Введение к работе
Актуальность томі.
"Слоистао полупроводниковые структуры являются основой современной микроэлектроники, т.к. все приборные структуры состоят из полупроводниковых слоев различного типа проводимости и диэлектрических слоев.
В связи с этим вауисй технологической задачей является разработка методов получения монокрпсталлмческих слоев различных веществ на произвольных неорионтирую'дих подложах. В последние годы появилось множество подходов и методов, в которых путем обработки токкик плойок разного рода излучением стремятся обеспечить ориентированную кристаллизацию на произвольных поддонках. Среди них - импульсный лазерный нагрев [1], позволяющий модифицировать поверхностные СЛОИ UQ3 изменения объема. Под действием лазерного пучка происходит плавление исходного поликристаллического слоя, а ориентированная кристаллизация начинается от затравочішх окон в диэлектрической прослойка, открывающих доступ к монокристаллической подложке. Рост плетши происходит 'в бек' от монокрисгаллической подложен, поэтому такую эштаксию называют боковой или латеральной.
Наряду с развитей экспериментальных методов получения слоис нх структур ведутся разработки математических моделей, описывающих процессы формирования структур. Численное моделирование позволяет выявить основные закономерности протекания физических явлений, предсказать поте эффекты. Существующие ранее модели процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом описывают явление, как правило, в одномерном приближении [2,33. Процессы фазовых- пареходов происходят по кинетлчееккм законам: процесс 'кристаллизации осуществляется путем роста или гомогенного' зерсадзния, а плавление происходит ' квазиравновесно. Однако в рамках существующих моделей Н9ВОЗМОПЮ описать процесси, происходящие в слоистых структурах, содержащих различные материала. С введешіем в рассмотрение' границ раздела, образуемых различными веществами, необходимо учитывать гетерогенное -зарождение, которое происходит как при кристаллизации, гак и пу плавлении. Взаимодействие лазерного излучения со структуусД, содержащей слои с различными оптическими харсктоснитикачи, приводит к интерферзнционнш явлениям, влияй.";».: на процесс
'3
поглощения. В ранее предаопзш-шх моделях такие оптические явления не учитывались, и процесс поглощения описывался по упрощенному механизму. И наконец, различное расположение слоев, например наличие окна-полосы в диэлектрике, делает задачу моделирования по крайней мере двумерной.
Большой интерес вызывают герлоупругие напряжения в слоистых структурах при "импульсной перекристаллизации, так как считается, что они могут приводить к быстрой деградации готовых приборов, влиять на процессы плавления и последующего роста. Поэтому в'настоящее время наряду с экспериментальными методиками развиваются метода расчета полей термоупругих напряжений в слоистых структурах.
Все ато определило выбор темы настоящей диссертационной рзботы.
Целью работы являлось моделирование терлоупругих полей и фззовых переходов в структуре Si/si02/Si с окнами в диэлектрике, тер/.оупругих нолей в структуре Hg^Cd^Te/SK)/In. при импульсном лазерном нагреве. Для "достижения поставленной цели необходимо: \
- Построить двумерную физико-математическую модель . фазовых
переходов в слоистых полупроводниковых структурах, включавшую
плавление и кристаллизацию'.вещества через гомо- и гетерогенное
гароздение, а также рост новой фазы.
исследовать закономерности процессов плавления и кристаллизации в структуре si/sioz/Si с окнами в диэлектрике при импульсном нанасекундном нагреве.
- создать пакет программ для.расчета тепловых полей, фазовых
переходов, термоупругих напряжений при импульсном нагреве
многослойных структур.
Научная новизна работы заключается в . разработке физико-математической модели' кинетики фазовых переходов в слоистых полупроводниковых структурах при импульсном нагреве, которая включает плавление и кристаллизацию вещества через гомо- и гетерогенное зарождение и рост новой фаза. На основе этой модели:
1. Изучены закономерности двикения фронта латеральной; кристаллизации в структуре Si/Si02/St с окнами в диэлектрике, а именно:
установлена зависимость скорости движения фронта латеральной кристаллизации от времени и температуры подогрева образца;
показано, что угол наклона фронта кристаллизации изменяется
процессе латеральной згатаксгої н определяется температурой одогрева образца.
. Предсказан эффект локального плавления на поверхности реі.'іїшя у краев окон' в разделительном диэлектрике в условиях .'тульского миллисекундного нагрева вследствие поникания емпературн плавления за счет термоупругих напряжений. . Показано, что при импульсном нашеенундпом нагреве основной клад дают напряжешш из-за нагрева иеоді.ородной структуры, а е термоупругие напряжения, обусловленные градиоктом емпературн. а защиту выносятся:
Т Математическая модель, описыващая процессы фазових ереходов в слоистых полупроводниковых структурах при ипулъсном нагреве, которая включает плавление и ристаллизацию через гомо- и гетерогенное зарождение, а также ост новой фази.
. Закономерности латерального роста кристаллитов при мпульснои перекристаллизацуз структури Sl/Si02/Si с окнами в вде эквидистантных парэлллькых полос в диэлектрике:
скорость латерального движения фронта кристаллизации вдоль роолойки Si02 определяется интенсивностью выделения тепла при этерогенном зароадешш кристаллитов на поверхности Si02 и '.геет вид кривой с максимумом;
угол наклона фронта кристаллизации к прослойке 8Юг при Бп:кении увеличивается, прячем тем больше, чем меньше эмлература предварительного нагрева образца. . Эффект локального плавления кремния в структуре Si/Si02/Si
окнами в диэлектрике в условиях импульсного миллисекундного эгрева, вызванный понижением температуры плавлошія вследствие зйствия термоупругих напряжений.
Пакет програш, позволяющий рассчитать развитие зрмоупругих напряжений, теплових полей"и фазовых переходов в попетых структурах при импульсном нагреве. . рактическая значимость.
Создан пакет программ для ' персонального компьютера ІЕМ 3/хт/АТ, позволяющий моделіфовать эволюцию фазовых переходов
температурных полей, а такхе термоупругае напряжения при яіульсном нагреве в многослойных структурах. Пакет программ появляется через развлетвлениое мен» и имеет широкий набор рафических средств представления результатов, что позволяет зеечнтать напряжения, температуру и фззовое состояние в любой
точке структура, в любой момент времени в процессе технологических обработок.
Апробация результатов. Основные результаты , работы докладывались на Всесоюзной конференции по росту и синтезу полупроводниковых, кристаллов и пленок (Новосибирск, 1986), на Всесоюзной конференции по моделированию и росту кристаллов (Рига, 1987), на Меадународнои конференции "Кремний на изоляторе" (Милан, 1988), на Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Москва, 1988), на 3-й Международной конференции по модификации материалов энергетическими пучками (Дрезден, 1989), на I Международной конференции по зпитаксиальному росту кристаллов (Будапешт, 1990), на Международной школе по росту кристаллов (Мадрас, 1991), на Международном семинаре "Моделирование приборов и технологий е микроэлектронике" (Новосибирск, 1992), на Всесоюзной конференции по электронным материалам (Новосибирск, 1992).
Структура и объем диссертации. диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из m наименовании и изложена на 120 стр, включая 31 рисунок.