Содержание к диссертации
Введение
Глава 2. Генерация дислокаций и разрушение поверхности кремния при воздействии импульсно-периодического излучения YAG:ND лазера 25
2.1. Генерация дислокаций при лазерном воздействии и многоимпульсное лазерное разрушение поверхности кремния (введ. к гл. 2) 25
2.2. Эксперимент. Экспериментальная установка 30
2.3. Исследование разрушения поверхности образцов при лазерном воздействии одиночных импульсов 32
2.4. Экспериментальные результаты полученные при импульсно-периодическом лазерном воздействии в вакууме 38
2.5. Результаты исследования поверхности облученных образцов после обработки в травителе 44
2.6. Интерпретация полученных результатов и оценки размера образующихся дислокаций 47
2.7. Выводы по гл. 2 56
Глава 3. Влияние внешней атмосферы на процессы образования структурных дефектов и разрушения поверхности кремния при лазерном воздействии ... 57
3.1. Диффузия газов в обогащенном дефектами поверхностном слое материала при лазерном воздействии (введ. к гл. 3) 57
3.2. Экспериментальные результаты, полученные при воздействии одиночных лазерных импульсов в на образцы в атмосфере газов 61
3.3. Экспериментальные результаты, полученные при импульсно-периодическом лазерном воздействии на воздухе 70
3.4. Интерпретация наблюдаемых в эксперименте аномальных изменений сигнала рассеяния луча пробного лазера 73
3.5. Выводы по гл. 3 80
Глава 4. Свечение, наблюдаемое при лазерном твердофазном разрушении поверхности кремния... 81
4.1. Эмиссия частиц, сопровождающая начальные стадии разрушения материалов (введ. к гл. 4) 82
4.2. Экспериментальная установка и диагностика свечения при лазерном твердофазном разрушении поверхности кремния 87
4.3. Результаты регистрации свечения в плоскости, касательной к поверхности образца
4.4. Результаты свечения поверхности 94
4.5. Интерпретация наблюдаемых экспериментальных фактов свечения в надповерхностной области образца 95
4.6. Интерпретация зарегистрированного в эксперименте свечения поверхности при воздействии лазерных импульсов 100
4.5. Выводы по гл. 4 102
Заключение 103
Литература 105
- Эксперимент. Экспериментальная установка
- Результаты исследования поверхности облученных образцов после обработки в травителе
- Экспериментальные результаты, полученные при воздействии одиночных лазерных импульсов в на образцы в атмосфере газов
- Экспериментальная установка и диагностика свечения при лазерном твердофазном разрушении поверхности кремния
Введение к работе
Лазерное излучение является высокоэффективным инструментом, с помощью которого можно изменить структуру материала. Это используется в микроэлектронных технологиях обработки кремниевых подложек [1-2], например: лазерном напылении тонких пленок [1-2, 39], лазерном отжиге дефектов [1-2, 6, 15], лазерно-активированной диффузии примесей [1-4, 7, 9-10, 13], лазерном гетеррировании [2]. Прогресс в данных технологиях связан с исследованием процессов воздействия лазерного излучения и свойств поверхности материалов [2, 15].
В лазерной технологии, как правило, под разрушением понимаются процессы связанные с плавлением, испарением, абляцией, т.е. процессами выноса материала из облучаемой области. Эта область физики лазерных взаимодействий исследовалось давно, и изложена в работах [3,5,7,12-13]. Разрушение материала до плавления представляется менее исследованным.
Разрушения в твердой фазе связаны с присутствием и генерацией в реальном кристалле высокой концентрации структурных дефектов: точечных- вакансий, междоузлий, примесных атомов; и протяженных -дислокаций, пор, межзеренных границ и пр. Для лазерно-индуцированного разрушения прозрачных материалов определяющим является именно наличие подобных дефектов в исходном материале. Дислокации, поры, примесные включения являются поглощающими излучение неоднородностями. Разогрев и деформации вблизи них и приводят к разрушению [7, 12-13, 19-20].
Используемый в данной работе легированный низкоомный кремний КДБ-12 - материал практически непрозрачный для используемой в данной работе длины волны лазерного источника (/1=1.06 цт). Его коэффициент 2 3 1 - 4Я% поглощения на данной длине волны составляет а«10 -МО cm (а » , Я - длина волны лазерного источника, х показатель экстинции) и возрастает более чем на порядок при увеличении температуры на 300 К [б].
Разрушение кремния в твердой фазе при лазерном воздействии также связано с дефектами, но в отличие от прозрачных материалов, будет определятся их генерацией в тонком (/г«10"5 cm) поверхностном слое [4, 8, 14].
Процессам лазерной генерации точечных дефектов посвящено множество работ, например обзоры [8, 11, 14, 16, 23]. Ряд работ посвящен исследованию лазерного отжига дефектов [6], т.е. уменьшения концентрации дефектов в изначально дефектном материале при лазерном облучении.
Тепловой механизм генерации дефектов в металлах можно проиллюстрировать используя работы [4, 8, 11, 16].
При лазерном воздействии происходит нагрев материала, причем интенсивность поглощенной материалом энергии лазерного излучения I(z) экспоненциально уменьшается с расстоянием z от поверхности [16]: /(z) = /(0)exp(-a-z), (1.1)
где а - коэффициент поглощения. Таким образом, основная часть световой энергии поглощается в слое толщиной hxa1. Результатом нагрева является интенсивная генерация точечных дефектов. Точечные дефекты могут образовываться по механизму Френкеля и механизму Шоттки. По Френкелю, дефект образуется в результате перехода атома из узла кристаллической решетки в междоузлие (образуется пара дефектов -вакансия и междоузлие). По Шоттки источником дефектов (вакансий) является поверхность. Также источниками дефектов могут быть поры, трещины, межзеренные границы и т.п. Любой источник точечных дефектов является одновременно и стоком. При отличной от нуля температуре между стоками и истоками происходит непрерывный обмен дефектами, в результате чего в кристалле устанавливается концентрация дефектов, отвечающая термодинамическому равновесию. Равновесная плотность вакансий (оценки для междоузлий аналогичны) Nvo определяется из условия минимума свободной энергии и по Френкелю описывается выражением [4]:
N BfiNN f xpi-AUo/lkbT), (1.2)
По Шоттки:
N rBsNexpi-AUs/hT), (1.3)
Где N и N - число атомов в узлах и междоузлиях решетки соответственно, AUо и AU$ энергия образования вакансий в объёме кристалла и на его поверхности, кь — постоянная Больцмана, множители Вр и В$ учитывают зависимость энергии дефектообразования от температуры. Установление равновесной концентрации вакансий в пространственно однородной системе записывается как [4]:
dN, _NM{T)-NV
аТ = т(Т) (Ы)
где г - диффузионное время обмена вакансиями между источниками и стоками. Это время зависит от коэффициента диффузии вакансий Д :
r=h2/Dv, (1.5)
где h - среднее расстояние между истоками и стоками. Коэффициент диффузии вакансий Dv и диффузионное время т экспоненциально зависят от температуры:
DV=D0 exp(-Av lkbT), (1.6)
T=T0exp(-AEv/kbT), (1.7)
где AEV - высота потенциального барьера, который приходится преодолевать вакансиям при прыжке в соседний узел решетки.
Таким образом, при лазерном нагреве в тонком поверхностном слое генерируется высокая концентрация точечных дефектов, которая, если считать генерацию только тепловой, при достаточном времени облучения может приблизится к равновесной для данной температуры. По окончании лазерного импульса, температура материала и концентрация вакансий быстро снижается - за счет диффузии вакансии уходят на стоки. Все вакансии не успевают продиффундировать, и некоторая их часть остается в остывшем образце. Т.е. возможно создать концентрацию вакансий значительно больше равновесной для данной температуры - закалить дефекты [4]. Это справедливо в основном для вакансий, т.к. из-за значительной скорости движения междоузлия быстро выходят на поверхость или поглощаются стоками внутри кристалла [16].
Для объяснения лазерной генерации вакансий в полупроводниках в работах [14, 16-18, 21-26, 29-30] показаны другие механизмы, учитывающие специфику лазерного воздействия на полупроводники, например изложенный в [25] электронно деформационно тепловой (ЭДТ). Согласно [25], при воздействии лазерного импульса на поверхность полупроводника, в результате локального электронного возбуждения, нагрева решетки и сильной деформации приповерхностного слоя материала скорость генерации дефектов _ заметно увеличивается [25]:
—-—exp
ґ EQ-Eee -Sj (1.8)
где w - концентрация точечных дефектов, Е0 — исходная энергия образования дефекта, Еее — энергия локального электронного возбуждения, 4 - деформация, ( - потенциал деформации, AT — приращение температуры благодаря лазерному нагреву.
Особенно интенсивно генерация дефектов происходит на поверхности и в приповерхностном слое ho вследствие исходной дефектности и понижения значения EQ [25, 30]. Энергия образования дефекта понижается более чем на порядок, и для Ge составляет Ео-Еее=0Л+0.2 eV [25] против извесной из [27] 1.5-5-2.5 eV энергии образования термодефекта в Ge. Из расчетов для кремния, приведенных в [28] следует, что на расстоянии нескольких ангстрем от поверхности энергия образования вакансии может составлять 0.8-rl.O eV, а междоузлий 0.6-J-0.9 eV.
В результате, при лазерном воздействии, благодаря уменьшению энергии образования дефекта, вблизи поверхности, концентрация точечных дефектов может достигать значений порядка 10 - 1021 см" (до 10% от числа атомов в кристалле) [16, 25].
Существуют другие механизмы лазерной генерации точечных дефектов, например: накачка вакансий при лазерно индуцированном окислении [4, 9-11, 17], образование точечных дефектов при осаждении пленок [31], образование дефектов при лазерно индуцированном травлении металлов и полупроводников [32].
Образовавшиеся при лазерном воздействии точечные дефекты при достижении определенной критической концентрации могут собираться в кластеры [16, 33, 36, 37]. Процесс кластеризации, согласно [36, 37] будет интенсивно идти при концентрации дефектов и«1019-1020 cm"3.
В работе [16] указываются количественные условия возникновения кластеров в системе однотипных дефектов - вакансий (подобные оценки можно провести и для междоузлий): условием начала кластеризации является превышение скорости генерации вакансий д порогового значения д .
г - кьТР • - 2 (1.9) ПК Т.е. при выполнении условия д д возникает поток вакансий, направленый в область сжатия кристаллической решетки (т.е. в область где кристаллическая решетка насыщена вакансиями или примесными атомами малых размеров) и критическая скорость образования вакансий д будет определятся температурой, дилатационным объемом дефекта Q , модулем всестороннего сжатия К, плотностью стоков (ft - const).
Направленый поток вакансий приводит к пересыщению вакансиями участков решетки, кластеризации и образованию пор. Данный процесс имеет характер фазового перехода второго рода. Согластно [16], при 7М000 К, характерное значение g»=1020 cm"3 с"1.
В работах [33-37] для описания кластеризации точечных дефектов и образования дислокаций и дислокационных структур, самоорганизации дефектов, используются модели генерационно-диффузионно-деформационной неустойчивости (ГДДН) и диффузионно-деформационной неустойчивости (ДДН).
Дефекты, будучи упругими включениями, деформируют кристаллическую решетку. Вакансия вызывает сжатие решетки - удельное изменение объема AQ = (0.3 0.6)Q . междоузельный атом - расширение - AQ = (1.7 ч- 22)Q [16, 38]. Дислокации также порождают вокруг себя упругие деформации и напряжения. Деформации кристаллической решетки приводит к возникновению деформационно-индуцированных потоков дефектов и к модуляции скорости их образования благодаря перенормировке энергии образования дефекта.
Результатом диффузионно-деформационного взаимодействия является образование кластеров дефектов либо периодических дефектно-деформационных структур [33].
Экспериментальные данные о кластерообразовании приведены в работе [105], где при помощи ренгенодифракционных методов было показано, что при облучении монокристаллического кремния импульсами рубинового лазера с плотностью энергии ниже порога плавления образуются кластеры точечных дефектов, размер которых составляет )«10"5 cm, а концентрация вблизи поверхности и«1014 cm 3.
Кластеризация группы дефектов может привести к образованию дислокационной петли размером ldisi [35]:
ldisi a4 di (їло)
где а - межатомное расстояние, N u - число дефектов в кластере. Дислокации и поры являются эффективными стоками для точечных дефектов. Например, поток вакансий направленный на вакансионную же дислокационную петлю или пору ведет к ее росту - т.е. существование высокой неравновесной концентрации точечных дефектов может приводить к появлению и росту дислокаций и пор [33]. Высокая концентрация дислокаций изменяет упругие и прочностные свойства материала. В отличие от точечных дефектов, времена движения которых от истока к стоку которых малы и могут составлять величины порядка 10"6 s, дислокации относительно стабильны и малоподвижны: их время жизни превышает время жизни точечных дефектов на несколько порядков. Для реальных технологий и приборов имеют большое значение эффекты, связанные именно с дислокациями и порами [1]. Например, если при окислении кремния (пленка SiC 2 - используется практически во всех полупроводниковых технологиях в качестве изолятора) на границе Si-SiC 2 образуется дислокация, то возможен электрический пробой [40,41].
Образование дислокаций на поверхности материалов при лазерном воздействии рассматривается в работах [42-44, 46], а образование пор и структур пор в [16, 31, 78]. Так, в работах [42-44] при лазерном воздействии с интенсивностью ниже порога плавления на различные материалы (металлы, аморфизованные и монокристаллические полупроводники) наблюдалось образование мелких (размером порядка 10" 4 cm и меньше) дислокационных петель.
При определенных режимах лазерного воздействия на поверхности материала образуются периодические структуры [7, 16]. Их формирование может быть связано как с плавлением тонкого поверхностного слоя (интерференционные структуры), так и с генерацией высокой концентрации дефектов в режиме до плавления.
Периодические структуры на поверхности полупроводников связанные с плавлением поверхностного слоя образуются при облучении мощными лазерными импульсами с широким диапазоном длительности Тр 10"п-10 3с. Период структур жестко определяется длиной волны лазерного излучения Я, углом падения пучка и его поляризацией [7, 48].
Образование таких структур на кремнии исследовалось, например, в работах [63-65]. Было показано, что начало образования структур связано с локальным плавлением и с изменением кристаллической структуры, в т.ч. дефектами, причем формирование структур зависит от состояния поверхности, поглощения излучения, типа подложки, и длины волны падающего излучения. При помощи травления в структурно-чувствительном травителе Сиртла [47] были выявлены различные типы структур: линейные, кольцевые, а так же структуры вдоль царапин и неоднородностей поверхности.
Другой пример формирования поверхностных периодических структур представлен в работе [66]. Структуры, представляющие собой набор конусов с большим отношением высоты к радиусу и углом при вершине 20-25° формировались навстречу лазерному пучку при облучении поверхности кремния большим числом (104) относительно маломощных импульсов. Причиной формирования структур является перераспределение материала мишени, при испарении инициируемом воздействием лазерных импульсов.
Структуры, образующиеся при облучении с допороговой интенсивностью, как правило, представляют собой периодические скопления дислокаций [48-51] (могут также формироваться структуры из точечных дефектов и пор). Для их формирования необходимо лазерное воздействие длительностью от миллисекунд. Согласно [16, 48, 51], такие структуры образуются в результате развития диффузионно-деформационных (ДД) неустойчивостей (ДДН). Их период определяется интенсивностью лазерного воздействия и характеристиками материала (отсутствует зависимость периода от длины волны А).
Например, в работе [102] было зарегистрировано образование квазипериодических структур на поверхности титана при облучении милл и секундными лазерными импульсами. Структуры формировались в твердой фазе, при температуре, близкой к порогу плавления материала. Указывалось, что образование таких структур связано с развитием вакансионно-деформационной неустойчивости.
Образование периодических структур на поверхности кремния при лазерном облучении исследовалось в работах [49-50]. Было показано, что структуры типа "крест" образуются при воздействии импульсов YAG:Nd лазера длительностью 4 ms. Период структур был примерно в три раза больше А, их ориентация не зависела от ни угла падения лазерного излучения ни от его поляризации, а определялась ориентацией кристаллографических осей; и в результате на поверхности образца образовываются две взаимно перпендикулярные стационарные решетки с периодом 3-3.5 дт, остающиеся на поверхности после остывания образца. Авторы предполагали существенную роль термодеформации в процессе формирования этих структур. Отмечалось, что начало образования структур происходит в твердой фазе, но окончательное формирование происходит при температуре, при которой возможно плавление тонкого приповерхностного слоя. В работе [50] показано, что таких образование подобных структур связано с генерацией и скольжением дислокаций, причем дислокации распределялись упорядоченным образом.
В работе [52] предложена теоретическая модель для объяснения результатов изложенных в работе [49]. Образование периодических структур связывалось с самоорганизацией междоузлий: при температуре Г=1500 К характерные времена развития неустойчивости для междоузлий составляли X 10 с.
В работе [101] исследовались формирование микрорельефа на поверхности кремния при лазерном воздействии с длиной волны А=1.06 цт и длительностью импульса 1 ms при различных поляризации, угле падения и плотности мощности. Было обнаружено образование микрорельефа с периодом кратным длине волны лазерного источника. Образование микрорельфа связывалось с неоднородным плавлением поверхности полупроводника, инициированным образованием кластеров точечных дефектов в приповерхностном слое материала. Указывалось, что температура плавления дефектных участков ниже температуры плавления бездефектного материала.
В [32, 53] рассмотрено образование структур типа "rose" в облучаемых лазерным пучком тонких пленках. В [53] образование данных структур связывается с взаимодействием образующихся подвижных вакансий в поле деформации вызванной лазерным воздействием.
В работе [119] исследовалось формирование микрорельефа на поверхности германия при воздействии большого числа относительно маломощных лазерных импульсов субмикросекундной длительности. При помощи методов атомно-силовой микроскопии показан пороговый характер образования лазерно-индуцированных структур на поверхности материала. В [119] приведены изображения и профили таких структур, указаны их характерный размер (сотни нанометров), интенсивность лазерного воздействия для их формирования. Показано, что наблюдаемые структуры связаны с самоорганизацией точечных дефектов.
В случае, когда в результате воздействия одного лазерного импульса необратимых повреждений образца не наступает, возможно многоимпульсное лазерное разрушение материала (МЛР) [33, 58].
МЛР - универсальное явление и наблюдается в материалах с различными свойствами: металлах, полупроводниках, прозрачных и непрозрачных диэлектриках. Существует два подхода к объяснению МЛР. Первый, статистический, предполагает возможность разрушения материала любым импульсом в серии. Второй, накопительный, базируется на постепенном накоплении повреждений материала от импульса к импульсу [57-58].
В оптически прозрачных материалах могут иметь место оба механизма МЛР. Причины действия статистических механизмов различны, например: временные и пространственные флуктуации интенсивности лазерного излучения, вероятностная природа возникновения лавинной ионизации, случайное распределение поглощающих включений [61]. В большинстве реальных оптически прозрачных материалов МЛР будет связано с изначальной дефектностью материала - разрушение будет начинаться вблизи дефектов: пор, микротрешин, инородных включений. В особо чистых материалах действуют «собственные» механизмы разрушения: лавинная и многофотонная ионизация [62].
В работе [99] исследовались механизмы МЛР тонких диэлектрических покрытий. Показано, что порог лазерного разрушения покрытий зависит от ширины запрещенной зоны материала покрытия.
МЛР шелочно-галлоидных кристаллов исследовалось в работе [60]. Причиной МЛР, согластно [60] являются пластические деформации, которые возникают при превышении пороговой концентрации точечных дефектов (точечные дефекты генерируются при лазерном воздействии в результате локализации энергии электронно-дырочных пар на атомах кристаллической решетки и накапливаются от импульса к импульсу).
В работах [54, 55] исследовалось многоимпульсное лазерное разрушение зеркально полированых образцов Си и Ag при лазерном воздействии с различной длиной волны. Показано, что при многоимпульсном воздействии имеет место размерный эффект: количество импульсов, приводящих к разрушению, зависит от размеров пятна (при одинаковой плотности мощности). Это объясняется как результат накопления пластических деформаций, которые образуются в результате действия высоких термонапряжений при лазерном воздействии. В работах [54, 55] показано, что при повышении интенсивности импульса в серии происходит снижение критического числа импульсов приводящих к повреждению. В работе [54] приведены фотографии, на которых показано накопление повреждений на поверхности Ag при воздействии 1500 и 5000 импульсов.
Многоимпульсное повреждение полупроводников исследовалось в работах [56, 58, 59]. Было показано, что разрушение связано с накоплением дефектов в поверхностном слое, и разрушение имеет пороговый характер.
Низкопороговое дефектообразование и возникновение неупрогих деформаций в поверхностых слоях полупроводников при многократном импульсном лазерном воздействии (мощность лазерных импульсов была намного ниже порога плавления) исследовалось в работах [117, 118]. Было показано, что на начальных стадиях деформаций, вызванных лазерным воздействием доминируют процессы образования и самоорганизации точечных дефектов. Указаны пороги появления неупругой деформации поверхности различных полупроводников при воздействии большого числа лазерных импульсов. В [117] говорится, что наблюдаемые низкопороговые эффекты имеют дефектно-деформационную природу.
Итак, существует множество работ, посвященных воздействию лазерного пучка на поверхность полупроводников. Выше была перечислена только малая их часть. Однако, в данной области существуют малоисследованные вопросы, актуальность которых несомненна как с точки зрения фундаментальных аспектов, так и с точки зрения технологических приложений. Данная диссертация посвящена таким малоисследованным и актуальным вопросам.
Целью данной работы являлось экспериментальное исследование процессов твердофазного разрушения поверхности монокристаллического кремния при импульсном и импульсно-периодическом воздействии субмикросекундных импульсов YAG:Nd лазера.
На основании данной цели работы были поставлены задачи исследования:
1. Определение типа, размеров и концентрации структурных дефектов, с генерацией которых в поверхностном слое при лазерном воздействии, связано разрушение материала.
2. Исследование динамики лазерного твердофазного разрушения поверхности материала при импульсно-периодическом лазерном воздействии (при различном периоде повторения и плотности мощности лазерных импульсов).
3. Исследование влияния внешней атмосферы на процессы твердофазного лазерного разрушения поверхности кремния.
Структура диссертационной работы:
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В каждой главе (кроме введения) представлены результаты оригинальных экспериментальных иссследований. Во введении (гл.1) дан краткий обзор научной литературы по рассматриваемой проблеме, приведено содержание работы по главам, изложена научная новизна, актуальность и практическая ценность полученных результатов.
Глава 2 посвящена исследованию динамики лазерного твердофазного разрушения поверхности Si в вакууме при импульсно-периодическом воздействии. В ней сделан вывод о возможных механизмах разрушения, показаны концентрация, размер, время релаксации дислокаций, генерация и рост которых в поверхностном слое определяет разрушение в твердой фазе.
Глава 3 диссертации посвящена исследованию особенностей лазерного твердофазного разрушения кремния в атмосфере различных газов. Показано, что динамика лазерного разрушения в вакууме и газах отличается: при облучениии в газах возникают аномальные по-времени деформации поверхности образца, появление которых предположительно связано с диффузией атомов газов в насыщенном дефектами поверхностный слое.
Глава 4 посвящена исследованию эмиссии частиц связанной с микроразрушениями поверхности при лазерном воздействии. Результаты измерений показывают, что при воздействии на поверхность кремния лазерных импульсов с плотностью мощности / не ниже порга плавления материала (1 1т), наблюдается нетепловое свечение, которое, как представляется, связано с образованием микротрещин на поверхности.
В Заключении приведены основные выводы и результаты работы.
Научная новизна работы заключается в том, что в результате проведенных исследований получены новые экспериментальные результаты:
1. Зарегистрировано образование и рост дислокационных петель в поверхностном слое материала при импульсно-периодическом лазерном воздействии.
2. Получены зависимости Nc=f (І, т) числа лазерных импульсов N„ приводящих к разрушению поверхности кремния, от плотности мощности лазерного импульса / и периода следования импульсов г.
3. Зарегистрировано образование и аномально медленная релаксации неоднородностей рельефа на поверхности кремния при лазерном воздействии.
4. Измерены пороговые интенсивности лазерного импульса, при которых формируются данные неоднородности, при облучении образцов в различных окружающих газах.
5. Измерена продолжительность сигнала рассеяния луча пробного лазера, характеризующая релаксацию неоднородностей рельефа на поверхности кремния, при лазерном воздействии на образцы в атмосфере различных газов.
6. Зарегистрировано нетепловое свечение, сопровождающее процессы твердофазного разрушения кремния при лазерном воздействии.
На основании полученных результатов были сформулированы защищаемые положения:
1. Твердофазное разрушение поверхности монокристаллического кремния при импульсно-периодическом воздействии субмикросекундных импульсов NdiYAG лазера (/р=300 ns, А=1,06 рлп, 1=2.5+3.4 MW/cm2) определяется конкуренцией процессов генерации и релаксации дислокационных петель, образующихся в поверхностном слое материала.
2. При воздействии лазерных импульсов на кремний в присутствии окружающего газа наблюдается образование неоднородностей рельефа поверхности, релаксирующих за время, намного превышающее время остывания поверхности.
3. Порог появления неоднородностей рельефа, образующихся при воздействии лазерных импульсов на поверхность кремния, зависит от окружающего образец газа: при облучении образцов в атмосфере гелия данные неоднородности образуются при наименьшей интенсивности лазерного воздействия.
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты данных исследований механизмов лазерного твердофазного разрушения поверхности кремния в могут использоваться при разработке методов направленной лазерно-индуцированной модификации кремния, в том числе лазерно-индуцированнной диффузии примесей, лазерного напыления пленок, гетеррирования, лазерной резки подложек.
Эксперимент. Экспериментальная установка
Для исследования разрушения поверхности кремния и генерации дислокаций при лазерном воздействии была использована экспериментальная установка, показанная на Рис. 2.1.
Образцы из монокристаллического кремния (100) марки КДБ-12 с зеркально полированной поверхностью облучались короткими импульсами первой гармоники YAG:Nd лазера 1 (Рис 2.1) в моноимпульсном и импульсно-периодическом режимах в вакууме Р«10 2 Тогг. Параметры лазерного воздействия были следующими: длина волны излучения А=1.06 цт, максимальная энергия в импульсе Етах&\А mJ, длина лазерного импульса тр=300 ns. Интенсивность облучения контролировалась при помощи фотодетектора 4, откалиброваного при помощи измерителя энергии GENTEC. На поверхности образца лазерное излучение фокусировалось в пятно размером Й?«1 50- 500 цт. Плотность мощности облучения составляла 7«(2.5ч-3.4)х10 W/cm , и не превышала пороговую для плавления кремния: поверхность кремния плавится при воздействии субмикросекундного лазерного импульса с интенсивностью /w«4xl0 W/cm [95]. При импульсно-периодическом облучении, период следования импульсов г выбирался в зависимости от интенсивности облучения и варьировался в широких пределах: от нескольких миллисекунд до нескольких сотен миллисекунд. Образцы приготавливались из пластин кремния, их размер составлял примерно 10 mm х 10 mm. Поверхность образцов подготовливалась различными способами: протиралась тампоном смоченным спиртом или ацетоном, очищалась струей воздуха. Перед установкой в вакуумную камеру 6, отсутствие повреждений и загрязнений поверхности образца проверялось при помощи оптического микроскопа. Разрушение поверхности во время облучения регистрировалось по рассеянию пробного луча He-Ne лазера 2 (Рис 2.1). Рассеяное излучение пробного лазера собиралось линзой под углом 45 к поверхности и подавалось на вход монохроматора МДР-6, и регистрировалось при помощи фотоумножителя и цифрового осциллографа 7. Полученные осциллограммы обрабатывались на компьютере 8 при помощи специальной программы.
Рассеяние пробного луча на исходной чистой поверхности образца незначительно. При появлении на поверхности рассеивающих зондирующее излучение неоднородностей и искажений рельефа размером больше длины волны пробного излучения рассеяние пробного луча усиливается, т.е. о начале разрушения можно судить по возрастанию сигналу рассеяния.
После облучения образцы исследовались при помощи оптического микроскопа. Для выявления дислокаций образцы обрабатывались в травителе Секко [47], предназначенном для селективного травления дислокаций. Время травления подбиралось в пределах от 3 до 25 минут. После травления образцы опять исследовались под микроскопом.
Образцы облучались одиночными субмикросекундными лазерными импульсами в вакууме и непосредственно в травителе. Плотность мощности не превышала пороговую для плавления кремния. В ходе эксперимента не было зафиксировано изменений в рассеянии зондирующего луча. Исследование образцов при помощи оптического микроскопа показало отсутствие повреждений на поверхности.
После обработки образцов в травителе также не было обнаружено изменений на поверхности (например ямок травления дислокаций).
При облучении образцов непосредственно в травителе, также не наблюдались изменения морфологии поверхности, связанные с лазерным воздействием.
На основе данных экспериментальных фактов можно утверждать, что при воздействии одиночных субмикросекундных лазерных импульсов разрушения поверхности монокристаллического кремния в твердой фазе, диагностируемого при помощи оптического микроскопа и луча пробного лазера, не происходит.
Результаты исследования поверхности облученных образцов после обработки в травителе
На рис. 2.4. и рис.2.5. приведены фотографии поверхности образцов после травления облучаемой с периодом следования лазерных импульсов и интенесивностью z=20 ms , 1=2.8х106 W/cm2 (рис. 2.4.) и т=35 птз, 7=3x10 W/cm (рис. 2.5.) в течении времени / равном 10, 20, 50 и 100 s (время травления 8 мин).
На рис.2.4. и рис.2.5. видны ямки травления дислокаций. Видно, что первые дислокации начинают появляться через «10 s после начала облучения поверхности, т.е. при выбранном режиме облучения (рис. 2.4.), после воздействия N 500 лазерных импульсов (А зависящее от I и г минимальное число лазерных импульсов воздействие которых приводит к появлению дислокаций). С увеличением времени облучения число дислокаций увеличивается, при этом распределение их на поверхности не имеет определенной ориентации. Увеличение рассеяния пробного луча начинается через Лґ«20 s после начала облучения т.е после воздействия 7VC 1000 лазерных импульсов (рис. 2.4.). Плотность дислокаций на поверхности к этому моменту времени составляет 106-т-107 cm"2.
При меньших временах облучения (при данных интенсивностях и периодах следования импульсов) не было выявлено каких-либо изменений состояния поверхности относительно исходной.
Итак, разрушение поверхности монокристаллического кремния при импульсно-периодическом воздействии коротких лазерных импульсов связано с генерацией и увеличением размеров дислокаций (дислокационных петель).
Интерпретируя экспериментальные зависимости, показанные на рис. 2.3., необходимо учитывать как процесс генерации дефектов лазерным импульсом, так процесс релаксации дефектов в промежутке между импульсами, поскольку существует зависимость Nc=f(r), и при достижении Т/ разрушение не происходит при сколь угодно большом числе импульсов.
Можно предположить, что за время большее Г/ рожденные при воздействии лазерного импульса дефекты успевают полностью релаксировать и "накопления" дефектов не происходит. Если же г г/ то дефекты могут накапливаться от импульса к импульсу, причем чем меньше т тем быстрее происходит разрушение. Это происходит пока не достигается TS, при котором скорость разрушения становится постоянной. Из этого следует, что время релаксации дефектов ответственных за разрушение в твердой фазе примерно равно т -т-Г/.
Известно, что времена диффузии точечных дефектов (вакансий, междоузлий) при температуре, до которой нагревается образец (1500 К), на несколько порядков меньше т„ г/ и примерно соответствуют времени остывания поверхности образца. Высокая концентрация точечных дефектов может стать условием для быстрого роста протяженных дефектов - дислокаций (дислокационных петель). При воздействии коротких лазерных импульсов, размер образующихся дислокаций мал (Rc/ 1 шп), и Для разрушения поверхности, связанного с генерацией дислокаций небходимо воздействие N NC импульсов, следующих с определенным периодом Т Т/.
Качественно образование и увеличение размера дислокации Rk (Rk-радиус дислокационного диска после воздействия к импульсов) в зависимости от числа лазерных импульсов к можно интерпретировать следующим образом. В течении действия лазерного импульса происходит разогрев тонкого поверхностного слоя толщиной h (xTp)U2 \ цт и генерация в нем значительной концентрации и 1019-1020 cm"3 точечных дефектов. Наличие концентрационных и термонапряжений приводит к зарождению и росту дислокаций. За время между импульсами температура быстро падает до начальной, а концентрация дефектов в результате рекомбинации, диффузии и стока на поверхность уменьшается. В результате, прекращается рост дислокаций и начинается обратный процесс релаксации. Конкуренция процессов роста и релаксации дислокаций, в конечном итоге, и определяет разрушение поверхности. Вид экспериментальных зависимостей NC=N(I, т) (Рис. 2.3.) и результаты наблюдений поверхности образцов с помощью микроскопа после лазерного воздействия, позволяют сделать следующие предположения:
1. Существует корреляция между изменениями плотности точечных дефектов п и размером дислокаций R 2. Во время действия к-го лазерного импульса размер дислокации увеличивается на AR а в период между импульсами уменьшается (дислокация релаксирует) т.е. {Rk-Rko) {Rk -Rko) T {- o), где г0-постоянная времени релаксации дислокации, /?+-размер дислокации к концу А го импульса, «Д/ехр г/то остаточный размер дислокации после к-го импульса, тг-время релаксации дислокации.
Экспериментальные результаты, полученные при воздействии одиночных лазерных импульсов в на образцы в атмосфере газов
Образцы из монокристаллического кремния облучались субмикросекундными импульсами YAG:Nd лазера. Подготовка образцов и схема экспериментальной установки были аналогичны эксперименту изложенному в предыдущей главе. В отличие от случая, когда облучение велось в вакууме, в данном эксперименте в вакуумую камеру закачивались газы под давлением Р«0.1 Тогг - 1 atm. Давление в камере контролировалось при помощи манометра. Как и в предыдущем эксперименте, интенсивность лазерного воздействия была близка к пороговой для плавления поверхности образца, но не превышала ее (излучение YAG:Nd лазера с энергией в импульсе »0.5-1 mJ и длительностью импульса гр«3х10" s фокусировалось на поверхность образца в пятно размером дЫ).3-1 тт.). Использовались газы с различными свойствами: гелий, аргон, кислород, азот, криптон, углекислый газ. Состояние облучаемой поверхности диагностировались лучом пробного He-Ne лазера. Рассеянное излучение пробного лазера регистрировалось под углом «45 к поверхности образца.
При лазерном воздействии на образцы в ваккуме, в моноимпульсном режиме, не было зарегистрировано никаких изменений сигнала рассеяния пробного луча (интенсивность воздействия не превышала порог плавления.). В отличие от этого, при облучении образцов на воздухе (P«latm), были зафиксированы изменения сигнала рассеяния пробного луча. (Рис. З.1.).
Как видно из рис. 3.1 (1)., в результате действия импульса YAG:Nd лазера происходит скачкообразное и интенсивное по амплитуде увеличение сигнала рассеяния. Длительность такого изменения сигнала рассеяния составляет »0.3-0.8 s. Это почти в 106 раз больше длительности импульса YAG:Nd лазера, и примерно на столько же больше времени остывания поверхности (согласно [95], при субмикросекундном лазерном воздействии поверхность остывает за время порядка нескольких микросекунд). Максимум сигнала рассеяния смещен относительно импульса YAG:Nd лазера.
При облучении образцов в атмосфере всех использованных газов газов были зарегистрированы результаты аналогичные облучению на воздухе, т.е. были зафиксированы интенсивные и продолжительные по-времении изменения сигнала рассеяния луча пробного лазера, уменьшающиеся по амплитуде с каждым следующим импульсом. Были проведены измерения амплитуды и продолжительности изменений сигнала рассеяния, а также пороговых интенсивностеи появления сигнала рассеяния при облучении в различных газах. Измерялся сигнал рассеяния при воздействии одного импульса, после чего образец передвигался, и каждый следующий лазерный импульс воздействовал на неповрежденную поверхность образца.
Интенсивность лазерного импульса при этом диагностировалась при помощи калиброванного фотодетектора, а давление газа измерялось манометром. В каждом газе проводилось две серии измерений по 20 импульсов в серии. Каждая серия опытов проводилась на одном образце, после чего образец заменялся.
Продолжительность сигнала рассеяния луча пробного лазера при облучении поверхности кремния одиночными импульсами YAG:Nd лазера (7р«3х10 W/cm) в атмосфере различных газах (маркер показывает среднее значение в серии из 20 опытов, планки показывают с.к.о). В скобках указан размер атомов (молекул) газов. Отсутствие плавления на поверхности образцов контролировалось при помощи оптического микроскопа. При измерении пороговых интенсивностей лазерного импульса YAG:Nd лазера, при которых происходит появление сигнала рассеяния, интенсивность лазерного пучка варьировалась при помощи незначительного изменения тока накачки активного элемента лазера.
Из экспериментальной зависимости представленной на Рис. 3.2. видно, что амплитуда сигнала рассеяния максимальна в гелии и минимальна в криптоне, углекислом газе и азоте. Амплитуды сигнала рассеяния в этих газах отличаются приблизительно в 4-5 раз.
Экспериментальная установка и диагностика свечения при лазерном твердофазном разрушении поверхности кремния
Схема экспериментальной установки показана на рис. 4.1. Неполяризованное излучение YAG:Nd лазера 1 фокусировалось на исследуемый образец 3. Параметры излучения лазера составляли: максимальная энергия в импульсе «0.75... 1.5 mJ, длительность импульса rp=300ns, длина волны излучения А=1.06 цт, плотность мощности составляла /»2.5-г3.2х106 Wxcm"2 Диаметр пятна фокусировки варьировался от 100 urn до 0.5 mm. Для регистрации свечения вылетающих с поверхности частиц использовалось расположенное с боковой стороны ФЭУ (ФЭУ-79, область спектральной чувствительности 300-830 nm), с направлением регистрации параллельной плоскости образца. Перед ФЭУ устанавливалась трубка длиной 50 mm с системой регистрации, включающей две оптические щели. Это позволяло с пространственным разрешением до 0.2 mm регистрировать свечение определенных участков над поверхностью образца, начиная с положения практически касательной к поверхности. Свечение поверхности исследовалось при помощи монохроматора, работающего в спектральном диапазоне 0.45-0.75 um (спектральное разрешение составляло «0.3 um, при ширине щелей монохроматора 1 mm). Компьютер фокусировалось в пятно размером примерно равным пятну фокусировки YAG:Nd лазера (аналогично эксперименту в гл. 2. и гл.З.). Для контроля интенсивности падающего на поверхность образца излучения YAG:Nd использовался фотоприемник 4. Исследуемые сигналы подавались на входы двух синхронизованных между собой осциллографов С9-8, и далее на персональный компьютер. Для исследования использовались образцы из монокристаллического кремния КДБ-12 с зеркально обработанными поверхностями и с коэффициентами отражения для А=1.06 цт равными 25%. Подготовка образцов к данному эксперименту была аналогична экспериментам представленным в гл.2 и гл.З. Эксперимент проводился в вакууме Р=10"1 Тогг, в атмосфере гелия и на воздухе.
Следует отметить, что наблюдаемые в эксперименте сигналы, свечения, регистрируемые как в надповерхностной области, так и с поверхности, появлялись периодически, и не были связаны с числом лазерных импульсов, воздействующих на образец до факта регистрации сигнала. Это позволяет предположить, что наблюдаемое свечение не было связано с лазерной очисткой поверхности в при воздействии первых импульсов облучения. 4.3. Результаты регистрации свечения в плоскости, касательной к поверхности образца.
На всех трех осциллограммах виден сигнал, имеющий пичкообразную форму. Этот сигнал показывает свечение, наблюдаемое в надповерхностной области образца. Видно, что свечение начинается практически одновременно с моментом действия лазерного импульса на поверхность образца. Далее следует набор коротких пичков. Длительность свечения отдельных пичков, как правило, лежит в пределах 100-500 ns. С увеличением расстояния Ah от поверхности временная задержка td начала появления пичков увеличивается, в тоже время число и высота пичков уменьшается.
При регистрации свечения поверхности, при воздействии примерно одного из 10 лазерных импульсов, наблюдались одиночные пички, характерный вид которых показан на рис. 4.4. Пички имели задержку относительно лазерного импульса, и в ходе эксперимента измерялась задержка пичка относительно максимума лазерного импульса. Плотность мощности лазерного импульса при этом составляла 1=2.5...3.1x10 W/cm . Результаты статистической обработки полученных результатов представлены на рис. 4.5. Как видно, максимальное число пичков сосредоточено во временном интервале задержки относительно лазерного импульса Td =0-10 (is. На рис. 4.5.(Ь) приведены результаты для участка Гс=0-\0 LIS. Данные результаты были получены при 7=2.8x106 W/cm2 в атмосфере гелия. Подобные статистические зависимости существуют и для двух других интенсивностей лазерного воздействия. На рис. 4.6. приведены спектральные зависимости частоты появления пичков для нескольких интенствностей лазерного воздействия при облучении образцов в ваккуме и в атмосфере гелия. Из рис.4.7. видно, что максимальное число пичков наблюдается в спектральном диапазоне А=600-г720 nm, с увеличением интенсивности лазерного воздействия частота появления пичков увеличивается. При этом, не прослеживается явных различий при облучении образцов в ваккуме и в гелии. Максимальное число пичков сосредоточено в в спектральном интервале А,=600...720 nm. В коротковолновой и длинноволновой части спектра число пичков незначительно.
