CC BY
30
_____________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Том 152, кн. 3 Физико-математические пауки
2010
УДК 535.421^536.582.6^536.516.1^536.331
ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ В ИМПЛАНТИРОВАННОМ КРЕМНИИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ СВЕТОВОМ ОБЛУЧЕНИИ
Б.Ф. Фаррахов, М.Ф. Галяутдипов, Я. В. Фаттахов, М. В. Захаров
Аннотация
В работе предложен и реализовал бескоптактпый метод исследования динамики нагрева и твердофазной рекристаллизации имплантированных полупроводников непосредственно во время проведения импульсного светового отжига. Даппая методика, основанная па регистрации оптических дифракционных сигналов от специальных периодических структур, позволяет с высоким временным разрешением определять такие характеристики. как температура и длительность процесса твердофазной рекристаллизации, время начала плавления иоппо-легированного слоя полупроводника.
Ключевые слова: кремний, ионная имплантация, импульсный световой отжиг, рекристаллизация, дифракция Фраунгофера, тепловое расширение твердых тел.
Введение
Для целенаправленного управления режимами импульсного светового отжига (ИСО) и получения информации о структурных и фазовых изменениях в имплантированных полупроводниках желательно использовать бесконтактные методы диагностики вещества, в том числе и контроля температуры. С этой целыо нами для исследования процессов рекристаллизации и локального анизотропного плавления поверхности имплантированного кремния была разработана оригинальная методика. основанная на регистрации динамики дифракции Фраунгофера от специальных периодических структур, предварительно сформированных на поверхности изучаемых образцов [1]. При этом регистрировались изменения дифракционной эффективности (ДЭ) решетки, вызванные структурно-фазовыми превращениями в процессе ПС О.
Что касается контроля нагрева вещества в процессе ИСО, то использование таких методов измерения температуры, как пирометрия [2], рамаиовское рассеяние света [3], дифракция электронов на кристаллической решетке [4], в данном случае ограничивается их применимостью только к объектам с кристаллической структурой или затруднениями выделения полезного сигнала.
В работе [5] авторы применили метод дифракции света для измерения температуры твердого тела в режиме медленного стационарного нагрева. В качестве сенсора использовалась плоская периодическая решетка, сформированная на карбиде кремния. Такой датчик позволил им измерить температуру до 370 °С.
С целыо развития дифракционного метода измерения температуры применительно к исследованию динамики нагрева твердого тела при импульсных световых обработках нами были проведены экспериментальные исследования на образцах кремния в широком диапазоне температур, включая температуру плавления 1412 °С.
шкш
шкш
пт
300
250
200
150
100
50
0
6
Рис. 1. Топография фазовой решетки образца, измеренная атомпо-силовым микроскопом (а) и дифракционная картина, получаемая при зондировании данной решетки Не-Ке-лазером (б)
1. Методика эксперимента
Для изучения нагрева образцов в процессе ИСО регистрировалась динамика изменения дифракционной картины Фраунгофера от фазовой решетки, вызванная изменением периода дифракционной решетки за счет теплового расширения образца [6]. С этой целыо отслеживалось угловое перераспределение пятого дифракционного максимума. По величине угла отклонения дифракционного пучка можно определить текущую температуру образца.
Зависимость изменения угла дифракции А^р от изменения температуры Д Т выражается формулой [6. 7]:
. кХаАТ
Аш = =, (1)
VхсР - А-2 А2
где к порядок дифракционного максимума. А длина волны, а коэффициент теплового расширения. АТ изменение температуры. с1 период решетки.
Использование дифракционной решетки с малым периодом увеличивает чувствительность измерения температуры, как и регистрация высокого порядка дифракции. В связи с этим нами была изготовлена фазовая дифракционная решетка с периодом 4 мкм (рис. 1 а, б).
На рис. 2 представлена блок-схема установки. Во время ИСО на образец 3 с измерительной дифракционной решеткой, находящийся в реакционной камере 4 установки УОЛ.П-1 1, подается пучок излучения зондирующего лазера ЛГН-111
6. Через симметрично расположенные отверстия пучки дифракционных максимумов пятого порядка попадают на отклоняющие зеркала 5' ив исходном состоянии совмещаются на экране 10. Такая схема совмещения компенсирует влияние вибрации образца на отклонение дифрагированных пучков. Экран представляет собой матированную с одной стороны стеклянную пластину с миллиметровой шкалой. Длина пути дифрагированного от образца пучка до экрана Ь в схеме составляет 2315 мм.
С целыо отработки методики измерения температуры нагрева длительность светового импульса варьировалась в диапазоне от 120 мс до 5 с, а плотность мощности излучения ИСО от 50 до 1000 Вт/см2.
После включения мощного импульса некогерентного света по мере нагрева исследуемого образца на экране происходит отклонение дифракционных пучков в противоположные стороны на величину 2Дж = 2ЬА^р, значение которой определяется температурой нагрева, а скорость их движения характеризует динамику
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 УОЛ.П-1: 2 ксепоповые лампы-вспыш-ки: 3 образец: 4 реакционная камера: 5, 5' отражательные зеркала: 6 Не-Ке-лазер ЛГН-111 (0.6328 мкм); 7 фотодиод ФД-7: 8 светофильтры: 9 ФЭУ-84; 10 экран из
матового стекла
40 мкм 10 мкм
а б
Рис. 3. Структура амплитудной дифракционной решетки па поверхности образца (а) и дифракционная картина, полученная при зондировании данной решетки Не-Ке-лазером (0.6328 мкм) (б)
роста или спада температуры. Динамика всего процесса регистрировалась нами цифровой камерой в режиме съемки до 300 кадров в секунду.
Для исследования твердофазной рекристаллизации на поверхности образцов ионной имплантацией с применением фотолитографии формировалась периодическая структура, состоящая из ячеек аморфного кремния, размерами 40 х 40 мкм. разделенных моиокристаллическим кремнием шириной 10 мкм (рис. 3. а). Данная структура из-за различия в коэффициентах отражения между аморфным (На = 0.4) и моиокристаллическим (Нст = 0.34) [6] кремнием является амплитудной дифракционной решеткой с периодом 50 мкм для зондирующего луча Не-Уе-лазера (А = 0.6328 мкм). В качестве образцов использовались пластины монокристаллического кремния КДБ-1 с кристаллографической ориентацией поверхности (100) толщиной 400 мкм. Имплантация проводилась ионами Р+ с энергией 40 кэВ и дозами от 6.3 • 1014 до 1.9 • 1016 см~2 .
Дифракционная эффективность (ДЭ) данной амплитудной решетки зависит от разницы в коэффициентах отражения аморфных и монокристаллических фрагментов. Структурные и фазовые превращения в процессе ИСО приводят к заметному изменению коэффициентов отражения кремния при переходе его из аморфного состояния в кристаллическое или жидкое состояние (Д; = 0.72) [9]. Поэтому по мере рекристаллизации аморфной области или плавления заметно изменяется и ДЭ решетки. Таким образом, регистрация ДЭ данной решетки во время отжига позволяет отслеживать процесс рекристаллизации и плавления имплантированного аморфного слоя полупроводника. С этой целыо регистрировалось изменение интенсивности первого дифракционного максимума.
Импульсное облучение образцов проводилось на установке УОЛ.П-1 1 излучением трех ксеноновых ламп-вспышек 2, работающих в стробоскопическом режиме (рис. 2).
Пучок дифракционного максимума первого порядка с помощью отклоняющих зеркал 5 направляется на ФЭУ-84 9 через систему линз и светофильтров 8. Сигнал с ФЭУ и фотодиода 7 преобразуется АЦП и записывается в компьютер. Фотодиодом ФД-7 регистрируется форма светового импульса ксеноновых ламп-вспышек. Зондирование образцов производилось Не-Хе-лазером ЛГН-111.
Формирование на одном образце амплитудной и фазовой решеток позволяет исследовать структурно-фазовые переходы в имплантированном полупроводнике одновременно с измерением их температуры. Фазовая решетка является датчиком температуры образца, а по амплитудной решетке отслеживаются структурнофазовые переходы.
На поверхности пластины монокрнсталлнческого кремния методом иоииой имплантации и фотолитографии формировалась пара смежных дифракционных решеток: амплитудная и фазовая решетки с периодами 50 и 4 мкм соответственно.
Во время ИСО луч лазера ЛГН-111 6 (рис. 2) падает по нормали к поверхности образца 3 таким образом, что пучок охватывает обе дифракционные решетки.
По изменению интенсивности первого дифракционного максимума от амплитудной решетки можно определить моменты завершения процесса твердофазной рекристаллизации и начала плавления поверхности образца. Смещение 2Дж на экране 10 пятых дифракционных максимумов от фазовой решетки показывает текущую температуру образца.
2. Результаты и их обсуждение
Для определения температуры нагрева были теоретически рассчитаны зависимости углового изменения, соответственно и смещения на экране, дифракционных максимумов 2Д^(2Дж) от температуры Т, °С. по формуле (1). В расчетах была использована зависимость коэффициента теплового расширения от температуры а(Т) из работы [9]. Начальная температура образца равнялась 90 ° С из-за нагрева образца излучением ламп-вспышек, работающих в дежурном режиме.
Анализ сдвига дифракционных максимумов от фазовой решетки на экране позволил оценить динамику изменения температуры относительно временных параметров импульса света.
С помощью компьютерной обработки сигналов с ФЭУ были определены моменты завершения твердофазной рекристаллизации и время начала локального плавления поверхности имплантированного полупроводника. Сигнал изменения дифракционной эффективности амплитудной решетки и график динамики нагрева во время световой импульсной обработки плотностью мощности 200 Вт/см2 и длительностью 680 мс представлены на рис. 4. 5.
і 1 і 1 і 1 і 1 і ' і ' і 1 і ' і 1 і ' і 1 і 1 і 1 і 1 і 1 і -180-120 -60 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720
I, мс
Рис. 4. Сигнал изменения интенсивности первого максимума дифракции от амплитудной решетки (в) во время световой импульсной обработки образца импульсом света длительностью 680 мс: форма светового импульса (б)
I, мс
Рис. 5. Зависимость температуры образца от времени при импульсном световом нагреве. Длительность светового импульса составляет 680 мс
Во временном интервале от 80 до 300 мс интенсивность дифракционной картины падает до полного исчезновения. Это свидетельствует о завершении процесса твердофазной рекристаллизации аморфных участков решетки. К этому моменту образец нагрелся до температуры 700 °С. Повторное появление дифракционного сигнала в момент времени 490 мс вызвано началом плавления рекри-сталлизованных имплантированных областей поверхности образца, температура плавления которых (Т « 1300 °С) [10] ниже плавления исходных монокристалли-ческих участков (Ж = 1412 °С). При этом на поверхности образуется периодическая структура из локальных областей плавления [1]. Разница в коэффициентах
отражения, теперь уже между кристаллическим и жидким кремнием, а также образование микрорельефа приводят к повторному появлению дифракционной картины. С дальнейшим ростом температуры образца локальные области плавления быстро сливаются и дифракционный сигнал исчезает при 680 мс.
Разброс измерения температуры в данных экспериментах в основном обусловлен частотой кадров съемки цифровой камеры.
3. Выводы
На основе дифракции Фраунгофера реализована на практике методика лазерной диагностики с целыо комплексного исследования динамики нагрева, температуры рекристаллизации и образования локальных областей плавления на имплантированных полупроводниках при импульсных световых воздействиях. Полученные результаты свидетельствуют о том. что разработанная методика позволяет регистрировать температуру образца непосредственно во время его импульсного нагрева, кинетику рекристаллизации и плавления в ионно-имплантированных полупроводниках.
Данная методика измерения температуры является весьма полезной при изучении импульсных воздействий на твердое тело для широкого диапазона длительностей не только в случае его нагрева, но и в случае охлаждения, например при лазерном охлаждении твердого тела [11]. Кроме того, эта методика позволяет измерять коэффициент линейного расширения на образцах малого размера и может быть весьма полезной в дилатометрии.
Разработанная нами методика может иметь прикладное значение. Она позволит создать технологию термической обработки имплантированных полупроводников с контролем и по температуре, и по факту завершения требуемого процесса рекристаллизации, не влияя на параметры полупроводника.
Summary
B.F. Farrakhov, M.F. Galyauttlinov, Ya.V. Fattakhov, M.V. Zakharov. Investigation of Heating and Recrystallization of Implanted Silicon under Pulse Light. Irradiation.
A noncontact method was suggested and applied to investigate the heating dynamics and solid-pliase recrystallization of implanted semiconductors during pulsed light annealing. This method is based on the recording of optical diffraction signals from special periodic structures prepared in advance. The method makes it possible to record the temperature and duration of solid-pliase recryst.allizat.ion with high time resolution, as well as to determine the incipient melting time of the ion-implanted semiconductor layer.
Key words: silicon, ion implantation, pulsed light annealing, recryst.allizat.ion, Fraunhofer diffraction, thermal expansion of solids.
Литература
1. Фаттахов Я.В., Галяутдииоо М.В., Львова Т.Н., Хайбуллии И.Б. Формирование периодических дифракционных структур па поверхности полупроводников для исследования динамики фотоипдуцироваппых фазовых переходов // Оптика и спектр. 2000. Т. 89, Л» 1. С. 182 156.
2. Рыв'кмн С.М., Салманов В.М., Ярошецкий И.Д. Тепловое излучение Si под действием лазерного пучка // Физ. тверд, тела. 1968. Т. 10, Л'! 4. С. 1022 1024.
3. Lu Н. W., Compaan A. Raman measurements of temperature during CW laser heating of silicon // J. Appl. Phys. 1980. V. 51, No 3. P. 1565 1568.
4. Галяутдииоа М.Ф., Саииоо Н.А., Хайбуллии И.Б., Штыркоа Е.И. Способ определения температуры кристаллов при импульсном нагреве // Вюл. изобр. 1983. А.с.
48. С. 307.
5. DesAutels G.L., Powers P., Brewer С., Walker М., Burky М., Anderson G.
Optical temperature sensor and thermal expansion measurement using a femtosecond micromachined grating in 6H-SiC // Appl. Opt. 2008. V. 47, No 21. P. 3773 3777.
6. Магупов A.H. Лазерная термометрия твердых тел. М.: Физматлит, 2001. 224 с.
7. Галяутдииоа М.Ф., Фаррахоа Б.Ф., Фаттахоа Я.В., Захароа М.В. Динамическая
термометрия твердого тела методом оптической дифракции при импульсном воздействии // Оптика и спектр. 2009. Т. 107, Л'! 4. С. 708 712.
8. Шаареа К,М., Баум Б.А., Гельд П.В. Оптические свойства жидкого кремния //
Физ. тверд, тела. 1974. Т. 16, № 11. С. 3246 3248.
9. Okada К, Tokumaru Y. Precise determination of lattice parameter and thermal expansion coefficient of silicon between 300 and 1500 К // J. Appl. Pliys. 1984. V. 56, No 2. P. 314 320.
10. Поут М., Фоти Г, Ддекебсои Д.К. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, иоппыми и электронными пучками. М.: Машиностроение, 1987. 424 с.
11. Самарцеа В.В., Петрушкин С.В. Лазерное охлаждение твердых тел. М.: Физматлит, 2005. 224 с.
Поступила в редакцию
11.12.09
Фаррахов Вулат Фасимович аспирант отдела методов медицинской физики Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
E-mail: farrakhovekfti.kne.ru
Галяутдинов Мансур Фаляхутдинович кандидат физико-математических паук, старший паучпый сотрудник Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
E-mail: utdin Qmail. ru
Фаттахов Яхъя Валиевич кандидат физико-математических паук, старший паучпый сотрудник, заведующий отделом методов медицинской физики Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
E-mail: fattakhovekfti.kne.ru
Захаров Максим Викторович кандидат физико-математических паук, младший научный сотрудник Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
E-mail: zmvekfti.kne.ru
