立方晶體平板之雷射超音波的生成研究

Abstract

立方晶體材料屬異向性結構，板波特性與波傳的方向有關。本文分析點、線聚焦脈衝雷射於立方晶體平板生成超音波的機制，以單晶矽與砷化鎵為例，探討雷射生成板波輻射樣式的方向性，以掌握檢測參數。本文應用三維彈性力學及全域矩陣法推導、計算立方晶體平板與矽晶絕緣三明治層板的頻散曲線正解，並以一階剪變形板理論推導立方晶體板波之格林函數近似解。脈衝雷射聚焦於立方晶體平板引致的熱膨脹應變可等效為一徹體力矩張量，雷射生成板波的暫態響應即為該力矩張量與格林函數一階導函數的褶積。格林函數的近似解雖然無法進一步探討板厚方向瞬間熱膨脹對於板波生成的影響，但是已經可以在低於 板波截止頻率的範圍內有效模擬雷射生成板波的機制。數值模擬結果顯示線聚焦雷射可以生成同向波傳的平面板波，在線聚焦前方與線聚焦半長相當的波傳範圍內仍存有異向性波傳，在線聚焦長度相當的範圍內則存在強度均勻的平面板波，隨著波傳距離增加，平面板波逐漸散開並衰減。線聚焦雷射生成超音波將有助於提昇立方晶圓的材料性質反算、矽晶絕緣層內部脫層缺陷的快速偵測。