CC BY
28
С.В. Железный, В.А. Логинов, Е.А. Москалева
кандидат технических кандидат технических
наук, доцент наук, доцент, Военный
учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»
АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ СВЕТОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
ANALYSIS OF SURFACE MORPHOLOGY CHANGES IN SEMICONDUCTOR RADIOMATERIALS BY PULSE LIGHT
EFFECTS
Распространенным методом технологии полупроводниковых материалов, используемых при создании приборов электронной техники, является обработка поверхности полупроводников импульсным когерентным и некогерентным излучением. При режимах импульсного воздействия, приводящих к нарушению морфологии поверхности, образуются локальные области плавления. Плавление и дальнейшая кристаллизация материала носят анизотропный характер. Экспериментально обнаружена связь плотности локальных областей плавления и их линейных размеров. В результате решения задачи теплопроводности получено теоретическое соотношение линейных размеров локальных областей плавления и расстояния между ними.
A common method of technology of semiconductor materials used in the creation of devices of electronic equipment, is a surface treatment of semiconductor pulsed coherent and incoherent radiation. When modes of impulsive action, leading to disruption of the surface morphology, local melting regions are formed. Melting and crystallization further material are anisotropic. The experimentally observed relationship between the density of local areas of melting and their linear dimensions. As a
result of solving the heat problem is obtained theoretical ratio of the linear dimensions of local areas of melting and the distance between them.
При создании полупроводниковых приборов модификация свойств приповерхностных слоев материала может проводиться различными способами: механическими, химическими, термическими, бомбардировкой элементарными частицами и другими. При создании радиокомпонентов и особенно элементов интегральной электроники на основе элементарных и бинарных полупроводниковых материалов, таких, как материалы А4 (Si, Ge), А3В5 (GaAs, InP), широкое применение находит метод обработки полупроводников концентрированными потоками энергии [1]. Наряду со стационарным широко применяется импульсный режим обработки, что связано с особыми преимуществами, такими как локальность воздействия, возможность точного управления процессом, уменьшение диффузионных и химических взаимодействий, возможность высокоэнергетичной обработки материала. Световое импульсное воздействие применяется в технологии отжига ионно-имплантированных слоев, геттериро-вания дефектов, кристаллизации аморфных слоев, отжига и генерации дефектных центров в приповерхностных областях кристаллов. Технология обработки поверхности полупроводника когерентным и некогерентным импульсным излучением, позволяющая проводить обработку тонких поверхностных слоев, особенно актуальна при производстве БИС и СБИС, в том числе по планарным микро- и нанотехнологиям.
Импульсное воздействие на приповерхностные слои полупроводников осуществляется при помощи электронных пучков, специальных ленточных нагревателей, импульсного светового воздействия когерентным и некогерентным излучением. Импульсная световая обработка производится в широком временном диапазоне [2], от фемпто- и пикосекундной длительности до нескольких секунд. Именно возможность высокоэнергетичной обработки материала является основным преимуществом импульсного светового воздействия перед традиционными методами термического отжига. Локальная модификация приповерхностных слоев требует применения когерентного излучения лазеров различных типов, для обработки больших площадей целесообразно применение некогерентного излучения.
В технологии обработки поверхности полупроводника когерентным и некогерентным импульсным излучением можно выделить два основных режима воздействия по величине воздействия:
• допороговый — при котором не наблюдается нарушения морфологии поверхности;
• надпороговый — при котором такое нарушение наблюдается.
Допороговый режим позволяет проводить тонкую модификацию свойств материала в твердой фазе, в том числе — введение в приповерхностную область различных точечных дефектов и их отжиг.
Надпороговый режим сопровождается как общим (планарным) плавлением поверхности, так и представляющим особый интерес появлением локальных областей плавления (ЛОП) [2,3]. Возможно также изменение стехиометрического состава приповерхностных слоев за счет выделения летучей компоненты (в случае бинарных полупроводников). Надпо-роговый режим значительно расширяет возможности механизмов плавления и кристаллизации. В [4] проведено исследование механизмов микроструктурирования системы на основе кремния в допороговом режиме и показано, что с ростом дозы излучения происходит увеличение площади расплава с последующим слиянием этих областей.
Изучение механизмов эффекта локального анизотропного плавления поверхности позволяет получать дополнительную информацию о влиянии плотности мощности излучения на вещество и закономерностях зародышеобразования локальной жидкой фазы. Наблюдаемый при воздействии на монокристаллические полупроводники мощного некогерентного
излучения эффект известен давно и описан, например, в [5]. Речь идет о формировании локальных областей плавления. Заключается этот эффект в том, что характерные локальные области имеют форму растущих внутрь полупроводника сужающихся образований, в отдельных случаях представляющих собой правильные геометрические фигуры, что обусловлено анизотропией теплофизических свойств материала. Локальные области плавления в зависимости от параметров импульса излучения имеют размеры 10—2000 мкм и формируются с плотностью 0—107 см -2. С увеличением плотности областей плавления их линейные размеры уменьшаются.
Самым распространенным и по-прежнему перспективным материалом для производства современных БИС и СБИС является кремний. Для монокристаллического кремния локальные области плавления имеют форму пирамид (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Фотографии поверхности образцов монокристаллического кремния, подвергнутых импульсному световому облучению в режиме локального плавления [2], с кристаллографической ориентацией: а) (100), б) (111).
В качестве объектов для исследования были взяты пластины монокристаллического кремния и германия с ориентацией (111) и (100). Обработка импульсным некогерентным излучением производилась при помощи промышленной установки лучевого отжига УОЛ.П-1 с диапазоном излучения 200—1600 нм. Длительность импульса излучения ~0,1 с. Изменение морфологии поверхности кремния после импульсного светового воздействия производилось при помощи оптической микроскопии при увеличениях х300... х500.
Пластины кремния облучались некогерентным излучением с плотностью энергии Жизл, превышающей порог плавления. При этом формировались локальные области плавления треугольной формы для ориентации (111) (рис.1, б). На рис. 2 представлена зависимость пороговой плотности энергии, необходимой для достижения температуры плавления на поверхности кремния (кривая 1) и германия (кривая 2), от толщины пластины.
Экспериментальная зависимость объема образовавшейся жидкой фазы V и размеров ЛОП L от их поверхностной концентрации N приведена на рис. 3 [6]. Как видно из графика, объем расплава и размеры ЛОП обратно пропорциональны их поверхностной концентрации, однако при N > 4 104 см-2 размеры локальной области плавления практически не зависят от плотности центров плавления.
Процесс образования ЛОП можно представить как последовательность трех этапов: нагрев кристалла до температуры плавления, зарождение и рост областей расплава в условиях перегрева кристалла, рост расплавленных областей при охлаждении перегретого кристалла до температуры кристаллизации [7].
Рис. 2. Зависимость пороговой плотности энергии от толщины пластины, необходимой для достижения температуры плавления на поверхности кремния (кривая 1) и германия (кривая 2)
Рис. 3. Зависимость единичного объема и линейных размеров локальных областей плавления от плотности центров плавления в объеме жидкой фазы; (1) — экспериментальная
зависимость, (2) — теоретическая
Был введен ряд упрощающих предположений: ЛОП на поверхности кристалла образуют правильную сетку и имеют одинаковый размер, в объеме кристалла ЛОП представляет собой конус с тангенсом угла наклона v образующей конуса к основанию. В результате решения задачи теплопроводности было получено следующее соотношение линейных размеров ЛОП и расстояния между ними:
Ь_ В
В
2v
1 + 3
В4 ^ ё4
Т - т
^ п пл
Т
1 + 1 + -
1 + 3
В
В 4
ё ёз
(1)
3
3
где L — линейный размер ЛОП, D — расстояние между ЛОП, d0, d1, d2 — параметры, зависящие от свойств материала и его геометрических параметров, Тп — температура перегрева, Тш — температура плавления, Та = УСр (X — теплота плавления, Ср — теплоемкость кремния).
Расчеты по формуле (1) при Тп — Тпл = 5 K коррелируют с экспериментальными данными, полученными в [6], и при измерениях, описанных ниже, показывают удовлетворительное согласие с экспериментом.
Измерения линейных параметров и плотности локальных областей плавления производятся по фотографиям, подобным приведенным на рис 1. Современные технические средства позволяют существенно облегчить задачу исследователя и повысить точность измерений. Простым методом наблюдения и измерения является метод оптической микроскопии с подключением к микроскопу web-камеры и компьютера [8]. Пример получаемой фотографии пластины монокристаллического кремния при использовании микроскопа с увеличением около х300, видеокамеры для микроскопа SXY-150 и компьютера с программным обеспечением S-Viewer приведен на рис. 4.
Средства редактора S-Viewer позволяют наилучшим образом настроить изображение. Измерение линейных размеров выполняется методом Drag-and-Drop, результат выводится на изображении (рис. 4).
Рис. 4. Вид окна редактора S-Viewer
Расчет ЛОП состоит в нахождении отношения количества ЛОП к площади участка поверхности, на котором они расположены. Для этого можно использовать имеющиеся в редакторе средства расчета площадей фигур и их маркировки. Элемент поверхности может в зависимости от настроек представлять собой окружность, прямоугольник или произвольную полигональную фигуру. С целью получения наиболее достоверных результатов необходимо получать данные по возможности с максимальной площади образца. Этого можно добиться соответствующими настройками микроскопа и редактора. На рис. 5 показан пример определения параметров, для наглядности область расчета ограничена.
Рис. 5. Определение параметров для расчета плотности локальных областей плавления
Пример определения всех измеряемых параметров локальных областей плавления показан на рис. 6. Если выводимые на экран данные плохо различимы вследствие пересечения с выведенными ранее, можно легко удалять уже имеющиеся данные.
Рис. 6. Вид окна редактора S-Viewer при определении параметров локальных областей плавления
Получаемые фотографии в чистом виде и с нанесенными данными легко сохранить на любой носитель информации в виде файлов с различным расширением, в том числе bmp, tiff, jpeg. Есть возможность записи видеофайла.
Значения параметров ЛОП, полученных данным методом, согласуются по характеру зависимости и уровню значений с численным расчетом, проведенным по формуле (1). Графики зависимостей приведены на рис. 7.
О ---1-------.--- О
1500 10000 ff см-2 ЮОООО 1000000
Рис. 7. Зависимость экспериментальных (/) и теоретических (L) размеров ЛОП от расстояния между центрами плавления (D)
Таким образом, экспериментально определена зависимость линейных размеров ЛОП от их поверхностной плотности. Предложена модель роста ЛОП. Получены теоретические значения для соотношения линейных размеров ЛОП и расстояний между ними. Использованы возможности современной измерительной и вычислительной техники для оптимизации процесса определения параметров ЛОП, наблюдающихся при изменении морфологии поверхности полупроводниковых радиоматериалов, подвергнутых импульсному световому воздействию.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ашиккалиева К. Х., Каныгина О. Н., Васильченко А. С. Модификация поверхности монокристаллического кремния при изотермическом и лазерном отжигах // Вестник ОГУ. — 2012. — № 9 (145). — С. 96—100.
2. Исследование in-situ локального плавления поверхности монокристаллического и имплантированного кремния при облучении импульсами света различной длительности / Я. В. Фаттахов, М. Ф. Галяутдинов, Т. Н. Львова, М. В. Захаров, И. Б. Хайбуллин // Вестник Нижегородского университета. Серия: Физика твердого тела. — 2003. — Вып. 1. — С. 35— 46.
3. The control of the Si surface quality with local melting region method / A. I. Plotnikov, S. I. Rembeza, V. A. Loginov, S. V. Zhelezny // Electron Technology / Warsawa. — 1994. — № 27, 3/4. — P. 97—106.
4. Скворцов А. М., Хуинь Конг Ту, Халецкий Р. А. Механизм микроструктурирования системы SiÜ2/Si при облучении сканирующим пучком импульсного волоконного лазера // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2013. — № 3 (85). — С. 137—143.
5. Heinig K. H. Effects of local melting on semiconductor surface // Zentralinst. Kernforsh. Rossendorf / Dresden. — 1985. — Pt. 1. — P. 265—279.
6. Влияние поверхностной плотности центров плавления на перегрев твердой фазы в условиях имульного нагрева полупроводников / А. Н. Плотников, В. А. Логинов, С. И. Рембе-за, С. В. Железный // Физика и химия обработки материалов. — 1992. — № 4. — С. 52—54.
7. О кинетике локального плавления под действием импульсного радиационного нагрева / И. Л. Батаронов, С. В. Железный, А. И. Плотников, С. И. Рембеза, А. М. Рощупкин // Тезисы докладов III Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов». Воронеж. — 1994. — С. 22—23.
8. Железный С. В., Москалева Е. А., Сычев И. В. Наблюдение морфологии поверхности радиоматериалов и элементов твердотельной техники // Молодой ученый. — 2016. — № 24 (128). — С. 15—19.
REFERENCES
1. Ashikkalieva K. H., Kanyigina O.N., Vasilchenko A. S. Modifikatsiya poverhnosti monokristallicheskogo kremniya pri izotermicheskom i lazernom otjigah // Vestnik OGU. — 2012. — № 9 (145). — S. 96—100.
2. Issledovanie in-situ lokalnogo plavleniya poverhnosti monokristallicheskogo i implanti-rovannogo kremniya pri obluchenii impulsami sveta razlichnoy dlitelnosti / YA. V. Fattahov, M. F. Galyautdinov, T. N. Lvova, M. V. Zaharov, I. B. Haybullin // Vestnik Nijegorodskogo universiteta. Seriya: Fizika tverdogo tela. — 2003. — Vyip. 1. — S. 35—46.
3. The control of the Si surface quality with local melting region method / A. I. Plotnikov, S. I. Rembeza, V. A. Loginov, S. V. Zhelezny // Electron Technology / Warsawa. — 1994. — № 27, 3/4. — P. 97—106.
4. Skvortsov A. M., Huin Kong Tu, Haletskiy R. A. Mehanizm mikrostrukturirovaniya sis-temyi SiO2/Si pri obluchenii skaniruyuschim puchkom impulsnogo volokonnogo lazera // Nauch-no-tehnicheskiy vestnik informatsionnyih tehnologiy, mehaniki i optiki. — 2013. — № 3 (85). — S. 137—143.
5. Heinig K. H. Effects of local melting on semiconductor surface // Zentralinst. Kernforsh. Rossendorf / Dresden. — 1985. — Pt. 1. — P. 265—279.
6. Vliyanie poverhnostnoy plotnosti tsentrov plavleniya na peregrev tverdoy fazyi v uslovi-yah imulnogo nagreva poluprovodnikov / A. N. Plotnikov, V. A. Loginov, S. I. Rembeza, S. V. Jeleznyiy // Fizika i himiya obrabotki materialov. — 1992. — № 4. — S. 52—54.
7. O kinetike lokalnogo plavleniya pod deystviem impulsnogo radiatsionnogo nagreva / I. L. Bataronov, S. V. Jeleznyiy, A. I. Plotnikov, S. I. Rembeza, A. M. Roschupkin // Tezisyi dokladov III Mejdunarodnoy konferentsii «Deystvie elektro-magnitnyih poley na plastichnost i prochnost materialov». Voronej. — 1994. — S. 22—23.
8. Jeleznyiy S. V., Moskaleva E. A., Syichev I. V. Nablyudenie morfologii poverhnosti ra-diomaterialov i elementov tverdotelnoy tehniki // Molodoy uchenyiy. — 2016. — № 24 (128). — S. 15—19.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Железный Сергей Владимирович. Начальник кафедры физики. Кандидат технических наук, доцент. Воронежский институт МВД России. E-mail: zhelezny@list.ru
Россия, 394065, г. Воронеж, просп. Патриотов, 53. Тел. (473) 262-52-60.
Логинов Владимир Александрович. Старший преподаватель кафедры физики и химии. Кандидат технических наук, доцент.
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина». E-mail: valoginov@mail.ru
Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А».
Москалева Екатерина Алексеевна. Доцент кафедры физики. Кандидат технических наук. Воронежский институт МВД России. E-mail: moskalyovaea@vimvd.ru
Россия, 394065, г. Воронеж, просп. Патриотов, 53. Тел. (473) 262-52-71.
Zhelezny Sergey Vladimirovich. Head of the chair of Physics. Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor. Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: zhelezny@list.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 2200-5260.
Loginov Vladimir Aleksandrovich. Associate Professor of the chair of Physics and Chemistry. Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor.
Military educational scientific center air force "Air force Academy named after Professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin".
E-mail: valoginov@mail.ru
Work address: Russia, 394064, Voronezh, Staryh Bolshevikov Str., 54 «А».
Moskaleva Ekaterina Alekseevna. Associate Professor of the chair of Physics. Candidate of Technical Sciences. Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: moskalyovaea@vimvd.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 2200-5267. Ключевые слова: поверхность полупроводников; локальное плавление; импульсное излучение. Key words: the surface of semiconductors; local melting; pulsed radiation. УДК 621.382
