Expérience de mesure transitoire de la réflectivité du Si

L’utilisation de mesure optique avec une résolution temporelle de l’ordre de la picoseconde avec des méthodes de type «pump-probe» [22] permet la réalisation de mesures sur des phénomènes ultrarapides [9]. Cependant, quand l’interaction entraîne des transformations permanentes du matériau comme dans le cas de changements de phases, à raison d’une image par impulsion laser, une grande quantité de cycles laser est nécessaire pour reconstruire

l’histoire de cette transformation, ce qui nécessite un procédé parfaitement reproductible (propriétés d’homogénéité du matériau, grande stabilité du signal laser…). Il est donc a priori intéressant de trouver une technique qui permette une mesure en temps réel sur la durée d’une seule impulsion laser avec un temps de résolution de l’ordre de la nanoseconde.

Les variations du coefficient de réflexion du silicium en fonction de la température ou de la phase ont été très largement étudiées dans la littérature [12,13]. Cette variation peut être mise à profit pour déduire de la valeur de la puissance réfléchie, d’un laser sonde, le champ de température et l’état de surface du matériau sondé. Nous avons réalisé un montage expérimental permettant de suivre en temps réel les variations de réflectivité du silicium. On utilise pour cela un second laser (laser sonde) continu, colinéaire avec le laser pompe, focalisé sur un rayon plus grand que celui du laser Nd :YAG de façon à éclairer la totalité de la surface fondue figure (2.18). Le choix de la longueur d’onde de ce laser s’est porté sur le rouge, longueur d’onde pour laquelle la variation du coefficient de réflexion entre les phases solide et liquide est maximum, la précision sur le signal réfléchi obtenu en est d’autant plus grande. La puissance du faisceau de ce laser doit rester extrêmement faible par rapport à celle du faisceau Nd : YAG de façon à ce que la puissance de fusion soit effectivement apportée par le laser Nd :YAG. Enfin, l’encombrement doit être aussi faible que possible de façon à ce qu’il s’intègre aussi facilement que possible dans le montage existant. Pour l’ensemble de ces raisons, nous avons opté pour un laser HeNe (633 nm) dont nous avons adapté le rayon gaussien sur rHeNe= 3µm. Il est à noté que les différents rayons des laser HeNe et Nd : YAG ont été mesurés selon «la méthode du couteau» ou foucaultage qui consiste à enregistrer la puissance du faisceau laser lorsque celui-ci est progressivement coupé par une lame. La fonction de puissance obtenue P(x) où x correspond au déplacement de la lame, n’est alors simplement qu’une intégrale selon x de la distribution d’intensité dans le faisceau.

La faible puissance du laser sonde nécessite une attention particulière si on veut pouvoir conserver une précision relative correcte sur le signal enregistré par le détecteur rapide

(< 1ns).

Cette technique de mesure transitoire de la réflectivité a déjà été utilisée à de nombreuses reprises dans des cas où la surface du matériau est chauffée de façon uniforme par un laser non focalisé [23,24]. Dans ce cas, la puissance du signal fourni par le laser sonde réfléchie par la surface est donnée par l’intégrale suivante :

dS T R I P _{sonde surface} surface refl =

∫

Isonde et Tsurface étant constant, la puissance réfléchie Prefl = IsondeR(Tsurface)S permet de déduire

directement la température de surface dans la mesure bien sure où la fonction R(T) est connue. L’évolution du coefficient de réflexion du Si en fonction de T est connue pour un domaine important de variation de T, la mesure de Prefl est par conséquent une mesure indirecte de la température. Pour un laser focalisé, l’interprétation du signal réfléchie du laser sonde est beaucoup plus délicate. En effet, la puissance réfléchie captée par le photo détecteur et donnée par (2.21) ne peut être intégrée analytiquement car la température de surface n’est cette fois plus constante. D’autre part, comme nous le verrons dans les résultats expérimentaux, la brusque variation de la réflectivité lors du changement de phase solide liquide, n’est pas seule responsable du pic observé dans l’évolution du signal réfléchi. Lors de l’apparition du domaine fondu, ce domaine représente une surface de très petite dimension en comparaison de la surface éclairée par le laser sonde HeNe (figure 2.18). Par conséquent, même si le coefficient de réflexion de ce domaine est plus élevé que celui du Si solide, la variation dans le signal global est difficilement détectable.

Surface éclairée par le laser sonde HeNe

Nd :YAG

He- Ne

Surface éclairée par le laser Nd :YAG

Zone fondue

Vue de profil Vue du dessus

On peut déduire des constatations précédentes, que l’interprétation des résultats expérimentaux, devra être faite par comparaison avec un signal calculé numériquement. A l’aide de la solution de ce système d’équation, nous pouvons facilement simuler la mesure de intensité réfléchie du laser continu (HeNe) par la surface du Si :

)) 0 ( , 633 ( ) 0 , ( = = = =I r z R nm T z I_{refl HeNe} λ (2.22)

Puis intégrer cette expression sur la surface éclairée du silicium :

dr e z T nm R t P rHeNe r r refl 2 0 )) 0 ( , 633 ( ) ( max 0       −

∫

IHeNe(r,z=0) représente l’intensité gaussienne incidente du faisceau laser continu (HeNe).

R(λ=633nm, T(z=0)) est le coefficient de réflexion pour la longueur d’onde correspondant au

faisceau HeNe. Il est fondamental de connaître avec autant de précision que possible la fonction de température de R(T) puisque c’est à partir de cette fonction que nous pourrons juger de la vraisemblance du champ de température calculé à l’aide de notre modèle. Dans cette perspective, nous avons cherché avec grande attention dans la littérature les différentes expressions R(T) proposées (voir figure 2.19). Il est à noter que la couche d’oxyde présente à la surface du Si semble jouer un rôle non négligeable dans l’expression du coefficient de réflexion R(T), il est en particulier mis en évidence [25] que dans le cas de la présence d’une telle couche de SiO2, le coefficient de réflexion de la phase solide au voisinage du point de fusion, possède une valeur Rsolide(633nm) relativement proche de la valeur Rliq(633 nm) couramment admise pour la phase liquide [13].

Réflectiv

ité

Température (K)

Fig 2.19 Évolution de du coefficient de réflectivité : R du silicium cristallin T< 1683 K et liquide T>1683K en

fonction de la température [13] et [25].