Исследование и разработка лазерной технологии модификации электрофизических характеристик системы кремний диоксид кремния

Выводы к главе 2 
1. Дано описание экспериментальных образцов, используемых для 
проведения исследований. 
2. Сделано описание технического комплекса для лазерного импульсного 
облучения подложек и принципа его работы.
3. Исходя 
из 
особенностей 
конструкции 
системы 
SiO
2
/Si 
и 
сравнительного анализа характеристик различных типов лазеров, 
осуществлён 
выбор 
наиболее 
подходящих 
для 
целей 
микроструктурирования системы 
SiO
2
/Si источников лазерного 
излучения. 
4. Рассмотрены методы исследования структурных и электрофизических 
параметров системы SiO
2
/Si до и после облучения лазерным пучком: 
- метод сканирующей зондовой микроскопии 
- метод измерения ВАХ 
- метод измерения ВФХ. 
5. Рассмотрен метод бесконтактного контроля температуры нагрева 
образцов при помощи инфракрасной камеры. 

---

61 
ГЛАВА 
3. 
МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЕ 
СИСТЕМЫ 
SIO
2
/SI 
ИМПУЛЬСНЫМ ИТТЕРБИЕВЫМ ВОЛОКОННЫМ ЛАЗЕРОМ 
3.1. Математическая 
модель 
механических 
напряжений, 
инициированных лазерным импульсом[95] 
напряжения, возникающие вследствие теплового воздействия: 























































)
4
(
,
0
)
3
(
;
0
)
2
(
;
0
)
1
(
;
0
,
,
0
2
2
y
yy
x
xy
y
xy
x
xx
T
yy
xx
q
T
T
E
z
y
x
f
T
t
T
c









(3.1) 
где ρ – плотность материала; c – удельная теплоемкость; λ
q
– 
коэффициент теплопроводности; T – абсолютная температура; t – время; x, y, 
z – координаты; f(x, y, z) – функция плотности мощности источников тепла; E 
– модуль Юнга; α
Т
– коэффициент линейного теплового расширения; σ
xx
, σ
xy
, 
σ
yy
– компоненты тензора напряжения; Т
0
– начальная температура тела. 
Система уравнения (3.1) решались для граничных условий: 
0
,
max,
,
min,
max,
,
min,
,
max
,
,
T
T
T
T
T
T
z
y
x
z
y
x
z
y
x
z
y
x
z
y
x





; (3.2) 
0
min
,
,



z
y
x
t
T
; (3.3) 




















;
4
;
4
2
2
2
2
D
y
x
D
E
t
T
q
L


(3.4) 
;
0
max,
min,
max
,
min
,




y
x
xx
y
x
xx
y
x
xx
y
x
xx




(3.5) 

---

62 
,
0
max,
min,
max
,
min
,




y
x
yy
y
x
yy
y
x
yy
y
x
yy




(3.6) 
где D – диаметр лазерного пучка в месте его падения на пластину; Е
L
– 
энергия лазерного импульса; τ – длительность лазерного импульса. 
Лазерный импульс воздействует на малую площадь поверхности тела S 
= πD
2
/4 (рис. 3.1). 
Рис.3.1. Область воздействия лазерного импульса 
В случае равномерного распределения плотности мощности по 
площади сечения лазерного луча задаются граничные условия второго рода 
(3.4). 






























.
4
;
8
exp
4
2
2
2
2
2
2
2
D
y
x
D
y
x
D
E
t
T
q
L


(3.7) 

---

63 
соответствии с выражением: 






.
,
,
,
max
,
,
t
z
y
x
T
t
y
x
T

(3.8) 
Система (3.1)–(3.8) решалась численно с использованием метода 
конечных разностей. Учет в граничных условиях задачи процессов 
конвекции и лучистого обмена не составляет значительной вычислительной 
сложности. 
были приведены посредством дополнительного дифференцирования к виду: 
;
0
2
2
2
2






y
x
yy
xx


(3.9) 
.
2
2
2
y
x
y
x
yy
xx
xy













(3.10) 
На рис. 3.2-3.3 приведены распределения по координатам температур и 
компонент тензора напряжений σ
xx
, σ
xy
, σ
yy
в различные моменты времени, 
полученные из решения системы (3.1,1), (3.1,2, (3.2)–(3.10) при длительности 

---

64 
лазерных импульсов 1 мс для равномерного и гауссовского распределений 
плотности мощности по площади сечения лазерного луча. 

---

65 

---

66 
Рассмотренная модель демонстрирует нестационарные распределения
температур и компонент тензора механических напряжений в зависимости
от параметров лазерных импульсов. Это необходимо учитывать при 
разработке режимов лазерного пучка для микроструктурирования системы 
SiO
2
/Si. 
3.2. Выбор режимов микроструктурирования системы SiO
2
/Si при 
точечном облучении 
Для решения поставленной в диссертации задачи потребовалось 
проведение всесторонних исследований влияния лазерного излучения на 
систему SiO
2
/Si. Это, в первую очередь, связано с тем, что в результате 
микроструктурирования в облучённой области системы не должно 
происходить механического разрушения монокристаллической структуры 
кремниевой подложки или плавления участков поверхности кремния. Другое, 
не менее важное требование, заключается в том, что в процессе 
микроструктурирования системы должна сохраняться целостность плёнки 
SiO
2
. 
плотностей мощности. Этот диапазон еще более сужается с учетом 
требования по сохранению целостности пленки SiO
2 
[96]. 

---

67 
Анализ научных публикаций, проведенных в первой главе, не дает 
точных ответов о граничных режимах лазерного пучка при воздействии 
лазеров на систему SiO
2
/Si. Это, в первую очередь, связано с тем, что в 
разных исследованиях использовались разные лазеры. Имеется только 
несколько работ, в которых использовались лазеры с такими же длинами 
волн и тем же требованием целостности пленки SiO
2
, что и в нашем 
исследовании [97,98,99]. Однако в этих работах практически отсутствовали 
данные по плотности мощности, которая могла бы быть использована для 
микроструктурирования системы SiO
2
/Si с учетом вышеперечисленных 
требований.
В одной из первых работ, выполненных по микроструктурированию 
монокристаллического кремния с термической выращенной плёнкой SiO
2
на 
поверхности пластины использовался неодимовый лазер (длина волны 532 
нм, длительность импульса 1 нс) с плотностью энергии 0,56 Дж/см
2
[98]. 
Энергия лазерного пучка обеспечивала активное плавление подложки при 
сохранении целостности пленки SiO
2
. 
В нашем случае в результате облучения системы SiO
2
/Si с такой 
плотностью мощности произошло разрушение пленки SiO
2
, плавление и 
испарение кремния. Попытки варьирования в широких пределах плотности 
мощности 
в 
импульсе 
и 
числа 
импульсов 
при 
использовании 
сфокусированного пучка не давали положительных результатов. 
Поэтому в процессе разработки режимов облучения системы SiO
2
/Si был 
выбран метод облучения в сходящихся лучах (дефокусировка). При этом 
обеспечивались и более равномерное распределение и более плавная 
регулировка плотности энергии в зоне облучения. Схема облучения 
расходящимся пучком лазера приведена на рис.3.4. 

---

68 
а) 
б) 
Рис. 3.4. Схема облучения системы SiO
2
/Si: а) – в сфокусированных лучах; б) – в 
сходящихся лучах лазера; (1 – лазер; 2 – поворотное зеркало; 3 – объектив; 4 – образец; 5 – 
металлическая подложка; 6 – фокальная плоскость объектива; d – расстояние между 
фокальной плоскостью объектива и образцом
).
 
В процессе многочисленных экспериментов мы нашли пороговую 
плотность мощности q ~ 0,13. 10
6
Вт/см
2
, выше которой при облучении 
происходило разрушение пленки SiO
2
. Ниже этого порога плотности 
мощности после облучения на поверхности системы SiO
2
/Si никаких следов 
не наблюдалось. Поэтому для поиска оптимальной плотности энергии 
необходимо было изменить дозу облучения. Доза облучения рассчитывалась 
по формуле:
N
fS
P
D 
, (3.11) 
Где 
P
- средняя мощности лазера, Вт; f - частота повторения импульсов, Гц; S 
- площадь воздействия, см
2
; N – число импульсов. 
Для этой цели можно либо изменить число импульсов или частоту 
следования импульсов, либо изменить уровень расфокусировки (глубину 
фокуса объектива) или комбинации двух методов. На рис.3.5 представлены 
результаты исследования влияния плотности энергии в пучке лазера на 
микроструктурирование системы SiO
2
/Si. 

---

69 
Как видно из рис.3.5 при облучении системы SiO
2
/Si сфокусированным 
пучком лазера, даже при малых дозах облучения (рис.3.5, а) наблюдается 
разрушение пленки SiO
2
/Si и испарение кремния. Дальнейшее увеличение 
дозы приводит к увеличению площади испарения кремния (рис.3.5, б,в).
а) 
б) 
в) 
г) 
д) 
е) 
Рис. 3.5. Микрофотографии облученных областей при разных плотностях мощности: а,б,в 
– облучение в сфокусированных лучах: а) – q = 0,13.10
6
Вт/см
2
, 20 импульсов; б)- q = 
0,13.10
6
Вт/см
2
, 200 импульсов; в) – q = 0,13.10
6
Вт/см
2
, 10000 импульсов; г,д,е – 
облучение в сходящих лучах: г) - q = 0,1.10
5 
Вт/см
2
, 20000 импульсов; д) - q = 0,7.10
4 
Вт/см
2
, 30000 импульсов; е) - q = 0,4.10
4 
Вт/см
2
, 30000 импульсов; во всех случайях 
частота следования импульсов равна 50 кГц.
 
На рис.3.5,г и 3.5,д приведены микрофотографии поверхности 
экспериментальных образцов при облучении системы SiO
2
/Si в сходящих 
лучах при разных дозах облучения. Здесь видно, что последовательное 
снижение дозы приводит к уменьшению процесса разрушения окисла и 
плавлению кремния. Наконец, при облучении в режиме q = 0,4.10
4 
Вт/см
2
, 
30000 импульсов, 50 кГц было достигнуто выполнение условий 
микроструктурирования 
(целостность 
пленки 
SiO
2 
и 
сохранение 
кристаллической структуры кремния). 

---

70 
Дальнейшее исследование процесса микроструктурирования в режимах 
близких к q = 0,4.10
4 
Вт/см
2
, 30000 импульсов, 50кГц показало что при 
плавном переходе от режима q = 0,7.10
4 
Вт/см
2
, 30000 импульсов, 50кГц к 
режиму q = 0,4.10
4 
Вт/см
2
, 30000 импульсов, 50кГц наблюдается 
скачкообразное 
образование 
сетки 
линий 
скольжения 
(появление 
пластической деформации кремния). Она проявляется в виде полос, каждая 
из которых состоит из большого числа параллельных друг другу линий 
скольжения, расположенных на соответствующих плоскостях скольжения 
(рис.3.5, е). Пересечение полос приводит к появлению в кристаллической 
решётке кремния сложно структурированной поверхности в виде сетки 
линий скольжения. Так, например, для кристаллографической ориентации 
кремниевой пластины (111) эти полосы линий скольжения пересекаются под 
углом 60 градусов. Следует еще раз отметить, что при таком
микроструктурировании поверхности кремния не нарушается целостность 
плёнки SiO
2
.