高功率激光辐照半导体及金属微观形貌研究

发布时间：2020-05-22 01:24

【摘要】：激光表面改性主要利用脉冲激光与材料表面发生反应,促进反应的材料表面的形态与性能产生改变,从而达到对材料表面性能的修饰。高功率短脉冲激光对材料的加工能够大大的克服热效应带来的弊端,它具有不需要掩膜、高效率、选择性和可定位性等优点。研究高功率激光对于半导体和金属材料的烧蚀对于材料激光加工和材料微纳结构合成具有重要的现实意义。本实验利用Nd:YAG高功率泵浦调Q激光器,对硅、碳化硅和锌进行了高功率脉冲烧蚀实验,通过调整气氛条件、脉冲次数、脉冲功率等条件,获得了不同的表面形貌。利用SEM和EDS对它们烧蚀后形成的表面形貌进行了研究,并对产生这些形貌的物理机制进行了分析。研究的主要结论是:(1)我们观测到真空背景下,硅表面激光烧蚀形成火山口状结构,大气背景下未观测到该结构。大气背景下,大部分的激光能量会被大气击穿和被后续的等离子体吸收等离子体冲击波效应不明显。而在真空环境下,硅表层与激光相互作用更强,等离子体冲击波造成了火山口状结构。低真空下对碳化硅辐照后形成了大量的柱状结构,主要原因是碳化硅具有比硅更高的熔点和硬度,且相对导热性较好,从而导致烧蚀后形貌受等离子体影响较小,形成了上述的柱状结构。(2)大气环境下对锌材料进行了烧蚀,表面生成了火山口状的熔融区域,周围的侧壁上有大量的褶皱堆积。在低真空下表面的圆形熔融区域的周围形成了较为规则的侧壁。对比发现锌在低真空环境下比在大气环境下更易制得规则的外围区域。这是因为在大气环境下,当脉冲激光进行烧蚀时,容易形成大气等离子体,气体对于侧壁的冷却凝结过程产生了影响,导致了不规则褶皱的出现。提高了脉冲激光的功率后,烧蚀锌靶后生成的表面微结构存在着显著差异。这主要是由激光束与更热和更密集的等离子体的非线性相互作用,导致等离子体压强更大,形成结构中体现了对侧壁更强烈的外推效应。(3)我们在低气压下利用脉冲激光烧蚀了锌靶,在它的中心孔洞的侧壁上出现了氧化锌微球,它的直径在1.5-7um左右。随着烧蚀次数的增加,氧化锌微球的尺度在不断增大,它的化学成分也越来越接近与氧化锌。大量微米级氧化锌球体的存在对后续激光产生了耦合增强效应,其原因是大量的氧化锌球体表面镶嵌着规则的纳米量级六边形和五边形小平面,对后续脉冲激光产生镜面反射现象,在孔洞的内表层产生汇聚增强效应,极大地提高了后续激光烧蚀的功率密度。
【图文】：

山东建筑大学硕士学位论文8图2.1 实验装置图烧蚀完成后，我们对通过与脉冲激光作用后生成的微纳米结构通过扫描电子显微镜详细分析, 然后通过能谱仪（EDS)来测定微材料的化学组成。2.3 扫描电子显微镜和能谱仪2.3.1 扫描电子显微镜扫描电子显微镜英文名为scanning electron microscope，简称SEM。它最早发明于1965年，是一种比较现代的研究工具。它观察样品的表面形态主要是通过二次电子信号成像来实现的。如图2.2所示就是典型的扫描电子显微镜的系统。在本文中我们采用的是日本日立公司生产, 型号为S-4800的扫描电子显微镜。它的最大放大倍数为80万倍，分辨率可达1nm (15KV)。二次电子图像分辨率为2nm。图2.2 扫描电子显微镜

扫描电子显微镜英文名为scanning electron microscope，简称SEM。它最早发明于1965年，，是一种比较现代的研究工具。它观察样品的表面形态主要是通过二次电子信号成像来实现的。如图2.2所示就是典型的扫描电子显微镜的系统。在本文中我们采用的是日本日立公司生产, 型号为S-4800的扫描电子显微镜。它的最大放大倍数为80万倍，分辨率可达1nm (15KV)。二次电子图像分辨率为2nm。图2.2 扫描电子显微镜
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN249

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本文编号：2675222