Лазерный отжиг. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лазерный отжиг - в узком, первонач. смысле восстановление под действием лазерного излучения кристаллич. структуры приповерхностных слоев полупроводников, нарушенной ионной имплантацией; открыт в 1975 в СССР [1]. Под Л. о. в широком смысле понимают структурные изменения, возникающие на поверхности полупроводников, металлов и диэлектриков под действием как импульсного, так и непрерывного лазерного излучения. При действии на полупроводник лазерного излучения с энергией кванта больше ширины запрещённой зоны поглощение света происходит в тонком приповерхностном слое толщиной

10~⁴-10~^в см. При импульсном воздействии, когда интенсивность излучения велика (I

10⁶-10¹² Вт/см²), в этом слое происходят быстрые (в нано-, пико- и даже субпикосекундном масштабе времени) фазовые превращения: плавление - отвердевание, фазовые переходы аморфное твёрдое тело - кристалл и кристалл - аморфное тело. Эти превращения ведут к структурным изменениям приповерхностных слоев, к таким, как восстановление регулярной кристаллич. структуры; аморфизация полупроводников и металлов; образование и изменение кристаллич. структуры в нанесённых на поверхность слоях; перераспределение легирующих примесей с целью создания контролируемых профилей концентрации примесей; реакции между поверхностными слоями с образованием сплавов, омических контактов, полупроводниковых плёнок; перераспределение материала на поверхности с образованием упорядоченных поверхностных структур.

Восстановление кристаллической структуры. Ионная имплантация посредством облучения полупроводников ионными пучками широко используется для контролируемого введения в приповерхностные слои легирующих примесей [2]. Столкновения ионов пучка с атомами решётки приводят к нарушению кристаллич. структуры в приповерхностном слое толщиной l_импл<1 мкм, в к-ром возникают кластеры точечных дефектов, дислокации, а при больших дозах имплантации - аморфизация. Для восстановления кристаллич. структуры обычно имплантированные образцы помещают

в печь при температуре Т_ОТЖ

10³ К на время

20-40 мин, в течение к-рого происходит твердофазная рекристаллизация нарушенного слоя (т. н. тепловой отжиг, ТО). За столь большие времена примеси успевают продиффундировать в глубь образца на расстояние до 1-2 мкм. Однако технология изготовления интегральных схем требует ограничения толщины легированного слоя на уровне 0,1 мкм. Л. о., а также быстрый ТО широкополосными некогерентными источниками излучения отвечают этим требованиям.

При Л. о. лазерный пучок направляется на имплан-тированную поверхность (рис.) и под его воздействием происходит локальное восстановление кристаллич. структуры; для получения больших, непрерывно отожжённых областей лазерный пучок либо сам образец сканируется.

Схема проведения лазерного отжига: d - толщина образца; Л - поперечный размер образца; l_импл- толщина имплантированного слоя.

Л. о. объясняется действием теплового механизма, в соответствии с к-рым энергия лазерного излучения, поглощаемая непосредственно электронной подсистемой, практически мгновенно (за время меньшее пикосекунды) путём поэтапной электрон-электронной, элек-трон-фононной и фонон-фононной релаксации передаётся в решётку и нагревает её от исходной температуры Т₀до значения T_oтж (t), изменяющегося во времени (аналогичный нагрев может быть создан и при облучении электронными и ионными пучками, к-рые также используются для целей ТО [6].)

В зависимости от плотности энергии импульса W, его длительности t_и, скорости сканирования (для непрерывных лазеров), а также значений оптич. и тепловых параметров вещества реализуются два осн. режима нагрева и соответственно два режима Л. о.: импульсный Л. о. (ИЛО), при к-ром T_отж>T_пл- температуры плавления, и непрерывный Л. о. (НЛО) в режиме теплового потока с температурой T_ОТЖ<Т_ПЛ.

При ИЛО за время

10^-8 с тепло успевает распространиться в глубь образца на длину, не превышающую длину поглощения. Для типичных наносекундных лазеров, используемых при ИЛО (вторая гармоника Nd : YAG,

=0,532 мкм; рубиновый лазер,

=0,694 мкм, W

0,5 Дж/см²), длина поглощения в кремнии (Si) l_погл-2*10^-4 см. Длина диффузии тепла

^-4 см<l_погл (коэф. теплопроводности

0,2 см²/с). Концентрация тепла в тонком приповерхностном слое приводит к его плавлению при значениях W, характерных для этих лазеров. Осн. условие ИЛО заключается в том, чтобы глубина расплава l_распл была больше l_ИМПЛ, т. е. поверхностный слой должен быть расплавлен до кристаллич. подложки. Последующая жидкофазная эпитаксиальная рекристаллизация при остывании расплава приводит к восстановлению кристаллич. структуры.

Благодаря возникающим в процессе ИЛО большим градиентам температуры реализуются большие скорости движения фронтов расплава (

10 м/с) и рекристаллизации (

1 м/с), так что весь отжигающий цикл проходит всего за 100 нc. Поскольку нагревом кристаллич. подложки в течение времени

можно пренебречь, этот режим наз. также адиабатическим.

Цикл расплав - рекристаллизация полностью удаляет протяжённые дефекты (дислокации и кластеры точечных дефектов), но оставляет после себя довольно высокую концентрацию (10¹³-10¹⁵ см^-3) точечных дефектов, появление к-рых, по-видимому, связано с высокой скоростью рекристаллизации при ИЛО. Перераспределение примесей в глубь образца происходит на длине диффузии в жидкой фазе

0,4*10^-6см (коэф. диффузии в жидкой фазе D_ж

10^-4 см²/с). При многократном импульсном воздействии за счёт этого эффекта может быть сформирован прямоугольный профиль распределения примесей.

Режим НЛО (режим теплового потока) осуществляется сканированием пучка непрерывного лазера (напр., аргонового мощностью 20 Вт). Время отжига в этом режиме

1 -10 мс. Длина диффузии тепла

10^-2-10^-1 см, т. е. по всей толщине образца d (рис.) устанавливается градиент температуры, обусловливающий тепловой поток от входной грани к выходной. Распределение температуры в плоскости облучаемой поверхности сильно неоднородно

<R, где R - характерный поперечный размер образца (R

d)], поэтому для получения однородного отжига необходимо сканирование луча.

При НЛО T_отж<T_пл) так что отжиг происходит за счёт твердофазной эпитаксиальной кристаллизации. Ионы за время отжига успевают продиффундировать всего на

10^-7 см, т. е. при НЛО перераспределения примесей практически не происходит. Однако нек-рое количество остаточных дефектов, иногда ухудшающих электрич. свойства отожжённых слоев, всё же остаётся.

Аморфизация. Одним из наиб. важных факторов, определяющих характер отвердевания из расплава при ИЛО, является скорость движения фронта раздела жидкой и твёрдой фаз. При достаточно малых значениях

образуется кристаллич. фаза. Однако по мере роста

увеличивается число остаточных дефектов, а при превышении нек-рого критич. значения

образуется аморфная фаза (для Si эксперим. значение

15 м/с [4]).

Т. о., кроме восстановления регулярности кристаллич. решётки лазерное воздействие может приводить к обратному эффекту - аморфизации поверхностных слоев полупроводников и металлов (образованию ме-таллич. стёкол [4]). Аморфная фаза образуется потому, что при больших v атомы просто не успевают занять соответствующие места в кристаллич. решётке. Значение v возрастает с уменьшением глубины расплава, поскольку возрастает градиент температуры

(Т_пл- T₀)/l_расnл, поэтому в режиме ИЛО можно, уменьшая интенсивность лазерного излучения (l_распл прямо пропорциональна W), достичь критич. значения v_кр при нек-ром критич. значении W_kp Если лазерный пучок имеет гауссово распределение интенсивности по сечению W(r), то аморфная фаза образуется внутри кольца, центр к-рого совпадает с центром лазерного пятна, а внутр. и внеш. радиусы r₁ и r₂ определяются из условий W(r₁)=W_Kp и W(r₂)=W_pacnл, где W_распл - пороговая плотность импульса, при к-рой возможен расплав. Лазерная аморфизация получена на Si, Ge, GaAs при действии на них пикосекундных импульсов (

=0,532 мкм) и наносекундных импульсов в УФ-диапазоне.

При импульсном Л. о. скорость движения фронта расплава может достигать при УФ-возбуждении наносекундными импульсами значений 200 м/с, а скорость отвердевания - 20 м/с (на пять порядков выше обычной скорости роста кристалла); это даёт уникальную возможность изучения кинетики неравновесных фазовых переходов. Ещё большие скорости достигаются при возбуждении пикосекундными и фемтосекундными импульсами.

Другие структурные изменения при Л. о. Интересным физ. эффектом, связанным с изменением структуры решётки при Л. о., является взрывная кристаллизация.

Возникновение её обусловлено тем, что при кристаллизации нек-рой области выделяется скрытая теплота кристаллизации, к-рая приводит к повышению температуры, что ещё более увеличивает активационный процесс выделения скрытой теплоты, т. е. кристаллизацию. Процесс резко нарастает, его можно рассматривать как взрывную неустойчивость (при этом необходимо учитывать диффузию тепла). Взрывная кристаллизация наблюдается при определ. условиях как в режиме ИЛО, так и при НЛО [3, 4].

Важным эффектом импульсного лазерного воздействия на конденсированные среды является образование периодич. поверхностных структур - оптически наведённых решёток. При взаимодействии мощного лазерного излучения с поверхностью в результате вынужденного рассеяния на материальных поверхностных возбуждениях (акустических и капиллярных волнах, волнах испарения) в течение длительности импульса т„ на поверхности нарастают синусоидальные (а также более сложные) волны модуляции рельефа, что приводит к появлению нелинейного экспоненциально нарастающего во времени оптич. поглощения (поглощательная способность поверхности может возрастать более чем на порядок).

Двумя скрещивающимися когерентными световыми цучками может быть осуществлён интерференционный импульсный Л. о., к-рый приводит к созданию в при-поверхностном слое полупроводника периодич. последовательности кристаллич. (отожжённых) и аморфных (неотожжённых) участков. Такая искусственная периодич. поверхностная структура, легко обнаруживаемая при дифракции падающего на неё зондирующего оптич. пучка, очень удобна для исследования условий роста поверхностных кристаллич. слоев; она позволяет весьма точно определять пороговые значения плотности энергии и глубину кристаллизованного слоя.

Кроме необратимых решёток (оставшихся после действия лазерного импульса) наблюдаются и обратимые решётки, существующие только в течение длительности импульса. Такие обратимые решётки возникают при действии лазерных импульсов на расплавы полупроводников, на жидкие металлы. Наблюдаются не только одномерные, но и двумерные структуры, а также более сложные упорядоченные образования. Периоды ориентации решёток существенно зависят от характеристик лазерного излучения - угла падения, поляризации, частоты, энергии [5].

Несмотря на то, что Л. о. уже достаточно хорошо освоен технологически, имеется ещё ряд принципиальных физ. вопросов, касающихся экспериментов по ИЛО в наносекундном, пикосекундном и фемтосекундном диапазонах и поведению полупроводников в сильном лазерном поле (с интенсивностью 10⁷-10¹² Вт/см²). Это вопросы о характере и скорости электронной, электрон-фононной и фонон-фононной релаксации при генерации свободных носителей с плотностью до 10²² в см³ за времена (10^-9-10^-14) с, о состоянии, в к-ром находится эта сверхплотная электронно-дырочная плазма. Не выяснен окончательно (особенно в фемтосекундном и пикосекундном диапазонах) механизм плавления кристалла под действием лазера: имеет ли он место благодаря обычному нагреву решётки или благодаря возникновению плазменно-индуцированных мягких фо-нонных мод; происходит ли плавление после того, как полученная решёткой энергия термализуется среди всех фононных мод, или когда она остаётся сосредоточенной в коротковолновом участке зоны Бриллюэна, а фононы в центре зоны остаются холодными. Эти вопросы интенсивно исследуются теоретически и экспериментально. Для окончательного их разрешения первостепенную важность имеет адекватная эксперим. диагностика. Вопрос о физ. механизме Л. о. послужил мощным стимулом для развития разнообразных методов диагностики сверхбыстрых лазерно-индуцированных фазовых превращений на поверхности. К ним относятся: линейно-оптич. диагностика (спектроскопия отражения и пропускания), дающая информацию о динамике электронно-дырочной плазмы и фронтов плавления и отвердевания; рентг. диагностика (дифракция) с временным разрешением в наносекундном диапазоне, чувствительная к состоянию неск. сотен приповерхностных атомных слоев; дифракция медленных электронов, дающая информацию о временной динамике структурных изменений всего лишь неск. поверхностных атомных слоев; акустич. спектроскопия, нестационарная электропроводность и др. (см. [5, 6]). Кроме линейно-оптич. методов всё возрастающую роль играют нелинейно-оптич. методы диагностики - генерация оптич. гармоник и комбинационных частот на отражение, дающих структурную информацию [5], а также пико- и фемтосекундная спектроскопия комбинационного рассеяния на оптич. фононах, плазмонах и акустич. колебаниях лазерно-возбуждённого кристалла, "гибридная" техника лазерной пикосекундной электронографии [5], фотоэмиссия.

Литература по лазерному отжигу

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.