WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 12 06;07;11;12 Формирование двумерной периодической структуры локальных областей плавления на поверхности кремния при импульсном световом облучении © Я.В. Фаттахов, М.Ф. Галяутдинов, Т.Н. Львова, И.Б. Хайбуллин Казанский физико-технический институт РАН, 420029 Казань, Россия (Поступило в Редакцию 19 мая 1997 г.) Приведены первые результаты формирования двумерной периодической структуры локальных областей плавления на поверхности кремния при импульсном световом облучении. Установлены условия и обсуждается механизм образования таких структур.

Один из интересных физических эффектов, наблюда- В настоящей работе приведены первые результаты, деющихся при взаимодействии импульсов мощного опти- монстрирующие возможность формирования правильной ческого излучения с поверхностью полупроводников, — двумерной периодической структуры локальных облаэто эффект анизотропного локального плавления. Суть стей плавления. С этой целью пластины монокристалего заключается в следующем. При однородном облуче- лического кремния ориентации (100) и (111) были нии полупроводника импульсом когерентного [1,2] или предварительно имплантированы ионами фосфора ченекогерентного [3–6] света (с плотностью мощности, рез тонкую металлическую сетку. Размер ячейки сетки обуспечивающей нагрев до температур вблизи порога 4040 µm, диаметр проволоки 10 µm. Энергия идоза плавления) на поверхности образца образуются локаль- имплантации (E = 40 keV и =3.12 · 1015 cm-2) были ные области плавления. Эти области для монокристал- выбраны таким образом, чтобы аморфизованный слой лического полупроводника, например кремния, имеют начинался непосредственно от поверхности образца. В строго ограненную, правильную геометрическую фор- результате этого на поверхности формируются аморфму, которая однозначно связана с кристаллографической ные ячейки, ограниченные сеткой монокристаллического ориентацией поверхности. Расплавленные области разде- кремния.

лены участками нерасплавившегося материала. Размеры Импульсное световое облучение в режиме локального расплавленных областей, соотношение между распла- плавления проводилось излучением трех ксеноновых вленным и нерасплавленным материалом определяются ламп. Плотность мощности излучения (и соответственно длительностью и плотностью мощности импульса излу- длительность импульса) были выбраны с учетом толчения. щины аморфного слоя и размера ячейки металлической На сегодня эффект локального плавления монокри- сетки.

сталлического кремния рассмотрен во многих работах, На рис. 1, a приведена поверхность кремния, поднакоплен достаточно богатый экспериментальный мате- вергнутого импульсному световому облучению в режириал и предложен ряд моделей для объяснения механиз- ме локального плавления. Правая часть этого образца ма и основных закономерностей этого эффекта [1–6]. В предварительно была имплантирована ионами фосфора частности, установлено, что преимущественными цен- через сетку. Левая часть в процессе имплантации бытрами зародышеобразования локальной жидкой фазы ла закрыта сплошной кремниевой маской. Видно, что являются дефекты структуры, существовавшие до свето- на левой части образца локальные области плавления вого облучения или введенные самим световым импуль- расположены ”случайным” образом. На правой части сом непосредственно в процессе воздействия [1,3,5,6]. локальные области плавления располагаются строго на Поскольку исходные или радиационно-наведенные де- проимплантированных участках пластины. Они разделефекты структуры располагаются по поверхности образ- ны полосами нерасплавившегося монокристаллического ца, как правило, случайным образом, то и возникающие кремния, находившимися в процессе имплантации под области локального плавления распределяются по по- металлической сеткой.

верхности хаотично. Поэтому практически невозможно Полученные результаты могут быть объяснены слепредсказать ни их плотность (количество на единицу дующим образом на основе предложенной нами модели площади), ни пространственное расположение на по- локального плавления аморфизованного кремния [7] при верхности образца. импульсном световом облучении. Толщина аморфного Между тем при целенаправленном использовании это- слоя по данным эллипсометрии при использованном го эффекта для решения целого ряда практических задач режиме имплантации составляет 1000. Во время необходимо уметь формировать локальные области пла- действия светового импульса по мере нагрева импланвления в заданном месте полупроводниковой пластины, тированного образца до некоторой температуры локальподавляя при этом зарождение случайно расположенных ного плавления происходит твердофазная эпитаксиальобластей плавления. ная рекристаллизация аморфного слоя от границы с 7 98 Я.В. Фаттахов, М.Ф. Галяутдинов, Т.Н. Львова, И.Б. Хайбуллин Рис. 1. Поверхность образца кремния ориентации (100), подвергнутого импульсному световому облучению в режиме локального плавления (i = 0.14 s). a — монокристаллический кремний (слева); кремний, имплантированный ионами P+ через металлическую сетку (справа). Плотность мощности излучения 1200 W/cm2; b — кремний, также имплантированный через сетку, но облученный при меньшей плотности мощности светового излучения ( 1100 W/cm2).

ненарушенной подложкой. Как показали наши оценки, пературы локального плавления, в имплантированном выполненные с применением температурной зависимо- полупроводнике образуются вторичные дефекты. Эти сти скорости рекристаллизации для Si [8] к момен- дефекты имеют более низкие барьеры зародышеобразоту достижения на поверхности образца температуры, вания жидкой фазы, чем дефекты исходного монокриблизкой к температуре плавления аморфного кремния, сталла [3,7]. Как показали наши эксперименты, это также приповерхностный слой может остаться в аморфном приводит к более раннему плавлению в имплантировансостоянии. Как известно [9,10], температура плавленых областях кремния.

ния аморфного кремния существенно (на 200–600 K) Таким образом, квадратная форма локальных областей ниже температуры плавления монокристалла. Поэтому плавления в правой части образца (рис. 1, a) определяначальная стадия локального плавления протекает в ется по существу формой проимплантированной ячейки, аморфной среде. При этом происходит формирование а не анизотропией скорости плавления, как это имеет локальной переохлажденной жидкости, а именно проместо в монокристаллическом полупроводнике.

имплантированная ячейка размером 40 40 µm при нагреве до температуры плавления аморфного кремния начинает плавиться неоднородно по поверхности. На ней зарождаются несколько отдельных локальных областей плавления (рис. 1, b), которые затем за время действия светового импульса растут и сливаются в конечном счете в одну область локального плавления. Сетка монокристаллического кремния при этом не плавится и ограничивает распространение жидкой фазы пределами аморфной ячейки.

Следует также отметить еще два фактора, которые стимулируют опережающее расплавление аморфизованных участков кремния, по сравнению с монокристаллическими. Во-первых, коэффициент поглощения аморфного кремния для используемого светового излучения существенно выше, чем для монокристалла [11]. Во-вторых, стимулирующим фактором, влияющим на кинетику локального плавления (особенно на его начальной стадии), является также наличие дополнительного деформационного потенциала в имплантированных областях [10,12].

Рис. 2. Микрорельеф поверхности аморфной ячейки, подвергВ том случае если рекристаллизация завершается к нутой импульсному световому облучению в режиме локальномоменту достижения на поверхности некоторой тем- го плавления (на рис. 1, a эта область отмечена стрелкой).

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Формирование двумерной периодической структуры локальных областей... Отсутствие ”случайных” локальных областей плавления на участках монокристаллической сетки (рис. 1, a правая часть) объясняется оттоком тепла из этих участков на рост областей плавления, которые зарождаются в аморфной ячейке на более ранней стадии светового импульса. В результате этого не обеспечивается выполнение условия перегрева, необходимого для зарождения локального расплава в монокристаллической области [3,7].

На рис. 2 приведена рекристаллизованная локальная область плавления, сформированная на аморфной ячейке. Фотография сделана на интерференционном микроскопе МИИ-4 при освещении образца излучением He–Ne лазера ЛГ-75 с длиной волны = 0.63 µm.

Видно, что в результате слияния отдельных локальных областей расплава сформировалась единая достаточно четкая область плавления. Рельеф наблюдаемой области плавления близок к профилю классической локальной области плавления на монокристаллическом кремнии [3].

Таким образом, основываясь на вышеописанном принципе, используя ионную имплантацию в сочетании с фотолитографией, на поверхности кремния можно формировать рельефную периодическую двумерную решетку локальных областей плавления с микронным шагом.

Работа выполнена в рамках проектов, финансируемых ГКНТ (проект № 140/57/2) и РФФИ (проект № 94-0203620).

Список литературы [1] Емельянов В.И., Коротеев Р.И., Яковлев В.В. // Опт. и спектр. 1987. Т. 62. Вып. 5. С. 1188–1190.

[2] Вейко В.П., Имас Я.А., Либенсон М.Н. и др. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1985. Т. 49. № 6. С. 1236–1239.

[3] Heinig K.-H. // Proc. I Intern. Conf. on Energy Pulse Modification of Semiconductors and Related Materials. Pt 1.

Dresden: Zentralinstitut fur Kernforshung, 1985. P. 265–279.

[4] Celler G.K., Robinson M.D., Trimble L.E., Lishner D.J. // Appl. Phys. Lett. 1983. Vol. 43. N 9. P. 868–870.

[5] Usenko A.Y. // J. Materials Sci. 1993. Vol. 4. P. 89–92.

[6] Фаттахов Я.В., Хайбуллин И.Б., Баязитов Р.М. и др. // Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14. Вып. 16. С. 1474–1478.

[7] Фаттахов Я.В., Васильева Т.Н., Хайбуллин И.Б. // Письма в ЖТФ. 1990. Т. 16. Вып. 2. С. 47–53.

[8] Correra L., Pedulli L. // Rad. Eff. 1982. Vol. 63. N 1–4.

P. 187–190.

[9] Поут М., Фоти Г., Джекобсон Д.К. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. М.: Машиностроение, 1987. 424 с.

[10] Авакянц Л.П., Ивлев Г.Д., Образцова Е.Д. // ФТТ. 1992.

Т. 34. Вып. 11. С. 3334–3337.

[11] Meyer J.R., Kruer M.R., Bartoli F.J. // J. Appl. Phys. 1980.

Vol. 51. N 10. P. 5513–5522.

[12] Tsu R., Paeslen M.A., Sayers D. // J. Non-Cryst. Solids. 1989.

Vol. 114. N 1. P. 199–201.

7 Журнал технической физики, 1997, том 67, №




© 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.