Установка для лазерной обработки материала

Импульсное лазерное облучение (ИЛО) является эффективным методом устранения радиационных нарушений и электрической активации примеси в простых полупроводниках, а также в соединениях типа A₃B₅, A₂B₆ и гетероструктурах на их основе, а также эффективным способом изменения и управления структурными, электрическими, оптическими и другими свойствами полупроводниковых, диэлектрических, металлических материалов и тонкопленочных покрытий. При этом важными параметрами лазерного излучения являются энергия и длительность лазерного импульса, длина волны, расходимость и пространственное распределение энергии лазерного излучения.

Классическую схему взаимодействия импульсного лазерного излучения с обрабатываемым материалом в общем случае можно представить в виде последовательности этапов. На первом этапе (плавление) излучение поглощается материалом и до определенной глубины возникает слой расплава, который в общем случае имеет развитую границу раздела расплав–твердое тело. На втором этапе (кристаллизация) происходит движение фронта кристаллизации по направлению к поверхности, при этом разные области материала кристаллизуются с разной скоростью. В результате на заключительном этапе кристаллизации изменяются морфологические и оптические свойства области поверхности образца, где было воздействие лазерного излучения.

На рисунке 13 показана оптическая схема способа реализации импульсной обработки и регистрации отражательной способности, реализуемые с помощью установки.

Блок питания 1 вырабатывал напряжение питания и импульсы напряжения поджига ламп накачки рубинового лазера 2. В результате рубиновый лазер генерировал импульс излучения с длиной волны 0,69 мкм, длительностью 70 нс. Использовалась пассивная модуляция добротности резонатора. Излучение рубинового лазера проходило через коллимирующую линзу 4 и с помощью отклоняющей полупрозрачной пластины 5, а также зеркал 6 и 7 направлялось в фотоприемник 8 и фотометр 9. Фотоэлемент измерительный 8 служил для синхронизации импульса рубинового лазера и временной развертки на осциллограммах отражательной способности, а фотометр 9 служил для регистрации факта генерации наносекундного импульса рубиновым лазером. Часть излучения рубинового лазера 2, прошедшего через отклоняющую пластину 5, ограничивалась диафрагмой 10 (выделялась центральная часть пучка) и после прохождения через проекционную линзу 11, светофильтры 12 и поворотную призму 13 попадала на образец полупроводника 14, что приводило к плавлению приповерхностной области и ее последующей быстрой кристаллизации.

1 – блок питания 2 – рубиновый лазер 3 – лазер на стекле, активированном неодимом 4 – коллимирующая линза 5 – отклоняющая пластина 6 – зеркало поворотное полупрозрачное 7 – зеркало поворотное глухое 8 – фотоэлемент измерительный ФЭК-29КПУ

9 – фотометр ФПМ–02 10 – ограничивающая диафрагма 11 – проекционная линза 12 – светофильтры 13 – поворотная призма 14 – образец полупроводника 15 – измеритель калориметрический температуры ИКТ-1Н 16 – фотоприемник ФЭК-09

17 – удвоитель частоты 18 – сине-зелено-синий светофильтр 19 – призма внутреннего отражения 20 – фокусирующая линза 21 – зеркало поворотное глухое 22 – светоделительная пластина 23 – фотоэлектронный умножитель типа ЭЛУ ФТК 24 – фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) типа ЭЛУ ФТС.

Рисунок 13 - Блок-схема установки лазерного отжига

 

Образец полупроводника устанавливался в подвижный держатель (стрелки на схеме указывают на возможность перемещения держателя с образцом в трех взаимно перпендикулярных направлениях) для возможности выбора области образца для последующего облучения. Максимальная плотность энергии импульса рубинового лазера, достигаемая на установке «Прометей», составляла 2,5 Дж/см². В зависимости от требований к эксперименту максимальная плотность энергии лазерного излучения могла быть ослаблена применением набора светофильтров 12, в качестве которых использовались оптические стекла серий НС и БС. При этом длительность импульса рубинового лазера была неизменной (70 нс) и воспроизводилась с точностью не хуже 1 %. Оптическая схема лазера за счет предельно широкого спектрального состава генерируемого излучения обеспечивала высокую однородность лазерного пятна. Разработанная оптическая схема лазера обеспечивала высокую однородность лазерного пятна (диаметром обычно 4 мм), плотность энергии в котором отклонялась от средней не более, чем на 5 % как в моноимпульсном режиме, достигаемом использованием пассивных затворов с разным начальным пропусканием, так и в режиме свободной генерации. Невоспроизводимость задаваемой энергии лазерного излучения в том и другом режимах генерации не превышала 1,5-2 % в режиме одиночных импульсов с термостатированием температуры активного элемента.

Регистрация отражательной способности осуществлялась следующим образом. Блок питания 1 вырабатывал напряжение питания и импульсы напряжения поджига ламп накачки лазера на стекле, активированном неодимом 3. Указанный лазер генерировал излучение с длиной волны 1,06 мкм (первая гармоника), из которого после прохождения через удвоитель частоты 17 формировалось излучение (вторая гармоника) с длиной волны 532 нм. Излучение обоих гармоник проходило через светофильтры 18, и с помощью элементов 19–21 направлялось в область на поверхности образца, предназначенную для облучения рубиновым лазером 2. Непосредственная регистрация отражательной способности проводилась с использованием двух высокоскоростных (временное разрешение сигнала 2 нс) ФЭУ типа ЭЛУ ФТК и ЭЛУ ФТС 23, 24 для первой и второй гармоники соответственно. В дальнейшем сигнал с обоих ФЭУ поступал на цифровой осциллограф В–423 или В–424 (не показано) и в цифровом виде – на персональный компьютер. Система регистрации на основе цифрового осциллографа В–424 фирмы Auris (г. Минск, Беларусь) позволяла записывать осциллограммы отражательной способности с временным разрешением 2 нс, что существенно расширяет возможности метода. Таким образом, о динамике изучаемых процессов судили по временным зависимостям коэффициента отражения зондирующего излучения, в качестве источника которого использовался лазер на неодимовом стекле (длина волны λ =1,06 мкм), излучающий квазинепрерывный импульс длительностью 0,5 мс.

 

 

Рисунок 14 - Упрощенное представление лазерной установки и её реальная фотография.

 

.

 

 

Плотность энергии облучения W системы TiAlN/Si варьировалась ослабляющими нейтральными фильтрами в интервале 0,5…1,6 Дж/см² при неравномерности распределения W, воспроизводимой от импульса к импульсу, с отклонением не выше ± 5% от средней по пятну. Состояние областей ИЛО изучалось визуально и под микроскопом.