Морфологические особенности поверхности GaAs, обусловленные лазерным и термическим воздействием Текст научной статьи по специальности «Физика»

СЕКЦИЯ: ОБЩАЯ ФИЗИКА

УДК 539.3

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТИ GaAs, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЛАЗЕРНЫМ И ТЕРМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

© В.А. Федоров, П.М. Кузнецов, М.В. Бойцова, П.А. Скородумов, А.Н. Агапов

Ключевые слова: арсенид галлия; расплав; лазерное воздействие; микротвердость.

В статье рассматриваются морфологические особенности монокристаллов арсенида галлия после воздействия лазерного излучения.

Арсенид галлия широко применяется в современной электронной технике в качестве подложки. В ходе эксплуатации интегральных микросхем происходит термическое воздействие на подложку. Вследствие этого, на поверхности материала происходят морфологические изменения, которые приводят к изменению полупроводниковых свойств. В плане морфологических изменений, влияние импульсного лазерного воздействия на поверхность GaAs мало изучено, в связи с чем исследование термических воздействий на кристаллы GaAs является актуальной задачей.

Цель работы: Исследовать морфологические особенности и структуру поверхности кристаллов GaAs в условиях нагрева и импульсного лазерного воздействия.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Исследования проводились на пластинах кристалла GaAs, толщиной 1 = 0,95 мм. Облучение образцов осуществляли лазерным источником с активным элементом на основе иттрий алюминиевого граната, легированного неодимом (Nd:YAG), с длиной волны 1,064 мкм.

Характерный размер лазерного пятна на поверхности воздействия не превышал 1 мм. Исследования механических свойств образцов проводили на микротвердомере ПМТ-3М при нагрузке Р = 1 Н. Отжиг образцов осуществлялся в электрической печи, при температурах 200-1000 °С и времени выдержки 5 мин. Исследования морфологических особенностей поверхности образцов производилось при помощи зондовой лаборатории Ntegra Aura.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Первая серия экспериментов была направлена на изучение воздействия импульсного лазерного излучения на монокристаллы GaAs. После воздействия лазерного излучения на поверхность GaAs происходит образование зоны оплавления, в которой можно наблюдать вновь образующиеся кристаллы (рис. 1). Рост последних происходит от центра к периферии. Отмечено образование волнообразного рельефа, наблюдавшегося ранее в сплаве железа с кремнием [1], а так же в вольфраме в работе [2]. Определена минимальная плотность

Рис. 1. Характерный вид зоны оплавления после воздействия лазерного излучения (2,2-105 Вт-см 2): а) вид зоны оплавления на лицевой стороне; б) вид зоны оплавления на обратной стороне

Рис. 2. Поперечный скол образца в зоне воздействия лазерного излучения (2,2-105 Втхм-2)

Н„ ГПа

I

1 I I

I ]/А 1

1 А

ч/

і і і і і і

і______т_______

-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6

Расстояние до центра кратера, мм

Рис. 3. Зависимость микротвердости от расстояния до центра зоны оплавления (2,2^ 105 Вт-см-2), пунктирной линией отмечена граница зоны оплавления

мощности, необходимой для оплавления поверхности арсенида галлия, которая составляет ~ 2,2-104 Вт-см-2 для прямоугольной временной формы импульса и длительности 3 мс. При облучении образцов с плотностью мощности, превышающей 2-105 Вт-см-2, на обратной стороне пластины формируется зона оплавления, аналогичная зоне оплавления на лицевой стороне рис. 1а, 1б. На обратной стороне пластины также наблю-

дается направленная кристаллизация от центра к периферии.

Для исследования структуры внутри канала был произведен поперечный скол образца. Как видно из рис. 2, форма образовавшегося канала имеет вид «чаши», отмечается также образование кристаллов. Следует заметить, что угол между направлением роста кристаллов и поверхностью воздействия составляет 60°. Рост кристаллов происходит от межфазной границы раздела жидкого материала с твердой матрицей к центру зоны оплавления.

В зоне оплавления происходит уменьшение микротвердости (рис. 3), составляющее 40-50 % от исходного значения. Уменьшение микротвердости, как видно из рис. 3, начинается на некотором расстоянии от зоны оплавления. Это может быть связано с образованием зоны термического влияния.

Для проверки этого предположения была проведена вторая серия экспериментов. Она заключалась в нагревании в течение 5 мин. образцов в печи. Для каждой температуры нагрева было проведено измерение микротвердости.

На рис. 4 представлены результаты экспериментов. Из графика видно, что при температуре = 700 °С происходит уменьшение микротвердости до 5 ГПа. При температуре 1000 °С микротвердость уменьшается до 2 ГПа. Отсюда следует, что уменьшение микротвердости около зоны оплавления до ~ 5 ГПа связано с термическим воздействием, а величина нагрева этой области не ниже 700 °С.

7 6 5

Св

С

и 4

3 2 1 0

0 200 400 600 800 1000 1200

СС

Рис. 4. Зависимость средней микротвердости (Н) образцов GaAs от температуры (?) отжига (в течение 5 мин.)

Рис. 5. а) Пересечение двойников рекристаллизации (выделенный фрагмент представлен справа); б) трехмерное изображение поверхности в месте пересечения двойников рекристаллизации

Рис. 6. Профиль поверхности в зоне пересечения двойников рекристаллизации

При отжиге образцов выявлены структурные изменения поверхности монокристаллов. При выдержке в печи в течение 5 мин. и температуре 1000 °С наблюдалось образование двойников рекристаллизации (рис. 5а, 5б) [3]. При меньших временах при той же температуре двойники рекристаллизации не образуются.

В области пересечения двойников наблюдается образование трещин. Высота двойниковой ступени около 2 мкм (рис. 6а). Размер трещины составляет около 16 мкм. Ступенька представляет собой пологий подъем и крутой спад рис. 6б) и обусловлена переориентацией материала кристалла в двойнике.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Направленная кристаллизация в зоне оплавления обусловлена тем, что теплообмен расплава с твердой матрицей материала идет интенсивнее, чем теплообмен расплава с окружающим воздухом, поэтому процессу кристаллизации предпочтительней происходить в ванне расплава от твердой стенки к центру. Изменение микротвердости связано с ростом кристаллов в зоне оплавления. Рост кристаллов происходит в кристаллографической ориентации, отличной от кристаллографической ориентации матрицы.

Образование волнообразного рельефа связано с появлением термокапиллярной неустойчивости [2]. Форма канала (рис. 2) может быть объяснена с точки зрения теории теплопроводности и массопереноса в жидкости [4]. Согласно этой теории при образовании приповерхностного расплава в зоне оплавления образуются конвективные потоки расплава, направленные от центра к периферии [1, 4, 5] (в пользу этого свидетельствует наличие волнообразного рельефа). Происходит плавление вещества, находящегося на межфазной границе жидкость - твердое тело, это сопровождается увеличением диаметра зоны оплавления. Этим можно объяснить форму канала проплавления в месте зоны оплавления как на лицевой, так и на обратной стороне, и соответствующий рост кристаллов в зоне воздействия на поверхности от центра к периферии.

Появление двойников рекристаллизации связано с переориентацией кристаллической решетки в энергетически белее выгодное состояние [6]. В месте пересечения двойников наблюдается появление трещин.

ВЫВОДЫ

Таким образом, воздействие лазерного излучения на поверхность AsGa сопровождается образованием зоны оплавления, на поверхности которой формируется волнообразный рельеф, связанный с появлением термокапиллярной неустойчивости. Наблюдаемое снижение микротвердости в зоне воздействия лазерного излучения обусловлено ростом новых кристаллов, ориентированных иным образом по сравнению с кристаллографической ориентацией материала матрицы. При отжиге формируются двойники рекристаллизации, а в месте пересечения двойников образуются трещины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кузнецов П.М., Федоров В. А. Формирование рельефа кратера при воздействии лазерного излучения на поверхность сплава Fe-Si // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 6. С. 1790-1793.

2. Banishev A.F., Golubev V.S., Khramova O.D. Study of the Keyhole-Formation Dynamics // Laser Physics. 1993. V. 3. № 6. Р. 1198-1202.

3. Кузнецов П.М., Скородумов П.А., Федоров В.А., Чемеркина М.А. Взаимодействие лазерного излучения с кристаллами GaAs // Наноматериалы и нанотехнологии в металлургии и материаловедении: материалы международной конференции с элементами научной школы для молодежи. г. Белгород, 13-15 окт. 2011 г. Белгород, 2011.

4. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматлит, 1959. 700 с.

5. Климов А.В., Григорьев А.И. О массопереносе, связанном с нелинейным капиллярно-гравитационным волновым движением // ЖТФ. 2008. Т. 78. Вып. 4. С. 10-18.

6. Классен-Неклюдова М.В. Механическое двойникование кристаллов. М.: АН СССР, 1960. 257 с.

Поступила в редакцию 16 ноября 2011 г.

Fedorov V.A., Kuznetsov P.M., Boytsova M.V., Skorodu-mov P.A., Agapov A.N. MORPHOLOGICAL FEATURES OF THE SURFACE GAAS, DUE TO LAZER AND THERMAL EFFECTS

The paper considers morphological features crystals of gallium arsenide after exposure to laser radiation.

Ключевые слова: арсенид галлия; расплав; лазерное воздействие; микротвердость.