Воздействие наносекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов на поверхность монокристаллов германия

Впервые проведено подробное комплексное исследование «сухого» травления дислокационных и бездислокационных образцов германия на плоскостях {111}, {110}, {100}. Травление осуществляли путем воздействия импульсов наносекундного ультрафиолетового (УФ) лазерного излучения допороговой интенсивности (длина волны — 355 нм, длительность ~ 10 нс, плотность энергии ~ 0,5—1,3 Дж/см², частота следования импульсов — 100 Гц, расходимость — 1—2 мрад). До и после лазерной термообработки поверхности образцы исследовали с помощью оптического профилометра Zygo и растрового электронного микроскопа. Выявлены особенности характера повреждения поверхностей, соответствующих различным кристаллографическим плоскостям монокристаллов промышленного дислокационного германия. Они сопоставлены с данными о допороговых повреждениях типовых бездислокационных кристаллов.

Показано, что в дислокационных образцах германия на плоскости {111} возможно создание режима воздействия излучения, приводящего к формированию ямок травления, внешне идентичных дислокационным ямкам, выявляемым при селективном химическом травлении. Их концентрация по порядку величины соответствует плотности дислокаций.

На плоскости {100} дислокационных образцов также обнаружены результаты травления, явно имеющие кристаллографическую природу. При плотности энергии воздействующего излучения ≥ 0,4 Дж/см² на поверхностях дислокационного (плоскость {100}), и бездислокационного германия (плоскости {111}, {100}, {110}), были зарегистрированы лишь отдельные пятна размером ~ 50 мкм, а также отдельные микрократеры размером ~ 0,1—1 мкм, не имеющие кристаллографических признаков. Показана возможность экологичного выявления дислокаций в германии без использования химических реагентов.

1. Либенсон М.Н., Яковлев Е.Б., Шандыбина Г.Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика); под ред. В.П. Вейко. Ч. 1. Поглощение лазерного излучения в веществе. СПб.: СПбГУ ИТМО; 2008. 141 с.

2. Железнов В.Ю., Малинский Т.В., Миколуцкий С.И., Рогалин В.Е., Филин С.А., Хомич Ю.В., Ямщиков В.А., Каплунов И.А., Иванова А.И. Лазерное травление германия. Письма в ЖТФ. 2021; 47(14): 18—23. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.14.51181.18724

3. Малинский Т.В., Рогалин В.Е. Предпороговые эффекты при воздействии ультрафиолетовых лазерных импульсов на медь и ее сплавы. Журнал технической физики. 2022; 92(2): 268—273. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.02.52016.225-21

4. Murzin S.P., Balyakin V.B., Gachot C., Fomchenkov S.A., Blokhin M.V., Kazanskiy N.L. Ultraviolet nanosecond laser treatment to reduce the friction coefficient of silicon carbide ceramics. Applied Sciences. 2021; 11(24): 11906. https://doi.org/10.3390/app112411906

5. Хомич В.Ю., Шмаков В.А. Механизмы и модели прямого лазерного наноструктурирования материалов. Успехи физических наук. 2015; 185(5): 489—499. https://doi.org/10.3367/UFNr.0185.201505c.0489

6. Хомич В.Ю., Шмаков В.А. Образование периодических наноразмерных структур на поверхности твердых тел при фазовых и структурных превращениях. Доклады РАН. 2012; 446(3): 276—278.

7. Бронников К.А. Формирование лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур на пленках металлов и полупроводников. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Новосибирск; 2022. 106 с.

8. Iqbal M.H., Bashir S., Rafique M.S., Dawood A., Akram M., Mahmood K., Hayat A., Ahmad R., Hussain T., Mahmood A. Pulsed laser ablation of germanium under vacuum and hydrogen environments at various fluences. Applied Surface Science. 2015; 344: 146—158. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.03.117

9. Manoj K., Mavi H.S., Rath S., Shukla A.K., Vankar V.D. Fabrication of nanopatterned germanium surface by laser-induced etching: AFM, Raman and PL studies. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2008; 40(9): 2904—2910. https://doi.org/10.1016/j.physe.2008.02.007

10. Чумаков А.Н., Лычковский В.В., Никончук И.С., Мацукович А.С. Абляция кремния в воздухе моно- и бихроматическими импульсами лазерного излучения с длинами волн 355 и 532 nm. Журнал технической физики. 2022; 92(1): 36—44. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.01.51849.202-21

11. Bosi M., Atolini G. Germanium: Epitaxy and its application. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2010; 56(3-4): 146—174. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2010.09.002

12. Каплунов И.А., Рогалин В.Е. Оптические свойства и области применения германия в фотонике. Фотоника. 2019; 13(1): 88—106. https://doi.org/10.22184/FRos.2019.13.1.88.106

13. Коротаев В.В., Мельников Г.С., Михеев С.В., Самков В.М., Солдатов Ю.И. Основы тепловидения. СПб.: НИУ ИТМО; 2012. 122 c.

14. Shimanskii A.F., Gorodishcheva A.N., Kopytkova S.A., Kulakovskaya T.V. Thermal stability of the properties of germanium crystals for IR optics. Journal of Physics: Conference Series. 2019; 1353(1): 12062. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1353/1/012062

15. Mashanovich G.Z., Mitchell C.J., Penades J.S., Ali Z., Khokhar A.Z., Littlejohns C.G., Cao W., Qu Zh., Stanković S., Gardes F.Y., Masaud T.B., Chong H.M., Mittal V., Murugan G.S., James S., Wilkinson J.S., Peacock A.C., Nedeljkovic M. Germanium mid-infrared photonic devices. Journal of Lightwave Technology. 2017; 35(4): 624—630. https://doi.org/10.1109/JLT.2016.2632301

16. Молчанов В.Я., Китаев Ю.И., Колесников А.И., Нарвер В.Н., Розенштейн А.З., Солодовников Н.П., Шаповаленко К.Г. Теория и практика современной акустооптики. М.: МИСиС; 2015. 459 с.

17. Ordu M., Guo J., Pack G.Ng., Shah P., Ramachandran S., Hong M.K., Ziegler L.D., Basu S.N., Erramilli S. Nonlinear optics in germanium mid-infrared fiber material: Detuning oscillations in femtosecond mid-infrared spectroscopy. AIP Advances. 2017; 7(9): 095125. https://doi.org/10.1063/1.5003027

18. Depuydt B., Theuwis A., Romandic I. Germanium: From the first application of Czochralski crystal growth to large diameter dislocation-free wafers. Materials Science in Semiconductor Processing. 2006; 9(4-5): 437—443. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2006.08.002

19. Claeys L., Simoen E., eds. Germanium-based technologies: from materials to devices. 1st ed. Berlin: Elsevier; 2007. 480 p. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(07)70279-1

20. Malinskiy T.V., Zheleznov V.Yu., Rogalin V.E., Kaplunov I.A. Experimental study of the influence of laser radiation power on the reflection coefficient of germanium and silicon at a wavelength of 355 nm. Journal of Physics Conference Series. 2021; 2103(1): 012154. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2103/1/012154

21. Бублик В.Т., Дубровина А.Н. Методы исследования структуры полупроводников и металлов. М.: Металлургия; 1978. 272 с.

22. Воронов В.В., Долгаев С.И., Лаврищев С.В., Лялин А.А., Смакин А.В., Шафеев Г.А. Формирование конических микроструктур при импульсном лазерном испарении твердых тел. Квантовая электроника. 2000; 30(8): 710—714.

23. Гонов С.Ж. Особенности воздействия милли- и наносекундного лазерного излучения на полупроводниковые материалы твердотельной электроники. Дисс. …канд. техн. наук. Нальчик; 2007. 130 с.

24. Вейко В.П., Дорофеев И.А., Калугина Т.И., Либенсон М.Н., Шандыбина Г.Д. Образование периодических структур на поверхности кремния под действием импульса неодимового лазера миллисекундной длительности. Письма в ЖТФ. 1984; 10(1): 15—20.

25. Ивлев Г.Д., Малевич В.Л. Нагрев и плавление монокристаллического германия при наносекундном лазерном воздействии. Квантовая электроника. 1988; 15(12): 2584—2586.

26. Ehrhardt M., Lorenz P., Bauer J., Heinke R., Hossain M.A., Han B., Zimmer K. Dry etching of germanium with laser induced reactive micro plasma. Lasers in Manufacturing and Materials Processing. 2021; 8(3): 237—255. https://doi.org/10.1007/s40516-021-00147-1

27. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. Под ред. Дж. М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона; пер. с англ. Под ред. А.А. Углова. М.: Машиностроение; 1987. 424 с.

28. Ашиккалиева К.Х., Каныгина О.Н. Формирование периодических структур на поверхности монокристаллического кремния при импульсном лазерном воздействии. Деформация и разрушение материалов. 2012; (5): 12—15.

29. Окатов М.А., Антонов Э.А., Байгожин А. Справочник технолога-оптика. 2-е изд. СПб.: Политехника; 2004. 679 с.

30. Mikolutskiy S.I., Khasaya R.R., Khomich Yu.V., Yamshchikov V.A. Formation of various types of nanostructures on germanium surface by nanosecond laser pulses. Journal of Physics Conference Series. 2018; 987: 012007. https://doi.org/10.1088/1742-6596/987/1/012007

31. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы. М.: Наука; 1970. 272 с.

32. Железнов В.Ю., Малинский Т.В., Миколуцкий С.И., Рогалин В.Е., Филин С.А., Хомич Ю.В., Ямщиков В.А., Каплунов И.А., Иванова А.И. Модификация поверхности германия при воздействии излучения наносекундного ультрафиолетового лазера. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2020; 23(3): 203—212. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2020-3-203-212

33. Конов В.И., Прохоров А.М., Сычугов В.А., Тищенко А.И., Токарев И.Н. Пространственно-временная эволюция периодических структур, индуцированных на поверхность облученных лазером твердых образцов. Журнал технической физики. 1983; 53(11): 2238—2286.

34. Каплунов И.А., Колесников А.И., Иванова А.И., Подкопаев О.И., Третьяков С.А., Гречишкин Р.М. Микроморфология поверхности монокристаллических слитков германия, выращенных из расплава. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2015; (6): 89—94. https://doi.org/10.7868/S0207352815060128

35. Гадияк Г.В., Карпушин А.А., Кушкова А.С., Мороков Ю.Н., Репинский С.М., Шкляев А.А. Диаграмма Вульфа для поверхностей кремния и германия. Квантовохимический расчет. Поверхность. Физика, химия, механика. 1988; (3): 23—28.