Лазери

ЛАЗЕРНИЙ ВІДПАЛ - у вузькому, первонач. сенсі відновлення під дією лазерного випромінювання кристаллич. структури приповерхневих шарів напів-провідників, порушеною іонною імплантацією; від-крити в 1У75 в СРСР [1]. Під Л. о. в широкому сенсі розуміють структурні зміни, що виникають на поверхні напівпровідників, металів і діелектричної ков під дією як імпульсного, так і безперервного лазерного випромінювання. При дії на напівпровідник лазерного випромінювання з енергією кванта більше ширини забороненої зони поглинання світла відбувається в тон-
ком приповерхневому шарі товщиною ~ <10
При імпульсному впливі, коли інтенсивність випромінювання! велика (/ ~ 10е-1012 Вт/см2), в цьому шарі відбуваються швидкі (в пано-. піко-і навіть субпіко-секундному масштабі часу) фазові перетворення: плавлення - твердіння, фазові-переходи аморфа ¬ ве тверде тіло - кристал і кристал - аморфне тіло. Ці перетворення ведуть до структурних изменени ¬ ям приповерхневих шарів, до таких, як відновлення ¬ ня регулярної кристаллич.структури; аморфнзація напівпровідників і металів; освіта і зміна кристаллич. структури в панесенних на поверхню шарах; перерозподіл легуючих домішок з метою створення контрольованих профілів концентра-ції домішок; реакції між поверхневими шарами з утворенням сплавів, омічних контактів, напів-провідникових плівок; перерозподіл матеріалу на поверхні з утворенням впорядкованих поверх-невих структур.
Відновлення кристалічної структури. Іон ¬ ва імплантація допомогою опромінення полупровод ¬ ників іонними пучками широко використовується для кон-троліруемого введення в приповерхневі шари леги-ючий домішок [2].Зіткнення іонів пучка з ато-мами решітки призводять до порушення кристаллич. структури в приповерхневому шарі ТОВЩИНОЮ / імпле << 1 мкм, в к-ром виникають кластери точкових дефек ¬ тов, дислокації, а при великих дозах імплантації - аморфнзація. Для відновлення кристаллич. струк ¬ тури обичпо імплантовані зразки поміщають в піч при темп-рі Гогж-Ю3 К на час тогж ~ 20-40 хв, протягом к-рого відбувається твердофазна рекристалізація порушеного шару (т. зв. теплової від ¬ жиг, ТО). За такі великі часи домішки встигають продпффундіровать в глиб зразка на відстань до 1-2 мкм. Проте технологія виготовлення інтег-ральних схем вимагає обмеження товщини легують-ного шару на рівні ОД мкм. Л. о., А також швидкий ТО широкосмуговими некогерентного джерелами випромінювання відповідають цим вимогам.
При Л. о. лазерний пучок направляється на імплан-тірованние поверхню (мал.) і йод його впливом відбувається локальне відновлення кристаллич.структури; для отримання великих, безперервно отожжен пих областей лазерний цибулька або сам зразок сканується.
Л. о. пояснюється дією теплового механізму, відповідно з яким енергія лазерного випромінювання, що поглинається безпосередньо електронної підсисте-мій, практично миттєво (за час менше нико-секупди) шляхом поетапної електрон-електронної, елек-трон-фононної і фоноп-фоіонной релаксації пере ¬ дається в грати і нагріває її від вихідної темп-ри Т $ до значення Тптж (t), що змінюється у часі (ана-логічний нагрів може бути створений і при опроміненні електронними та іошшмі пучками, к-які також викорис-зуются для цілей ТО [ 6].)
В залежності від густини енергії імпульсу W, його тривалості ТН1 швидкості сканування (для не-перериваних лазерів), а також значень оітіч:. і тепло ¬ вих параметрів речовини реалізуються два осн. режиму нагріву і відповідно два режими Л. о.: імпульс-ний Л. о. (ІЛО), при к-ром 7 "отж> 7, пл-темп-ри плавлення, і безперервний Л. о. (НЛО) в режимі теплового потоку з темп-рій Т0гж <С.Тпз.
При ІЛО за час ти ~ 10 ~ 8 з тепло встигає поширення
дивна в глиб зразка на довжину, не перевищує
довжину поглинання. Для типових іаіосекунднихт, ^ 'а-
Зеров, використовуваних при ІЛО (друга гармоніка
Nd: YAG, Я = 0,532 мкм; рубіновий лазер, Я =
- 0,694 мкм, Дж/см2), довжина поглинання в
кремнії (Si) / поглинання = 2-10-4 см. Довжина дифузії тепла (2) Сті) 1, / г -1 "~ 4 см <* погл (коеф. теплопровідності ~ 0,2 см2 / с). Концентрація тепла в тонкому пріповерх-ностно шарі призводить до його плавлення при значеннях W, характерних для цих лазерів. Осн. умова ІЛО полягає в тому, щоб глибина розплаву / раслл <була більше / імпле »т-е-поверхневий шар повинен бути розплавлений до кристаллич. підкладки. Подальше-щая Жидкофазная япітаксіальнан рекристалізація при охолодженні розплаву призводить до відновлення кристаллич. структури.
Завдяки виникають в процесі ІЛО великим градієнтам темп-ри реалізуються великі швидкості руху фронтів розплаву (fpJCnj-i - Ю м / с) і рекрі-сталлізаціі (г> ~ 1 м / с), так що весь відпалюють цикл проходить всього за 100 пс .Оскільки нагріванням кристал-лич. підкладки протягом часу той, до можво дебати-Бреч, цей режим ІАЗ. також адіабатичним.

Цикл розплав - рекристалізація повністю уда ¬ ляет протяжні дефекти (дислокації і кластери точкових дефектів), але залишає після себе досить високу концентрацію (1013-1016 см-3) точкових де ¬ тів, поява яких брало, очевидно, пов'язано з ви ¬ сокой швидкістю рекристалізації при ІЛО. Пере ¬ пределеніе домішок в глиб зразка відбувається на довжині дифузії в рідкій фазі {20Ж тотже) 1'' 2 ^; ~ 0,4-10-йсм (коеф. дифузії в рідкій фазі Ьж ~ ~ 10-4 см2 / с). При багаторазовому імпульсному воздейст ¬ вии за рахунок цього ефекту може бути сформований прямокутний профіль розподілу домішок.
Режим НЛО (режим теплового потоку) здійснює ¬ ся скануванням пучка непреривпого лазера (напр., аргонового потужністю 20 Вт). Час відпалу в цьому режимі тотже ~ 1-10 мс. Довжина дифузії тепла (2Хт0Т1К) '* ~ Ю ~ 2-10-1 см, тобто по всій товщині образ ¬ ца d (рис.) встановлюється градієнт темп-ри, обумовлюються люють тепловий потік від вхідних грані до вихід ¬ною. Розподіл темп-ри в площині облучаемой поверхні сильно неоднорідне [(2% хотш) '^ <Л, де R - характерний поперечний розмір зразка (7?> D) j, тому для отримання однорідного відпалу необхідно сканування променя.
При НЛО Тогж <^ пл 'так що отжиг відбувається за рахунок твердофазної енітаксіальной кристалізації. Іони за час відпалу встигають продіффундіровать всього на ~ 10 ~ 7 см, тобто при НЛО перерозподілу домішок практично не відбувається. Одіако нек-рої кількість залишкових дефектів, іноді погіршують електричні. властивості відпалених шарів, все ж залишається.
Аморфнзація. Одним з наиб, важливих факторів, що визначають характер твердіння з розплаву при ІЛО, є швидкість руху фронту розділу жид ¬ кою і твердої фаз. При досить малих значеннях v утворюється кристаллич. фаза.Однак у міру росту v збільшується число залишкових дефектів, а при переви ¬ шеніі пек-рого критич. значення 1? кр утворюється аморфа-ная фаза (для Si експер. значення і ~ 15 м / с [4]).
Т-о., Крім відновлення регулярності кристал ¬ лич. решітки лазерне вплив може приводити до зворотного ефекту - аморфізації поверхневих шарів напівпровідників і металів (утворенню ме-талліч. стекол [4]). Аморфна фаза утворюється тому, що при великих v атоми просто не встигають зайняти со ¬ відповідні місця в кристаллич. решітці. Значення v зростає зі зменшенням глибини розплаву, посколь ¬ ку зростає градієнт темп-ри dTjdz ~ (Tnjl-Т0) / 1рас "д, тому в режимі ІЛО можна, зменшуючи інтенсив ¬ ність лазерного випромінювання (^ розплився прямо пропорційно ¬ нальна І7), досягти критич. значення ГКР при нек-ром кр ич. значенні WKV. Якщо лазерний пучок має гауссових розподіл інтенсивності але перетину ТУ (г), то аморфна фаза утворюється усередині кільця, центр к-рого збігається з центром лазерної плями, а внутр. і зовн. радіуси rt і Г3 визначаються з умов W {ri) = WKV і ІЧг2) = Іраслл1 де І ^ пл ~ гранична щільність імпульсу, при к-рой можливий розплав. Лазерна аморфнзація отримана на Si, Ge, GaAs при дії на них піко секундні імпульсів (к = - 0,532 мкм) і наносекундних імпульсів в УФ-днапа-зоні.
При імпульсному Л. о. швидкість руху фронту розплаву може досягати при УФ-порушення нано-секундними імпульсами значень 200 м / с, а швидкість затвердіння - 20 м / с (на п'ять порядків вище звичайні ¬ ної швидкості росту кристала); це дає унікальну можливість вивчення кінетики нерівноважних фазо ¬ вих переходів. Ще більші швидкості досягаються ори порушенні іікосскунднимп і фемтосекундного їм ¬ пульсами.
Інші структурні зміни при Л. о. Інтерес ¬ вим фіз. ефектом, пов'язаним зі зміною структури решітки при Л. о., є вибухова кристалізація.

Виникнення її зумовлено тим, що при кристал ¬ лізації нек-рій області виділяється прихована теплота кристалізації, к-рая призводить до підвищення темп-ри, що ще більше збільшує активаційний процес ви ¬ ділення прихованої теплоти, тобто кристалізацію. Про ¬ цес різко наростає, його можна розглядати як вибухову нестійкість (при цьому необхідно враховувати ¬ вать дифузію тепла). Вибухова кристалізація на ¬ блюдается при определ. умовах як в режимі ІЛО, так і при НЛО [3, 4].
Важливим ефектом імпульсного лазерного воздейст ¬ вия на конденсовані середовища є утворення періодичн. поверхневих структур - оптично наві ¬ дених грат. При взаємодії потужного лазер ¬ ного випромінювання з поверхнею в результаті винуж ¬ денного розсіяння на матеріальних поверхневих збудженнях (акустичних і капілярних хвилях, вільних випаровування) протягом тривалості імпульсу ти на поверхні наростають синусоїдальні (а також-складніші) хвилі модуляції рельєфу, що призводить до появи нелінійного експоненціально нарастаю ¬ ного в часі оптич. поглинання (поглинальна здатність поверхні може зростати більш ніж па порядок).
Двома перехресними когерентними світловими пучками може бути здійснений інтерференційний імпульсний Л. о., К-рий призводить до створення в при ¬ поверхневому шарі напівпровідника періодичн. після-послідовності кристаллич. (Відпалених) і аморфних (невідпалений) ділянок.Така штучна пери ¬ одіч. поверхнева структура, легко обнаруживаемая при дифракції падаючого на неї зондуючого оп ¬ тич. пучка, дуже зручна для дослідження умов ро ¬ ста поверхневих кристаллич. шарів, вона дозволяє досить точно визначати порогові значення щільності енергії та глибину кристалізованого шару.
Крім необоротних грат (що залишилися іосле дей ¬ ствия лазерного імпульсу) спостерігаються і оборотні решітки, що існують тільки протягом тривалості імпульсу. Такі оборотні решітки виникають при дії лазерних імпульсів на розплави полупровод ¬ ників, на рідкі метали. Спостерігаються не тільки одномірні, ио і двовимірні структури, а також більш складні впорядковані освіти. Періоди оріен ¬ тації грат істотно залежать від характеристик лазерного випромінювання - кута падіння, поляризації, частоти, енергії [5].
Незважаючи на те, що Л. о. вже досить добре освоєний технологічно, є ще ряд принципо ¬ них фіз. питань, що стосуються експериментів з ІЛО в наносекундному, пикосекундной і фемтосекундного діапазонах і поведінці напівпровідників у сильному лазерному нулі (з інтенсивністю 107 -1012 Вт/см2). Це питання про характер і швидкості електронної, елек-трон-фоноіной і фонон-фононної релаксації при генерації вільних носіїв з щільністю до 1022 в см3 за часи (10 ~ 9-Ю-14) с, про стан, в якому на ¬ ходится ця надщільна електронно-діркова плазма. Не з'ясований остаточно (особливо в фемтосекундного і пикосекундной діапазонах) механізм плавлення кристала під дією лазера: чи має він місце завдяки звичайному нагріванню грати або завдяки виникненню плазменно-індукованих м'яких фо-нонних мод; чи відбувається плавлення після того, як отримана гратами енергія термалізуется середу всіх фононних мод, або коли вона залишається сосредото ¬ ною в короткохвильовому ділянці зони Бріллюена, а фонони в центрі зони залишаються холодними. Ці во ¬ тання інтенсивно досліджуються теоретично та експери-ментально. Для остаточного їх дозволу першо ¬ ступеневу важливість має адекватна експер. діаг ¬ ностика.Питання про фіз. механізмі Л. о. послужив мощ ¬ вим стимулом для розвитку різноманітних методів діагностики надшвидких лазерно-індукованих фазових перетворень на поверхні. До них відносяться:

лінеіно-оптич. діагностика (спектроскопія відображення і пропускання), гавкаюча інформацію про динаміку електронно-діркової плазми і фронтів плавлення і затвердіння; рентген. діагностика (дифракція) з вре-менним дозволом в наносекундному діапазоні, чувст-вітельно до стану неск. сотень приповерхневих атомних шарів; дифракція повільних електронів, що дає інформацію про тимчасову динаміці структур ¬ них змін всього лише нсск.поверхневих атом ¬ них шарів; ро. спектроскопія, нестаціонарна електропровідність та ін (див. (5, 6]). Крім лінійно-оптич. методів все зростаючу роль відіграють нелінійних-но-оптич. методи діагностики - генерація оптич. гар-Моніка і комбінаційних частот на відображення, дають структурну інформацію [5], а також пи ко-і фемто-секундна спектроскопія комбінаційного розсіяння на оптич. фононах, плазмонов і акустичні. коливаннях лазерно-порушеної кристала, «гібридна» тих-ника лазерної пікосекундпой електронографії [5], фотоемісія.
Літ.: 1) Штирков Е. І. та ін, Іоннолегіроваіний
шар - новий матеріал для запису голограм, «Оптика н спек-
троскопія », 1975, т. 38, с. 1031, 2) Імпульсний отжиг напів-
вих матеріалів, Новосиб .. 1982, 3) Laser and electron-
beam interactions with solids, ed. by В. R. Appleton, G. K. Gel-
ler, N. Y., 1982; 4) Laser-solid interactions and transient thermal
processing of materials, N. Y., 1983; 5) A x м а н о в С. А. та
ін, Вплив потужного лазерного випромінювання на поверхню
напівпровідників і металів, «УФН», 1985, т. 147, С. 675; 6)
Energy beam-solid interactions and transient thermal processing,
Pittsburg, 1985. В. H. Ємельянов.