Введение к работе
Ак.иалы10з:ь темы . Лазерно-плазменный метод (ЛПМ) обработки материалов относится к числу новых способов радиационного воздействия на твердые тела. Его появление связано с развитием лазерной техники и открывшимися в результате исследований возможностями лазерно-плазменного источника для направленного изменения свойств твердых тел [1,2].
Сущность ЛПМ состоит в облучении кристаллов (подложек) эрозионной плазмой, образованной в результате воздействия лазерного излучения на распыляемый материал (мишень). Происходящие в процессе облучения события в кристалле чрезвычайно многообразны и, как показали многочисленные эксперименты, доминирование каждого из них может приводить к качественно различным результатам [3-7].
Повышенный интерес к такого рода взаимодействиям обусловлен тем, что стимулирование тех или иных процессов возможно посредством изменения условий облучения. Это открывает возможности управления протекающими в кристаллах процессами и обеспечивать желаемое изменение их кристаллографических, электрофизических и других свойств. Накопленный к настоящему времени опыт показал эффективность ЛПН и реальность построения на его основе ряда новых технологий.
Проблема управления свойствами кристаллов посредством лазерно-плазменной обработки является многопараметрической задачей, поскольку результат взаимодействия плазмы с твердым телом сильно зависит от условий облучения. К таким условиям относятся плотность и энергетика составляющих эрозионный поток частиц, температура кристалла, давление фоновой среды.
В общем случае энергетический спектр част,иц лазерной плазмы охватывает диапазон от единиц до нескольких тысяч электронвольт, причем доля быстрых и медленных ионов в лазерном факеле меняется в зависимости от оптических и теплофизических свойств мишени, параметров излучения и давления остаточных газов в области разлета плазмы [5]. Эта зависимость позволяет управлять энерсети-
ческии спектром эрозионного потока и, следовательно, использовать лазерную плазму для решения широкого круга прикладных задач. Например, высокоэнергетичная плазма со средней энергией частиц -0.1+1кэВ может быть использована для имплантации частиц потока вглубь облучаемого материала, стимулирования диффузионных процессов в приповерхностных слоях кристаллов и т.д.
Как показывает опыт, результат взаимодействия ионов с энергией -1кэВ с кристаллом существенно отличается от получаемого при обработке твердых тел традиционными методами, такими как ионная имплантация и магнетронное напыление. При лазерно-плазменном облучении происходит внедрение ионов в подложку на глубину R , существенно меньшую характерной для ионной имплантации: например, для фосфора с энергией 1кэВ величина R в Si составляет -50А [4]. В результате структурные нарушения решетки локализуются в приповерхностной области кристалла, чрезвычайно важно при формировании легированных слоев субмикронной толщины.
Если облучению лазерной плазмой подвергается кристалл с совершенной структурой, то при достаточно высокой температуре область ионного внедрения может стать источником неравновесных дефектов вакансионного типа. Миграция вакансий в нате(inл будет приводить к появлению избыточной концентрации дефектов и области порядка их длины свободного пробега, глубина которой на 1+2 порядка превышает R . В сформированном таким образом возбужденном слое можно ожидать ускорения протекания процессов, скорость которых определяется концентрацией . дефектов вакансионного типа. В частности, в ряде работ был обнаружен эффект ускорения диффузии примесей в условиях облучения полупроводниковых кристаллов энергетичкыми частицами [4,8]. Учитывая, что структурные нарушения в диффузионную область кристалла плазменным об. учением не вводятся, этот метод становится привлекательным с точки зрения легирования кристаллов при пониженных температурах.
С другой стороны, внедрение высокоэнергетичных ионов в поверхностные слои подложки играет полоинтельную роль при создании разного рода покрытий с неупорядоченной микроструктурой и высокой адгезией (пассивирующих, антифрикционных и т.д.). Присутст-
вне в лазерном факеле высокоэнергетичных частиц облегчает решение задач такого типа, что выгодно отличает метод лазерно плазменной обработки от магнетронного и других способов напыления.
Вторая особенность лазерно-плазменнсго источника состоит ь высокой плотности потока испаренного .вещества (до IO^ch'V-1). Качественный анализ показывает, что увеличение плотности потока конденсата на подложку изменяет условия на ростовой поверхности таким образом, что двумерный механизм роста становится более вероятным. Известно, что сформированные по двумерному механизму пленки имеют более совершенную кристаллическую структуру, чем образованные в результате срастания трехмерных Зародышей. Например, при послойном росте в пленках- не образуются межзеренные границы, в ряде случаев отрицательно влияющие на электрооптические, электрофизические и другие свойства пленок. В связи с этим реализация двумерного механизма роста при формировании эпитахси-альных слоев весьма желательна. К сожалению, общей теории, подтверждающей зависимость механизма роста от плотности конденсата в настоящее время нет, однако некоторые экспериментальные данные подтверждают это предположение.'
Следует .отметить также, что лазерно-плазменную обработку материалов можно проводить как в вакууме так и в фоновой среде, что также расширяет возможности метода. Вакуумное напыление обычно используется когда требуется высокая энергия частиц или испаренный материал химически активен и необходимо избежать его взаимодействия с какими-либо химическими элементами. - Фоновая среда, напротив, применяется для снижения энергии, эрозионного потока или для обеспечения условий протекания химической реакции непосредственно на стадии разлета плазмы. Характерным примером успешного применения реактивного напыления является синтез из лазерной плазмы пленок высокотемпературного сверхпроводящего соединения YBa2Cu30T]<[9]. Кислородосодержащая. атмосфера в этом епучае обеспечивает окисление металлов как на стадии разлета так и во время их конденсации на подложку.
Наиболее ярко перечисленные преимущества проявляются при использовании в качестве испарителей импульсных лазеров, поскольку их мощное излучение позволяет получать потоки эроэион-
ной плазмы практически любых веществ. Количество испаренного вещества в этой случае точно дозировано, а диапазон энергий и интенсивностей плазменного потока очень широк. В связи с этим с практической точки зрения применение импульсных лазеров наиболее привлекательно.
Первые эксперименты по использованию технологии лазерного напыления для модифицирования поверхностных свойств материалов и напыления пленочных структур были проведены в семидесятых годах и продемонстрировали эффективность лазерко-плазменного воздействия на кристаллы. Были показаны возможности этого метода по компенсированию проводимости поверхностных слоев GaAs [6], формированию многослойных систем [3], струкурно совершенных пленок полупроводников и диэлектриков [7]. Настоящую диссертацию можно рассматривать как продолжение начатых в работах [6,7] исследований
Цель работы. Основный направления проделанной в рамках данной диссертации работы могут быть сформулированы следующим образом:
-
Изучение процессов в приповерхностных слоях кремния при бомбардировке их потоками лазерной плазмы и формирование субмикронных легированных слоев.
-
Разработка технологии получения методом импульсного лазерного напыления пленок сверхпроводящего соединения їгВагсиз07 и исследование их свойств.
Научная новизна. Исследована низкотемпературная (500-600с) диффузия в крайний, стимулированная облучением эрозионным потоком примесей As, р, si?,, в. Для процесса диффузии под действием потока легирующих частиц с энергией 100-1000 эВ развита модель поверхностного источника примеси. Определены значения параметров, контролирующих диффузионный процесс.
Обнаружено явление свя^вания диффундирующей в кристалле примеси при интенсивном его облучении. Определены условия, энергия активации и особенности перераспределения примеси при отжиге. Показано, что явление позволяет формировать субмикронные слои- si, легированные до концентрации, близкой к предельной. Предложен механизм комппексообразования, построена феноменологи-
ческая модель.
Иследованы условия и динамика легирования si бором из нанесенного на поверхность si пленочного источника. Проведено сопоставление полученных результатов с существующими моделями диффузии бора в кремний.
Исследованы характеристики пр-переходов, полученных облучением кремния лазерной плазмой. Установлены причины, влиясщие на величину времени жизни носителей в переходе.
Разработана технология роста не содержащих макровоючений тонких' (-ЮОпт) пленок высокотемпературного сверхпроводящего соединения y ва сизо7 методом импульсного лазерного напыления. Исследована микроструктура пленок, ее зависимость от условий синтеза и типа используемых подложек. Предложен способ управления ориентацией растущих на SrTi03 слоев. Оценены коэффициенты анизотропии скоростей роста и токопереноса соединения УВагсизот в направлениях вдоль и поперек с.
Исследованы резистивные переходы, вольтамперные и вольтпо-левые зависимости ВТСП слоев. Обнаружена существенная связь критических параметров и кристаллических свойств пленок: Установлено, что пленки с низкими j (В =0) более чувствительны к магнитному полю и степень восприимчивости j к В может служить индикатором содержащихся в них слабых связей.
Оценена энергия связи и вихрей магнитного поля. Показано, что она одинакова для пленок с различными j .. Предполагается, что большая величина и исключает возможность гигантского крипа магнитного потока. Критический ток пленок не определяется Непосредственно величиной энергии связи, но зависит от доли сечения пленки, переносящей ток максимальной плотности.
Оценены шумовые и высокочастотные свойства увей слоев, показана принципиальная возможность их использования при изготовлении ряда приборов криоэлектроники.
Практическая ценность. Проведенные в работе исследования направлены на изучение возможностей лазерно-плаэменной технологии для формирования субмикронньк структур электропики. Ряд полученных результатов уже нашел применение.
Исследования процессов при облучении si потоком примеси'по-
казали возможность развития на их основе нового низкотемпературного способа получения легированных слоев. Полученные результаты использованы при разработке способа изготовления элементов солнечных фотоэлектрических преобразователей, защищенного авторским свидетельством. Преобразователи близки по качеству к полученным термодиффузией, технология легко автоматизируема и производительна.
Предложенный в работе способ получения тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников YBa2Cu30? позволяет получать пленки с близкими к предельным параметрами Т. и jc. Исследования свойств ВТСИ слоев показали возможность применения их при изготовлении ИК-болометров, СВЧ -резонаторов, СКВИДов.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации' опубликованы в 17 работах [1*17*], доложены на X Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1985), II Всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости (Киев, 1989), на і Международной школе по применение лазеров в электронике (Ташкент, 1989).
Структура и сбіел диссертации. Диссертация состоит из двух частей, введения и заключения.