CC BY
60
УДК 535.211:66.088
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СТОЛБИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУР
Денис Вячеславович Кочкарев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры физики, т. (383)3610836, e-mail: denlnsk@mail.ru
В статье приводится описание методики и результатов получения поверхностных структур на подложках из монокристаллического кремния под действием излучения твердотельного Nd:YAG лазера с наносекундной длительностью импульса.
Ключевые слова: импульсный лазер, микроструктуры, микростолбики, кремневая пластина.
EXPERIMENTAL STUDY OF LASER-INDUCED PROCESSES OF FORMATION POSTS MICROSTRUCTURES
Denis V. Kochkarev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Novosibirsk, Plahotnogo st., 10, engineer, department of physics, (383) 3610836, e-mail: denlnsk@mail.ru
The article describes the methods and results of obtaining surface structures on single crystal silicon substrates by the radiation solid-state Nd: YAG laser with nanosecond pulse duration.
Key words: pulsed laser, microstructure, micropost, silicon wafer.
В сообщении приводится описание методики и результатов получения поверхностных структур на подложках из монокристаллического кремния под действием излучения твердотельного Nd:YAG лазера с наносекундной длительностью импульса. На поверхности сформированы вертикальные микро-столбиковые структуры высотой до 10 мкм.
Сообщение составлено по результатам выполненной по гранту «Поиск путей формирования массивов квантовых точек методами лазерной активации диффузионных процессов в адсорбированных слоях» НИР [1, 2, 3].
При разработках технологий микроэлектронных устройств представляет интерес использование процессов самоорганизации подвергаемого лазерному облучению вещества при большой интенсивности излучения [4, 5], в том числе, в лазерных термохимических процессах [6, 7]. Известно применение в качестве формирующего фактора в таких процессах сил поверхностного натяжения расплавов, образующихся в фокальном пятне [8, 9].
Полученные в настоящей работе результаты относятся к исследованию процессов самоорганизации формирования на поверхности полупроводниковых подложек столбиковых микроструктур [10, 11, 12]. Возникновение структур активируется мощным сфокусированным лазерным излучением при наносекунд-ном плавлении и испарении приповерхностной локальной области подложки. В сообщении приводится описание методик получения структур и результаты предварительного микроскопного их исследования [13, 14, 15].
В качестве базовой для технологических исследований используется экспериментальная установка LCVD, описание которой приведено в [16].
Рис. 1. Упрощённая оптическая схема ввода излучения твердотельного лазера в лабораторную установку
При подготовке экспериментов, описываемых в настоящем сообщении, в качестве излучателя выбран наносекундный твердотельный №:УЛО лазер с удвоением частоты излучения. Упрощенная оптическая схема лабораторной установки с твердотельным лазером показана на рисунке 1.
Лабораторная установка включает следующие элементы: 1 -
твердотельный излучатель; 2 -коллиматор (расширитель) лазерного пучка; 3 -диафрагма пространственного фильтра; 4 - маска, формирующая
конфигурацию поперечного сечения пучка излучения; 5 - вставное
непрозрачное зеркало; 6 - объектив, формирующий изображение маски 4 на поверхности подложки 7 в ИК-лучах или маски 15 в УФ свете азотного лазера 13 и видимом свете излучателя 23; 8 - координатный столик; 9 - парогазовая смесь; 10 - формирователь парогазовой струи. Установка содержит также источники 11 и 12 подсветки подложки, использующие галогенные лампы накаливания; азотный лазер 13 и коллиматор 14 его излучения; маску 15, изображаемую на подложку объективом 6, когда зеркало 5 выдвинуто и позволяет излучению азотного лазера проходить к подложке; окуляр 16, формирующий изображение подложки для наблюдателя 17, когда зеркало 5 выдвинуто; зеркала 18 - 21, 24, 25.
Излучение твердотельного №:УЛО лазера с удвоением частоты излучения содержит вследствие малой эффективности кристалла - удвоителя две линии спектра излучения: инфракрасное излучение с длиной волны 1,06 мкм и видимое излучение, что требует установки светофильтра 22.
При экспериментах используется полупроводниковая кремниевая монокристаллическая подложка, поверхность которой обдувается струёй инертного газа (азота или аргона).
Используемое лазерное излучение кремнием поглощается: при комнатной температуре на длине волны 1,06 мкм коэффициент поглощения кремния а «(2-4) см-1, на длине волны 0,53 мкм а «4-Ю3 см”1 [9], то есть, глубина
поглощения а” излучения приблизительно составляет (0,25-0,5) см и 2,5 мкм, соответственно.
По мере нагревания подложки поглощённым излучением коэффициенты поглощения полупроводников растут: при расплавлении коэффициент поглощения в кремнии на длине волны А,=1,06 мкм увеличивается до а ~106см при X =0,53 мкм увеличивается до а«1,3-106 см 1. поэтому в начале действия лазерного импульса нагреваются глубинные слои подложки, затем глубина проникновения излучения уменьшается, излучение поглощается поверхностными слоями. В расплавленном кремнии на длине волны 1,06 мкм излучение проникает на глубину 0.02 мкм, и выделившаяся теплота внутрь подложки распространяется за счёт теплопроводности подложки. По оценкам, при использовании наносекундного импульсного излучения с интенсивностью поряд-
12 2
ка 10 Вт/м за время импульса подложка может в области фокального пятна плавиться и испаряться, что приводит к термогидромеханическим эффектам формирования объёмных структур на поверхности подложки [17, 18, 19].
При проведении экспериментов в качестве подложки использовались полированные пластины монокристаллического кремния, излучение твердотельного лазера фокусировалось объективом с фокусным расстоянием 25 мм , длительность импульса излучения 16 нс, частота импульсов 10 Гц. Использовались режимы облучения:
- при использовании светового потока без фильтрации (то есть, содержащего инфракрасное излучение с длиной волны 1,06 мкм и удвоенной частоты с длиной волны 0,53 мкм средняя мощность падающего на подложку излучения, мВт 5,9;
- средняя мощность падающего на подложку излучения на длине волны 1,06 мкм, 4,5 мВт;
- максимальная мощность инфракрасной доли излучения в импульсе, 28,125 кВт;
- положение фокуса объектива на поверхности 25 мм;
- средний размер фокального пятна на подложке (25-100) мкм;
- расчётная плотность мощности инфракрасного излучения в центре, 3,6• 108-5,6-109 Вт/см2
Для оценок приращения температуры подложки под действием лазерного излучения температура в центре фокального пятна при гауссовском распределении интенсивности излучения по пятну определялась при условии пренебрежения проникновением излучения в расплавленный слой формулой [3]:
1 Г) т 1/2 ~ °Г„; (1.1) у/2 ктрс
3 3
где р - плотность подложки (для расплава кремния 2,2*10 кг/м );
кт - теплопроводность, при 1000К 31 Вт/(м*К); с - удельная
теплоёмкость, при 1500°С 1013 Дж/(кг*К); г - длительность лазерного
импульса; Я -коэффициент отражения кремния, /0 Вт/м - интенсивность падающего на поверхность излучения.
На оптическом и электронном снимках, приведённых на рисунках 2 и 3, показана поверхность кремниевой подложки после воздействия в течение 30 с излучения твердотельного лазера без использования фильтров для разделения излучений на основной и удвоенной частотах [20]. На снимках видны два кратера диметром порядка 10 мкм каждый, образовавшихся в областях фокусировки поперечных мод излучения, и выпуклости плёночного осадка, предположительно, образовавшиеся при выплеске расплавленного кремния из кратера.
Рис. 2. Оптический микроснимок поверхности подложки после воздействия излучения лазера с удвоением частоты и суммарной (длина волны 0,53
о о
и 1,06 мкм) плотностью мощности 4,7-10 Вт/см в течение 30 с
А
\
10 л* 3.3 к и 1.42ЕЗ 0007/00 КНЕНН1Р
Рис. 3. СЭМ снимок поверхности подложки, показанной на рис. 2
На рис. 4 показаны структуры на поверхности, выращенные в условиях получения структур, как на рисунке 2, но уменьшенным до 5 с временем облучения подложки. Структуры, представленные на рисунках 5 и 6, получены при облучении в том же режиме, но при времени облучения 20 и 25 с.
Рис. 4. СЭМ снимок структуры со столбиками. Видны кратер на поверхности островка рения и иглоподобные структуры по его периметру. Структура получена в условиях, как на рисунке 3; время облучения уменьшено
до 5 с (50 импульсов)
Рис. 5. СЭМ снимок с кратером на поверхности и столбиками. Структура получена в условиях, как рисунке 3; время облучения 20 с (200 импульсов)
0.1 «.і 9.3 к и 7.10Е2 0017/00 КРЕИШР
Рис. 6. СЭМ снимок островка рения с кратером на поверхности. Структура получена в условиях, как на рисунке 3; время облучения 25 с (250 импульсов)
Анализ изображений на фотографиях рисунков 2 - 6 показывает, что на структурах присутствуют кратеры с оплавленными краями диаметром порядка 10 мкм, и «столбики» высотой до 10 мкм и диаметром (1-3) мкм. Поверхность столбиков, вероятно, имеет оплавленный характер, и они расположены преимущественно по периметру кратеров; на поверхности подложки вблизи кратеров имеются каплевидные образования с поперечником 2 мкм и менее. Отмечено, что уменьшение интенсивности излучения в разы приводит к отсутствию на подложка кратеров и столбиков. При получении структур использовалось излучение, в котором имелись обе компоненты светового потока лазера с удвоением частоты с длинами волн 0,53 мкм и 1,06 мкм, причём инфракрасное излучение преобладало.
Можно сделать следующие выводы о происхождении структур на снимках. Оплавленный характер столбиков и краёв кратеров говорит о том, что во время лазерного импульса температура поверхности в местах вблизи кратеров была выше температуры плавления кремния (1688 К); кратер мог образоваться за счёт выброса расплава материала подложки из глубины наружу давлением паров кипящего кремния, что заставляет полагать, что внутри кратеров температура превышала температуру кипения кремния (3522 К); в результате выброса расплавленного кремния из кратера образовались расположенные по периметру кратера столбики и каплевидные частицы на поверхности вдали от кратера. Оценка приращения температуры в центра фокального пятна в конце лазерного импульса при интенсивности излучения Іо= 1012 Вт/м2 даёт значение Л7'=8700°С; характерные повреждения поверхности подложки подтверждают правильность этой оценки.
Столбики могли образоваться не обязательно из выплеснутого расплава, могла происходить конденсация пара кремния на случайно расположенных на периметре кратера выступах, которые становились зародышами столбиков.
Приблизительно гауссовское распределение интенсивности лазерного излучения в области моды и наличие нескольких поперечных мод по сечению пучка привело к тому, что достаточная для образования кратеров интенсивность была в малой области фокального пятна или в двух - трёх таких областях [21,22,23,24].
К настоящему моменту анализ причин возникновения микростолбиков не завершен; разрабатывается аналитическая модель происходящих при наносе-кундном лазерном облучении полупроводниковых подложек процессов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Поиск путей формирования массивов квантовых точек методами лазерной активации диффузионных процессов в адсорбированных слоях: Отчёт о НИР (промежут.) / Сиб. гос. геодез. акад.; рук. Шергин С.Л. ; исполн. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Кочкарев Д.В., Кузнецов М.В., Лаптев Е.В. - Новосибирск, 2012. - 23 с. - ГР 012011.72851. - Инв. № . - Этап 4
2. Карпик А.П. Программа стратегического развития академии - основа подготовки элитных специалистов для реального сектора экономики / А.П. Карпик // Интеграция образовательного пространства с реальным сектором экономики. - Новосибирск: СГГА, 2012. т.Ч. 1. - С. 3-6.
3. Карпик А. П. Региональный университет как кластер инновационных знаний / А.П. Карпик, А.В. Шабурова // Единое информационно-образовательное пространство современного университета. - Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 17-22.
4. Прохоров А.М., Конов В.И., Урсу И., Михайлеску Й. Взаимодействие лазерного излучения с металлами М.:Наука, 1988.-537с.
5. Арутюнян Р.В., Баранов В.Ю., Большов Л.А. Воздействие лазерного излучения на материалы. - М.: Наука, 1989. - 367 с.
6. Карлов Н.В., Кириченко Н.А., Лукьянчук Б.С. Лазерная термохимия. Основы и применения. - М.: Центрком. 1995. _ 368 с.
7. Чесноков В.В., Резникова Е.Ф., Чесноков Д.В. Лазерные наносекундные технологии: монография / под общ. ред. Д.В. Чеснокова. - Новосибирск. СГГА. 2003. - 300 с.
8. Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. - М.: Машиностроение, 1986. - 248 с.
9. Чесноков Д. В., Чесноков В. В. Лазерное формирование наноразмерных структур // Известия вузов. Приборостроение. - 2009. - Т. 52, № 6. - С. 69-74.
10. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Кочкарев Д.В. Исследование влияния сил поверхностного натяжения на процессы формирования микроструктур методом LCVD // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГТА, 2012. Т. 2. -С.100-109.
11. Чесноков В.В., Никулин Д.М. Оценка влияния поверхностных сил при формировании нанометровых промежутков между поверхностями оптических устройств // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 12-18.
12. Кузнецов М.В. , Кочкарев Д.В. Экспериментальное исследование осаждения тонких пленок металлов методом наносекундного LCVD // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, мет-
рология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов
в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГТА, 2012. Т. 2. - С. 132-137.
13. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Шергин С.Л. Исследование процессов формирования моноатомных слоев углерода методом LCVD // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 92-99.
14. Лаптев Е.В., Шергин С.Л. Обзор методов формирования локализованных слоев графена // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 87-91.
15.Чесноков Д.В., Чесноков В.В. Гетерофазный процесс лазерно-пиролитического формирования тонких плёнок в условиях адсорбционного ограничения поступления реагентов // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА 2011. Т. 5, ч. 2. - С. З-11.
16. Aнисимов С.И. и др. Действие излучения большой мощности на металлы. - М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит. 1970, - 272 с.
17. Лазерная ретушь оптической неравномерности воздушных промежутков в многолучевых интерферометрах / Д.В. Чесноков, В.В. Чесноков, Д.М. Никулин, Д.В. Кочкарев // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 11З-11б.
15. Чесноков В.В., Чесноков Д.В. Микромеханические устройства субпиксельного микросканирования для ИК диапазона спектра // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 110-115.
19. Ивлев Г.Д., Гацкевич Е.И. Температурное изменение оптических свойств жидкой фазы при наносекундном лазерном плавлении кремния и германия. Физика и техника полупроводников, № 11, 1996 г.
20. Корнеев В.С., Райхерт ВА. Aнализ факторов, ограничивающих быстродействие МЭМС с электромагнитным управлением // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 58-61.
21. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Райхерт ВА. Пьезоэлектрическое возбуждение упругих изгибных волн в свободных тонкоплёночных структурах // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 55-б3.
23. Корнеев В.С., Райхерт ВА., Кочкарев Д.В. Экспериментальное определение модуля упругости Юнга многослойной консольной микробалки // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГ^ 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 128-131.
24. Кочкарев Д.В. Aкустооптический датчик импульсных давлений в атмосфере // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГТА, 2012. Т. 2. -С. 3-9.
© Д.В. Кочкарев, 2013
