Лазерный метод структурирования поверхности

Лазерный метод структурирования поверхности монокристаллического кремния

Монокристаллический кремний (МК) — наиболее востребованный материал современной микроэлектроники. В настоящее время растет интерес к лазерному структурированию поверхности МК, основанному на самоорганизации поверхности и возникновении спонтанно упорядоченных структур [1,2]. Лазерная обработка, благодаря ее простоте и универсальности, позволяет проводить структурирование поверхности с низкой стоимостью, высокой производительностью и повторяемостью результатов [1,3,4]. Лазерный метод структурирования поверхности кремния может выступать альтернативой проекционным методам литографии, которые базируются на использовании масок и являются трудоемкими и дорогостоящими.

Изучение лазерного структурирования МК проводится в широком диапазоне длин волн (от ультрафиолетовой до инфракрасной области), при большом разбросе длительностей импульсов (от миллидо фемтосекунд), различных временах экспозиции и углах падения лазерного пучка [1,5−7]. Очевидно, что степень модификации поверхности будет зависеть от конкретных экспериментальных условий. В связи с этим, актуальным является выявление наиболее оптимальных и экономичных режимов облучения МК для возможности создания заданных модификаций поверхности.

Цель настоящей работы — разработать метод лазерного структурирования монокристаллического кремния, основанного на самоорганизации поверхности и возникновении спонтанно упорядоченных структур.

Монокристаллический полупроводниковый кремний (МК) ориентации (111) облучали импульсным излучением IAG: Nd⁺³ лазера. Количество импульсов варьировали от 1000 до 6500. Облучение проводили на воздухе при нормальных условиях. После облучения образцы исследовали методами оптической микроскопии.

По результатам оптической микроскопии, лазерная обработка в 1000 импульсов вызвала проплавление поверхности МК. Область вокруг зоны облучения (ЗО) содержит большое число дислокаций. Внутри ЗО наблюдаются оплавленные области, участки кремния с большим числом дислокаций, окисные пленки, двойники и малоугловые границы (рис.1). Образование зон оплавленного кремния может быть объяснено тем, что под воздействием лазерного излучения происходит активная генерация дефектов. В местах большого скопления дефектов температура плавления кремния снижается и происходит локальное плавление кремния [5].

Обнаружено, что в оплавленных зонах образовались волнообразные структуры, формирование которых связано с деформированием расплава кремния в вязко-текучей фазе и последующей кристаллизацией по окончании лазерного воздействия [4,5].

Рис. 1. а) Общий вид зоны облучения при 1000 импульсов; б) Волнообразные структуры в расплаве кремния.

При 3000 импульсов в зонах оплавления помимо волнообразных структур обнаружены концентрические волны (рис. 2 (а)). Наличие данных структур может быть обусловлено тем, что под действием многоимпульсного лазерного облучения увеличивается кинетическая энергия атомов, атомных кластеров, ионов кремния, что становится причиной их абляции. Вылетающие капли расплава, конденсируясь, образуют концентрические структуры на поверхности [1,4,5]. При 3000 импульсах облучения увеличивается плотность дислокационных скоплений вокруг зон облучения и внутри них, малоугловые границы, двойники становятся более протяженными и явно выраженными (рис 2 (б)).

Рис. 2 а) Концентрические структуры в расплаве кремния. б) Модифицированная поверхность кремния при 3000 импульсах.

Новым структурным аспектом, выявленным при режимах 5500 — 6500 импульсов, было наличие в зонах оплавленного кремния периодических пирамидальных структур. Данные структуры представляют собой трехгранные пирамидальные островки (ПС), которые могут находиться как в обособленном состоянии, так и в совокупности. Средний размер отдельных ПС достигает 20±4мкм, тогда как средний период пирамидальных структур в совокупности составляет около 7 мкм.

Так, при 5500 — 6000 импульсов в расплаве кремния обнаружены как обособленные пирамиды, так и «колонии» пирамидальных структур. Однако площадь таких скоплений невелика и ПС имеют большой разброс по размерам и форме. С увеличением числа импульсов до 6500 увеличивается площадь пирамидальных скоплений и их пространственное распределение, ПС более однородны по размерам и форме. Пирамидальные островки практически полностью заполняют поверхность зоны облучения.

Рис. 3 Пирамидальные структуры при 5500−6500 импульсах облучения.

Можно сказать, что первоначально под действием импульсного лазерного излучения в расплаве кремния формируются обособленные пирамидальные структуры. С увеличением числа импульсов ПС уменьшаются в размерах и образуют скопления, причем площадь, занимаемая скоплениями пирамид, увеличивается с ростом числа импульсов. Пирамидальные скопления при всех режимах облучения имеют приблизительно одинаковую плотность.

Пирамидальные структуры являются следствием спонтанного периодического упорядочения поверхности расплава кремния под действием лазерного излучения. Причиной такого упорядочения может служить стремление системы к снижению поверхностной энергии, что достигается трансформацией поверхности кремния в структуру пирамид, несмотря на увеличение удельной площади поверхности [2].

С практической точки зрения из всех обнаруженных ППС наибольший интерес представляют пирамидальные структуры. В частности, пирамидальные структуры могут быть использованы при создании солнечных элементов [6]. В этом случае лазерное структурирование кремния, основанное на самоорганизации поверхности и возникновении спонтанно упорядоченных структур, может стать альтернативой химическим способам текстурирования кремниевых пластин. С другой стороны, лазерное структурирование увеличивает удельную поверхность МК, что позволит разместить большее количество элементов микросхемы на поверхности такой подложки.

Заключение

Таким образом, показана возможность формирования спонтанно упорядоченных структур на поверхности МК под действием лазерного излучения. Выявлено, что в интервале от 1000 до 3000 импульсов происходит проплавление поверхности МК, тогда как при режимах 5500 — 6500 обнаружены периодические пирамидальные структуры. Наиболее оптимальным режимом для лазерного структурирования поверхности МК является режим в 6500 импульсов, поскольку при данном режиме обработки формирующиеся пирамидальные островки практически полностью заполняют поверхность зоны облучения и более однородны по размерам и форме. В связи с этим, данный метод, отличающийся простотой обработки и низкой стоимостью, при подборе конкретных условий может быть использован для структурирования кремниевых подложек в микроэлектронике.

Авторы выражают благодарность сотрудникам ЦЛИБФ и ЦКП ИМНТ ОГУ, на базе которых проводились научные исследования.

лазерный кремний расплав структурирование.

• 1) Фам Куанг Тунг. Метод формирования регулярной матрицы нанокластеров кремния в системе кремний-диоксид кремния для элементов и устройств вычислительной техники: автореф. дис. канд. тех. наук. — С-Пб, 2009. — 22с.
• 2) Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии/ А. И. Гусев. — Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2007. — 416с.
• 3) Либенсон М. Н. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика). Поглощение лазерного излучения в веществе/ М. Н. Либенсон. — СПб: СПб ГУ ИТМО, 2008. — 141 с.
• 4) Вейко В. П., Петров А. А. Опорный конспект лекций по курсу «Лазерные технологии».

  Введение

  в лазерные технологии/ В. П. Вейко, А. А. Петров. — СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. — 143 с.

• 5) Банишев А. Ф. Лазерно-стимулированные микроструктурные процессы в конденсированных средах: автореф. дис. д-ра физ.- мат. наук. — Москва, 2004. — 34с.
• 6) Хайдуков Е. В. Лазерное текстурирование кремния для создания солнечных элементов/ Е.В. Хайдуков// Известия высших учебных заведений. Приборостроение. Т. 54. — 2011. — № 2. — С. 26 -32.
• 7) Марциновский Г. А. Возбуждение поверхностных электромагнитных волн в полупроводниках при фемтосекундном лазерном воздействии/Г.А. Марциновский // Физика и техника полупроводников. Т.43. — 2009. — № 10. — С.1339 — 1345.