СПОСОБ ОБРАБОТКИ И УЛУЧШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ Российский патент 2003 года по МПК C30B33/04 

Изобретение относится к области материаловедения, а более конкретно - к способам обработки поверхности материалов микро- и оптоэлектроники лазерными методами, и может быть применено в производстве полупроводниковых приборов.

Известен способ обработки поверхности материалов, включающий облучение ее лазерным лучом с плотностью энергии 3-20 Дж/см² (1). Согласно известному способу, обработку поверхности проводят концентрированным лазерным лучом с целью удаления больших частиц.

Однако значительная энергия лазерного луча приводит к частичному оплавлению поверхности материалов. Такое оплавление поверхности приводит к появлению неоднородности структуры, что в конечном итоге влияет на характеристики изготовленных элементов оптоэлектроники.

Известен также способ обработки поверхности материалов лазерным лучом путем дефокусирования луча и ослабления его мощности калиброванными нейтральными фильтрами (2). Согласно известному способу, облучение поверхности материалов проводят с энергией 0,1-15 Дж/см² в режиме свободной генерации с длительностью импульса 2•10^-8 с. При таких энергиях поверхность элементов поддается значительному морфологическому повреждению.

Известен также способ обработки поверхности материалов лазерным лучом, выбранный в качестве прототипа, согласно которому обработку материалов проводят в режиме модулированной добротности с энергией лазерного луча (3).

Однако недостаток известного способа заключен в том, что на поверхности материалов, которые подвергаются обработке, также возникает значительное количество повреждений. Техническая задача изобретения - снижение количества (концентрации) оплавленных участков поверхности при воздействии на нее лазерным лучом.

Достижение задачи осуществляют тем, что лазерный луч фокусируют в линию, длина l которой соизмерима с высотой поверхности, и сканируют им по поверхности с частотой колебания не выше 100 Гц. Частоту колебания луча выбирают из соотношения

где Q - суммарная плотность энергии лазерного луча при воздействии на поверхность материала;
σ - сила сцепления поверхностных атомов, аппроксимируемых шарами.

Пример 1.

На поверхности монокристалла Si размером 20х20 мм² выявлены атомы кислорода. После облучения лазерным лучом, сфокусированным в линию высотой 22 мм, и путем сканирования им по поверхности монокристалла с частотой ν=80 Гц в течение 20 с удалось снизить концентрацию частот кислорода в 1000 раз. Плотность энергии лазерного луча составляла 2 Дж/см².

Пример 2.

На поверхности монокристалла Si размером 20х20 мм² выявлен монослой окисла кремния SiO₂. Путем облучения лазерным лучом, сфокусированным в линию, и сканирования им по поверхности монокристалла с частотой с ν=40 Гц в течение 100 с удалось снять 2 монослоя окисла. Плотность энергии лазерного луча составляла 5 Дж/см².

Пример 3.

Для очистки поверхности монокристалла Si размером 20х20 мм² использовали рубиновый лазер с лучом, сфокусированным в линию. Путем сканирования по поверхности кристалла с частотой в 25 Гц удалось выжечь на поверхности кремния пленки углерода и диоксида кремния. Плотность энергии лазерного луча составляла 2 Дж/см².

Пример 4.

Для выравнивания поверхности металлических пленок толщиной 1 мкм проводили сканирование лазерным лучом, сфокусированным в линию, поверхности пленок. Длина волны лазерного излучения - 504 нм, энергия в импульсе 500 мДж и частота повторения 1 Гц. Частота колебания луча по поверхности - 5 Гц. Время действия - 5 с.

Реализация способа обработки поверхности материалов лазерным лучом была осуществлена с помощью устройства, приведенного схематически на чертеже.

Устройство состоит из лазера 1 типа ЛТИПЧ-7, цилиндрической линзы 2, образца 3, размещенного на вибраторе 4, колебание которого осуществляется электронным блоком 5.

Работа устройства состоит в следующем.

Образец, поверхность которого необходимо обработать лазерным лучом, помещают в вакуумную камеру (на схеме не показана), приводят его в колебание с определенной частотой. Очистку поверхности проводят лазерным лучом, сфокусированным в линию цилиндрической линзой.

После проведения очистки в той же камере проводят изготовление элементов оптоэлектроники по известной технологии.

Технический результат предложенного способа состоит в том, что поверхность образца не подвергается сильному нагреву, который вызывает изменение морфологии поверхности, т.е. поверхность не подвергается оплавлению. Кроме того, задание определенной частоты сканирования лазерным лучом упрощает контроль обработки поверхности образца.

Источники информации, принятые во внимание
1. Конов В. И., Пименов С.М., Прохоров А.М., Чаплиев Н.И. Электронно-микроскопические исследования перестройки микрорельефа поверхности материалов при многократном импульсном лазерным ИК-облучении в вакууме // Поверхность, Физика, химия, механика. - 1987. - Вып.12. - С.98.

2. Загиней А.А., Котлярчук Б.К., Курило И.В. и др. Изменение структуры и морфологии поверхности кристаллов НgТе в зоне действия импульсов лазерного излучения // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1986. - Вып.6. - С.76.

3. Авт. св. СССР 1055784, Бюл. ОИПОТЗ 43, 1983.

Изобретение относится к области материаловедения и может быть применено в производстве полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: обработку поверхности материалов ведут в режиме модулированной добротности путем облучения поверхности лазерным лучом, сфокусированным в линию, длина l которой соизмерима с высотой поверхности, и сканируют им по поверхности с частотой колебания луча не выше 100 Гц, выбранной из соотношения где Q - суммарная плотность энергии лазерного луча при воздействии на поверхность материала; σ - поверхностная сила сцепления. Способ позволяет снизить количество (концентрацию) оплавленных участков поверхности, поскольку она не подвергается сильному нагреву, и не вызывает изменения морфологии поверхности. 1 ил.

1. Способ обработки и улучшения поверхности материалов лазерным лучом в режиме модулированной добротности, отличающийся тем, что лазерный луч фокусируют в линию, длина l которой соизмерима с высотой поверхности, и сканируют им по поверхности с частотой колебания луча не выше 100 Гц. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту выбирают из соотношения

где Q - суммарная плотность энергии лазерного луча при воздействии на поверхность материала;
σ - поверхностная сила сцепления.