Введение к работе
Актуальность темы. Импульсные методы термообработки полупроводниковых материалов вызывают значительный интерес в связи с тенденцией повышения степени интеграции микроэлектронных устройств и переходом к субмикронным размерам приборных элементов. Использование импульсных потоков оптического излучения для отжига имплантациониых слоев, очистки поверхности, формирования р-n переходов и омических контактов, отжига диэлектрических слоев н т.д. позволяет минимизировать или исключить ряд недостатков, присущих традиционной термообработке, среди которых нежелательное. перераспределение имплантированных атомов, диффузионное введение в полупроводниковый кристалл неконтролируемых примесей, генерация термодефекгов в объеме монокристалла, деформация пластин кремния.
Эффективность применения импульсной термообработки в технологических процессах определяется знанием физики воздействия импульсного излучения. В данной области знаний, однако, имеются определенные пробелы, восполнение которых важно как с практической, так и с чисто научной точек зрения. В частности, это относится к сфере исследования термоупругих эффектов и фазовых переходов кристалл <-» расплав, инициируемых в алмазоподобных полупроводниках (Si, Ge) импу '.сным оптическим нагревом. Так, задача термоупругости применительно к импульсному ламповому нагреву полупроводниковых пластин решалась лишь в линейной постановке. Между тем для более корректного расчета термоупругих напряжений при значительном прогибе пластины необходимо решение нелинейной задачи. Не было получено общего аналитического решения задачи термоупругости для осесимметричного температурного поля, возникающего в полупроводнике при импульсном воздействии лазерного излучения.
Оптические параметры расплавов кремния и германия и их поведение в условиях наносекундного лазерного нагрева не изучались на основе моделирования структурного фактора. На время постановки исследований по теме диссертации не были выяснены также некоторые вопросы, связанные с диагностикой и изучением процессов плавления и кристаллизации кремния, происходящих при наносекуидном лазерном воздействии. Все это'. Свидетельствует об актуальности темы диссертационной работы.
Работа связана с планами ИЭ АНБ по госбюджетным темам Микроэлектроника .1.14 (1984-1986г.), Электроника 24 (1987-1990г.) и Электроника 2.24 (1991-1995г.), выполненным в рамках республиканских
научно-технических программ.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы явилось выяснение закономерностей теплового воздействия импульсного оптического излучения на монокрнсталлический кремний, а также германий. Дпя достижений поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
Разработать алгоритмы решения нелинейного уравнения теплопроводности применительно к импульсному ламповому нагреву пластины Si и локальному наносе кун дному лазерному нагреву полупроводника до температуры плавления и выше нее (задача Стефана).
Исследовать на основе теории термоупругости динамику механических напряжений в монокристаллнческих пластинах кремния при импульсном ламповом нагреве н наносекундном лазерном облучении.
- Провести теоретическое исследование оптических свойств
расплавов' кремния и германия и рассчитать температурные зависимости
комплексного показателя преломления.
Исследовать динамику отражения и поглощения зондирующего излучения в условиях наносекундного лазерного нагрева полупроводников с пирометрическим контролем достигаемой температуры поверхности.
Исследовать особенности фазовых переходов кристалл <-> расплав, происходящих в кремнии под действием наносекундного лазерного облучения.
Научная новизна проведенного исследования заключается в том, что впервые:
Аналитически решена нелинейная задача термоупругости для расчета механических напряжений, возникающих в упругой дискообразной пластине при импульсном нагреве, и получено общее решение уравнения термоупругости для лазерноиндуцированного осесимметрнчного температурного поля в твердом теле.
Из решения уравнения термрупругости получено, что при импульсном лазерном поверхностном нагреве твердого тела, в частности монокристаллического кремния, упругие напряжения, соизмеримые с пределом текучести монокристалла, могут возникать на глубине значительно большей толщины нагретого слоя.
- Определено влияние обменно-коррелящюнных эффектов в
электронной подсистеме расплавов Si и Ge на нх высокочастотную
проводимость. На основе моделирования структурного фактора
рассчитаны температурные зависимости комплексного показателя
преломления данных расплавов.
- Описана динамика изменения интенсивности зондирующего
излучения п условиях внутреннего отражения в пластине кремния при
инициировании фазовых переходов кристалл «-» расплав импульсным
лазерным облучением. Экспериментально установлена возможная
величина перегрева жидкой фазы при ианосекундном лазерном плавлении
алмазополобных полупроводников.
Выяснено влияние . микроразмерныч инородных частиц, адсорбированных поверхностью кремния, на процесс кристаллизации слоя, расплавленного няносекундным воздействием лазерного излучения.
Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:
Разработанные алгоритмы и математические программы могут быть использованы при оптимизации методами вычислительного эксперимента режимов импульсной термообработки полупроводниковых материалов.
Методика расчета оптических параметров расплавленных кремния и германия может быть использована для решения подобной задачи применительно к другим простым расплавам, обладающим свойствами жидкого металла
- Показаны практические возможности методов оптической и
пирометрической диагностики процессов плавления и кристаллизации,
происходящих в полупроводниках под действием импульсного лазерного
излучения.
Экономическая значимость полученных результатов. Коммерческим продуктом могут быть разработанные математические программы для моделирования процессов импульсной термообработки полупроводников, а также металлов, систем металл - полупроводник и других материалов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту, сформулированы следующим образом:
Термоупругие напряжения, возникающие в полупроводнике при глубине прогрева значительно меньшей диаметра области воздействия однородного лазерного пучка, максимальны на поверхности облучаемой зоны, а их распределение в нагретом слое коррелирует с распределением температуры.
Оптические свойства расплавов кремния и германия адекватно описываются на основе расчета комплексного показателя преломления с учетом обменно-корреляционного взаимодействия в электронной подсистеме жидкой фазы.
Во время эпитаксиалыюй кристаллизации слоя кремния, расплавленного наносекундным лазерным облучением, в его приповерхностной области возможно образование, преимущественно ігугем
латерального роста, отдельных разориеитированных кристаллитов полупроводника, происхождение которых связано с исходным присутствием на облучаемой поверхности микроразмерных инородных частиц.
Личный вклад автора. В совместных работах, результаты которых вошли в диссертацию, ее автором выполнена основная часть исследований, связанная с математическими расчетами, моделированием, обработкой и анализом результатов измерений. С соавторами обсуждалась постановка исследовательских задач и интерпретация полученных результатов.
Апробация результатов работы. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались ла Республиканской (Армения) конференции молодых ученых по актуальным проблемам физики (Дилнжан, 1985г.), на 22й Международной конференции по модификации материалов импульсными потоками энергии и пучками частиц (ГДР, Дрезден, 1987г.), на Международной конференции по нетрадиционным и лазерным технологиям (Москва, 1992г.), на 5-ом Международном симпозиуме по высокомощным лазерам и их применению (Вена, 1994г.), на Республиканской конференции молодых ученых по квантовой электронике (Минск, 1994г.), на 2-й Международной конференции по лазерной физике и спектроскопии (Гродно, 1995г.), на Международной конференции по взаимодействию излучений с твердым телом (Минск, 1995г.), на VII симпозиуме по физике поверхности (Трест, Чехия, 1996г.), на XVI Российской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка, 1996г.).
Результаты диссертации опубликованы в 8 научных статьях и в 10 тезисах докладов научных конференций.
Диссертация состоит из введения, обшей характеристики работы, четырех глав и выводов по работе. Ее полный объем составляет 112 страниц, . включая 3 таблицы, 20 рисунков и список использованных источников из 118 наименований.
