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나노 및 펨토초 레이저가 입사된 박막구조내에서의 광학 특성 및 나노스케일 에너지 전달
Reports NRF is supported by Research Projects( 나노 및 펨토초 레이저가 입사된 박막구조내에서의 광학 특성 및 나노스케일 에너지 전달 | 2004 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 강관구(중앙대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00007
Year(selected) 2004 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2006년 05월 11일
Year type 결과보고
Year(final report) 2006년
Research Summary
  • Korean
  • 레이저의 파장과 비슷한 박막두께를 갖는 박막구조물은 파장 간섭 효과로 인해서 벌크재료와는 다른 광학특성을 보인다. 또한, 박막두께가 포논의 평균이송거리보다 작거나 비슷하게 되면, 경계에서 포논 반사에 의해서 열전도율이 일반적으로 두꺼운재료보다 더 작아지게된다. 레이저의 조사 시간이 수십 피코초 보다 더 짧아지면, 캐리어의 밀도는 급격히 증가하게 되고, 또한 캐리어와 포논간에 비평형은 매우 커지게 된다. 따라서 본 연구의 주목적은 나노 및 펨토초 레이저가 조사된 박막구조내에서의 광학 특성 및 에너지 전달 매커니즘을 규명하는데 있다.
    반도체 박막구조물에 대한 선행적인 연구로 극초단 펄스 레이저가 조사된 유전체에서 전자 밀도의 급격한 증가에 의한 광학 특성의 변화를 Fokker-Planck 방정식을 사용하여 해석하였다. Fokker-Planck 방정식은 볼츠만 수송 방정식에서부터 유도되며, 에너지 공간상의 전자분포 및 애벌런치 이온화, 다광자 이온화, 삼체 재결합 등을 고려할 수 있다. 레이저 에너지의 흡수 및 반사율 계산을 위해서 확장된 드루드 모델 및 프레스넬식을 사용하였다. 작은 강도의 레이저를 쏘면 거의 모든 레이저 에너지는 투과된다. 반면 큰 레이저 강도에서는 고밀도의 전자 플라즈마가 표면근처에서 형성되고, 따라서 레이저 에너지는 대부분 반사되거나, 매우 짧은 구간에서 전부 흡수되어 금속과 비슷한 성질을 보인다. 이와 같은 표면에서의 강한 반사와 흡수로 인하여 가공 깊이는 레이저 강도에 따라 비례하여 커지지 않고 일정 값에 수렴하는 모습을 보여준다.
    실리콘 박막구조물에 레이저를 조사했을 때 열전달 및 광학특성을 해석하였다. 파동간섭 효과로 인해서 박막의 두께에 따라 반사율은 최대 7배까지 차이를 보인다. 이러한 반사율의 차이는 에너지 흡수에 가장 큰 영향을 주는 요인이라 할 수 있다. 또한 파동간섭의 영향으로 박막내에서의 흡수분포는 주기적인 형태를 보인다. 박막광학의 엄격한 적용은 박박구조물의 광 진단 방법 개발 및 박막 내에서의 온도분포 예측 시 필수적이라 할 수 있다.
  • English
  • As a matter of fact, the optical characteristics of thin films are substantially different from those of bulk materials. In the case of the film thickness comparable or smaller than phonon mean free paths (MFPs), it appears that thermal conductivities are reduced than that of bulk materials because of phonon scattering at the interfaces between thin film and substrate. Electric and optical characteristics of materials are significantly changed by ultrashort laser pulses which are shorter than a few picoseconds, typically 10 ps. In spite of wide applications of thin film structures in semiconductor industry, the energy transport mechanism and optical characteristics in thin film structures irradiated by ultra-short pulsed lasers have been poorly understood. Thus, the ultimate goal of this study lies in investigating the energy transfer mechanism in dielectric and semiconductor thin film structures irradiated by nanosecond to femtosecond pulsed lasers, in examining optical characteristics changing with laser pulses and film thicknesses, and in studying fundamental interactions among photons, energy carriers, and phonons.
    First, this study investigates numerically the ultrafast laser-induced optical breakdown in fused silica (SiO2) with the non-local type of Fokker-Planck equation. This equation derived from Boltzmann transport equation (BTE) can account for electron distributions in energy space, avalanche ionization, multiphoton ionization, and three-body recombination. The optical response of electron plasma and reflectivity at the surface boundary is given by the complex Drude dielectric function and Fresnel formulas, respectively. With very intense laser irradiation, the strong absorption of laser energy takes place and an initially transparent solid is converted to a metallic state. Full ionization is achieved at intensities above threshold and all further laser energy is deposited within a thin skin depth. It is also shown that further increase in fluence does not make the ablation depth to increase any more because of the substantial increase in reflectivity and absorption of laser energy in skin depth.
    Second, the extensive numerical simulations are rigorously carried out for conductive and radiative heat transfer characteristics in thin silicon layers irradiated by pulsed lasers. The electromagnetic theory is used to predict energy absorption in nanoscale thin films, and the wave interference effects are considered through thin film optics. The optical properties of silicon are constituted from the function of lattice temperature and carrier density and the reduced thermal conductivity in thin film and thermal boundary resistance (TBR) at interfaces are estimated by equation of phonon radiative transport (EPRT). In femtosecond laser irradiation, carrier-lattice energy transfer, mostly taking place after the laser pulse is over, will then rapidly heat the ions to much higher temperatures compared to the long pulse cases. The reflectivity of silicon thin film is strong function of film thickness unlike bulk material due to the wave interference effect. The maximum reflectivity of silicon thin film is about seven times larger than the minimum reflectivity. For nanosecond pulse lasers, the spatial distributions of energy absorption appear periodic with depth, whereas the carrier and lattice temperature distributions do not show wavy patterns. On the other hand, for picosecond pulse lasers, the spatial carrier and lattice temperature distributions appear periodic with depth because of shorter pulse duration than diffusion time. It is found that thin film optics should be used in predicting temperature distribution in the semiconductor material as well as in developing optical diagnostic methods.
Research result report
  • Abstract
  • 반도체 박막은 반도체 산업의 매우 많은 분야에서 사용됨에도 불구하고, 기존의 레이저와 물질간의 상호작용에 대한 연구는 대부분 벌크물질에 대한 연구가 대부분이다. 따라서 본 연구의 주목적은 나노 및 펨토초 레이저가 조사된 박막구조내에서의 광학 특성 및 에너지 전달 매커니즘을 규명하는데 있다.
    반도체 박막구조물에 대한 선행적인 연구로 극초단 펄스 레이저가 조사된 유전체(SiO2)에서 전자 밀도의 급격한 증가에 의한 광학 손상을 비국부적 Fokker-Planck 방정식을 사용하여 해석하였다. SiO2는 임계손상강도보다 작은 레이저 강도에서는 거의 모든 레이저 에너지를 투과시키는 반면 임계손상강도보다 큰 레이저 강도에서는 고밀도의 전자 플라즈마가 형성되고 조사된 레이저 에너지는 대부분 반사되거나, 매우 짧은 구간에서 전부 흡수되어 금속과 비슷한 성질을 보인다. 이와 같은 표면에서의 강한 반사와 흡수로 인하여 애블레이션 깊이는 레이저 강도에 따라 비례하여 커지지 않고 일정 값에 수렴하는 모습을 보여준다.
    나노 및 펨토초 펄스레이저가 조사된 실리콘 박막구조물에서 전도/복사 열전달 및 광학특성을 해석하였다. 파동간섭효과를 고려하기 위하여, 전자기 이론과 박막 광학을 사용하여 박막내에서의 에너지 흡수 및 표면에서의 반사율을 계산하였다. 박막의 복사 물성치는 온도와 전자 밀도의 함수로 구성하였고, 박막에서 감소된 열전도율과 열경계저항은 EPRT로부터 구하였다. 펨토초 레이저가 조사되었을 때, 전달자와 격자간 에너지 전달은 레이저 조사 이후에 급격히 발생하게 되고, 격자는 나노 및 피코초 레이저가 조사되었을 때 보다 더 높은 온도를 가지게 된다. 파동간섭 효과로 인해서 박막의 두께에 따라 반사율은 최대 7배까지 차이를 보인다. 이러한 반사율은 박막내에서의 에너지 흡수에 가장 큰 영향을 주는 요인이라 할 수 있다. 파동간섭의 영향으로 박막내에서의 흡수분포는 주기적인 형태를 보인다. 나노 레이저가 조사되었을 때에는 박막내에서의 온도 분포는 주기적인 형태를 가지지 않는 반면 피코초 레이저가 조사되었을 경우에는 주기적인 형태를 보인다. 따라서 박막광학의 엄격한 적용은 박박구조물의 광 진단 방법 개발 및 박막 내에서의 온도분포 예측시 필수적이라 할 수 있다.
  • Research result and Utilization method
  • 절연체 및 반도체 박막구조에 펨토초급 레이저를 조사했을때, 물질내에서의 에너지 전달 및 광학특성의 변화에 대하여 해석하였다. 전자와 래티스간의 비평형 및 어블레이션 메카니즘에 대하여 규명하였고, 파장 간섭에 의한 파동 형태의 온도 분포도 확인하였다. 이러한 연구 결과들은 박막의 성장 및 미세 가공 분야에 매우 유효한 해석 결과를 제공해 준다. 뿐만 아니라 Bio surgery 분야에서 적용가능하여 추후 그 활용분야는 매우 크다고 할 수 있다. 따라서 본 연구의 결과를 확장하여, 실제 가공시 가공 형상을 예측하고자 하고, 티슈에서도 적용하고자 한다.
  • Index terms
  • 나노 및 펨토초 레이저, 박막구조, 광학특성, 나노스케일에너지 전달, Fokker-Planck 방정식, 파동간섭
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