193 nm 紫外激光对单晶硅的损伤特性研究*

王 玺，雷武虎，张永宁，王毕艺，李 乐

（1.国防科技大学电子对抗学院脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037；2.国防科技大学电子对抗学院先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037；3.电磁空间安全全国重点实验室，天津 300308；4.中国人民解放军94639 部队，安徽 六安 237000）

0 引言

单晶硅是计算机芯片、自动控制和信息处理、光电转换、人工智能等领域中常用半导体器件的基础材料，广泛应用于相关领域［1-4］。与红外激光相比，波长更短的紫外激光优势在于单光子能量高、靶耦合效率高以及衍射光斑小等，波长更短的深紫外激光特别适合于未来空间作战。如在193 nm 紫外波段，激光脉冲能量大于600 mJ，是200 nm 以下波段中唯一可以大功率输出的激光［5］。因此，研究波长更短的紫外激光对半导体单晶硅的损伤问题具有重要的应用价值［6-9］。本文主要开展了193 nm 紫外激光对单晶硅的损伤实验，通过表面损伤形貌和数值模拟分析，讨论了193 nm 紫外激光对单晶硅的损伤阈值和机理。

1 193 nm 激光辐照单晶硅材料表面损伤实验

1.1 实验系统

实验系统如图1 所示，主要由193 nm ArF 准分子激光器、激光能量计、聚焦透镜、衰减片、分光镜与二维移动平台等组成。激光脉冲宽度约为25 ns，激光重复频率为1 Hz，最大单脉冲能量可达600 mJ，输出激光呈矩形光斑。实验中对损伤样品的测试采用 1-on-1 和S-on-1 的方法。1-on-1 是样品上的每个照射点只受到一个激光脉冲照射时，无论照射点是否发生损伤，将样品移动到下一个没有被照射的点，然后增加激光的能量密度继续照射。S-on-1 为多脉冲损伤，是在样品同一个点上用相同激光能量密度的多脉冲激光进行辐照，然后移动至下一个没有被照射的点进行多脉冲照射，实验中每一个点的排布和1-on-1 一样，S是每个点辐射的脉冲数目。根据ISO21254 国际激光损伤判定标准，实验中采用Nomarski 微分干涉相衬显微镜（DIC）观察材料的损伤情况。193 nm 紫外激光经过整形聚焦后为直径1 mm 的圆形光斑。

图1 193 nm 紫外激光损伤单晶硅的实验系统示意图

1.2 实验结果与分析

图2 为激光能量密度分别为1 J/cm2、2.9 J/cm2、10.2 J/cm2时，单脉冲激光对单晶硅表面的损伤形貌。整个损伤光斑边缘非常齐整，材料表面产生了明显的熔融损伤和应力损伤，中心有明显的熔融烧蚀，边缘更多是纵横交错的裂纹；随着激光能量密度增加，损伤区域逐渐扩大，熔融烧蚀的痕迹也更加细密，损伤坑边缘能看出喷溅痕迹，整个损伤坑熔融损伤和应力损伤纵横交织，形成明显的网状损伤结构，这可能是由激光损伤过程中形成的弹性波源产生的表面横向波造成的。该横向波沿温度梯度分布，从高温区向低温区扩散，在椭圆损伤坑外沿上形成了驻波节线，使其网状结构更加明显，这一特点与文献［10］中248 nm激光对单晶硅的损伤形貌几乎相同。

图2 DIC 显微镜观察单脉冲激光对单晶硅表面的损伤形貌

图3 为激光能量密度为10.2 J/cm2时，脉冲数分别为5、10、20 个激光对单晶硅表面的损伤形貌。5 个激光脉冲时，单晶硅表面已经出现较为严重的熔融和应力损伤，损伤区域呈现出明显的溅射物痕迹，边缘变得不再齐整，而是有了向外喷溅扩张的趋势。随着脉冲数的增加，损伤程度进一步加深，中心处呈现出大范围的波浪状熔融烧蚀痕迹，推测这是由高温熔融状态下的液体硅沸腾形态在冷却后形成的，损伤外围产生了层次分明的喷溅现象和环状裂纹。

图3 DIC 显微镜观察不同脉冲数激光对单晶硅表面损伤形貌（激光能量密度为10.2 J/cm2）

从总体趋势来看，随着脉冲数增多，单晶硅表面损伤程度不断加深，损伤区域边缘不规则程度明显增加，并形成向外围喷射飞溅的波浪形损伤形貌，最初的应力损伤裂纹被覆盖，熔融损伤逐渐成为主要损伤样式。

从实验结果可以看出，193 nm 紫外激光对单晶硅的损伤机理主要为热力耦合。单晶硅的化学键能为1.82 eV，而193 nm紫外激光单光子能量为6.43 eV，远超Si-Si 键键能，193 nm紫外激光很容易对单晶硅造成严重的损伤，使得Si-Si 键吸收193 nm 单光子能量产生断裂，在熔融和应力损伤的共同作用下，形成了实验所见的烧蚀熔融、裂纹、液状物飞溅、边缘不规则扩散等损伤形貌。

2 数值模拟研究

2.1 理论模型

利用有限元法分析193 nm 紫外激光辐照下单晶硅的温度场及应力场分布。在空间建立二维坐标系roz，圆形片状单晶硅半径R=10 mm，厚度H=0.1 mm，其圆心位于坐标系原点O，激光束I0沿z轴方向聚焦后辐照于单晶硅片表面，形成光斑半径r=0.5 mm 的圆形光斑，激光脉冲宽度为25 ns。理论模型如图4 所示。

图4 理论模型

单晶硅的材料参数如表1 所示。

单晶硅视为各项同性均匀材料，在激光辐照中热传导过程用如下方程表示：

式中，ρ为硅的密度，c为比热容，T为硅表面瞬时温度，k为热导率，Q为体积热源。热源Q可以表示为：

式中，R为193 nm 激光反射率，α为激光吸收系数。

式中，I0为激光峰值功率，ω为激光光斑半径。边界条件为：

初始温度为：

设整个模型处于真空环境中，激光脉冲的持续时间很短，因此可以忽略热辐射和热对流的影响。

2.2 损伤阈值

图5 为激光能量密度为0.71 J/cm2时，单脉冲作用下单晶硅的温度场和应力场分布情况。在一个激光脉冲辐照下，模型表面最高温度刚好达到硅材料熔点1 680 K，如图5 （a）所示，此时将产生熔融损伤，可认为熔融损伤阈值即为0.71 J/cm2。由图5 （b）可知，单晶硅表面温度达到熔点时，硅片表面激光辐照中心处最大应力已经达到了854 MPa，超过了硅的最大抗拉强度500 MPa，将会产生应力损伤，由此说明应力损伤发生在熔融损伤之前。当激光能量密度为0.415 J/cm2时，在一个激光脉冲辐照下单晶硅表面热应力刚好达到其抗拉强度500 MPa，如图6 所示，此时硅片表面恰好产生应力损伤，可认为热应力损伤阈值即为0.42 J/cm2。此时硅片表面最高温度为1 109 K，还未达到硅材料的熔点1 680 K，不会产生熔融损伤。

图5 激光能量密度为0.71 J/cm2时模型温度场及应力场分布情况

图6 激光能量密度为0.42 J/cm2时模型温度场及应力场分布情况

从模拟结果可以看出，激光辐照下单晶硅温度场和热应力场均呈现出由表面至底部递减的分布态势，单晶硅模型表面温度最高，受到的应力最大，底部温度最低，受到的应力最小。模型表面光斑中心处温度和应力随辐照时间的增加而逐渐升高。从损伤阈值上可以看出，193 nm 紫外激光辐照单晶硅，首先产生应力损伤，其次才是熔融损伤。

3 结束语

本文开展了193 nm 紫外激光对单晶硅的损伤实验，观察分析了材料表面的损伤形貌，建立了193 nm紫外激光损伤单晶硅的理论模型，分析了材料的温度场及应力场分布，计算得到了193 nm 紫外激光对单晶硅的损伤阈值，讨论了193 nm 紫外激光对单晶硅的损伤机理。实验研究表明，193 nm 紫外激光对单晶硅的损伤机理主要为热力耦合，应力损伤先发生，材料表面呈现出明显的烧蚀状的熔融损伤和裂纹状的应力损伤，整个损伤区域边缘齐整。在能量密度低或脉冲数较少的情况下，2 种损伤形貌区别明显，而在较高能量密度和多脉冲的情况下，熔融损伤逐渐占据主导，整个材料表面呈现出波浪状的烧蚀形貌，并且损伤边缘也出现了明显的液体飞溅现象。计算结果表明，193 nm 紫外激光对单晶硅的熔融损伤阈值为0.71 J/cm2、热应力损伤阈值为0.42 J/cm2。