Механизм образования дефектов в монокристаллах кремния при воздействии лазерного излучения

Актуальность и цели. Во многих современных технологиях обработки (модификации поверхности) материалов используется лазерное излучение (лазерное легирование, отжиг, термообработка, нанесение покрытий и т.д.). Известно, что при воздействии внешних потоков энергии (лазерного излучения или пучков частиц) на поверхность твердых тел в них происходят структурные и морфологические перестройки. Изучение этих структурных трансформаций и результирующей модификации свойств твердых тел является одной из актуальных задач современной физики. Результаты. этих исследований важны для прикладных проблем лучевой стойкости материалов и деградации оптоэлектронных приборов в процессе их эксплуатации и под действием лазерного излучения и т.д. Поэтому целью данной работы является исследование кинетики образования дислокаций при лазерном отжиге, а также моделирование термоупругих напряжений в монокристаллах кремния. Материалы и методы. Сравнение полученных теоретических результатов проведено с экспериментальными данными по зависимости термоупругих напряжений по поверхности р- и n-кремния от диаметра кратера. Для решения задачи распределения температуры по поверхности образца использовалась нестационарная модель теплопереноса. Решение данной модели было получено численным моделированием в программе «ELCUT 5.8». Плоские термонапряжения в монокристаллическом кремнии, возникающие при лазерном воздействии, получены при помощи термоупругой модели, связанной с задачей температурного распределения. При моделировании рассчитывались только плоские температурные деформации для изотропного материала. Результаты. Исследовано образование и поведение дислокаций в монокристаллах кремния n- и p-типа при лазерном воздействии. Представлена зависимость температуры и термоупругих напряжений по поверхности р- и n-кремния от величины диаметра кратера. В результате сопоставления экспериментальных данных с построенной моделью были получены значения теплового потока для разных мощностей лазера. Значения мощностей для двух типов кремния совпадают, следовательно, можно делать вывод о том, что примесь фосфора и бора не оказывает влияния на тепловые свойства исследуемых материалов. Обнаружено, что разбег дислокаций увеличивается до определенного значения с возрастанием энергии лазерного излучения, после чего происходит снижение разбега, связанное со сквозным пробоем образца. Выводы. Воздействие лазерного излучения на монокристаллы р- и n-кремния приводит к значительному повышению температуры в области облучения, вызывая образование термоупругих напряжений в зоне действия лазера. Расстояние образовавшихся около кратера дислокаций увеличивается в зависимости от количества лазерных импульсов. Последующий изотермический отжиг образцов выявляет наличие остаточных напряжений в кремнии по окончании лазерного воздействия.