飛秒脈沖激光輻照半導體材料的熱/力特性

韓雅菲，吉鴻飛，賀麗萍

（1.遼寧省瞬態物理力學與能量轉換材料重點實驗室，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

隨著科學技術飛速發展，應用需求不斷提高，器件的加工需要具備更高的分辨率。飛秒脈沖激光作用時間與能量弛豫時間短，靶板熱影響區域小[1]，可以有效改善靶板殘余應力與應力損傷情況。因此，研究飛秒脈沖激光輻照半導體材料的熱/力特性在材料的精密加工、低溫加工等方面具有重要價值。

目前，國內外對飛秒脈沖激光作用固體材料的力/熱效應開展了許多研究。D P Korfiatis[2]利用雙溫模型仿真計算得到了閾值隨脈寬的增加呈冪增長的結論。黎小鹿[3]研究了飛秒激光輻照下半導體表面的熱效應。李志明[4]對飛秒激光作用單晶硅材料進行數值模擬，得到硅的電子溫度、晶格溫度等隨入射能量強度的變化規律。Ashkin A[5]利用單光束成功觀測到聚焦激光束的力學效應。林曉初[6]利用壓電探測器和超動態應變儀構成的應力/應變測量系統得到了激光脈沖作用靶板的應力/應變過程。認為實驗條件下飛秒脈沖激光脈沖加載的瞬態應力為GPa級。

激光輻照材料產生的熱效應具有幾何尺寸小、隱藏在材料內部等特點，且常規的應力測量方法易受固體表面溫度的影響，因此實驗采取非接觸式測量的方式研究飛秒脈沖激光輻照材料的熱/力演化過程。

1 實驗裝置與測試系統

實驗在遼寧省瞬態物理力學與能量轉換材料重點實驗室進行，飛秒激光輻照單晶硅靶板的熱/力特性測量系統由一臺飛秒脈沖激光器、兩臺高速攝像機、兩臺紅外熱像儀、同步測量電路和數據存儲終端組成。利用紅外熱像儀獲得單晶硅表面溫度演化過程，利用高速攝像機組成DIC測量系統獲得單晶硅表面的應力/應變演化過程。

激光器輸出的最大頻率為1 000 Hz，單脈沖的平均能量為3 mJ。激光脈沖持續時間為100 fs，波長為780 nm。使用焦距200 mm的凸透鏡將激光能量聚焦在硅片靶板中央。單晶硅靶板半徑為25 mm，厚度為1 mm。圖1為實驗的加載測試系統與靶板實物圖。

圖1 實驗的加載測試系統與靶板實物圖

2 結果及分析

2.1 飛秒脈沖激光輻照單晶硅的中心溫度演化

飛秒脈沖激光輻照單晶硅，用紅外熱像儀記錄激光燒蝕單晶硅的溫度場演化過程（采樣頻率為115 Hz）。激光的輻照位置在紅外熱像儀中如圖2所示。

圖2 紅外熱成像儀中的單晶硅靶板

由圖2可知，激光輻照單晶硅晶圓靶板時，溫度呈高斯分布，由于靶板為均質材料，各向同性，各個方向激光吸熱能力相同；面向光源的靶板在相同時刻的熱影響區域大于后靶板。

圖3為激光輻照單晶硅靶板時，靶板表面最高溫度的演化。當t＜0.5 s時，靶板前后表面溫度差快速增大；當t＞0.5 s時，前靶板的溫度產生較大的振蕩；靶板后表面則呈現平穩上升的趨勢。由熱傳導定律可知：飛秒脈沖激光燒蝕單晶硅，能量進入單晶硅內部，溫度快速上升，靶板背面幾乎只受熱傳導影響，溫度上升緩慢；到達t=0.5 s時刻，單晶硅表面被激光燒蝕，能量進入靶板內部，快速加熱坑內單晶硅、擊穿焦點處空氣，產生了材料的汽化沖擊波和等離子體爆炸反應，爆炸過后產生的稀疏波不斷帶走材料表面被加熱的單晶硅，因此單晶硅靶板表面的溫度呈現不斷震蕩上升并趨近于恒定溫度的過程。

圖3 靶板最高溫度的時程曲線

2.2 飛秒脈沖激光輻照單晶硅的應力/應變演化

利用DIC測量系統將隨機的散斑圖案噴涂于待測試件表面，通過圖像解析進行變形和位移測量，得到單晶硅表面應力/應變。圖4為10 ms時刻靶板的徑向與環向應變分布圖。

圖4 10ms時刻靶板的徑向與環向應變分布圖

圖中圓點為單晶硅靶板的中心點，即激光輻照點。利用DIC測試軟件提取材料表面的徑向與環向應變分布，提取位置如圖4中豎線所示

公式（1）為材料線彈性階段的應力/應變關系。經計算得到飛秒脈沖激光輻照單晶硅靶板的徑向與環向應力分布，如圖5所示。

圖5 單晶硅靶板的徑向與環向應力

計算結果表明飛秒脈沖激光輻照單晶硅，徑向應力為MPa量級，呈壓應力狀態，環向應力約為徑向應力的1/10，呈拉應力狀態。隨著與輻照中心距離的增大，徑向應力呈現先增大后減小的趨勢。

3 結語

通過構建飛秒脈沖激光輻照單晶硅的熱/力特性測量系統，實現對激光輻照單晶硅過程中溫度、應力應變演化的測量，得到如下結論：

（1）當飛秒脈沖激光輻照單晶硅靶板時，主要能量吸收過程表現為中心高溫區對能量的吸收；飛秒脈沖激光輻照單晶硅產生的汽化沖擊波和等離子體爆炸反應不斷地帶走表面被加熱的單晶硅；激光輻照單晶硅產生的溫升效應呈現不斷震蕩上升并逐漸趨于恒定的特征。

（2）飛秒激光輻照單晶硅產生的徑向熱應力為壓應力，數值為MPa量級。隨著與燒蝕中心距離的增加，應力不斷減小。環向應力為壓應力，該值約為徑向應力的1/10。

通過新的思路得到了激光燒蝕過程中材料表面溫度與應力/應變的演化，為材料的精密加工、低溫加工等方面提供支撐。不足之處：激光作用時與材料接觸的空間小，能量變化劇烈，但由于采樣率的限制，無法獲得單個脈沖作用前后材料表面溫度變化，需要采取新的實驗方式進行研究。