Поверхностные и объемные эффекты при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Физика процессов

2. Поверхностные эффекты

2.1 Импульсный лазерный отжиг полупроводников

2.2 Лазерно-индуцированная аморфизация поверхности

3. Объёмные эффекты

3.1 Разрушение идеально чистых тел

3.2 Разрушения, обусловленные локальными макроскопическими примесями Список литературы введение Исследования резонансного взаимодействия коротких импульсов лазерного излучения с полупроводниковыми материалами получили в середине 70-х годов мощный практический стимул в связи с открытием в нашей стране явления импульсного лазерного отжига поверхности полупроводниковых материалов, используемых в микроэлектронике. Воздействие мощных лазерных импульсов с энергией фотона, превышающей ширину запрещенной зоны, приводит к быстрой (в диапазоне 100 нс — 10 мкс) и высококачественной рекристаллизации аморфизированных в результате ионной имплантации или иных причин приповерхностных слоев полупроводников — происходит лазерный отжиг их ранее разупорядоченной поверхности. Лазерный отжиг стал хорошо освоенным технологическим приемом обработки изделий полупроводниковой микроэлектроники; в то же время эксперименты по импульсному лазерному отжигу поставили целый ряд принципиальных физических вопросов, касающихся поведения полупроводников в сильном импульсном лазерном поле.

Поглощение сильно сконцентрированного в пространстве, времени и по спектру лазерного излучения приводит к возникновению целого каскада процессов преобразования энергии, включающих в себя последовательное возбуждение и релаксацию электронной подсистемы, электрон-фононную релаксацию, фонон-фононную релаксацию и, наконец, разнообразные тепловые процессы (нагрев, плавление, испарение). В итоге все поверхностные и объёмные эффекты возникают при резонансном взаимодействии мощного лазерного излучения на полупроводниковые и отчасти металлические материалы.

1. физика процессов При действии на полупроводник лазерного излучения с энергией кванта, значительно превышающей ширину запрещенной зоны (рис. 1.1):

поглощение света происходит в тонком приповерхностном слое толщиной, где — коэффициент оптического поглощения.

Рисунок 1.1 — Лазерное возбуждение и внутризонная релаксация носителей по энергиям в полупроводнике При импульсном воздействии такого рода, когда интенсивность излучения велика (), в этом слое создается сильное неравновесное и нестационарное состояние как электронной, так и фононной подсистемы.

а — межзонный переход с поглощением кванта; б — первоначальный вид функции распределения электронов при поглощении сверхкороткого лазерного импульса; в — конечный вид функции распределения электронов Первичный акт поглощения энергии импульса оптического возбуждения происходит в электронной подсистеме, поэтому сначала возникает сильное различие между электронной температурой Т_е и температурой решетки Т. Процесс передачи и термализации энергии в решетке включает в себя целый ряд этапов релаксации как внутри электронно-дырочной подсистемы, так и электрон-фононной и фонон-фононной релаксации.

Наиболее наглядно можно представить себе последовательность преобразования энергии оптического возбуждения в полупроводнике, если обратиться к картине поглощения им фемтосекундного лазерного импульса. При длительности поглощенного импульса основные этапы преобразования его энергии будут разворачиваться уже после прекращения его действия.

Схематически процесс трансформации поглощенной энергии такого короткого импульса можно разбить на следующие стадии (табл. 1.1):

1. Первым результатом резонансного взаимодействия оптического импульса с кристаллом является генерация электронно-дырочных пар, имеющих неравновесное распределение по энергии и импульсу (рис. 1.1).

2. Установление равновесного распределения в электронно-дырочной подсистеме с температурой Т_с — «термализация» носителей. На этой стадии, как и на первой, энергия к решетке практически не переходит; она полностью сохраняется в электронно-дырочной подсистеме.

3. Установление равновесия между возбужденной электронно-дырочной плазмой и решеточной подсистемой за счет частичной передачи энергии возбуждения от носителей к решетке путем испускания сначала продольных и поперечных оптических фононов и затем продольных и поперечных акустических фононов; выравнивание температур плазмы и решетки.

4. Рекомбинация электронно-дырочных пар за счет оже-процессов (при этом к решетке энергия не переходит) и процессов межзонной рекомбинации (электронно-дырочной аннигиляции; при этом к решетке переходит часть энергии аннигиляции, которая не излучается в виде люминесценции).

Стадии 3, 4 сопровождаются также усиленной диффузией носителей в области кристалла, не подвергнутой действию лазерного импульса.

Таблица 1.1

Общая схема трансформации энергии оптического возбуждения к кристаллической решетки

Рассмотрим детальнее эти процессы. При действии на поверхность полупроводника импульсного лазерного излучения благодаря межзонному поглощению (см. рис. 1.1) происходит генерация неравновесных электронно-дырочных пар. Поглощение одного фотона из лазерного пучка сопровождается рождением одной электронно-дырочной пары. Так, при плотности энергии и длительности импульса порядка пикосекунды скорость лазерно-индуцируемой генерации свободных носителей может достигать огромных значений порядка .

Все фотовозбуждённые электроны имеют энергию (энергия отсчитывается от дна зоны проводимости, рис. 1.2) и первоначально сильно неравновесную функцию распределения по энергиям, центрированную вблизи значения (рис. 1.1, б). Аналогичное распределение имеют и дырки.

Характер последующей релаксации неравновесных носителей существенно зависит от плотности носителей в фотовозбуждённой электронно-дырочной плазме. Так, при действии коротких лазерных импульсов с достаточно большой плотностью энергии в течение длительности этого импульса может произойти как бы частичная, или даже полная, «металлизация» полупроводника.

Рисунок 1.2 — Схема электронных переходов в полупроводнике в условиях интенсивного лазерного излучения

1 — межзонное поглощение; 2, 3 — поглощение света свободными носителями. Буквы э-э и э-ф означают электрон-электронные и электрон-фононные столкновения, Оже — процессы оже-рекомбинации.

На самом деле, однако, полную металлизацию получить не удается, так как при достаточно больших концентрациях электронно-дырочной плазмы вступает в действие механизм быстрой оже-рекомбинации носителей. Оже-рекомбинация — один из примеров нелинейной (зависящей от интенсивности возбуждения) релаксации в сильно возбуждённой электронно-дырочной подсистеме кристалла. Этот процесс является «трёхчастичным», то есть требует одновременного участия трёх свободных носителей.

Для импульсов наносекундной и большей длительности, действующих на полупроводник, становятся существенными межзонная рекомбинация и диффузия носителей.

Итак, в режиме высокого уровня возбуждения на временах порядка фемтосекунд полупроводник характеризуется наличием чрезвычайно горячей (десятки тысяч Кельвин) и плотной электронно-дырочной плазмы и холодной решётки (порядка 300 К). Благодаря такой большой разнице температур вероятность излучения фононов намного превышает вероятность их поглощения, и скорость передачи энергии от электронно-дырочной подсистемы к решётке не зависит от температуры решётки.

Весь процесс передачи энергии от первоначального электронно-дырочного возбуждения к тепловым колебаниям решетки можно охарактеризовать эффективным временем термализации энергии. Теоретическая оценка такого времени даёт значение порядка, и эксперименты это подтверждают.

Таким образом, считая, что энергия практически мгновенно термализуется, скорость нагрева решетки лазерным импульсом имеет значения порядка, а при использовании пикосекундных импульсов получаются ещё большие значения скорости нагрева кристаллической решётки.

Такие огромные скорости импульсного лазерного нагрева, не достижимые при обычном тепловом нагреве поверхности полупроводников, открывают уникальные возможности стимулирования неравновесных фазовых переходов на поверхности.

лазерный импульс трансформация энергия

2. поверхностные эффекты

2.1 Импульсный лазерный отжиг полупроводников Явление импульсного лазерного отжига (ИЛО) в узком собственном значении этого понятия состоит в чрезвычайно быстром (обычно в течение нескольких десятков наносекунд) восстановлении кристаллической структуры ранее разупорядоченного или даже полностью аморфизованного приповерхностного слоя полупроводникового материала при воздействии на него достаточно мощного лазерного импульса с энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны.

Этот эффект был открыт в СССР в середине 70-х годов. В настоящее время он всесторонне исследован и нашел приложения в технологии полупроводниковых материалов. Несмотря на ряд присущих ему недостатков, связанных с пространственной неоднородностью пучка, большими скоростями движения фронта расплава, наличием большого количества точечных дефектов в импульсно-отожженных образцах, ИЛО не теряет значения для технологии полупроводниковых материалов, особенно для микротехнологии полупроводниковых устройств, интегральных схем.

Наиболее широко ИЛО применяется для устранения структурных несовершенств и радиационных дефектов, наведенных в приповерхностном слое кристалла при ионной имплантации, т. е. при введении в этот слой нужных примесей путем бомбардировки поверхности ускоренными ионами этих примесей.

Традиционная «тепловая» модель лазерного отжига основывается на представлениях о быстрой передаче энергии из системы горячих носителей в решетку. Тепловая модель лазерного отжига подтверждается результатами комплексных исследований поверхностей полупроводников во время и после окончания действия лазерного импульса. В тепловой модели плавление кристалла происходит благодаря интенсивному тепловому движению атомов решетки.

В то же время ряд исследователей продолжает отстаивать и другую точку зрения на механизм импульсного лазерного отжига, развивая так называемую плазменную, или коллективную, модель ИЛО. Однако попытки доказать эту точку зрения не увенчались успехом до сих пор.

2.2 Лазерно-индуцированная аморфизация поверхности Как уже упоминалось выше, восстановление кристаллической структуры при лазерном отжиге происходит в определенном диапазоне длительностей и плотностей энергии лазерных импульсов в процессе роста кристалла из расплава от кристаллической подложки. Если скорость движения границы расплава будет слишком большой, то вместо монокристалла из расплава образуется поликристаллический или аморфный слой. В частности, такой режим реализуется при воздействии на монокристалл Si или GaAs пикосекундных лазерных импульсов.

Однако физический смысл этих процессов так и не установлен, так как классическая «тепловая» модель не даёт возможности объяснить все эффекты, происходящие при лазерно-индуцированной аморфизации поверхности.

3. объёмные эффекты Исследования процесса распространения лазерного излучения в прозрачных твёрдых телах — стёклах, кристаллах, полимерах, полупроводниках — представляет очевидный интерес по двум причинам. Во-первых, прозрачные твёрды тела являются неотъемлемыми элементами как собственно лазеров (активные элементы, подложки зеркал) и нелинейных преобразователей лазерного излучения, так и систем транспортировки и формирования пучков лазерного излучения (призмы, линзы и т. д.). Во-вторых, практически одновременно с созданием мощных лазеров было выяснено, что под действием лазерного излучения возникает разрушение прозрачных твёрдых тел. Эти разрушения ограничивают предельные значения энергии и мощности лазерного излучения, которые можно получить с одного активного элемента. При этом надо иметь в виду, что, несмотря на прогресс в лазерной технике, приведший к созданию ряда мощных лазеров с газовой активной средой (эксимерные лазеры, лазеры на углекислом газе, ионный лазер), лазеры на кристаллах и стёклах остаются не только широко используемыми, но и наиболее мощными лазерами.

Разрушения, возникающие в прозрачных твёрдых телах под действием лазерного излучения, наиболее целесообразно разделить на разрушения, возникающие в идеально чистых средах, и разрушения, обусловленные примесями. В этих случаях различны механизмы, приводящие к разрушению В чистой среде это оптический пробой, качественно аналогичный пробою в газе; в среда с примесями — разрушения, связанные с нагревом примесей при поглощении излучения.

3.1 Разрушение идеально чистых тел Первое, что надо иметь в виду, — идеально чистые твёрдые прозрачные среды практически не существуют. В любом кристалле, стекле, всегда имеются макроскопические локальные примеси, представляющие собой локальные области, имеющие иной коэффициент преломления и поглощения, чем сама среда. Однако, по чисто технологическим причинам некоторые кристаллы удаётся выращивать в таких условиях, когда количество примесей минимально. В качестве примера можно привести кристаллы NaCl и KCl. Результаты экспериментов с такими почти совершенно однородными средами могут с достаточным основанием сопоставляться с теорией подобия идеально однородных сред.

Процесс пробоя заключается в создании свободных электронов, в увеличении энергии свободных электронов при столкновениях с третьим телом (в данном случае с решёткой) до значения, при котором ускоренный электрон может вырвать связанный электрон из третьего тела (в данном случае из валентной зоны); в развитии электронной лавины, приводящей к образованию критической плотности электронов для излучения заданной частоты; в эффективном поглощении энергии излучения электронами, быстром локальном нагреве среды, повышении давления и разрушении твёрдого тела.

Концентрация электронов в зоне проводимости на много порядков превышает концентрацию свободных электронов в газе. Энергия, которую необходимо набрать электрону в зоне проводимости, равна ширине запрещённой зоны, которая меньше потенциала ионизации атома или молекулы. Наконец, время свободного пробега электрона в зоне проводимости гораздо меньше времени свободного пробега в газе. Таким образом, все эти условия значительно более благоприятны для развития пробоя, чем в газе.

С другой стороны, потери при столкновения электрона с решёткой существеннее, чем в случае столкновений с атомами. Суммарный эффект зависит от напряжённости поля лазерного излучения. Очевидно, что всегда можно найти столь высокую напряжённость поля Е, когда суммарный эффект за время действия лазерного импульса будет больше ширины запрещённой зоны.

Следует отметить, что так как на факт возникновения пробоя влияет много параметров, характеризующих среду (ширина запрещённой зоны, фотопроводимость, температура, облучаемый объём) и излучение (частота, пространственное и временное распределение излучения, длительность импульса), то в общем случае пороги пробоя лежат в широком диапазоне изменения интенсивности излучения от до Вт/см².

3.2 Разрушения, обусловленные локальными макроскопическими примесями При наличии в прозрачной среде локальных микроскопических примесей или дефектов с большим коэффициентом поглощения излучения эти локальные области быстро нагреваются, что и служит, в конечном счёте, причиной разрушения прозрачной среды. Таким образом, при наличии примесей речь идёт о тепловом разрушении прозрачных сред.

Ряд типичных разрушений:

— разрушение поверхности стеклянных (или кварцевых) конструкционных деталей (пластин, призм, линз) при появлении непрозрачных макроскопических, локальных образований (например, пыли);

— разрушение тонкоплёночных металлических и диэлектрических зеркальных покрытий при наличии непрозрачного дефекта в покрытии или появлении на покрытии пыли или других непрозрачных, макроскопических локальных образований;

— разрушения внутри стёкол, кристаллов, активных элементов, возникающие на макроскопических локальных примесях или дефектах, имеющиеся внутри данной среды.

В результате поглощения энергии лазерного излучения этими локальными областями в них очень быстро (за время лазерного импульса) увеличивается температура, соответственно увеличивается давление, приводящее к растрескиванию стекла (кристалла) в небольшой области вокруг примеси (дефекта).

Теоретическое описание теплового разрушения основано на решении уравнения теплопроводности для среды с примесями. Кроме теплофизических свойств среды и примеси при этом необходимо учесть размер локальных областей, среднее расстояние между ними и коэффициент поглощения изучения. В частности, из этой модели следует, что при плотности энергии излучения 10 Дж/см² и длительности облучения 10^-8с температура локальной поглощающей области достигает значения 10⁴ К. При такой температуре локальной области в стекле возникают напряжения, превышающие предел прочности.

Зависимость от длительности излучения должна отсутствовать, если длительность лазерного импульса превышает характерное время для распространения тепла в примеси (дефекте).

Важным для практики свойством разрушений, обусловленных нагревом примесей и дефектов лазерным излучением, является так называемый размерный эффект — наличие зависимости пороговой мощности излучения, при которой возникает разрушение, от размера облучённой области образца. Наблюдается следующая закономерность: чем больше размер облучаемой области, тем меньше значение пороговой мощности излучения.

1.Коротеев Н. И., Шумай И. Л. Физика мощного лазерного излучения. — М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1991 г. — 312 с.

2.Делоне И. Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом: курс лекций: Учеб. руководство. — М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1989 г. — 280 с.