激光誘導(dǎo)硅等離子體特性研究.pdf

1、激光與物質(zhì)相互作用一直是人們非常感興趣的課題。自1960年美國物理學(xué)家梅曼(T.H.Maiman)成功研制出第一臺紅寶石激光器起，激光技術(shù)的發(fā)展就表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，幾乎滲透到自然科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。其中“激光與物質(zhì)相互作用”的研究成果是激光技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。激光與物質(zhì)相互作用是物理學(xué)最重要的研究課題之一，它不僅在理論研究領(lǐng)域受到人們的普遍關(guān)注，而且在激光加工、材料制備以及軍事武器的制備等實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。近幾年超短超

2、強(qiáng)激光科學(xué)的快速發(fā)展為人類提供了前所未有的功率密度(>1020W/cm2)、電場強(qiáng)度(>1011V/cm)和時(shí)間精度(10-15s)等非常極端的實(shí)驗(yàn)條件，為許多科學(xué)的創(chuàng)新性研究和重大突破提供了極其重要的平臺并產(chǎn)生了革命性的影響。 硅是微電子器件的主要材料，但是硅是間接帶隙材料，發(fā)光效率很低，人們一直希望將光電子器件與硅基微電子技術(shù)聯(lián)系起來。雖然III-V族半導(dǎo)體材料，如GaAs等更適于光電子器件，但是由于現(xiàn)存的非常成熟的硅基材料

3、，所以人們很希望能以硅基材料來制備光電子器件，實(shí)現(xiàn)硅基光電集成。近年來，對納米硅材料特別是一維納米硅材料的研究已成為國際半導(dǎo)體材料和納米領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。 當(dāng)功率密度足夠高的脈沖激光輻照到Si靶的表面時(shí)，靶材會在幾納秒的時(shí)間內(nèi)熔化、蒸發(fā)乃至電離，產(chǎn)生高溫高密度的等離子體。濺射物中包含有電子、離子、原子、分子和團(tuán)簇等，由它們攜帶著一定的質(zhì)量和能量，可以在靶對面的基底上沉積而形成薄膜，這就是脈沖激光沉積(PLD)制膜技術(shù)。目前PLD技

4、術(shù)已成為一種人們廣泛采用的制膜技術(shù)，其中氧化物、氮化物、高溫超導(dǎo)等物質(zhì)的高質(zhì)量薄膜已經(jīng)被制備出來。為了更好的控制薄膜的生長過程，找到最佳的實(shí)驗(yàn)條件，以得到高質(zhì)量Si薄膜，對于沉積過程中等離子體的特性進(jìn)行深入地研究是非常必要的。然而，關(guān)于Si激光等離子體的一些基本參量，如電子密度、電子溫度、等離子體中各成分的飛行速度等，研究得卻非常少。事實(shí)上，等離子體的這些參量不僅在理論上有助于更好的理解激光與物質(zhì)的相互作用過程，而且對PLD制膜的最佳條

5、件的確定起到相當(dāng)有益的啟發(fā)。 本文主要對Si等離子體進(jìn)行了光譜診斷，獲得了有關(guān)原子和離子的時(shí)間分辨譜及時(shí)間飛行譜，測量了等離子體的電子密度、溫度及等離子體羽的速度，并與理論計(jì)算進(jìn)行了比較分析；結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對等離子體發(fā)射譜的時(shí)間演化特性和產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并對等離子體光譜的頻移進(jìn)行了定性的分析。在研究過程中，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，并對其作出了解釋。概括起來，本論文研究的主要內(nèi)容和結(jié)果如下： (1)研究了Si激光等離子

6、體輻射機(jī)制及光譜隨時(shí)間的演化特性。連續(xù)譜的短波帶強(qiáng)度隨延遲時(shí)間下降的速度比長波帶快得多，這是由于連續(xù)光譜的發(fā)射機(jī)制是軔致輻射和復(fù)合輻射綜合的結(jié)果。在溫度較高時(shí)軔致輻射占主導(dǎo)地位，在溫度較低時(shí)復(fù)合輻射起主要作用。激光等離子體的消失過程并不僅僅是一個(gè)能量耗散的過程，而存在著能量的交換，即對另一些原子的再激發(fā)；線狀譜的發(fā)射機(jī)制主要是碰撞激發(fā)，特別是高能電子的碰撞激發(fā)。大氣環(huán)境中激光輻照Si靶時(shí)，在激光功率密度小于空氣擊穿閾值時(shí)也發(fā)生了空氣的電

7、離，其主要原因是激光輻照Si靶時(shí)產(chǎn)生的初始電子引發(fā)了雪崩電離過程。我們認(rèn)為初始電子的主要來源是激光輻照區(qū)內(nèi)的電子熱發(fā)射。 (2)由實(shí)驗(yàn)所采集的光譜的時(shí)間演化譜可以看出，高壓下的連續(xù)譜強(qiáng)度比低壓下的大且持續(xù)時(shí)間長，這是由于被電離的背景氣體對電子密度的貢獻(xiàn)以及背景氣體的束縛作用。首次發(fā)現(xiàn)了在等離子體產(chǎn)生后的前20ns內(nèi)，連續(xù)譜迅速增大，之后逐漸減小。用軔致輻射和復(fù)合輻射解釋了此現(xiàn)象。 (3)首次發(fā)現(xiàn)氮離子和硅離子的壽命相差較

8、大，我們認(rèn)為這是由于二者的產(chǎn)生機(jī)制不同：氮離子主要產(chǎn)生于空氣擊穿導(dǎo)致的雪崩電離，硅離子產(chǎn)生于激光燒蝕以及激光結(jié)束后粒子間的不斷碰撞激發(fā)。束縛作用、復(fù)合速率以及譜線展寬的影響使得在不同的背景氣體壓強(qiáng)下能觀察到的譜線存在較大的差異。我們還發(fā)現(xiàn)離子譜線強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)的時(shí)間決定于連續(xù)譜最大強(qiáng)度出現(xiàn)的時(shí)間和相應(yīng)離子激發(fā)態(tài)的上能級壽命。 (4)實(shí)驗(yàn)測得連續(xù)譜強(qiáng)度、電子密度以及電子溫度的最大值發(fā)生在距離靶面0.3mm處。 (5)由理

9、論分析和對激光等離子體譜線的高斯及洛侖茲擬合可知，激光等離子體的展寬機(jī)制主要是斯塔克展寬。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，各條不同波長譜線展寬各不相同，但展寬值之比在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中幾乎保持不變。利用等離子體對發(fā)射原子或離子的屏蔽效應(yīng)，對實(shí)驗(yàn)中觀察到的發(fā)射譜線的頻移進(jìn)行了合理的解釋。隨著電子密度的增大，特征譜線的紅移量增大。 (6)利用時(shí)間飛行譜測得了等離子體羽的膨脹速度，在1大氣壓下速度的數(shù)量級為1.0×103m/s，隨時(shí)間下降很快；在3P