Формування перiодичних структур на поверхнi твердого тiла пiд дiєю лазерного випромiнювання
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe62.01.0020Ключові слова:
лазер-iндукованi перiодичнi структури, лазерний вiдпал, температурний профiль, нанокристалиАнотація
Розглянуто досягнення в областi створення технологiй отримання перiодичних структур на поверхнi напiвпровiдникiв, металiв та дiелектрикiв. Особливу увагу придiлено формуванню перiодичних структур пiд дiєю лазерного випромiнювання. Представлено як теоретичнi розрахунки формування перiодичних структур пiд дiєю лазерного випромiнювання, так i експериментальнi дослiдження.
Посилання
Huin Cong Tu. Ph.D. thesis Research and Development of Laser Technology for the Modification of Electrophysical Characteristics of the Silicon–Silicon Dioxide System (St.-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2014) (in Russian).
O.O. Havryliuk, O.Yu. Semchuk, O.V. Steblova, A.A. Evtukh, L.L. Fedorenko, O.L. Bratus, S.O. Zlobin, M. Karlsteen. Influence of laser annealing on SiO films properties. Appl. Surf. Sci. 336, 217 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.11.066
A. Glowacki, S.K. Brahma, H. Suzuki, C. Boit. Systematic characterization of integrated circuit standard components as stimulated by scanning laser beam. IEEE Trans. Device Mater. Rel. 7, 31 (2007).
https://doi.org/10.1109/TDMR.2007.900056
F. Beaudoin, K. Sanchez, R. Desplats, P. Perdu, J.M. Nicot, J.P. Roux, M. Otte. Dynamic laser stimulation case studies. Microelectron. Rel. 45, 1538 (2005).
https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.07.061
O.O. Havryliuk, O.Yu. Semchuk, O.L. Bratus, A.A. Evtukh, O.V. Steblova, L.L. Fedorenko. Study of thermophysical properties of crystalline silicon and silicon-rich silicon oxide layers. Appl. Surf. Sci. 302, 213 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.09.171
A.V. Dvurechenskii. Pulse oriented crystallization of solids (laser annealing). Soros Obrazov. Zh. 85, 108 (2004) (in Russian).
M. Baumeister, T. Scholz, K. Dickmann, F. Vollersten. Influence of Mie-scattering on high-speed micro-perforation considering brilliant laser radiation. J. Laser Appl. 22, No. 2, 48 (2010).
https://doi.org/10.2351/1.3455821
M.A. Vasiliev, M.M. Nishchenko, P.A. Gurin. Laser modification of the surface of titanium implants. Usp. Fiz. Met. 11, 209 (2010).
https://doi.org/10.15407/ufm.11.02.209
R. Varache. Ph.D. thesis Development, Characterization and Modeling of Interfaces for High Efficiency Silicon Heterojunction Solar Cells (Technische Universit¨at Berlin, 2012).
A. Medvid, I. Dmitruk, P. Onufrijevs, I. Pundyk. Properties of nanostructure formed on SiO2/Si interface by laser radiation. Solid State Phenom. 131–133, 559 (2008).
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.131-133.559
A. Medvid, P. Onufrijevs, R. Jarimaviciute-Gudaitiene, E. Dauksta, I. Prosycevas. Formation mechanisms of nano and microcones by laser radiation on surfaces of Si, Ge, and SiGe crystals. Nanoscale Res. Lett. 8, 264 (2013).
https://doi.org/10.1186/1556-276X-8-264
A. Borowiec, H.K. Haugen. Subwavelength ripple formation on the surfaces of compound semiconductors irradiated with femtosecond laser pulses. Appl. Phys. Lett. 82, 4462 (2003).
https://doi.org/10.1063/1.1586457
B.K. Nayak, M.C. Gupta. Ultrafast laser-induced selforganized conical micro/nano surface structures and their origin. Opt. Lasers Eng. 48, 966 (2010).
https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2010.05.009
V. Sava, T.L. Mitran, G. Socol, S. Antohe. Silicon surface structuring by XeCl excimer laser irradiation in atmospheric conditions. Digest J. Nanomater. Biostruct. 8, 61 (2013).
B.K. Nayak, M.C. Gupta, K.W. Kolasinski. Formation of nano-textured conical microstructures in titanium metal surface by femtosecond laser irradiation. Appl. Phys. A 90, 399 (2008).
https://doi.org/10.1007/s00339-007-4349-2
L.A. Golovan, I.O. Djun, A.E. Dokukina, S.V. Zabotnov, A.A. Ezhov, P.K. Kashkarov, N.E. Maslova, I.O. Ostapenko, V.I. Panov, V.U. Timoshenko. AFM investigation of nanoparticles formed on silicon surface by femtosecond laser pulses. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 73, 39 (2009).
https://doi.org/10.3103/S1062873809010122
M. Bolle, S. Lazare. Characterization of submicrometer periodic structures produced on polymer surfaces with lowfluence ultraviolet laser radiation. J. Appl. Phys. 73, 3516 (1993).
https://doi.org/10.1063/1.352957
J.F. Young, J.S. Preston, H.M. Driel, J.E. Sipe. Laser-induced periodic surface structure. II. Experiments on Ge, Si, Al, and brass. Phys. Rev. B 27, 1155 (1983).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.27.1155
F. Korte, J. Serbin, J. Koch, A. Egbert, C. Fallinich, A. Ostendorf, B.N. Chichkov. Towards nanostructuring with femtosecond laser pulses. Appl. Phys. A 77, 229 (2003).
https://doi.org/10.1117/12.498496
T.H.R. Crawford, A. Borowiec, H.K. Haugen. Femtosecond laser micromachining of grooves in silicon with 800 nm pulses. Appl. Phys. A 80, 1717 (2005).
https://doi.org/10.1007/s00339-004-2941-2
I.A. Ostapenko, S.V. Zabotnov, G.D. Shandybina, L.A. Golovan', A.V. Chervyakov, Yu.V. Ryabchikov, V.V. Yakovlev, V.Yu. Timoshenko, V.K. Kashkarov. Micro- and nanostructuring of the crystalline silicon surface under the action of femtosecond laser pulses. Izv. Ross. Akad. Nauk Ser. Fiz. 70, 1315 (2006) (in Russian).
K.E. Lapshin, A.Z. Obidin, V.N. Tokarev, V.Yu. Khomich, V.A. Shmakov, V.A. Yamshchikov. Formation of nanostructures on the silicon nitride surface under irradiation of F[2] laser. Fiz. Khim. Obrab. Mater. 1, 43 (2008) (in Russian).
G. Miyaji, K. Miyazaki. Origin of periodicity in nanostructuring on thin film surfaces ablated with femtosecond laser pulses. Opt. Express 16, 16265 (2008).
https://doi.org/10.1364/OE.16.016265
M. Shen, J.E. Carey, C.H. Crouch, M. Kandyla, H.A. Stone, E. Mazur. High-density regular arrays of nanometerscale rods formed on silicon surfaces via femtosecond laser irradiation in water. Nano Lett. 8, 2087 (2008).
https://doi.org/10.1021/nl080291q
C. Radu, S. Simion, M. Zamfirescu, M. Ulmeanu, M. Enculescu, M. Radoiu. Silicon structuring by etching with liquid chlorine and fluorine precursors using femtosecond laser pulses. J. Appl. Phys. 110, 1063 (2011).
https://doi.org/10.1063/1.3619856
N.D. Vorzobova, Yu.E. Burunkova, V.G. Bulgakova, I.Yu. Denisyuk, N.M. Kalinin. Preparation of periodic structures in polymeric UV-hardened composite materials by laser interference lithography. Izv. Vyssh. Ucheb. Zaved. Priborostr. 54, No. 12, 62 (2011) (in Russian).
J. Heitz, B. Reisinger, V. Fahrner. In Proceeding of the International Conference on Transparent Optical Networks (Coventry, 2012), p. 1.
E. Rebollar, J. V’azquez de Aldana, I. Mart’ın-Fabiani, M. Hernandez, D.R. Rueda, T.A. Ezquerra, C. Domingo, P. Moreno, M. Castillejo. Assessment of femtosecond laser induced periodic surface structures on polymer films. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 11287 (2013).
https://doi.org/10.1039/c3cp51523k
Yu.K. Veryovkin, N.G. Bronnikova, V.V. Korolikhin, Yu.Yu. Gushina, V.N. Petryakov, D.O. Filatov, N.M. Bityurin, A.V. Kruglov, V.V. Levichev. Formation of twodimensional periodic nanostructures on the surface of fused quartz, polyimide, and polycrystalline diamond using the method of pulsed four-beam laser interference modification. Zh. Tekhn. Fiz. 73, N 6, 99 (2003) (in Russian).
S.V. Makarov. Ph.D. thesis Nano- and microstructuring of metal and semiconductor surfaces in the air under the action of femtosecond laser pulses. (Lebedev Fiz. Inst. Ross. Akad. Nauk, 2014) (in Russian).
S.A. Akhmanov, V.I. Emel'yanov, N.I. Koroteev, V.N. Semynogov. Influence of high-power laser radiation on the surface of semiconductors and metals: nonlinear optical effects and nonlinear-optical diagnostics. Usp. Fiz. Nauk 147, 675 (1985) (in Russian).
https://doi.org/10.3367/UFNr.0147.198512b.0675
S.V. Zabotnov, I.A. Ostapenko, L.A. Golovan, V.Yu. Timoshenko, P.K. Kashkarov, G.D. Shandybina. Thirdharmonic generation from a silicon surface structured by femtosecond laser pulses. Quant. Electron. 35, 943 (2005).
https://doi.org/10.1070/QE2005v035n10ABEH013011
T. Scheidt, E.G. Rohwer, H.M. von Bergmann, H. Stafast. Charge-carrier dynamics and trap generation in native Si/SiO2 interfaces probed by optical second-harmonic generation. Phys. Rev. B 69, 165314 (2004).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.165314
P.H. Neethling, T. Scheidt, E.G. Rohwer. Second harmonic generation as a technique to probe buried interfaces: research letter. South African J. Sci. 105, 282 (2009), http://hdl.handle.net/10520/EJC96944.
V.P. Veiko, A.M. Skvortsov, V.I. Sokolov, Ph. Q. Tung, R.A. Khalecki, E.I. Efimov. Effect of laser irradiation on the structures properties such as SiO2/Si. Proc. SPIE 7996, 79960S (2010).
https://doi.org/10.1117/12.889523
Z.Yu. Gotra, S.A. Osered'ko. Control of the surface layer properties in microelectronic technology with the help of laser light. Zarubezh. Elektron. Tekhn. 12, 3 (1985) (in Russian).
J. Hl’avka, H. Jel’ınkov’a, K. Hamal, V. Prochock’y. Pulsed laser-induced recombination centers in silicon. J. Appl. Phys. 56, 1245 (1984).
https://doi.org/10.1063/1.334061
E.I. Gurevich, S.V. Gurevich. Laser induced periodic surface structures induced by surface plasmons coupled via roughness. Appl. Surf. Sci. 302, 118 (2014) .
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.10.141
S.I. Anisimov, B.S. Luk'yanchuk. Selected problems of laser ablation theory. Phys. Usp. 45, 293 (2002).
https://doi.org/10.1070/PU2002v045n03ABEH000966
Z. Wang, J. Li, X. Huang. Patterned structures of silicon nanocrystals prepared by laser annealing. Solid State Commun. 117, 383 (2001).
https://doi.org/10.1016/S0038-1098(00)00463-4
J. Richter, J. Meinertz, J. Ihlemann. Patterned laser annealing of silicon oxide films. Appl. Phys. A 104, 759 (2011).
https://doi.org/10.1007/s00339-011-6451-8
D. Wang, J. Ihlemann, P. Schaaf. Complex patterned gold structures fabricated via laser annealing and dealloying. Appl. Surf. Sci. 302, 74 (2014) .
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.12.066
J. Bonse, J. Kr¨uger, S. H¨ohm, A. Rosenfeld. Femtosecond laser-induced periodic surface structures. J. Laser Appl. 24, 042006 (2012).
https://doi.org/10.2351/1.4712658
S. Richter, M. Heinrich, S. D¨oring. Nanogratings in fused silica: Formation, control, and applications. J. Laser Appl. 24, 042008 (2012).
https://doi.org/10.2351/1.4718561
I. Mingareev, T. Bonhoff, A. El-Sherif. Femtosecond laser post-processing of metal parts produced by laser additive manufacturing. J. Laser Appl. 25, 052009 (2013).
https://doi.org/10.2351/1.4824146
B. Tan, K. Venkatakrishnan. A femtosecond laser-induced periodical surface structure on crystalline silicon. J. Micromech. Microeng. 16, 1080 (2006).
https://doi.org/10.1088/0960-1317/16/5/029
Y. Huang, S. Liu, W. Li, Y. Liu, W. Yang. Two-dimensional periodic structure induced by single-beam femtosecond laser pulses irradiating titanium. Opt. Express 17 (23), 20756 (2009).
https://doi.org/10.1364/OE.17.020756
T. Huynh, A. Petit, N. Semmar. Picosecond laser induced periodic surface structure on copper thin films. Appl. Surf. Sci. 302, 109 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.10.172
J.Z.P. Skolski, G.R.B.E. Romer, J.V. Obona, V. Ocelik, A.J. Huis in't Veld, J.Th.M. De Hosson. Laser-induced periodic surface structures: Fingerprints of light localization. Phys. Rev. B 85, 075320 (2012).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.075320
T.J.-Y. Derrien, R. Torres, T. Sarnet, M. Sentis, T.E. Itina. Formation of femtosecond laser induced surface structures on silicon: Insights from numerical modeling and single pulse experiments. Appl. Surf. Sci. 258, 9487 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.10.084
G. Obara, N. Maeda, T. Miyanishi, M. Terakawa, N.N. Nedyalkov, M. Obara. Plasmonic and Mie scattering control of far-field interference for regular ripple formation on various material substrates. Opt. Express 19, 19093 (2011).
https://doi.org/10.1364/OE.19.019093
M. Huang, F. Zhao, Y. Cheng, N. Xu, Z. Xu. Origin of laser-induced near-subwavelength ripples: Interference between surface plasmons and incident laser. ACS Nano 3, 4062 (2009).
https://doi.org/10.1021/nn900654v
J. Wang, C. Guo. Ultrafast dynamics of femtosecond laser-induced periodic surface pattern formation on metals. Appl. Phys. Lett. 87, 251914 (2005).
https://doi.org/10.1063/1.2146067
T. Apostolova, A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn. Self-limited ionization in bandgap renormalized GaAs at high femtosecond laser intensities. Opt. Eng. 51, 121808 (2012).
https://doi.org/10.1117/1.OE.51.12.121808
Z. Zhang, Z. Wang, D. Wang, Y. Ding. Periodic antireflection surface structure fabricated on silicon by four-beam laser interference lithography. J. Laser Appl. 26, 012010 (2014).
https://doi.org/10.2351/1.4849715
M. Ellman, A. Rodr’ıguez, N. P’erez, M. Echeverria, Y. Verevkin, C. Peng, T. Berthou, Z. Wang, S. Olaizola, I. Ayerdi. High-power laser interference lithography process on photoresist: Effect of laser fluence and polarisation. Appl. Surf. Sci. 255, 5537 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.07.201
O.O. Havryliuk, O.Yu. Semchuk. Propagation of temperature profiles in non-stoichiometric SiO films at two-beam laser annealing. Fiz. Khim. Tverd. Tila 15, 862 (2014) (in Ukrainian).
O.O. Havryliuk. Theoretical study on laser annealing of non-stoichiometric SiO films. Khim. Fiz. Tekhnol. Poverkhni 5, 461 (2014).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
