薄膜体内缺陷对损伤概率的影响夏志林1)2)�邵建达1)范正修1)1)(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)2)(中国科学院研究生院,北京100080)(2005年11月30日收到;2006年6月19日收到修改稿)由实验中得到的激光损伤概率与表面杂质密度的关系出发,结合XRD测试和激光损伤测试的结果,得到体缺陷或杂质破坏起主导作用的损伤机理.将激光作用时杂质吸收的热学和力学过程与杂质分布的统计规律结合起来,得到了深埋于薄膜内部的杂质诱导薄膜损伤概率与杂质密度、激光功率密度以及薄膜厚度的关系.该模型认为能诱导薄膜破坏的杂质尺寸范围与杂质填埋深度有关,所以不同深度处能诱导薄膜损伤的杂质密度不一样,理论结果与实验结果符合得很好.该理论模型还可以很好地解释损伤形貌.关键词:损伤,激光,缺陷,薄膜PACC:6180,7850,4630N,6890�E2mail:lione1626@163.com11引言纳秒激光作用于薄膜材料时,损伤机理以杂质或缺陷吸收为主[1—11].由于杂质密度是有限的,所以破坏的统计概率性是纳秒激光损伤的主要特点.有关杂质密度与激光损伤概率的关系,先前有一些研究[1—4].但是这些研究没有将杂质半径的信息融合进去,这使得理论模型不很完善.我们曾经对此做了一些补充工作,研究了结构非常完善或厚度很小的薄膜,其破坏源自表面杂质时,杂质密度与损伤概率的关系[5].文献[5]定义薄膜中总的杂质密度为N=∑mi=1Ni,m是可以诱导薄膜破坏的杂质(称之为有害杂质)的种类数.激光束光斑内的有害表面杂质数目为Ni=∫w01i02πrlMi1-Di(r1-Dmaxi-r1-Dci)dr=M3t·W1-Dim+H3i·W(Di-1)Π2m,M3i=πlw201iMi(1-Di)23tpελi4cviΔTi1-Di×1-expDi-1w20w201i,H3i=2·πlw201iMi(1-Di)24χ·Tαi(1-Di)Π2×1-exp1-Di2w20w201i,w01i=-w20×ln(WthiΠWm),Wm>Wthi.式中参数可参考下文中体杂质相应参数的含义.薄膜的损伤概率由下文(17)式得到.这是激光诱导损伤概率与表面杂质密度的关系.而当薄膜的结构不是很好时,其体内杂质对损伤概率的影响不可忽视.体内杂质对损伤概率的影响比较复杂,不仅仅涉及杂质的尺寸,还与其填埋深度有关.本文就体内杂质诱导的热力学过程,分析了体杂质对损伤概率的影响.21实验安排及实验结果2111实验安排采用电子束蒸发法获得了四组样品,编号H1—H4,厚度分别是800nm,800nm,1000nm,1200nm.第一组样品(H1),采用的是氧化铪膜料,在沉积过程中没有充入氧气;后三组样品(H2—H4),采用的是金属铪膜料,在沉积过程中充入氧气作为沉积气氛.每组样品选用两个样品.取一片(编号:-6)做热第56卷第1期2007年1月100023290Π2007Π56(01)Π0400207物理学报ACTAPHYSICASINICAVol.56,No.1,January,2007ν2007Chin.Phys.Soc.©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net处理.将获得的样品首先做XRD分析,扫描角度从10°到90°,间隔0102°.图1中绘出了两组(H1,H2)样品的测试结果,组H2中两个样品的XRD衍射峰强度差别明显,其余两组(H3,H4)的XRD结果与组H2的类似;然后,用莱卡光学显微镜对薄膜表面的杂质密度进行统计,表1中列出了放大100倍后计算机显示器的一个视场中的平均杂质密度(个Πmm2);再进行激光损伤测试,测试激光波长为11064nm,激光脉宽12ns,采用12ON21的方式.图2中绘出了两组(H1,H2)激光损伤概率与测试能量的关系曲线,组H2中两个样品的损伤概率相差明显,其余两组(H3,H4)的曲线与组H2的类似.最后对损伤坑用轮廓仪获得其深度信息.文中统计了损伤坑的深度分布以及最大概率损伤坑的深度.统计以深度带宽100nm为间隔,例如深度在300—400nm和400—500nm内的损伤坑,统计时认为它们的深度分别为350nm和450nm.2121实验结果样品表面的杂质密度反映了薄膜表面的污染程度,其XRD衍射强度反映了薄膜内部结构的完善性.组H2—H4相关的结果显示,热处理过的薄膜结晶更加充分,但是表面污染严重.表面污染严重的热处理过的薄膜(编号:-6)相对于未处理过的薄膜(编号:-2),其损伤概率比较低;组H1薄膜样品表面污染的程度不同,但结构上没有什么差异,其损伤概率与测试能量的关系也没有明显的规律性差别.由此可以看出,与表面污染相比,结构上的缺陷更加容易引起薄膜破坏,起主导作用.所以微观结构不好...
