Dynamics of non-equilibrium transport phenomena in absorbing, laser-irradiated solids
DYNAMIQUE HORS EQUILIBRE DE PHENOMENES DE TRANSPORT DANS UN SOLIDE ABSORBANT, SOUMIS A UNE IMPULSION LASER
Résumé
In this thesis, I develop a comprehensive system of numerical as well as analytical modeling of non-equilibrium dynamics of transport phenomena in an absorbing solid, induced by pulsed laser radiation (ns and fs). Although these models can be generalized to be applied to other fields of the laser-solid interaction, most of this work is inspired by the attempt of analyzing and controlling the laser trimming process of a high precision resistance, in analog CMOS-compatible circuits. From the initial laser shot on the device, to the electrical behaviour of the fabricated resistor, the entire laser-induced fabrication process is modeled. First, an original analytical description of the unresolved melting problem with moving boundary conditions (Stephan problem) brings us the relevant parameters (dimensions and durations) describing the laser annealing-process. Then, according to a numerical modeling of the non-equilibrium dynamics of the energy-and-impurity species transport with a phase change, I deduce both transient temperature distribution and dopant profile within the material. The validity of the numerical calculations is assessed by comparison with transient reflectivity and dopant profile (by selective etching) measurements. The effect of non-equilibrium segregation on dopant profiles is particularly examined, and the unique behaviour of indium in a laser annealing process is highlighted. Finally, in the purpose of controlling free carrier and heat transport in ultrafast (fs) regime, I develop, on the basis of a two-temperature model, a comprehensive numerical modeling, which depicts the creation of free carriers in silicon and ballistic-electron-energy transportation for noble metals. The numerical calculations are compared with experimental measurements of the transient reflectivity and heat affected zone dimensions.
Je présente dans cette thèse un ensemble de modèles tant analytiques que numériques destinés à décrire la dynamique hors équilibre des phénomènes de transport dans un solide absorbant irradié par un laser pulsé (ns et fs). Bien que ces modèles soient parfaitement généralisables à d'autres types d'interactions rayonnement-matière, ils sont, pour une part importante de cette thèse, utilisés dans le but de modéliser un procédé laser industriel original de fabrication d'une résistance de haute précision (compatible CMOS). Depuis le rayonnement incident, jusqu'au comportement électrique de la résistance fabriquée, la totalité du procédé est modélisée. Dans un premier temps, une description analytique originale d'un problème sans solution exacte (problème de Stephan), permet de déduire les paramètres essentiels décrivant un recuit laser en phase liquide. Puis, grâce à une description numérique des transports énergétiques avec changement de phase et des transports d'espèces minoritaires (dopants), je calcule la distribution transitoire de température au sein du matériau et les profils de concentration des dopants lors d'un recuit laser en phase liquide. La précision des calculs numériques est évaluée expérimentalement grâce à des mesures transitoires de réflectivité et des mesures de concentration dans le dispositif. L'effet de la ségrégation hors équilibre sur les profils de dopants est particulièrement étudié et le comportement original de l'indium lors d'un recuit laser est mis en évidence. Enfin, dans le but de contrôler les différents transports (électronique, thermique) dans les premiers instants de l'interaction entre rayonnement et matière lors d'impulsions laser (fs), j'ai développé des modèles basés sur la double température, décrivant la création de porteurs libres dans le cas du Si et le transport balistique d'énergie par électrons pour les métaux nobles. Les modèles sont validés par des mesures expérimentales de réflectivité et de domaines thermiquement affectés.