WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 8 03;06;07;11;12 Влияние внешней атмосферы и типа газа на генерацию дефектов и разрушение поверхности кремния при воздействии лазерных импульсов © А.Ф. Банишев, В.С. Голубев, А.Ю. Кремнев Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН, 140700 Шатура, Московская область, Россия e-mail: banishev@laser.nictl.msk.su (Поступило в Редакцию 10 ноября 2003 г.) Исследуется твердофазное разрушение поверхности кремния при импульсном воздействии субмикросекундных лазерных импульсов в атмосфере различных газов: активных — кислород, азот, углекислый газ и инертных — гелий, аргон, криптон. Установлено, что порог разрушения поверхности (порог образования неоднородностей рельефа поверхности) наименьший а атмосфере гелия и наибольший в атмосфере криптона.

Предложен механизм роста и релаксации неоднородностей.

Известно, что воздействие достаточно мощного ла- лазера. Длительность сигнала аномального рассеяния зерного излучения на полупроводники приводит к зна- составляла 0.5s (на полувысоте), что почти на шесть чительному увеличению коэффициентов диффузии ато- порядков превышает длительность воздействующего ламов [1]. Выделяют два аспекта лазерного влияния на зерного импульса. Однако в работах [17] было показано, что если образец находится в вакууме, то воздействие диффузию: термический и нетермический. Термическое влияние связывается с возможностью создания огром- одиночных импульсов не приводит к видимым (по результатам используемых методов диагностики) струкных градиентов температуры и термонапряжений, что, по мнению ряда авторов (см., например, [2–7]), явля- турным изменениям поверхности. Процесс разрушения поверхности наблюдается только при многоимпульсном ется причиной ускоренной диффузии. Нетермическое воздействии, носит накопительный характер и связан с действие лазерного излучения связывается с возбуждегенерацией и ростом дислокаций.

нием электронных состояний: экситонов и электронноРезультаты этих экспериментов однозначно указывадырочной плазмы, локализация возбуждения которых ют на то, что наличие атмосферы окружающего газа стина примеси может существенно увеличить скорость мулирует образование рассеивающих неоднородностей в диффузии последней [8–12]. Имеются также работы, поверхностном слое кремния при воздействии лазерных в которых высокие скорости диффузии при лазерном импульсов.

отжиге связывают с локальным плавлением поверхноВ данной работе исследовано влияние внешней атмости [13].

сферы и типа газа на порог интенсивного дефектообИсследованию лазерно-стимулированной диффузии разования и разрушения поверхности кремния при возпосвящено много работ, однако природа аномального действии лазерных импульсов. Наблюдаемые аномалии увеличения диффузии до настоящего времени остается в рассеянии зондирующего излучения связываются с обне до конца изученной. Недостаточно исследовано влиразованием локальных неоднородностей (рассеивающих яние лазерно-индуцированных неравновесных структурцентров) в поверхностном слое кремния, представляных дефектов на скорость диффузии примесей. Высокая ющих собой систему дислокация + облако примесных концентрация лазерно-индуцированных вакансий и межатомов.

доузлий ( 1021-1022 cm-3), которая достигается в момент действия лазерного импульса, может существенно изменить диффузию примесных атомов, протекающую Экспериментальные результаты по вакансионному или междоузельному механизму. Изи их обсуждение вестно также [14,15], что дислокации (границы зерен и фаз) являются путями ускоренной диффузии для Эксперименты проводились на установке, приведенсобственных дефектов и примесных атомов. Коэффициной на рис. 1. Образец из монокристаллического безенты диффузии по дослокациям Dd могут на несколько дислокационного кремния с зеркально обработанной порядков превышать коэффициенты объемной диффузии.

и ориентированной вдоль кристаллографического наВ работе [16] исследовалось твердофазное разрушение правления (100) поверхностью помещался в вакуумную поверхности кремния при воздействии субмикросекунд- камеру, давление в которой могло меняться в преденых лазерных импульсов на воздухе. Было обнаружено, лах от 10-2 Torr до 1 atm. Исследования проводились что воздействие лазерного импульса инициирует скачок в вакууме и в атмосфере различных газов: активных интенсивности рассеянного излучения зондирующего (кислород, азот, углекислый газ) и инертных (гелий, 6 82 А.Ф. Банишев, В.С. Голубев, А.Ю. Кремнев больше длительности воздействия импульса Nd : YAG лазера на поверхность. Максимум сигнала рассеяния достигается через t+ 0.1-0.2 s после окончания импульса Nd : YAG лазера. Длительность спада составляет t- 0.2-0.3 s. Согласно [16], каждое последующее облучение одного и того же участка поверхности приводит к быстрому уменьшению амплитуды сигнала рассеянного излучения. При уменьшении давления в камере интенсивность рассеянного излучения также быстро падает и при P 10-1 Torr сигнал практически полностью исчезает [16].

Увеличение рассеяния указывает на появление неодРис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 —Nd : YAG нородностей рельефа поверхности (первоначально плослазер, 2 — зондирующий He–Ne лазер, 3 —образец, 4 — кой и зеркально гладкой) в результате действия имфотоприемник, 5 — монохроматор, 6 — вакуумная камера, пульса Nd : YAG лазера. Основными причинами изме7 — осциллограф, 8 — компьютер.

нения рельефа поверхности в твердой фазе могут быть термодеформация и деформация за счет генерации значительной концентрации структурных дефектов в поверхностном слое. Термодеформация обусловлеаргон, криптон), давление газа P1 1 atm. Поверхна нагревом поверхностного слоя, а поскольку темность образца облучалась импульсами Nd : YAG лазера пература поверхности быстро падает (время остывас энергией в импульсе E 0.5-1 mJ и длительностью ния t1 -2-1 10-7 s, что значительно меньше дли 3 · 10-7 s. Лазерное излучение фокусировалось на тельности сигнала рассеяния) после окончания лазерповерхность образца в пятно размером d 0.3-1 mm.

ного импульса, то также быстро должны исчезать и Облучение проводилось импульсами с плотностью мощтермодеформации. Поэтому существование такого проности ниже порога плавления поверхности. Зондировадолжительного по времени сигнала рассеяния трудно ние облученного участка поверхности осуществлялось объяснить термодеформациями поверхности. Изменения лучом пробного He–Ne лазера. Рассеянное излучение пробного лазера регистрировалось под углом 45 рельефа поверхности, связанные с генерацией дефектов и их последующей медленной рекомбинацией, вероятно, к поверхности образца.

также не могут быть причиной наблюдаемого явления, На рис. 2 в качестве примера показаны осциллограмтак как в вакууме скачка рассеяния не наблюдается, мы изменения интенсивности рассеянного излучения в то время как нагрев и генерация дефектов имеет пробного He–Ne лазера поверхностью кремния, обучаместо. В работе [17] отмечалось, что рост рассеянного емого импульсами Nd : YAG лазера в атмосфере гелия и излучения от поверхности кремния в вакууме наблюкриптона. Как видно из рисунка, в результате действия дается только при многократном воздействии лазерных импульса лазера происходит скачкообразное увеличение импульсов и связан с генерацией и ростом дислокаций.

рассеяния Is, причем длительность сигнала рассеяния Следовательно, скачок интенсивности рассеяния при составляет t 0.2-0.5 s, что почти на шесть порядков воздействии одиночного импульса в атмосфере воздуха связан с влиянием окружающего газа, предположительно с диффузией атомов газа в поверхностный слой.

Поэтому представляет интерес провести исследования влияния различных газов, таких как кислород, азот, углекислый газ, содержащихся в воздухе и способных образовывать химические соединения с кремнием при высоких температурах, и интертных газов, таких как гелий, аргон, криптон, которые не образуют соединений.

На рис. 3 показаны изменения амплитуды рассеянного излучения при облучении поверхности кремния субмикросекундными лазерными импульсами в атмосфере различных газов. Согласно литературным данным, все выбранные газы (кроме азота) занимают в кремнии междоузельное положение и диффундируют по прямому междоузельному механизму. Известно, что междоузельные атомы в кремнии характеризуются достаточно Рис. 2. Изменение рассеяния зондирующего луча He–Ne высокой подвижностью.

лазера на поверхности кремния, вызванное воздействием имВидно, что при однинаковых условиях облучения пульса Nd : YAG лазера (I = 2.25 · 106 W · cm-2, P 1atm):

1 — в атмосфере гелия, 2 — в атмосфере криптона. поверхности амплитуда рассеяния в атмосфере гелия Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Влияние внешней атмосферы и типа газа на генерацию дефектов и разрушение поверхности... активируются диффузия газа в поверхностный слой и интенсивная генерация структурных дефектов: (вакансий, междоузлий), а также начинается зарождение и рост дислокаций и диффузия газа вдоль дислокационных трубок в глубь кристалла. Таким образом, в процессе действия лазерного излучения в поверхностном слое z образуется повышенная концентрация дефектов (примесей, вакансий, междоузлий) и соответствующие градиенты температуры и концентрации в глубь материала.

Нагрев и высокая концентрация точечных дефектов приводят к деформации (к выпучиванию) поверхности.

Кроме того, возможны образование и рост макродефектов: пор, дислокаций и микротрещин. Следовательно, Рис. 3. Изменение амплитуды рассеянного излучения в атмопричиной рассеяния зондирующего излучения в этом сфере различных газов при постоянной плотности мощности случае может быть как „выпучивания“ поверхности Nd : YAG лазерного импульса.

за счет совместного действия нагрева и накопления точечных дефектов, так и рост в поверхностном слое локальных неоднородностей — макродефектов размером d, где = 0.63 µm — длина волны зондирующего лазера. Однако при используемой геометрии регистрации ( 45), рассеянное излучение от „выпученной“ поверхности не регистрируется, так как углы рассеяния s h(t) T /r0 (где — коэффициент термического расширения, T — температура поверхности, h и r0 — соответственно толщина и радиус прогреваемой области, h r0) намного меньше угла регистрации, т. е.

s 45. Важно отметить, что независимо от того, на чем происходит рассеяние зондирующего луча, скачок рассеяния наблюдается только при наличии внешней атмосферы, что указывает на определяющую роль дифРис. 4. Изменение порога появления рассеянного излучения фузии атомов газа в поверхностный слой. Повышенная луча зондирующего He–Ne лазера от поверхности кремния в концентрация собственных дефектов в поверхностном атмосфере различных газов.

слое, как нам представляется, является принципиально важным фактором, способствующим возрастанию потока диффундирующего газа (примесей) в поверхностный в 3-4 раза выше, чем в остальных газах. Для остальных слой.

газов наблюдается тенденция к уменьшению амплитуды После окончания лазерного импульса температура рассеяния в следующей последовательности: O2, N2, поверхности быстро падает, в результате поверхностCO2, Ar, Kr. На рис. 4 приведены в порядке возрасный слой оказывается пересыщенным атомами примеси тания пороги по Ith.las появления сигнала рассеяния (атомами газа) и структурными дефектами. Начинается в выбранных газах. Из рисунка следует, что в атморелаксация плотности дефектов, обусловленная их взасфере гелия Ith.las заметно ниже (на 25-35%), чем в имной аннигиляцией, стоком на дислокации и на поверхостальных газах. Напомним, что выбранные газы сущеность. Как видно из рис. 2, сигнал рассеяния продолжает ственно отличаются друг от друга атомными размерами расти некоторое время после лазерного импульса, а (в несколько раз), химической активностью, раствозатем падает. Подобное увеличение рассеяния говорит римостью (на несколько порядков) и коэффициентами в пользу того, что имеет место рост локальных неоднодиффузии (на несколько порядков).

родностей и рассеяние происходит на этих неоднородноИз приведенных результатов следует, что порог об- стях. Центрами зарождения неоднородностей могут явразования неоднородностей рельефа поверхности и их ляться дислокации, а рост неоднородностей может быть „рассеивающие“ свойства зависят от типа окружающе- связан со стоком на них примесных атомов и дефектов.

го газа. Наиболее вероятной причиной роста неодно- Известно, что дислокация обладает дальнодействующиродностей может быть диффузия окружающего газа в ми силами и взаимодействует с примесными атомами и обогащенный дефектами поверхностный слой. Можно дефектами, расположенными в ее окрестности. Поэтому предложить следующую модель для объяснения наблю- концентрация примеси, а следовательно, и локальные даемого явления. Действие лазерного импульса приво- деформации выше в окрестности дислокации, особенно дит к разогреву поверхностного слоя. Одновременно в той части дислокации, которая расположена ближе 6 Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 84 А.Ф. Банишев, В.С. Голубев, А.Ю. Кремнев к поверхности (или выходит на поверхность). Повыше- части дислокации и рост локальной неоднородности.

ние концентрации примесных атомов приводит к росту По мере уменьшения концентрации примеси в окружаюупругих напряжений, которые могут релаксировать либо щей неоднородность области, отток примесей начинает путем образования новых дислокаций, либо стимулиро- превалировать над притоком, т. е. J- > J+, и размеры вать рост исходной дислокации. Можно предполжить, неоднородности уменьшаются.

что именно систем дислокация + примесная атмосфе- Падение амплидуты рассеянного излучения при мнора определяет локальную неоднородность (локальную гократном облучении тогда можно объяснить тем, что деформацию) в поверхностном слое, где происходит после каждого импульса в поверхностном слое рождарассеяние зондирующего лазерного излучения. Условно ются новые дислокации, которые за счет стока на них можно считать, что локальная неоднородность есть примесей по механизму, рассмотренному выше, также результат деформации среды, вызванной дислокацией и становятся рассеивающими центрами. Кроме этого, поатомами примеси, т. е. = d + im.

Pages:     || 2 |



© 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.