WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 7 Отражательная способность жидкой фазы в условиях лазерно-индуцированного плавления кремния © Г.Д. Ивлев¶, Е.И. Гацкевич Институт электроники Национальная академия наук Белоруссии, 220090 Минск, Белоруссия (Получена 24 января 2000 г. Принята к печати 27 января 2000 г.) Исследована динамика отражательной способности жидкой фазы кремния на длине волны 0.63 мкм в условиях моноимпульсного нагрева поверхности полупроводника ультрафиолетовым излучением ArF эксимерного лазера. Установленa зависимость коэффициента отражения в момент наибольшего нагрева поверхности от плотности энергии в лазерном импульсе. Показано, что температурное снижение отражательной способности расплава наиболее выражено при нагреве поверхности значительно выше равновесной точки кипения кремния. Возможный перегрев жидкой фазы вблизи энергетического порога абляции составляет около 1500 K.

Лазерно-индуцированное плавление кремния сопро- проводились по двухимпульсной методике нагрева Si вождается, как известно, примерно двукратным возра- основной или второй гармониками излучения Nd : YAG станием его отражательной способности R, динами- лазеров. Первым импульсом при небольшом превышека которой исследуется путем оптического зондиро- нии W1 над порогом плавления Si Wm инициировалось вания облучаемой поверхности чаще всего на длине образование жидкой фазы, которая через короткое время t подвергалась воздействию второго импульса с волны = 0.63 мкм [1,2]. Такое увеличение R обусловлено фазовым переходом типа полупроводни- варьируемой плотностью энергии W2. По мнению авторов [2], достоинство такой постановки эксперимента ковый кристалл–жидкий металл [3]. Фронт фазового перехода, инициируемого наносекундным лазерным на- заключается в том, что воздействие второго импульса, нагревающего поверхность расплава, можно проаналигревом Si при плотностях энергии облучения W ниже зировать более детально в сравнении с ситуацией монопорога абляции Wa, проникает в монокристалл на глуимпульсного облучения.

бину до 1 мкм. На стадии плавления пиковая темпераСогласно [1], оптические параметры расплава и Rm тура Tp поверхности жидкой фазы может значительно на = 0.63 мкм во время действия второго импульса превышать [4] равновесную точку Tm = 1685 K фазового не менялись, хотя при максимальной в эксперименте перехода кристалл–расплав. Возникающий при этом в величине W2 расчетная температура Tp приближалась к расплавленном слое температурный градиент достигает равновесной точке кипения Si Tb = 2900 K. Вместе с тем порядка 107 K/м, т. е. термодинамическое состояние жидв аналогичном эксперименте [2] обратимое изменение кой фазы существенно отличается от равновесного.

Rm на той же длине волны было четко выражено даже Как при лазерном нагреве, так и в условиях квазипри температурах ниже Tb (но 2000 K), найденных статического повышения температуры T расплавленного на основе измерений Rm(W2) с использованием модели кремния (равновесное состояние расплава), его отраДруде. Позже методами оптической пирометрии и измежательная способность Rm должна уменьшаться из-за рений Rm на = 1.06 мкм было установлено [4], что возрастания частоты электрон-фононных соударений в температурное уменьшение коэффициента отражения в скин-слое и, как следствие, изменения комплексного условиях моноимпульсного воздействия излучения рупоказателя преломления = n + i = f (, T ). При бинового лазера хорошо заметно только при перегреве варьировании температуры равновесного расплава Si жидкой фазы, т. е. при Tp > Tb.

от Tm до величины на 200 K выше точки плавления Отмеченные противоречия, а также имеющийся дефиспектральная зависимость () в интервале длин волн цит знаний об оптических свойствах расплава кремния 0.4 1 кмк практически не изменялась [5]. Вместе с в области высоких температур стимулируют постановку тем зависимость Rm(T ) на = 0.63 мкм позже установых экспериментов. Цель данной работы — иссленовлена в эксперименте [6], где расплав Si нагревался дование динамики отражательной способности жидкой до T = 1950 K. Уменьшение Rm составляло 0.02% на фазы при плавлении Si под действием моноимпульсного каждый градус нагрева. Экспериментальные данные об ультрафиолетового излучения эксимерного лазера.

оптических параметрах равновесного расплава Si при Пластины кремния КДБ-10 с ориентацией поверхT 2000 K в литературе отсутствуют.

ности (111), полированной механически и химически, Поведение Rm в условиях наносекундного лазерного облучались в экспериментальных условиях [7] излученагрева жидкой фазы Si изучалось в весьма огранинием ArF эксимерного лазера EMG 100 с длиной волченном числе работ [1,2,4], посвященных именно этоны 0.19 мкм при длительности импульса по полувысоте му аспекту лазерного воздействия. Эксперименты [1,2] = 10 - 12 нс. Зондирующий пучок гелий-неонового ¶ лазера ( = 0.63 мкм) p-поляризации фокусировался Fax: (37517) E-mail: ivlev@inel.bas-net.by в пятно 50 мкм в центр зоны облучения при угле 2 788 Г.Д. Ивлев, Е.И. Гацкевич падения 30. Отраженный от образца поток зондирующего излучения детектировался кремниевым фотодиодом с временем нарастания переходной характеристики 1 нс.

Выходной сигнал с фотодиода, снабженного интерференционным фильтром на = 0.63 мкм, подавался на вход запоминающего осциллографа TS 8123 с полосой пропускания 100 МГц (время нарастания 3.5 нс).

Согласно полученным данным, возрастание R, связанное с плавлением Si, наблюдается при W > 0.6Дж/см(рис. 1). Увеличение плотности энергии до 0.75 Дж/смприводит к повышению R до величины Rm, определяемой оптическими параметрами расплава. В интервале изменения W от 0.8 до 1.3-1.4Дж/см2 коэффициент отражения зондирующего излучения от жидкой фазы не меняется, т. е. достигнув максимума, остается постоянным до окончания процесса эпитаксиальной кристаллизации. При плотностях W 1.5Дж/см2 наблюдается обратимое изменение Rm во время действия лазерного импульса, связанное с нагревом поверхности расплава.

Коэффициент отражения вначале возрастает до максимума, затем уменьшается на некоторую величину R, после чего вновь увеличивается из-за остывания жидкой фазы, температура которой на стадии кристаллизации на десятки градусов ниже Tm [8]. Величина R значительно возрастает при увеличении W до 2.2 Дж/см(Wa = 2.3-2.4Дж/см2) из-за достижения более высокой пиковой температуры поверхности.

При T = 300 K монокристалл кремния с механически и химически полированной поверхностью характеризуется на = 0.63 мкм показателем преломления = 3.88 + 0.02 i [9]. Этим значениям n и для p-поляризации пучка и угла падения 30 соответствует коэффициент отражения Rc = 29.7% [10]. По результатам измерений Rm = 2.2Rc, т. е. величина Rm получается немногим более 65%, что хорошо согласуется с данными эксперимента [2], в котором угол падения, поляризация и длина волны были такими же, но нагрев Si достигался воздействием двух лазерных импульсов равной длительности (7нс) с длиной волны излучения 0.53 мкм (t = 28 нс). Установленная нами Рис. 1. Форма лазерного импульса (a), воздействующего на зависимость коэффициента отражения в момент достикремний, и временные зависимости коэффициента отражения жения его минимума от плотности энергии в лазерном Rm на = 0.63 мкм при плотностях энергии 0,64 (b), 1.3 (c), импульсе (рис. 2) подобна аналогичной зависимости 1.5 (d) и 2.2 (e) Дж/см2.

Rm(W2), полученной в исследовании [2]. При энергиях облучения, близких к порогам разрушения поверхности кремния, величина Rm к моменту наибольшего нагрева жидкой фазы уменьшается на 8% и почти на 10% в при W = 5.8Дж/см2 (перегрев 500 K). При этом условиях эксперимента [2], где, судя по всему, пороговое R составляло всего 2.5%. Оно было бы больше на значение W2 = Wa составляло 2Дж/см2. = 0.63 мкм. В таком случае по нашей оценке величина При нагреве поверхности Si моноимпульсным излуче- R была бы 3-3.5%, но это все же существенно меньше нием рубинового лазера [4] ( = 80 нс) относительно приведенных выше наибольших значений R. По данслабое обратимое изменение отражения от расплава ным (рис. 2), относящимся к исследованию [2], величине зондирующего пучка p-поляризации ( = 1.06 мкм), R = 3% соответствует расчетная температура 3400 K.

направляемого на образец под углом 45, наблюдалось Она совпадает с указанным экспериментальным значенилишь в условиях нагрева поверхности на несколько сот ем Tp. Однако плотность энергии W2 = 1.2Дж/см2, при градусов выше Tb (Wa = 6.4Дж/см2). Так, согласно которой возможен такой нагрев поверхности расплава, результатам пирометрических измерений Tp = 3400 K еще довольно мала в сравнении с Wa = 2Дж/см2.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Отражательная способность жидкой фазы в условиях лазерно-индуцированного плавления кремния экспериментальных ситуаций в энергетических балансах импульсного воздействия. Исходя из спектральной зависимости () для жидкого Si [5] можно установить, что величина Rm = 73% на = 0.53 и 0.69 мкм и 76% на 1.06 мкм, т. е. поглощательная способность 1 - Rm на = 1.06 мкм (23%) на 4% меньше, чем на 0.69 мкм. Вводя соответствующую поправку в величину W2, которую нужно уменьшить на 15%, и определяя Tp для нового значения W = 4.2Дж/см2, получаем, что достигаемая температура поверхности Si была меньше 2600 K, в связи с чем авторы [1] и не наблюдали какихлибо изменений в отражении зондирующего излучения от расплава.

В заключение отметим, что наблюдаемое уменьшение отражательной способности кремния в условиях Рис. 2. Отражательная способность расплава кремния при импульсного лазерного нагрева тем выше, чем больше достижении минимума Rm в зависимости от величин W2 (1) превышение температуры жидкой фазы над равновеси W (2). Расчетная кривая Tp(W2), полученная из решения ной точкой кипения расплава. Сокращение длительности уравнения теплопроводности, и экспериментальные точки импульсного воздействия с 10-7 до 10-8 с позволяет относятся к работе [2].

увеличить в несколько раз возможную величину перегрева поверхности расплава из-за существенного повышения скорости роста температуры. Изменение оптических Последнее означает, что при плотностях энергии, параметров расплава с переходом его в состояние меблизких к Wa, перегрев поверхности в эксперименталь- тастабильной жидкости одинаково хорошо наблюдается ных условиях [2] значительно выше 500 K. Именно пе- как при двухимпульсном, так и при моноимпульсном регрев жидкой фазы приводит к четко выраженному па- лазерном нагреве поверхности Si излучением видимого дению его отражательной способности. Действительно, и ультрафиолетового диапазонов. Температурная зависипри расчетных температурах ниже 2600 K R = 0, в мость отражательной способности расплава в области интервале изменения Tp от 2600 K до Tb величина R термодинамической стабильности жидкого состояния наравна всего 2% (рис. 2), тогда как при W Wa чинает проявляться лишь при температурах, близких к (Tp > Tb) она приближается к 10%. Полагая, что R равновесной точке кипения кремния.

возрастает пропорционально разности Tp - Tb (3% на Авторы выражают благодарность В. Хабу за прекаждые 500 K), получаем, что возможная степень педоставленную возможность проведения эксперимента с регрева составляет приблизительно 1500 K. В равной использованием эксимерного лазера.

мере это можно отнести и к нашей экспериментальной ситуации с моноимпульсным лазерным нагревом Si.

Воспользовавшись результатами пирометрических изСписок литературы мерений [4], можно показать, что исследование [1] динамики оптических параметров кремния при двухимпульс- [1] G.M. Gusakov, A.A. Komarnitskii, A.S. Em. Phys. St. Sol. (a), 107, 261 (1988).

ном воздействии лазерного излучения не выявило какой[2] J. Boneberg, O. Yavas, B. Mierswa, P. Leiderer. Phys. St. Sol.

либо температурной зависимости и Rm именно из(b), 174, 295 (1992).

за того, что в эксперименте не достигался нагрев по[3] А.Р. Регель, В.М. Глазов. Физические свойства элекверхности расплава хотя бы до 2900 K. При наибольшей тронных расплавов (М., Наука, 1980).

величине W2 = 4Дж/см2 во втором импульсе (2 = 70 нс, [4] Г.Д. Ивлев, Е.И. Гацкевич. ФТП, 30, 2097 (1996).

2 = 1.06 мкм, t = 20 нс) и плотности энергии [5] К.М. Шварев, Б.А. Баум, П.В. Гельд. ФТТ, 16, 3246 (1974).

W1 = 0.8Дж/см2 в первом (1 = 50 нс, 1 = 0.53 мкм) [6] M.O. Lampert, J.M. Koebel, P. Siffert. J. Appl. Phys., 52, длительность комбинированного воздействия излучения (1981).

была такой же, как величина = 80 нс в эксперимен- [7] G. Ivlev, E. Gatskevich, V. Chab, J. Stuchlik, J. Koka. Appl.

те [4] с рубиновым лазером. Phys. Lett., 75, 498 (1999).

[8] G.D. Ivlev, E.I. Gatskevich. Appl. Surf. Sci., 143, 265 (1999).

Суммарной плотности энергии W = W1 + W[9] В.И. Гавриленко, А.М. Грехов, Д.Б. Карбушян, В.Г. Ли= 4.8Дж/см2 соответствует Tp = 2850 K, что следует товченко. Оптические свойства полупроводников (Кииз эмпирической формулы Tp = a + bW2 (a = 1648 K, ев, Наук. думка, 1987).

b = 52.3K · см4/Дж2), достаточно точно описывающей [10] А.П. Пришивалко. Отражение света от поглощающих установленную в [4] зависимость Tp(W ) в интервале сред (Минск, Изд-во АН БССР, 1963).

изменения W = 1 6Дж/см2. Однако здесь необходимо учесть разницу в коэффициентах отражения ла- Редактор В.В. Чалдышев зерного излучения от расплава, т. е. неэквивалентность Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 790 Г.Д. Ивлев, Е.И. Гацкевич Liquid phase reflectivity during laser-induced melting of silicon G.D. Ivlev, E.I. Gatskevich Institute of Electronics, National Academy of Sciences of Belarus, 220090 Minsk, Belarus

Abstract

Time — resolved reflectivity of silicon liquid phase at the wavelength of 0.63 µm has been studied under the conditions of monopulse heating of the semiconductor surface by ArF excimer laser radiation. The reflectivity at the moment of maximum surface heating has been obtained depending on the laser irradiation energy density. The temperature decrease in the melt reflectivity is most pronounced under the heating of the liquid surface and relates to the equilibrium boiling point of silicon. The possible overheating of the liquid near the ablation energy threshold is about 1500 K.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.