The laser-induced spatially periodic structures are produced of the surfaces of silicon samples with various surface conditions by the use of 10 psec mode-locked pulses and 20 ns Q-switched pulses of a ruby laser.
The inspection of radial structure variations shows that the periodic structure formation is a phenomenon related to the surface melting.
The dominant structures can be classified into three types according to the orientation and the spatial period of the induced structure. For p-polarized laser pulses, the dominant types are the $\Lambda_-$ and $\Lambda_+$ types which are orthogonal to the plane of incidence. For s-polarized laser pulses, the $\Lambda_0$ type is dominantly produced with an orientation parallel to the plane of incidence.
Backward diffraction pattern from the periodic structure indicates that the periodic structure generally satisfies the selection rule imposed by the momentum matching condition of the scattered surface fields.
The presence of the scattering centers on the surface influences the resulted periodic structures. Near the linear scattering centers, the periodic structures are formed parallel to the scattering centers. But around the isotropic point scattering centers, the structures take the form of confocal ellipses. These surface features are caused by the fact that the scattering centers have dimensions large compared to those of the microscopic surface roughnesses, and consequently play dominant role in the light scattering on the surface.
Previously unappreciated elliptic ripple patterns are found and explained as the trails of the capillary wave excited on the molten Si surface due to the radially non-uniform deposition of energy.
Dynamic aspects of the periodic structure development are studied by measureing the post-irradiation diffraction efficiecy and time-resolved diffraction on a shot-to-shot basis.
The depth of the periodic structure is estimated from the measured post-irradiation diffraction efficiencies. Under the multiple irradiations of laser pulses, the periodic structures develop to have larger amplitudes. The rate of deepening is faster with higher laser fluences.
During the accumulation of the shots, the changes in the time-resolved diffraction signals indicate the increase in the surface absorptivity by the presence of pre-formed periodic structures. The developments of the structures are closely related to this increase of the surface absorptivity.
The initial dip in the time-resolved diffraction is explained by postulating the preferential deposition of the laser energy to the minima of the periodic structure and the following difference in thermal expansion.
10 ps 와 20 ns 의 지속시간을 갖는 루비레이저의 펄스를, 여러가지 표면상태의 실리콘 시편에 조사하여, 회절격자 형태의 주기적 표면구조를 생성시켰다. 위치에 따른 표면 구조의 변화를 관찰한 결과, 이 주기적 구조의 형성이 표면의 용융과 연관되어 생기는 현상임을 알 수 있었다.
이 주기적 표면구조는 그 간격과 방향에 따라 세가지 주된 형들로 분류될 수 있다. P- 편광된 레이저 펄스를 조사한 경우, 입사평면에 수직한 방향의 $\Lambda$- 와 $\Lambda$+ 형이 주로 생성되었고, S- 편광된 레이저 펄스에 의해서는 입사평면에 평행한 $\Lambda o$ 형의 구조가 주로 생성되었다.
이들 구조로 후방 회절된 패턴에 의하여, 일반적으로 생성되는 주기적 표면구조들이 표면 산란장에 대한 운동량 정합조건으로부터 도출되는 선택율을 만족함을 알았다.
시편 표면에 존재하는 산란중심들의 영향을 연구한 결과, 선형산란 중심근처에는 그에 평행한 방향의 구조들이 생성되고, 등방적 점 산란중심의 근처에서는 산란중심에 촛점을 둔 타원형태의 구조들이 생성되었다. 이는 산란중심들이, 표면에 존재하는 미시적 거칠기에 비하여 그 진폭이 크고 그에 따라서 표면에서의 광산란에 주된 역할을 함에 기인한다.
또한 타원형의 표면 구조를 발견하고 이를 에너지의 불균일한 흡수에 의하여, 녹은 실리콘 표면에 생성되는 capillary wave 로써 설명하였다.
펄스 레이저 입사후의 회절효율과, 시간적으로 분해된 회절신호를 매 펄스마다 측정하여 주기적 구조형성의 동적 측면을 연구하였다. 측정된 회절 효율로부터 주기적 구조의 진폭을 계산한 결과, 다중 펄스의 조사에 따라서 진폭은 증가하고, 입사 레이저 펄스의 에너지가 높을 수록 빠른 증가율을 보였다. 시잔적으로 분해된 회절신호가 레이저 펄스의 다중입사에 따라 변화하는 경향을 분석함으로써 주기적 구조에 의하여 표면에서의 흡수율이 증가하고 이러한 증가가 주기적 구조의 발전과 밀접한 관계가 있음을 보였다.
또한 공간적으로 변조된 레이저 에너지가 주기적 구조의 골 부분에 선택적으로 흡수 되고, 그에 따른 표면 온도 및 열 팽창의 차이를 가정하여, 레이저 펄스조사의 초기단계에서 회절 신호가 약해지는 현상을 설명하였다.
