬态物理力学与能量转换材料重点实验室，辽宁 沈阳 110159；2.沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159）

0 引言

随着科学技术飞速发展，应用需求不断提高，器件的加工需要具备更高的分辨率。飞秒脉冲激光作用时间与能量弛豫时间短，靶板热影响区域小[1]，可以有效改善靶板残余应力与应力损伤情况。因此，研究飞秒脉冲激光辐照半导体材料的热/力特性在材料的精密加工、低温加工等方面具有重要价值。

目前，国内外对飞秒脉冲激光作用固体材料的力/热效应开展了许多研究。D P Korfiatis[2]利用双温模型仿真计算得到了阈值随脉宽的增加呈幂增长的结论。黎小鹿[3]研究了飞秒激光辐照下半导体表面的热效应。李志明[4]对飞秒激光作用单晶硅材料进行数值模拟，得到硅的电子温度、晶格温度等随入射能量强度的变化规律。Ashkin A[5]利用单光束成功观测到聚焦激光束的力学效应。林晓初[6]利用压电探测器和超动态应变仪构成的应力/应变测量系统得到了激光脉冲作用靶板的应力/应变过程。认为实验条件下飞秒脉冲激光脉冲加载的瞬态应力为GPa级。

激光辐照材料产生的热效应具有几何尺寸小、隐藏在材料内部等特点，且常规的应力测量方法易受固体表面温度的影响，因此实验采取非接触式测量的方式研究飞秒脉冲激光辐照材料的热/力演化过程。

1 实验装置与测试系统

实验在辽宁省瞬态物理力学与能量转换材料重点实验室进行，飞秒激光辐照单晶硅靶板的热/力特性测量系统由一台飞秒脉冲激光器、两台高速摄像机、两台红外热像仪、同步测量电路和数据存储终端组成。利用红外热像仪获得单晶硅表面温度演化过程，利用高速摄像机组成DIC测量系统获得单晶硅表面的应力/应变演化过程。

激光器输出的最大频率为1 000 Hz，单脉冲的平均能量为3 mJ。激光脉冲持续时间为100 fs，波长为780 nm。使用焦距200 mm的凸透镜将激光能量聚焦在硅片靶板中央。单晶硅靶板半径为25 mm，厚度为1 mm。图1为实验的加载测试系统与靶板实物图。

图1 实验的加载测试系统与靶板实物图

2 结果及分析

2.1 飞秒脉冲激光辐照单晶硅的中心温度演化

飞秒脉冲激光辐照单晶硅，用红外热像仪记录激光烧蚀单晶硅的温度场演化过程（采样频率为115 Hz）。激光的辐照位置在红外热像仪中如图2所示。

图2 红外热成像仪中的单晶硅靶板

由图2可知，激光辐照单晶硅晶圆靶板时，温度呈高斯分布，由于靶板为均质材料，各向同性，各个方向激光吸热能力相同；面向光源的靶板在相同时刻的热影响区域大于后靶板。

图3为激光辐照单晶硅靶板时，靶板表面最高温度的演化。当t＜0.5 s时，靶板前后表面温度差快速增大；当t＞0.5 s时，前靶板的温度产生较大的振荡；靶板后表面则呈现平稳上升的趋势。由热传导定律可知：飞秒脉冲激光烧蚀单晶硅，能量进入单晶硅内部，温度快速上升，靶板背面几乎只受热传导影响，温度上升缓慢；到达t=0.5 s时刻，单晶硅表面被激光烧蚀，能量进入靶板内部，快速加热坑内单晶硅、击穿焦点处空气，产生了材料的汽化冲击波和等离子体爆炸反应，爆炸过后产生的稀疏波不断带走材料表面被加热的单晶硅，因此单晶硅靶板表面的温度呈现不断震荡上升并趋近于恒定温度的过程。

图3 靶板最高温度的时程曲线

2.2 飞秒脉冲激光辐照单晶硅的应力/应变演化

利用DIC测量系统将随机的散斑图案喷涂于待测试件表面，通过图像解析进行变形和位移测量，得到单晶硅表面应力/应变。图4为10 ms时刻靶板的径向与环向应变分布图。

图4 10ms时刻靶板的径向与环向应变分布图

图中圆点为单晶硅靶板的中心点，即激光辐照点。利用DIC测试软件提取材料表面的径向与环向应变分布，提取位置如图4中竖线所示

公式（1）为材料线弹性阶段的应力/应变关系。经计算得到飞秒脉冲激光辐照单晶硅靶板的径向与环向应力分布，如图5所示。

图5 单晶硅靶板的径向与环向应力

计算结果表明飞秒脉冲激光辐照单晶硅，径向应力为MPa量级，呈压应力状态，环向应力约为径向应力的1/10，呈拉应力状态。随着与辐照中心距离的增大，径向应力呈现先增大后减小的趋势。

3 结语

通过构建飞秒脉冲激光辐照单晶硅的热/力特性测量系统，实现对激光辐照单晶硅过程中温度、应力应变演化的测量，得到如下结论：

（1）当飞秒脉冲激光辐照单晶硅靶板时，主要能量吸收过程表现为中心高温区对能量的吸收；飞秒脉冲激光辐照单晶硅产生的汽化冲击波和等离子体爆炸反应不断地带走表面被加热的单晶硅；激光辐照单晶硅产生的温升效应呈现不断震荡上升并逐渐趋于恒定的特征。

（2）飞秒激光辐照单晶硅产生的径向热应力为压应力，数值为MPa量级。随着与烧蚀中心距离的增加，应力不断减小。环向应力为压应力，该值约为径向应力的1/10。

通过新的思路得到了激光烧蚀过程中材料表面温度与应力/应变的演化，为材料的精密加工、低温加工等方面提供支撑。不足之处：激光作用时与材料接触的空间小，能量变化剧烈，但由于采样率的限制，无法获得单个脉冲作用前后材料表面温度变化，需要采取新的实验方式进行研究。