Теоретическое введение

Основными свойствами, отличающими лазерное излучение от из­лучения обычных источников света, являются высокая интенсивность, направленность, монохроматичность и когерентность. Лазерные систе­мы позволяют получить короткие импульсы излучения высокой мощнос­ти. При изучении процессов, взаимодействия лазерного излучения с твердым телом наиболее широко используются лазеры с длительностью импульса 5-50 нc. В зависимости от типа лазера мощность излучения в импульсе может достигать 10⁶–10¹⁰ Вт. Наряду с высокой интенсив­ностью лазерное излучение обладает малым углом расходимости луча. Благодаря этому все излучение легко собрать при помощи простой системы линз и сфокусировать лазерный луч в пятно малого диаметра. Таким образом, направленность излучения является важным фактором для создания на исследуемой поверхности твердого тела светового пятна контролируемого размера. Изменяя размер светового пятна, можно в широких пределах изменять плотность мощности падающего излучения (10³–10¹⁵) Вт/см². В зависимости от интенсивности падаю­щего излучения в приповерхностной области твердого тела, в которой происходит поглощение излучения, разыгрываются различные физичес­кие процессы. При Р < 10⁵ Вт/см² в основном преобладают процессы оптического возбуждения электронной системы твердого тела: межлиние и внутризонные электронные переходы, плазменные колебания, появление экситонов. В полупроводниках такие возбуждения приводят и фотопроводимость и фотогальваническим эффектам. Тепловое действие света в рассматриваемом диапазоне интенсивностей вызывает повыше­ние температуры образца, как правило, в пределах десяти градусов, и им в рассматриваемых эффектах пренебрегают. В диапазоне низких интенсивностей лазерное излучение используется для излучения оп­тических свойств твердых тел.

При P > 10⁸ Вт/см² имеем область лазерного излучения с вы­сокой интенсивностью. Энергия световых квантов, поглощенная в твердом теле за время действия светового импульса, может превысить энергию связи атомов в веществе и энергию их ионизации, в результате чего приповерхностный слой вещества превращается в плазму. Сильно ионизированная плазма эффективно поглощает лазер­ное излучение, что приводит к ее значительному нагреву. В диапа­зоне энергий 10⁵ < Р < 10⁷ Вт/см² достаточно высокого уровня дос­тигает возбуждение электронной системы твердого тела. Эффект теп­лового действия света может на сотни градусов увеличивать темпера­туру поверхности (до температур плавления и испарения материала). При этом сильному энергетическому возбуждению подвергаются поверх­ностные частицы, и происходит их десорбция. Наибольший интерес представляют собой исследования лазерной десорбции при отсутствии на поверхности фазовых переходов, т.е. температурах ниже темпера­туры плавления материала. Полупроводниковые образцы в этих условия: сохраняют свои свойства. Таким образом, изучение процессов лазер­ной десорбции позволяет получить информацию о свойствах элементарных электронно-молекулярных процессов, происходящих на поверхнос­ти в условиях неравновесного возбуждения, а также о закономернос­тях энергопередачи в указанных процессах. При этом открывается возможность изучения элементарных процессов, лежащих в основе ла­зерного плазмообразовання на поверхности твердых тел.

При взаимодействии потока световых квантов с поверхностью твердого тела, на которой находятся адсорбированные частицы, часть световых квантов будет поглощаться адсорбированными частицам-ми. Возможность фотодесорбции в результате поглощения адсорбирован­ной частицей кванта света позволяет переводить адсорбированную мо­лекулу в электронновозбужденное состояние. Если возбужденному состоянию соответствует антисвязывающая волновая функция, то между возбужденной молекулой и поверхностью действуют силы отталкивания. Молекула удаляется от поверхности, приобретая некоторую кинетическую энергию. Таким образом, одна часть энергии электронного воз­буждения молекулы расходуется на преодоление адсорбционного барьера другая - превращается в кинетическую энергию десорбируемой частицы. Рассматриваемая десорбция получила название прямой, или резонансной фотодесорбции.

Особенностью фотодесорбции с данным механизмом является нали­чие максимума спектральной зависимости выхода десорбции в области резонансного возбуждения адсорбированной молекулы. Квантовый вы­ход прямой фотодесорбции мал, что связано с малой вероятностью поглощения света в тонком адсорбционном слое. Следовательно, наблюдение прямой фотодесорбции возможно лишь при достаточном заполнении поверхности молекулами, при этом должна быть специаль­но подобрана пара молекула-адсорбент, молекула которой хорошо поглощает свет, а подложка (адсорбент)прозрачна при используе­мой длине волны. Такая ситуация реализуется, например, при облу­чении в видимой области спектра молекул иода и натрия.

Наиболее часть для возбуждения десорбции используются неодимовый лазер h_n = 1,17 и h_n = 2,34 эВ на первой и вто­рой гармониках, длительность импульса в пределах t_n = 1,5 – 30 нс), рубиновый лазер с модулированной добротностью (h_n = 1,78 эВ, t_n = 20 – 25 нс), NO₂ – лазер (h_n = 3,59 эВ, t_n = 5 нс), KzF – эксимерный лазер (h_n = 7,3 эВ, t_n =10 – 20 нс). Плотность мощности, достигаемая в импульсе, соответствует 0,1 – 10 МВт/см².

При прямом переносе на металлическую пленку, нанесенную на прозрачную подложку, действует сфокусированное лазерное излу­чение. В процессе такого воздействия материал пленки нагревается и испаряется. Для давления, меньше 0,1 Па, анализ процесса разлета испаряющего материала может выполниться в одномерном бесстолкновительном приближении: атомы испаренного вещества летят прямолинейно, не испытывая воздействия со стороны молекул остаточ­ного газа. В зависимости от толщины пленки донора (или плотности потока мощности) можно выделить два режима разрушения материала пленки донора.

В первом случае при равномерном нагревании пленки по толщине механизм разрушения является испарительным, т.е. пленка разруша­ется за счет "спокойного" испарения со свободной поверхности. Во втором случае при увеличении толщины пленки или увеличении плотности мощности, когда слой пленки, прилежащей к подложке, нагрет до температуры кипения Ткип,а наружная поверхность пленки не превышает температуры плавления Т_пл, появляется взрывной механизм разрушения. Для импульса с длительностью t» 10нс критическая толщина пленки h_кр, при которой наблюдается смена механизма, равна приблизительно 4 сек. При

Время переноса может быть больше длительности импульса излучения даже при малом зазоре a между донором и акцептором. Для этого должно выполняться условие

где – эффективная скорость испарения;

K⁰ – постоянная Больцмана; Т - температура пара; m₀ - масса атома или молекулы пара. Для типичных значений d = 1 мм при подстройке, например, частот резонаторов и ис­пользовании лазеров на молекулярном азоте при 10 нc, температуре пара T = 4000¸5000 K (материал донора-серебро) эффективная скорость переноса составляет U = 20 m/c. При этом скорость конденсации будет

где h – толщина пленки донора. В этих же условиях толщина пленки акцептора h_c определяется выражением

Очевидно, что при уменьшении зазора d увеличивается толщина осаждаемой пленки, и, следовательно, при сохранении посто­янным объема материала, удаляемого с донора, повышается локаль­ность распределения осаждаемой массы по электродному покрытию. Превышение времени переноса над длительностью импульса сокраща­ет вероятность переиспарения. Частичное переиспарение может про­исходить также при превышении температуры подложки-акцентраа-вследствие выделения теплоты конденсации. Максимальная температу­ра поверхности акцептора под действием теплового потока, определяется выражением

;

где и a – теплопроводность и температуропроводность подложки соответственно; a₀ – удельная теплота конденсации. Зависимость T_max от зазора d представлена на рис.1. Для предотвращения переиспарения T_max должна быть меньше температуры плавления осаждаемого материала. В тоже время для улучшения адгезии T_max не должна быть слишком малой. Так, при перенесении алюминия на кварц T_max=200°С (при зазоре d = 2 мм), что обеспечивает достаточно хорошую адгезию. При перенесении в тех же условиях, но на пленку алюминия толщиной h = 300 к/м T_max<100 °С и адгезия становится недостаточной для обеспечения стабильной работы изделия. Из рис. 1 видно, что с точки зрения обеспечения высокой адгезии размер зазора должен находиться для алюминия в диапазоне 1-3 мм.

Рис. 1 – Зависимость максимальной температуры поверхности подложки в конце импульса напыления от зазора

На качество переноса влияет d/l соотношение между зазором и размером облучаемой области l. При отношении d/l <1 происходит частичное переиспарение, но обеспечивается наилучшая адгезия. С увеличением d/l адгезия уменьшается, так как пар. успевает охладиться и T_max в значительной степени снижается. На основе экспериментальных данных можно сделать вывод, то при перенесении толщину пленки донора следует выбирать около 100 нм, плотность - выше пороговой в 1,5 - 2 раза, а размер области облучения - порядка 20 – 30 МКМ.