（等离子体物理专业论文）脉冲激光烧蚀晶体ge的动力学模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 脉冲激光烧蚀技术因其自身的许多优点，被广泛应用于高新技术的诸多领域。特别 是在微电子，光电子器件、纳米材料制备以及新型元器件制备等领域有着重要的地位，并 具有很大的发展潜力。对脉冲激光烧蚀过程和作用机制的深入研究，将有利于激光烧蚀 技术的进一步发展。 本文在金属导体激光烧蚀模型的基础上，建立了一维半导体激光烧蚀模型，研究紫 外激光与晶体g e 相互作用以及产生烧蚀蒸汽的膨胀过程。模型综合考虑了靶的传热、 烧蚀蒸汽在背景气体下的膨胀、等离子体的形成以及对激光能量的吸收、电子热传导， 两种粒子之间的相互扩散以及回流凝结等物理过程。并利用牛顿迭代法、有限差分法和 黎曼解法进行求解。 利用所建模型，分析了不同激光功率密度和背景气压对烧蚀和蒸汽膨胀的影响。此 外，分析了特定条件下( 1 t o r r 氦气环境下，波长为2 4 8 n m ，峰值功率密度分别为4 x 1 0 8 w c m 2 和1x 1 0 8w c m 2 的高斯型( f w h m = 7 n s ) k r f 准分子激光脉冲) 激光烧蚀晶体g e 和烧蚀蒸汽的性质，得到g e 靶的表面温度、蒸发深度、表面烧蚀率随时间的变化以及 不同时刻烧蚀蒸汽温度、速度、电离度的空间分布。对结果进行分析后得到如下结论： ( 1 ) 激光功率密度的变化对烧蚀的影响很大。照射的激光功率密度越大，靶的表面温 度越高，蒸发深度越大，烧蚀蒸汽膨胀的速度和空间尺度也越大，等离子体屏蔽 现象出现越早。在给定的烧蚀条件下，等离子体屏蔽的阈值在l 1 0 8w c m 2 与 1 5 x 1 0 8w c m 2 之间： ( 2 ) 在惰性气体环境下，气压的变化对靶面温度和蒸发深度的影响不大，但烧蚀蒸汽 的膨胀速度和膨胀的空间尺度随气压的增大而减小； ( 3 ) 烧蚀蒸汽的电离和吸收激光能量对蒸汽膨胀的影响非常大，吸收的激光能量可转 化为蒸汽的动能； ( 4 ) 在脉冲结束时刻，整个蒸汽区域g e 几乎完全电离。在靶面附近区域，g e 的一价 电离占优势：在蒸汽的中心区域，g e 的二阶电离较占优势；在冲击波区域，g e 的电离度与波前的高温有很大关系。 关键词：等离子体；数值模拟；晶体g e ；脉冲激光烧蚀 大连理i = 大学硕士学位论文 d y n a m i c ss i m u l a t i o no fn a n o s e c o n dp u l s e dl a s e ra b l a t i o no fg ec r y s t a l a b s t r a c t p u l s e dl a s e ra b l a t i o n ( p l a 、t e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nh i g ht e c h n o l o g yf i e l d sd u et o i t sl a r g en u m b e r so fo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s e s p e c i a l l yh a v ep l a y i n gv e r yi m p o r t a n tr o l ei n m i c r o e l e c t r o n i c s o p t o e l e c t r o n i ce l e m e n t sm a n u f a c t u r i n g ，n a n o m a t e r i a l sp r e p a r a t i o na n dn e w c o m p o n e n t sf o r m i n gf i e l d s n 圮d e e pr e s e a r c ho fp u l s e dl a s e ra b l a t i o np r o c e s sa n di t sb a s i c m e c h a n i s m sw i l lf l l r t h e rp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f p l a t e c h n o l o g y i nt h ep a p e r , o n e d i m e n s i o n a ld y n a m i cs e m i c o n d u c t o rm o d e lw a sp r e s e n t e db a s e do nt h e c o n d u c t o rm e t a ll a s e ra b l a t i o nm o d e l t h eu vl a s e ra b l a t i o no fg e r m a n i u mc r y s t a la n dt h e e x p a n s i o no f a b l a t e dp l u m ei nt h eb a c k g r o u n dh e l i u mg a sw c t er e s e a r c h e d t h et a r g e th e a t i n g , t h ep l u m ee x p a n s i o ni nab a c k g r o u n dg a s ，p l a s m af o r m a t i o na n dl a s e ra b s o r p t i o n ，t h ee l e c t r o n t h e r m a lc o n d u c t i o n ，t h eb i n a r yd i f f u s i o na n dt h eb a c kf l u xo n t ot h et a r g e tw e r ec o n s i d e r e d s i m u l t a n e o u s l y i nt h i sm o d e l i na d d i t i o n , t h es y s t e mo fe q u a t i o nw a ss o l v e db y n e w t o n - r a p h s o nm e t h o d ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dr i e m a n ns o l v e r t h em o d e lh a sb e e nu s e dt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tl a s e ri r r a d i a n c ea n d a m b i e n tg a sp r e s s u r eo nt h el a s e ra b l a t i o na n dt h ee x p a n s i o no fp l u m e i na d d i t i o n ，t h el a s e r a b l a t i o no fg ee r ) r s t a la n dt h ec h a r a c t e r so fp l u m ei nab a c k g r o u n dg a sa tlt o r ra n dt h e c o n d i t i o n su n d e rc o n s i d e r a t i o n ( 1 a s e rp u l s ew i t hi x l 0 s w c m 2a n d4 0 x 1 0 8w e r a 2p e a k i r r a d i a n c e 2 4 8 n mw a v e l e n g t h , a n d7 n sf w h m ) w e r es t u d i e d 1 1 1 es i m u l a t e dt e m p o r a l e v o l u t i o no fs u r f a c et e m p e r a t u r eo ft h et a r g e t , d e p t ho ft a r g e te v a p o r a t i o n , e v a p o r a t i o nr a t e a n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o nt e m p e r a t u r e ，v e i o c i t ya n dn u m b e rd e n s i t yo fa b l a t e dp l u m ew e r e i n v e s t i g a t e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h el a s e ra b l a t i o ni sg r e a t l yi n f l u e n c e db yl a s e ri r r a d i a n c e t h em o r ei n t e n s i v et h el a s e r i r r a d i e n c ei s ，t h eh i g h e rs u r f a c et e m p e r a t u r ei tw o u l dh a v e i nt h i sc a s e ，t h ed e p t ho f e v a p o r a t i o n t h ee x p a n s i o nv e l o c i t yo f a b l a t e dp l u m ea n dp l u m el e n g t hw i l la l s oi n c r e a s e 埘血 t h er i s i n go fl a s e ri r r a d i a n c e m e a n w h i l et h em o r ei n t e n s i v et h el a s e ri r r a d i a n c ei s ，t h ee a r l i e r t h ep l a s m as h i e l d i n gw o u l da p p e a r f o rt h eg i v e nc o n d i t i o n s ，t h et h r e s h o l do fp l a s m a s h i e l d i n g i sb e t w e e n l x l 0 8 w c m 2 a n d l 5 x 1 0 s w c m 2 ( 2 ) i nt h eb a c k g r o u n do f i n e r tg a se x i s t i n ga m b i e n t t h et a r g e ts u r f a c et e m p e r a t u r ea n dd e p t h o fe v a p o r a t i o nd e p e n d st i g h t l yo nt h ec h a n g eo fa m b i e n tp r e s s u r e h o w e v e r ，t h ea b l a t e d p l u m ee x p a n s i o nv e l o c i t ya n dp l u m el e n g t hd e c r e a s ew i m t h ei n c r e a s eo fg a sp r e s s u r e 纳秒脉冲激光烧蚀晶体g e 的动力学模拟 ( 3 ) mp l u m ee x p a n s i o ni sg r e a t l yi n f l u e n c e db yt h ep r e s e n c eo fi o n i z a t i o na n dl a s e r a b s o r p t i o ni nt h ep l u m e ap a r to f t h ea b s o r b e de n e r g yf r o mt h el a s e rc a nb et r a n s f e r r e di n t o t h ep l u m ek i n e t i ce n e r g y 。 ( 4 ) n 圮s d a t i a ld i s t r i b u t i o no fi o n i z a t i o nd e g r e e sa t1 7 n su n d e rt h ef i x e dl 髂e ra b l a 吐o n c o n d i t i o ni ss t u d i e d 1 1 l er e s u l t ss h o wt h a tt h ea b l a t e dp l u m eh a sb e e nf u l l yi o n i z e d 仉 f i r s t - o r d e ri o n i z a t i o nd e g r e eo fo ea l w a y sd o m i n a t e si nt h er e g i c l o s et ot h et a r g e ts u r f a c e i nt h ec e n t r eo fp l u m e ，t h es e c o n d - o r d e ri o n i z a t i o nd e g r e eo fg ei sal i t t l eb i g g e rt h a nt h e f i r s t - o r d e ri o n i z a t i o nd e g r e eo fg e i nt h es h o c kw a v er e g i o n ，t h ei o n i z a t i o nd e g r e eo fg e d e p e n d sc r i t i c a l l yo n t h eh i g ht e m p c r a t l = t r ec a u s e db yt h es h o c kf r o n th e a t i n g k e yw o r d s ：p l a s m a ；n u i m e r i a ls i m u l a t i o n ；g ec r y s t a l ；p u l s e dl a s e ra b l a t i o n i ￥ 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其饱单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 名：筝吼掣 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 啤年月瑶日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 激光( l a s e r ) 是指辐射的受激发射过程中产生的光放大( l i g h ta m p l i f i c a t i o nb y s t i m u l a t e de m i s s i o no f r a d i a t i o n ) ，其优异特性体现在具有很高的强度、空间和时间相干 性、方向性以及良好的单色性等。自1 9 6 0 年美国休斯公司的梅曼( t h m a i m a n ) 成功 地制造了世界上第一台红宝石激光器( r u g b yl a s e r ) 【1 l 之后，人们就开始探索激光这种 新型的相干光源在材料加工领域的应用。近5 0 年来，激光应用的发展早已不局限在材 料加工领域，已渗透到医疗、军事、通讯、检测、娱乐等各个领域，取得了巨大的经济 效益和前所未有的发展，对国民经济及社会发展发挥着愈来愈重要的作用。随着当前信 息技术的迅猛发展，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业中，并开始取代或 改造某些传统的加工业。尤其，微电子工业和纳米技术的兴起，使微米、亚微米、甚至 纳米量级材料的制备和新型元器件的制作十分重要，脉冲激光烧蚀( p u l s e dl a s e ra b l a t i o n 。 p l a ) 就是由此发展起来的新型制备材料高端技术。 脉冲激光烧蚀技术是以激光与物质相互作用为物理基础，利用聚焦的高能脉冲激光 束辐射靶材表面，使作用区域的材料被迅速加热熔化蒸发，随后冷却结晶，可以用于材 料去除，也可作为材料制备的技术。目前脉冲激光烧蚀技术己广泛应用于各行各业，如 激光打孔、切割，材料的去除、激光清洗【2 】，外科手术，脉冲激光沉积制膜以及激光烧 蚀辅助元素分析技术等p 刁】。这些应用在很大程度上取决于脉冲激光烧蚀的过程和烧蚀 产物的动力学行为。例如，脉冲激光烧蚀技术用于制备薄膜，所沉积的薄膜的质量和微 结构与烧蚀蒸汽动能范围、形态有很大关系，且在很大程度上依赖于沉积条件( 激光能 量、背景气体、气压) 。激光烧蚀用于分析技术，存在一些与烧蚀过程、气溶胶的输运、 烧蚀产物原子化、离子化等过程相关的难题，这就需要加深对激光与材料相互作用、烧 蚀过程以及烧蚀产物膨胀行为的了解。因此，对激光烧蚀过程和机理的研究具有很重要 的应用前景和意义。 1 1 脉冲激光烧蚀技术的应用 脉冲激光烧蚀技术的应用已十分广泛，尤其在制备纳米材料( 纳米粒子、纳米薄膜、 纳米丝) 方面。据估计，目前的薄膜材料有一半是用烧蚀技术沉积而成。 1 1 1脉冲激光烧蚀技术在制备纳米材料上的应用 脉冲激光烧蚀制备纳米材料的工作原理是：一束高能脉冲激光束经过透镜聚焦后辐 射于靶材表面，焦点附近的靶材被加热熔化蒸发，电离，形成有大量原子、电子和离子 纳秒脉冲激光烧蚀晶体g e 的动力学模拟 的等离子体。脉冲激光结束后，等离子体先膨胀后冷却，其中的原子在靶对面的收集器 上凝结，如此就获得所需的纳米材料。 ( 1 ) 制备纳米粒子、纳米粉末 脉冲激光烧蚀技术制备纳米粒子( 当粒径更小即纳米粉) ，一般采用无污染的高能 激光束作为热源，可以制备包括难熔材料在内的多种材料纳米粒子，并且所获得的纳米 粒径很小且粒度分布范围很窄。同时在制备过程中很容易控制纳米粒子的化学成分，获 得高纯度的纳米粒子。这项技术不仅制备的周期短( 一般5 - 1 5 r a i n 即可形成纳米尺度的 金属粒子) ，而且实验装置简单，操作方便。其原理装置示意图如图1 1 所示。 图1 1 脉冲激光烧蚀纳米粒子的实验装置示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e x p e r i m e n t a ls e t u po f n a n o p a r t i c l e sg e n e r a t i o nb yl a s e ra b l a t i o n 脉冲激光烧蚀技术特别适合制备固体靶材( 金属、陶瓷、高分子材料及复合材料等) 的纳米粒子，尤其是对多元合金或陶瓷，不会因为组元间物理性能的差异导致纳米粒子 成分与靶材有很大差别：制备的液相金属纳米粒子非常稳定，可保持长达6 个月的时间； 制备的金属纳米粒子的尺寸和性质具有很好的重复性。 ( 2 ) 制备薄膜 早在1 9 6 3 年，人们对激光进行镀膜的最初概念就已经形成。到了1 9 6 5 年，s m i t h 等人第一次尝试用激光制备了光学薄膜，但是经分析，这种方法类似于电子束蒸发镀膜， 并无明显优势。直到1 9 8 7 年，d i j k k a m p 等人用脉冲激光沉积技术成功地制备了高温超 导薄膜【8 9 1 ，这一成果使脉冲激光沉积技术开始受到广泛的重视，并很快被广泛的应用于 大连理e 大学硕十学位论文 其他薄膜材料的制备，在铁电材料、巨磁电阻材料和复杂氧化物等薄膜沉积制备上都取 得了成功。 与传统制备薄膜的方法相比较，其优点【1 0 1 在于： ( 1 ) 能实现难熔材料、绝缘材料及多组分材料( 如化合物半导体、电子陶瓷、超 导材料) 的精密薄膜，尤其是外延单晶纳米薄膜及赤铜超导薄膜、半导体薄 膜和铁电薄膜的制备； ( 2 ) 靶材广泛，几乎所有的固体、粉末、凝胶等材料都可以做靶材； ( 3 ) 薄膜可以在较低温度的基片上形成和生长，有利于不同晶态薄膜的制备； ( 4 ) 激光烧蚀产生的富能粒子有助于沉积高质量的薄膜，并且可以获得较高的沉 积速率； ( 5 ) 可以实现反应性脉冲激光沉积，生成期望的薄膜组成和结构； ( 6 ) 通过控制实验参数，很容易实现等成分沉积，多晶、单晶薄膜沉积，晶体的 定向生长：制备时引入监测、控制和分析装置从而有利于研究烧蚀过程的动 力学和成膜机制；通过快速切换不同组分的靶材，可以制备具有多层微结构 和超晶格结构的薄膜； ( 7 ) 适用范围广，设备简单，易操作、控制且效率高，灵活性大。其原理示意图 如图1 2 所示。 娥| | i啉 j f 一i - 啪 篇寿妊 塑管蝴 图1 2p l d 制备薄膜装置示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h i nf i l md e p o s i t i o nb yp l d 一3 一 纳秒脉冲激光烧蚀晶体g c 的动力学模拟 从8 0 年代成功制备高温超导薄膜开始，到现在已经制备出铁电体、陶瓷、金属多 层膜，氧化物半导体薄膜等无机薄膜。脉冲激光沉积技术的发展速度很快，近年来，人 们开始把重点转向超短脉冲沉积和双光束脉冲激光沉积等技术上。超短脉冲激光沉积技 术是采用低脉冲能量和高重复频率的方法以达到高速沉积优质薄膜的目的。1 9 9 7 年，澳 大利亚国立大学激光物理中心设计和制成了第一套飞秒激光沉积设备，结果发现，所制 备的类金刚石薄膜微观粗糙度仅在原子层厚度范围t l t 3 2 1 ，比传统方法有极大的改善。双 光束脉冲激光沉积技术是采用两个激光器或一束激光分光的方法得到两束激光，同时轰 击两个不同的靶材，并通过控制两泰激光的聚焦功率密度，以剑备厚度、化学组分可控 制的理想梯度功能薄膜。该方法可以用于金属掺杂薄膜、复杂化合物薄膜等新材料的开 发。1 9 9 7 年日本最早使用这种方法在玻璃上制备了组分渐变的b i ，t c 薄膜，新加坡的 o n g 等人用这项技术同时对y b c o 和a g 靶作用，通过精确控制两束光的强度，成功 地实现了原位掺杂，在膜上观察到了1 5 0 微米的长柱状a g 结构。 1 1 2 脉冲激光烧蚀技术在分析化学上的应用 脉冲激光烧蚀技术除了在微加工和微制造方面的应用以外，在材料分析化学领域也 有很广泛的应用。目前，有许多分析化学中的取样技术就是利用了激光与材料相互作用 的机制。如：基质辅助激光解析电离l i q ( m a t r i xa s s i s t e dl a s e rd e s o r p t i o ni o n z a t i o n ， m a l d i ) ，激光诱导击穿光谱【l ”( l a s e ri n d u c e db r e a k d o w ns p e c t r o m e t r y 。l m s ) ，激光微 探针质谱( l a i rm i c r o p r o b em 雏ss p e c t r o m e t r y ，l m m s ) ，激光电感耦合等离子体质谱 ( l a s e ra b l a t i o ni n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m am a s ss p e c t r o m e t r y ，l a i c p m s ) 和激光电感耦 合等离子体光谱( l a s e ra b l a t i o ni n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m ao p t i c a le m i s s i o ns p e c 舡o m e l z y ， l a i c p o e s ) ”“”等等。 基质辅助激光解析电离的工作原理是利用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜， 基质从激光中吸收能量传递给生物分子，而电离过程中将质子转移到生物分子或从生物 分子得到质子，而使生物分子电离的过程。激光诱导击穿光谱是通过等离子体发光来探 测物质成分的一种分析方法。其工作原理是一束( 峰值功率密度 1 0 0 g w c m 2 ) 高能短 脉冲激光通过透镜聚焦到被测样品上，产生等离子体( 温度可达1 0 0 0 0 k ) ，样品物质 的电子跃迁至商能态，返回到初始能态时会发出特定辐射光谱，光谱仪对该光谱进行分 析研究可以得到被测物质的成分与浓度。 激光电感耦合等离子体光谱技术，是把激光诱导产生的等离子体藕合到电感耦合等 离子体光源进行光谱分析。此技术具有样品前处理过程时间短、免除使用危险试剂及试 剂玷污、可进行微区微量分析等明显优点，特别是对难溶的各种金属合金、陶瓷、硅酸 大连理工大学硕士学位论文 盐岩石和玻璃的分析具有重要意义。激光电感耦合等离子体质谱是近年来发展迅速的微 区微量元素分析技术，它是在高灵敏度、低检出限、多元素同时检测并可提供同位素组 成比值信息的等离子体质谱技术的基础上结合高空问分辨率的激光采样技术两形成的。 试验装置示意图1 3 磁 图l - 3l a 1 c p m s 系统结构简图 f i g1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f s y s t e ms 打u c t u r eo f l a - i c p - m s 这些结合脉冲激光烧蚀过程的化学分析技术优越性阎在于： ( 1 ) 没有发生化学分解； ( 2 ) 减少污染和样品的损失； ( 3 ) 能给非常小( 毫米量级) 的样品作分析； ( 4 ) 能够确定元素组分的空间分布。 脉冲激光烧蚀技术在制备新材料和分析化学上的应用以及所具有的优越性是不容 置疑的。除此之外，脉冲激光烧蚀技术在其他一些领域也很有发展前景，如激光烧蚀有 机材料的领域1 2 3 】和工艺品的表面清洗【2 】等。 1 2 脉冲激光烧蚀过程和机理的研究现状 关于脉冲激光烧蚀技术及其应用的研究已经有几十年的历史，激光烧蚀技术的应用 也已经非常广泛。为了进一步深入系统地研究和应用脉冲激光烧蚀技术，许多专家学者 通过不同的途径对脉冲激光烧蚀过程和机理进行研究，做了大量贡献。 纳秒脉冲激光烧蚀晶体g c 的动力学模拟 1 2 1 烧蚀蒸气的动力学特性分析 研究脉冲激光烧蚀过程的关键在于研究烧蚀产物在真空环境下或背景气体环境下 膨胀的动力学过程。由于激光烧蚀产物中存在大量的离子、原予、分子、团簇等，这些 物质有些带电，有些则是电中性；有些处于激发态，有些则处于基态或亚稳态，所以大 部分实验研究都是基于经典原子和分子物理原理开展的。如光子发射和吸收光谱，质谱 和飞行时间测量装置等，都是用来研究脉冲激光烧蚀产物动力学特性的重要手段冽。对 于带电的离子、分子、团簇多数通过质谱方法进行研究。对于一些处在激发态的物质， 当它们发生辐射跃迁时，可以通过观察发射光谱来确定它蜘的空闻和时间变化，也可以 通过其它光学诊断测量方法如激光诱导荧光、激光散射等，以及广泛应用于等离子体诊 断的各种电学探针方法，对脉冲激光烧蚀等离子体进行诊断测量。早在六十年代，人们 就已经开始用这些手段对激光烧蚀过程中产生的等离子体进行分析，1 9 6 2 年，b r e c h 和 c r o s s l 2 5 】研究了激光烧蚀金属产生等离子体的发射光谱：同年，l i n l o r 通过飞行时间测算 激光烧蚀等离子体中离子的能量【坷；1 9 9 3 年，h e r m a n n 等人【2 7 】根据t i 原子光谱数据， 分析了激光诱导等离子体中电子密度及温度随时间的变化关系。 相对来说，等离子体发射光谱的测量和分析是一种比较简单实用的非干扰方法。通 过对等离子体发射光谱的分析，特别是通过时空分辨光谱的分析可以获得激光与物质相 互作用、等离子体形成和演变，等离子体膨胀以及与背景气体相互作用过程等重要信息。 g r a n t 和p a u l 从实验上证实了等离子体的发光强度与背景气体及其压力有关 2 8 1 。l e e 和他的同事进行了背景气氛对等离子体影响的实验观察【2 9 l ，发现在5 0 t o r t 空气和氩气 中的等离子体演变行为与7 6 0 t o r t 的氦气中明显不同。类似的工作还有k u m i a w a 等人 在低气压背景中使用短脉冲激光烧蚀铜靶【3 0 】时，观察到了两部分不同的等离子体，通常 称为主级等离子体和次级等离子体。他们认为主级等离子体由激光烧蚀引起，而次级等 离子体则由冲击波引起，并且通过对空间分辨和时间积分的研究，提出中性铜原子构成 等离子体的主要部分【3 n ，国内，复旦大学吴凌晖教授等人通过时空分辨光谱方法研究缡 秒激光烧蚀钛靶过程产生的等离子体羽，并讨论了钛原子和一价离子密度的时间分布和 演化【3 2 】。 1 2 2 激光烧蚀过程和机理的基本物理模型 除了通过诊断测量的方法对烧蚀产物进行分析。还有不少学者针对脉冲激光烧蚀的 物理过程，提出了相当多的理论模型，对预测烧蚀产物的动力学行为及脉冲激光烧蚀应 用技术方面帮助很大，甚至有些理论和模型对激光烧蚀技术的研究发展有指导性的意 义。但是，因为对应不同的激光参数( 脉宽，波长，激光功率密度) ，材料的类型( 导 大连理工大学硕士学位论文 体，半导体，电介质) ，激光烧蚀机制是不同的，而且整个激光烧蚀过程涉及几个物理 机制同时作用( 激光与固体之间的相互作用，等离子体的形成和与激光的相互作用，烧 蚀产物与背景气体之间的相互作用) ，所以很难有一个理论模型能够解释烧蚀过程中出 现的所有现象，只能对脉冲激光烧蚀过程中的某些方面给出一定的揭示，对于其余的问 题仍然没有确切的解释。 ， 最初的简单模型是建立在“热效应”基础上，通过热传导方程描述低功率密度条件 下激光和金属表面的相互作用过程模型p 3 捌，比较合理地解释了一些低功率密度激光照 射后，金属表面产生的一些现象。但是当激光功率密度超过1 0 8 w c m 2 时，这个模型就 不再适用。因为当激光功率密度较大时，靶表面温度升高，当表面温度超过靶材气化温 度时，靶表面发生气化现象，并有物质喷射。喷溅之后靶面和喷射物质继续吸收激光能 量，导致喷射物质进一步发生电离，最后形成等离子体。同时，激光与烧蚀产生的等离 子体羽辉之间会发生相互作用，简单的热效应模型已经无法解释这些现象。 烧蚀产生的等离子体向外膨胀，在膨胀过程中等离子体通过多种吸收机制吸收在其 中传播的激光能量，使温度进一步升高、电离度增大。等离子体对激光能量的吸收阻断 了激光达到靶面，这种阻止激光能量到达靶面的现象叫做等离子体屏蔽( p l a s m a s h i e l d i n g ) 。烧蚀过程中等离子体的产生以及它和激光的相互作用过程，增加了对烧蚀 机理研究的难度。1 9 8 8 年，p h y p p s 等人1 3 5 3 总结了等离子体通过逆轫致辐射( i n v e r s e b r e m s s t r a h l u n g ，i b ) 过程自动调节吸收的理论模型，并建立了一个适用于高功率密度 激光烧蚀，也就是考虑高密度高电离度的等离子体与激光相互作用的解析模型，这个模 型可以预测激光在真空中烧蚀不透明的靶面所产生的烧蚀气压。1 9 9 6 年a d b o a r d m a n 【3 6 】建立的数值模型模拟了波长为3 0 8 r i m 紫外光对金属靶进行烧蚀的过程，模型中考虑 了等离子体对激光的屏蔽效应，利用该模型可以比较准确地预测靶材的熔融深度。1 9 9 7 年，m a o 和r u s s o 等人【3 ”，提出一个以热蒸发和逆轫致吸收为基础的数值模型，解释了 在紫外激光烧蚀黄铜靶的过程中，质量烧蚀率趋于平缓的现象，认为造成质量烧蚀率趋 于平缓、并逐渐变小的原因是等离子体屏蔽。1 9 9 7 年，a i d _ o n l s o 等人p 8 1 提出烧蚀蒸汽 中激发态原子的光致电离( p h o t o i o n i z a t i o n ，p i ) 过程对激光等离子体吸收机制的影响， 并对此作了理论和实验分析。1 9 9 9 年，a l n o r u s o 等人1 3 9 1 报道了考虑激光等离子体中激 光吸收、激发和电离过程的数值模型。类似研究高能脉冲激光烧蚀过程中等离子体屏蔽 所造成的影响【4 h 3 j 以及关于等离子体屏蔽模型m 朋】的工作还有很多。 当激光强度较低时，材料气化不剧烈，饱和蒸汽压力与环境气压平衡，蒸汽粒子运 动速度分布各向同性，处于平动平衡的麦克斯韦分布，这时可以应用蒸气压方程或德拜 爱因斯坦理论，建立各种激光平衡气化的模型。著名的a 聃h c h m o b 模型【4 6 】，给出了饱和 纳秒脉冲激光烧蚀晶体g e 的动力学模拟 蒸汽粒子数密度和溶液表面温度的关系。当激光强度较大时，材料气化率增大，蒸汽压 力增高并明显高于环境压力，蒸汽中返回溶液的粒子数比例减少，速度分布偏离平衡的 麦克斯韦分布。离开液面的气体粒子必须经过一段距离，通过彼此之闻相互碰撞才能重 建平动平衡。液面之上蒸汽处于不平衡向平衡状态过渡的薄层称为克努森( k n u & e n ) 层。a l 埘c i 删i 拍4 7 1 首先考虑了激光气化时靶表面的k n u d s e n 层及其处理方法，提出了强 气化极限下真空环境中k n u d s c n 层外表面蒸汽粒子的定常流速应等于当地声速，即满足 j o u g e t 条件。1 9 6 8 年，a n i s i m o v 4 9 l 对激光在真空中烧蚀过程进行详细描述，并根据临近 蒸发表面的克努森层理论，给出了靶面温度和蒸汽参数之间的关系。1 9 7 9 年k n i g h t l 4 9 1 应用m o t t - s i m t h 方法得到了存在环境气体反压条件下，激光气化引起的蒸汽定常流动一 般情况的解。1 9 8 7 年，c h a n 和m a z y m b e r t 5 0 l 发展了一维稳态模型，考虑了气液界面的 不连续性，利用k n u d s e n 跳跃条件及m o r t - s m i t h 型解，认为蒸汽压迫气体离开基底同时 对液体产生一个排斥作用，结论是物质将以液体和气体两种形式脱离基体。 研究脉冲激光烧蚀过程的关键在于研究烧蚀产物在真空环境下或背景气体环境下 的膨胀过程，一般采用蒙特卡罗模拟方法d i - 蚓，流体动力学方法【5 铀1 1 或者二者混合的方 法1 6 2 - 自1 。早期，大部分模型都是针对烧蚀蒸汽在真空或低气压环境下( 只有一种粒子， 没有与背景气体作用) 的膨胀过程，较接近应用的真实情况。1 9 9 0 年，s i n g h 6 7 在流体 力学的基础上，结合麦克斯韦波尔兹曼分布规律，建立了一个椭圆模型，对脉冲激光 在真空中烧蚀和等离子体膨胀的部分现象进行解释，用气体动力学方程对烧蚀产物的密 度和膨胀速度分布进行计算，并对激光参数和靶材参数对烧蚀过程的影响做了明确阐 述。1 9 9 8 年至2 0 0 5 年，d u a n m i n g - z h a n g 等人在s i n g h 模型的基础上，发展了一个新物 理模型 6 8 - 7 0 ，考虑了烧蚀面的动态变化方程，利用绝热近似、温度连续性条件和能量平 衡原理较为严格地推导出烧蚀中固液界面的演化关系，同时考虑了激光等离子体两个不 同的吸收机制，即逆轫致吸收和光致电离吸收，模拟了等离子体的演化过程以及对激光 能量的吸收情况，模拟结果与实验比较吻合，指出在激光熔融过程中等离子体屏蔽效应 起着非常重要的作用。2 0 0 3 年，a n n e m i eb o g a e r t s 和z h a o y a n gc h e n 等人1 7 ”建立了一维 的流体动力学模型，描述在真空环境( 只有一种粒子) 下，纳秒脉冲激光与铜靶的相互 作用以及烧蚀蒸汽膨胀的动力学性质，综合考虑了蒸汽电离和等离子体对激光能量的吸 收，得到了烧蚀蒸汽的密度、电离度、温度和速度的时空演化。 与真空环境中膨胀过程相比，烧蚀羽状蒸汽在背景气体环境的膨胀过程要复杂得 多。膨胀过程不仅与背景气体的成分和压强有关，而且有几个物理过程同时存在，如蒸 气粒子和背景气体粒子会发生碰撞、化学反应，两种不同粒子之间的相互扩散等。部分 研究人员提出了烧蚀蒸汽与背景气体的相互作用模型 7 2 - 7 4 ，都是针对背景气体压强在 一8 一 大连理j ：大学硕士学位论文 1 0 0 p a 以下的情况，背景气体对烧蚀蒸汽的膨胀影响因而很小。在气压较大的情况下， 蒙特卡洛方法和混合方法计算的时间太长，因此，一般采用流体动力学方法。1 9 9 0 年， a d e n 阑应用流体动力学方程组，结合k n u d s e n 层理论，计算了激光在压力为1 0 s p a 的空 气环境下对铁和铝烧蚀的过程，得到不同时刻的压力剖面。1 9 9 9 年，a n d r e yv g u s a r o v 和a l e x e yg g n e d o v e t s 等人( 7 6 1 通过流体动力学的方法分析烧蚀蒸汽在l a t m 背景气体下 的膨胀和它们之问的相互作用过程，但是所用的激光脉宽( m s ) 较长，激光功率密度很 低( 1 0 - 4 1 0 - 5 w e m 2 ) ，因此还没有形成等离子体。2 0 0 5 年，z h a o y a n gc h e n 和a n n e m i e b o g a e r t s 等人【7 。”在原真空烧蚀模型的基础上，提出了纳秒级脉冲激光在la r mh e 气环 境下烧蚀铜靶的模型，不仅考虑了等离子体的形成和对激光能量的屏蔽效应，还考虑 l a t m 下的背景气体对烧蚀过程的影响，包括两种粒子之间的相互扩散、粘性以及回流凝 结过程。模拟结果比较合理地描述了烧蚀蒸汽在膨胀初期的动力学演化过程和对背景气 体压缩形成冲击波的过程，并指出背景气体使对蒸汽膨胀速度减慢，限制蒸汽的膨胀， 以及回流现象的出现。在此模型的基础上，继续分析了气压变化、激光参数变化，背景 气体成分变化对烧蚀过程的影响1 7 鼍m 。 近年来，由于超短脉冲激光加工的兴起，对超短脉冲激光烧蚀的机理研究也成为现 今研究的热点之一。2 0 0 1 年，f v i d a l 和s l a v i l l e 等) l t s 0 1 用自治( s e l f - c o n s i s t e n t ) 一维 c a r t e s i a nl a g r a n g i a n 流体模型模拟了超短激光脉冲烧蚀铝以及烧蚀产生的等离子体在 空气中膨胀的过程。在假设等离子体总是处于热力学平衡状态下，计算得到的烧蚀深度 和烧蚀阈值与实验测量结果相一致，计算的电子密度演化与实验结果相一致。2 0 0 2 年， d a n n yp e r e z 和l a u r e n tj l e w i s 等人【s l 】用分子动力学和简单的l e n n a r d - j o n e s 势双温模 型，研究飞秒激光烧蚀的基本机理，证实烧蚀过程根据沉积能量的多少可分为三个不同 机制，分别是机械粉碎、均匀成核和蒸发机制。 虽然对脉冲激光烧蚀过程提出了如此多的理论模型，但是大多数模型都是建立在研 究脉冲激光烧蚀金属导体【8 l 7 5 - 帅】的基础上，对激光烧蚀半导体的过程及机理的研究却非 常少。硅( s i ) 、锗( g e ) 等半导体材料作为c m o s 电路，i c 芯片的核心材料，在半 导体光电集成领域具有十分重要的地位，而脉冲激光烧蚀技术作为国内外主要的纳米材 料制备技术，在制备半导体纳米材料方面有着一定的技术优势和诱人的应用前景。目前， 用脉冲激光烧蚀技术制备半导体纳米材料的正处于初始研发阶段，存在着出产率低，纯 度不够高，制备的微结构材料质量、性能不稳定等问题，在很大程度上取决于烧蚀过程 和激光参数。因此，对脉冲激光烧蚀半导体的过程和机理的研究，对半导体纳米材料制 备技术的进步和光电子学的发展有着重要的指导意义。虽然目前在理论隅2 】和实验l 硎研究 纳秒脉冲激光烧蚀晶体g e 的动力学模拟 领域取得了些进展，但是激光与半导体材料的相互作用、等离子体的演化、烧蚀气体 的动力学行为以及制备的最佳条件尚未完全清楚。因此，需要开展该领域的研究工作。 1 3 论文的工作及安排 本论文在激光与半导体相互作用理论的基础上，分析导体、半导体、绝缘体的能带 结构。借鉴z h a o y a n gc h e l a 和a n n e m i eb o g a e r t s 提出的金属导体激光烧蚀模型【7 7 1 ，建立 了一维半导体激光烧蚀模型，分析了脉冲激光烧蚀晶体g e 和烧蚀蒸汽在背景气体环境 下的膨胀行为。模型综合考虑了靶的传热，烧蚀蒸汽的膨胀、电离以及对激光能量的吸 收，二极扩散和反压导致的回流再凝结等过程。 论文的内容主要分为五部分。第一章是文献综述。第二章介绍了激光与物质相互作 用的基础理论，包括物质对激光的反射和吸收，导体、半导体、绝缘体的能带结构，半 导体对激光的吸收，纳秒级脉冲激光与固体作用的一维热传导方程，气体动力学方程， k n u d s e n 层理论，等离子体的形成机制以及对激光能量的吸收等，为模型的建立奠定了 理论基础。 在第三章中分析了半导体晶体g e 适用导体模型的原因，随后建立了一个纳秒脉冲 激光烧蚀晶体g e 的一维模型，对激光烧蚀晶体g e 和烧蚀蒸汽