KrF激光輻照SOI熱效應及在納米光波導光整加工中的應用.pdf

1、絕緣體上硅(SOI)材料因在微電子、光電子領(lǐng)域表現(xiàn)出的無與倫比的優(yōu)勢而成為微光機電系統(tǒng)的重要材料之一，其在光通信、光互聯(lián)計算、數(shù)字圖像處理以及軍事領(lǐng)域具有廣闊應用前景。其中，基于SOI材料的納米光波導利用Si波導層與SiO2限制層大折射率差的優(yōu)勢，具備了較強的局域光場能力，有望成為光量子通信的基本導波元件。目前，實現(xiàn)基于SOI材料器件的批量生產(chǎn)和低成本是先進制造追求的目標。紫外激光對微結(jié)構(gòu)的加工不僅具有高精度、可實現(xiàn)柔性生產(chǎn)等優(yōu)勢，在S

2、OI基光電子器件加工中因具有光斑尺寸小、吸收系數(shù)大、加工無需掩膜等優(yōu)點而獲得了廣泛應用。特別地，采用紫外激光表面熔凝技術(shù)降低納米光波導側(cè)壁粗糙度，制造超低損耗納米光波導成為光通信、生化傳感、高靈敏探測等諸多領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。
　　本文基于激光與物質(zhì)相互作用基本機理和傳熱學理論，研究了KrF準分子激光輻照SOI材料的熔融損傷閾值、汽化損傷閾值和溫度場分布規(guī)律，探討了KrF準分子激光輻照SOI材料熱影響區(qū)域較小的特點和在微加工領(lǐng)域的應用

3、，同時對SOI材料的自加熱效應進行了分析;在此基礎(chǔ)上將KrF準分子激光應用于SOI納米光波導粗糙側(cè)壁的光整加工，并進行了理論分析和有限元數(shù)值模擬，在獲得溫度場分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過控制激光的工藝參數(shù)，對波導熔池形貌進行了精確控制，結(jié)合波導粗糙側(cè)壁光整加工的相關(guān)知識，提出了新的工藝流程，優(yōu)化了工藝參數(shù)。
　　為明確KrF準分子激光輻照下SOI材料溫度場演化規(guī)律，考慮材料相變潛熱和較大范圍溫度變化對材料參數(shù)的影響，在分析激光能量的時間

4、、空間分布的基礎(chǔ)上，建立了激光輻照下SOI材料的熱響應模型;在不同能量密度激光作用下，得到SOI材料的熔融和汽化損傷閾值分別為0.362 J/cm2、1.285 J/cm2;材料溫度的徑向分布表明，納秒激光輻照下的高溫區(qū)域只存在于激光光斑一定范圍內(nèi)，遠離輻照區(qū)域溫度下降較快;軸向溫度分布表明，熱量多沉積在表面Si層而SiO2層溫度較低，這主要是由SiO2的熱導率遠遠小于表面單晶硅熱導率導致的。
　　針對SOI納米光波導側(cè)壁較大的表

5、面粗糙度引起的光傳輸散射損耗過大的問題，利用有限元數(shù)值模擬了KrF準分子激光對波導側(cè)壁的熔凝光整加工溫度場，研究了波導側(cè)壁熔池溫度場的演化規(guī)律，優(yōu)化了工藝參數(shù)。結(jié)果表明，熔池形成于波導上表面與迎光側(cè)壁夾角處;激光入射角度一定時，熔池熔深與平均能量密度正相關(guān);熔池形貌受控于激光入射角度:隨著入射角度的減小，熔池形貌由單邊U形過渡為單邊V形最終呈帶鈍角單邊V形。分析表明，較大激光入射角對應的熔池形貌更有利于波導側(cè)壁的光整加工;據(jù)此提出先確定