羅錦鋒，宋世軍，王平秋，劉全喜

(1.信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)電工程學(xué)院，信陽 464000；2.西南技術(shù)物理研究所，成都 610041)

引　言

元件表面的微納米雜質(zhì)粒子對(duì)微納制造、光電器件研制及應(yīng)用等都具有很大的危害性，所以對(duì)其有效去除方法的研究有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[1-2]。已有的研究表明：對(duì)微納米粒子的去除，使用傳統(tǒng)清洗方式效果不佳，難以滿足要求[3]。激光清洗作為一種新型清洗技術(shù)，具有去除能力強(qiáng)、效果好、非接觸以及易于操作等優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。激光清洗過程包含許多復(fù)雜的物理過程，如激光等離子體的產(chǎn)生、沉積激光能量的累積以及等離子體膨脹和輻射等，都會(huì)對(duì)微粒產(chǎn)生作用，也將直接影響去除效果[5-6]。

本文中首先采用納秒紫外激光脈沖產(chǎn)生的等離子體，并對(duì)硅基底上的微粒進(jìn)行去除實(shí)驗(yàn)，隨后基于基底微粒的附著模型，對(duì)激光等離子體效應(yīng)對(duì)微粒的作用機(jī)理進(jìn)行了研究。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置

當(dāng)激光脈沖直接聚焦到硅表面，硅會(huì)直接對(duì)激光進(jìn)行吸收，造成硅材料的直接擊穿而產(chǎn)生損傷，還會(huì)造成基底的極大破壞[7]。為了避免激光直接輻照造成基底表面的熱力學(xué)破壞，要將激光脈沖在平行于基底表面上方進(jìn)行擊穿，這樣可以避免激光對(duì)基底的破壞，還可以充分利用激光等離子體沖擊波對(duì)微粒的作用效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中，激光脈沖經(jīng)過透鏡聚焦后，在硅基底上部的空氣中產(chǎn)生激光等離子體，聚焦中心與基底的垂直距離保持在毫米量級(jí)。硅表面的微粒是激光燒蝕硅材料時(shí)，凝結(jié)在表面的冷卻物。實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

Fig.1　Experimental set-up

實(shí)驗(yàn)中采用的激光脈沖波長(zhǎng)為355nm(Quanta Ray,GCR，Q-switched mode)，激光脈寬為8ns，輸出脈沖能量穩(wěn)定度大約為3%。激光經(jīng)過焦距為5cm的透鏡聚焦后對(duì)空氣進(jìn)行擊穿而產(chǎn)生激光等離子體。激光等離子體輻射光譜通過光纖耦合到光柵光譜儀(光柵1300mm-1，焦距為25cm，工作波段為250nm～800nm)，把模擬光譜信號(hào)通過高速數(shù)字示波器記錄后處理顯示，激光聚焦后的焦點(diǎn)位置距硅表面垂直距離在1mm左右。

1.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，輸出激光脈沖能量為56mJ，作用次數(shù)為3次，微粒去除效果采用掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)對(duì)比，如圖2所示。

由圖2a可見，在硅基底表面分布著直徑為十幾納米到2μm不等的微粒，這些微粒在激光等離子體作用下，除極小的納米微粒外，基本都被去除，去除后的效果如圖2b所示。微粒去除前后的粒子去除分布圖如圖3所示。

由圖3可見，激光等離子體沖擊波去除微納粒子的效果非常明顯，直徑在0.5μm以上的微粒去除比較徹底，而小于此粒徑的微粒基本去除原有數(shù)量的50%左右。

Fig.2Morphologies of silicon surface with particles before and after cleaning

a—before cleaningb—after cleaning

Fig.3　Size distribution of particles before and after cleaninga—before cleaning　b—after cleaning

激光等離子體的另一個(gè)特性是輻射寬譜光譜，其光譜分布如圖4所示。

由圖4可見，激光等離子體輻射光譜由連續(xù)光譜與疊加其上的線狀譜線組成，光譜范圍很寬，從紫外一直擴(kuò)展到近紅外，但主要集中在可見光范圍。寬譜光輻射有助于增強(qiáng)基底表面微粒對(duì)等離子體輻照能量的有效吸收[8-9]。

Fig.4　Emission spectra of laser plasma

2　理論研究

激光等離子體的產(chǎn)生、擴(kuò)散以及自身的特征都會(huì)對(duì)基底表面的微粒產(chǎn)生作用，直接影響到去除效果。可以說，微粒去除的物理過程與激光等離子體的特征密不可分，下面進(jìn)行詳細(xì)的理論分析。

2.1　激光等離子體發(fā)射光譜特性分析

2.1.1激光等離子體產(chǎn)生過程空氣帶隙很寬，對(duì)激光透過率極高，但是當(dāng)激光脈沖強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，空氣幾乎變得不透明，這是由于多光子電離擊穿效應(yīng)使得輻射區(qū)域自由電子密度增加。

擊穿電離產(chǎn)生的自由電子有兩個(gè)主要過程：第一過程是多光子電離，主要是基于多光子電離效應(yīng)使得空氣的自由電子密度得到少量增加，這些自由電子可以作為種子電子為后續(xù)大量自由電子的產(chǎn)生奠定基礎(chǔ)[9]；第二過程是自由電子密度增加到一定程度時(shí)，通過逆韌致吸收效應(yīng)對(duì)后續(xù)激光脈沖能量進(jìn)行強(qiáng)烈的吸收，從而使得自由電子密度得到極大的增長(zhǎng)，這是雪崩電離階段。在這個(gè)過程中，空氣的自由電子密度高達(dá)1013cm-3 [9]，大部分激光脈沖能量被吸收沉積，透過量極少[7-8]。如此高密度的等離子體在短時(shí)間內(nèi)集中沉積了大部分的激光脈沖能量，所以具備了高溫高壓特性。

2.1.2激光等離子體輻射光譜特性由圖4所示，輻射光譜有兩部分組成：連續(xù)光譜和線狀光譜，所表征的物理過程各不相同[10-11]。連續(xù)光譜輻射主要是出于電離態(tài)的高能自由電子向低能自由態(tài)躍遷所發(fā)射的光譜，這種輻射稱之為韌致輻射。疊加其上是線狀光譜輻射，是元素特定能級(jí)的躍遷，屬于元素復(fù)合躍遷發(fā)射的光譜，可以明顯觀測(cè)到空氣中O和N元素的輻射譜線。

2.1.3等離子體輻射光對(duì)微粒的作用效應(yīng)激光等離子體可以看作是激光與微粒之間的熱量傳輸中介，可以有效地將激光脈沖能量傳遞給微粒。微粒和基底的材料不同、形狀和大小不同，會(huì)引起對(duì)等離子體輻照的吸收也不同，進(jìn)而產(chǎn)生不同的溫差和相應(yīng)的膨脹應(yīng)力差，這就會(huì)使得微粒與基底更易于分離[12-14]。

2.2　激光等離子體沖擊波效應(yīng)

激光脈沖首先在焦點(diǎn)處將空氣擊穿產(chǎn)生激光等離子體，隨后在逆韌致吸收作用下，激光等離子體對(duì)后續(xù)激光脈沖能量進(jìn)行強(qiáng)烈吸收，從而導(dǎo)致激光脈沖能量的集中沉積；同時(shí)，激光等離子體的高溫特性會(huì)促使其迅速向外膨脹，形成高壓沖擊波；沖擊波以焦點(diǎn)為中心向外擴(kuò)散，最終形成球狀爆炸波。以點(diǎn)爆炸模型進(jìn)行分析，當(dāng)把激光等離子體視為自由理想氣體、忽略輻射損耗時(shí)，可以得到激光等離子體沖擊波的膨脹速度與壓強(qiáng)的關(guān)系，如下式所示[15]：

(1)

(2)

(3)

Fig.5Wave-front spatial distribution of plasma shock front at the same time interval

(1)式和(2)式可以分析沖擊波半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律，取沖擊波的時(shí)間間隔為20ns，可以得到?jīng)_擊波波前的膨脹隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖5所示。

由圖5可見，沖擊波的波前半徑會(huì)隨著時(shí)間向外擴(kuò)散，但在單位時(shí)間內(nèi)的擴(kuò)散距離越來越短，這說明擴(kuò)散速度逐漸變慢，也表明沖擊波的快速擴(kuò)散主要在初始階段。根據(jù)(3)式可以得到?jīng)_擊波壓強(qiáng)的徑向空間分布，如圖6所示。

Fig.6　Distribution of the pressure of shock wave

由圖6可見，沖擊波壓強(qiáng)沿徑向迅速減小，在距焦點(diǎn)半徑小于1mm的范圍內(nèi)處于GPa量級(jí)，在小于400μm的范圍則會(huì)高于1GPa。通常，對(duì)典型納米微粒的去除力應(yīng)在幾十千帕左右[17]。實(shí)驗(yàn)表明，在聚焦到硅表面小于2mm范圍內(nèi)都可以有效去除微粒。但當(dāng)焦點(diǎn)與硅表面距離在小于0.2mm范圍內(nèi)時(shí)，沖擊波壓強(qiáng)達(dá)到幾十吉帕，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了基底的抗沖擊能力，使基底發(fā)生破碎和斷裂[18]。因此，控制焦點(diǎn)與硅基底表面的有效距離也是去除元件表面雜質(zhì)微粒的關(guān)鍵問題之一。

綜上可見，微粒的有效去除是激光等離子體綜合作用的結(jié)果，其中微粒對(duì)激光等離子體的輻射光吸收而引起的熱膨脹效應(yīng)，會(huì)在微粒與基底之間產(chǎn)生應(yīng)力差，使微粒更易于去除。但這種應(yīng)力差一般會(huì)小于微粒與基底之間黏附力(范德華力)，且應(yīng)力消失后，微粒依然附著在基底上，所以很難實(shí)現(xiàn)有效去除[19-20]。而在等離子體沖擊波的作用下，微粒則可以實(shí)現(xiàn)與基底的有效剝離，從達(dá)到清洗基底的目的[21-22]。故激光等離子體沖擊波效應(yīng)才是微粒去除的主要原因。

3　結(jié)　論

利用激光等離子體可以對(duì)精密元件表面的雜質(zhì)微粒進(jìn)行有效去除，主要是基于激光等離子體的寬譜輻照效應(yīng)和沖擊波效應(yīng)。輻射效應(yīng)可以將激光脈沖能量有效傳遞給基底材料以及表面的雜質(zhì)微粒，由于基底和微粒的熱膨脹程度不同從而使兩者產(chǎn)生剝離；激光等離子體沖擊波產(chǎn)生的巨大沖擊力會(huì)進(jìn)一步克服微粒與基底表面的吸附力而實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)微粒的完全去除。理論分析表明，沖擊波的沖擊力大小與元件表面和激光聚焦的焦點(diǎn)之間的距離密切相關(guān)。在實(shí)際的雜質(zhì)微粒去除過程中，要通過控制對(duì)元件表面和焦點(diǎn)之間的距離，使等離子體沖擊波的應(yīng)力保持在小于材料的斷裂極限且大于微粒的剝離力這個(gè)范圍內(nèi)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)表面雜質(zhì)微粒有效去除。