Интерференционный лазерный отжиг полупроводников

• Автор: Соколов, Игорь Альбертович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1983
• Место защиты: Ленинград
• Количество страниц: 140 c. : ил

Задачи современной полупроводниковой технологии и, в первую очередь, микро- и оптоэлектроники требуют не только совершенствования известных, но и создания принципиально новых технологических методов. К их числу относится лазерный отжиг (ДО) полупроводников [I], появившийся в 1974 году как метод отжига дефектов в кристаллах, подвергнутых ионной имплантации. Такая уникальная возможность лазерного воздействия, как локальная модификация поверхности материала без изменения свойств матрицы, предопределила бурное развитие лазерного отжига. Сегодня импульсное лазерное воздействие находит все более широкое применение в решении практических задач полупроводниковой технологии и далеко перешагнуло за рамки традиционной области своего применения.
Для успешного развития работ по лазерному отжигу необходима разработка принципиально новых методов исследования тех специфических явлений, которые происходят при лазерном воздействии. К их числу относятся особенности распространения фронта плавления и кристаллизации в зависимости от параметров лазерной генерации и условий облучения. Кроме того, практическое использование лазерного отжига во многом затруднено из-за отсутствия экспрессных и дистанционных способов определения оптимальных режимов отжига, дающих информацию о таких величинах, как пороги плавления и разрушения полупроводниковых материалов и глубинах кристаллизованных областей.
Целью диссертационной работы являлась разработка комплекса новых методов исследования и их применение для изучения процес-
- 3 -
сов, имеющих место при импульсном лазерном воздействии на полупроводники.
Для решения поставленной задачи автор обратился к использованию когерентности световых пучков, генерируемых оптическими квантовыми генераторами, т.е. к такому свойству лазерного излучения, которое традиционно являлось мешающим в экспериментах по лазерному отжигу. Работы в этом направлении начали развиваться с 1980 года в ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР и получили название интерференционного лазерного отжига полупроводников (ИДО). Под интерференционным лазерным отжигом понимается воздействие на полупроводниковый материал лазерным излучением, являющимся когерентной суперпозицией двух и более световых пучков, интерферирующих между собой на поверхности или внутри полупроводника.
Настоящая диссертационная работа представляет собой цикл исследований, базирующихся на использовании когерентности лазерных пучков, проведенных автором в период с 1981 по 1983 годы в группе лазерного отжига ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены преимущества и недостатки импульсного лазерного воздействия на полупроводники. Анализируется механизм лазерного отжига. По итогам обзора сформулирована цель работы.
Вторая Глава IIосвящена описанию экспериментальных установок.
В ней рассмотрены различные типы импульсных лазеров милли-, нано-и пикосекундной длительности, использовавшиеся в работе. Рассмотрены методы создания интерференционной засветки, факторы, влияющие на качество интерференционной картины. В этой же главе описываются эксперименты по исследованию влияния геометрии оптической
- 4 -
схемы на результат воздействия лазерным излучением в условиях ИЛО.
Третья глава включает в себя получение периодических оптических неоднородностей на поверхности аморфных напыленных и ионно-имплантированных полупроводников и использовании полученных дифракционных решеток для определения плотностей энергии лазерного излучения, необходимых для отжига.
В этой же главе описан метод контроля эпитаксиальной кристаллизации под действием импульсного лазерного излучения, основанный на ИЛО в сочетании с селективным химическим травлением.
Разработанные методы быди использованы для исследования особенностей кристаллизации аморфных пленок фосфида галлия и кремния, напыленных на монокристаллические подложки фосфида галлия в различных условиях облучения.
Четвертая Глава IIосвящена изучению механизмов импульсного лазерного отжига. В ней проведен теоретический анализ ИЛО в рамках тепловой модели и рассмотрены ситуации, которые могут возникать при облучении полупроводниковых материалов когерентной суперпозицией световых пучков.
В этой же главе проведено описание экспериментов по наблюдению текучести приповерхностного слоя полупроводника при воздействии импульсного лазерного излучения. Цроведен анализ полученных экспериментальных данных с точки зрения различных механизмов лазерного отжига.
Основные положения, выносимые на защиту:
I. Разработан экспрессный и дистанционный способ определения порога отжига и порога разрушения аморфных напыленных и ионно-имплантированных полупроводников, позволяющий при однократном облучении определить весь диапазон плотностей энергии, необходимых для отжига.

Величина / достигает максимального значения равного единице, когда каждая из величин /у^т ю/ , Р и со$и2 равны единице. Вид функции /мтМ/ таков, что она принимает значение равное единице при 2Г = 0 и монотонно уменьшается до значения 0,707 при величине £*-'?ког , определяющей длину когерентности излучения А ~ с Гког • Хотя в нашем случае длина когерентности рубинового и неодимового лазеров, которую можно
вычислить также как А/>_._ =-4- (где Л - средняя длина волко А А
ны, А А - ширина спектра генерации), была не менее 3 см и, таким образом, не накладывала жестких требований на выравнивание разности оптических путей интерферирующих пучков. Требуемую величину видности полос, близкую к единице, можно было получить только при 2Г
В соответствии с указанными выше требованиями, для МО полупроводников была использована интерференционная схема амплитудного деления, представленная на рис.2.5.
Излучение лазера разделялось на два пучка с помощью диэлектрического полупрозрачного зеркала 3^- , установленного под углом, близким к 45° к лазерному лучу. Для обеспечения условия Р = I (см.(2.6)) производилось выравнивание интенсивностей пучков, достигаемое за счёт небольшого изменения угла наклона зеркала 3^ . РСонтроль интенсивностей осуществлялся измерением энергии пучков на двух калиброванных твердотельных калориметрах ИКТ-1М, обеспечивающих точность измерения не ниже 5%.
Толщина подложки & = 10 мм зеркала 3| была подобрана так, чтобы вторичные отражения от подложки не попадали в область интерференции ОСНОВНЫХ пучков. -С ПОМОЩЬЮ зеркал З2 и 33 ( & = 99$) производилось совмещение пучков на поверхности