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

3.3. Локальная пластическая деформация кремния в системе SiO
2
/Si при 
точечном облучении 
Как видно из предыдущего параграфа, граничная плотность мощности, 
при которой образуют полосы линий скольжения составляет около q = 0,4.10
4 
Вт/см
2
. Поэтому необходимо было исследовать это эффект на разных типах 
пластин разной ориентации, определить механизм микроструктурирования 
[113]. 
Для эксперимента использовалась первая группа образцов. Процесс 
микроструктурирования 
проводился 
путем 
точечного 
облучения 
импульсным иттербиевым волоконным лазером. На рис.3.6 представлены 
результаты микроструктурирования системы при точечном облучении 
системы SiO
2
/Si на пластинах кремния с разной ориентации и при разных 
дозах облучения. 

---

71 
Как известно, подобные линии скольжения появляются при 
изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. 
Основными причинами возникновения линий скольжения (ЛС) на 
кремниевых подложках являются термические напряжения, обусловленные 
разницей температурных напряжений. Эти напряжения возникают при 
высокотемпературных 
обработках 
подложек 
(например, 
термическое 
окисление, диффузия и др.). Центрами зарождения ЛС являются крупные 
структурные дефекты: такие как сколы на краях пластины, царапины на 
поверхности, свирл-дефекты, кластеры преципитатов кислорода. Как 
правило, эти ЛС пересекают пластину от края до края, и при очень больших 
напряжениях образуют сетки из полос ЛС. Например, на кремниевых 
пластинах, ориентированных в главной кристаллографической плоскости 
(111), при наличии крупных структурных дефектов и больших термических 
напряжений 
линии 
скольжения 
образуют 
шестиугольную 
звезду, 
получившую название «звезда Давида». 
В нашем случае основной причиной пластической деформации 
поверхности кремния также являются механические напряжения, однако, 
природа их более сложная. Во первых, изначально здесь нет центров 
зарождения, о которых говорилось выше. Во вторых, и это главная область 
пластической деформации в виде сетки ЛС локализована границей лазерного 
пятна и не распространяется от одного края кристалла к другому. Исходная 
система SiO
2
/Si является изначально напряжённой. Упругие механические 
напряжения, обусловленные структурными особенностями SiO
2
и Si, 
являются касательными к поверхности кремния и растягивающими. 
Максимальные их значения приложены к поверхности [100]. 
Кроме того, следует учитывать, что особыми генерационными 
свойствами обладают поверхностные слои монокристаллов. Согласно модели 
предложенной Алёхиным для межфазной границы Si-SiO
2
, находятся легко 
действующие поверхностные источники, генерирующие дислокации при 

---

72 
низких напряжениях сдвига, вследствие разности модулей упругости 
кремния и окисла. 
(а) 
(б) 
(в)
(г) 
(д) 
(е) 
Рис. 3. 6. Микрофотографии средней части облучённых областей структур SiO
2
/Si при 
разных плотностях мощности облучения: a,б,в — структура с ориентацией подложки 
(100) а — до облучения; б — q = 0,4.10
4
Вт/см
2
, 100000 импульсов, 50 кГц; в — q = 0,4.10
4
Вт/см
2
, 250000 импульсов, 50 кГц; г,д,е — структура с ориентацией подложки (111) г — 
до облучения, д — q = 0,4.10
4
Вт/см
2
, 100000 импульсов, 50 кГц; е — q = 0,4.10
4
Вт/см
2
, 
250000 импульсов, 50 кГц.  
Учитывая выше изложенное энергетическое состояние системы SiO
2
/Si, 
механизм формирования на поверхности кремния сетки линий скольжения 
может быть объяснён следующим образом. В результате постоянной накачки 
энергии лазерным пучком с высокой частотой следования импульсов (50 
кГц) происходит «перегрев» фононов, и в приповерхностных слоях кремния 
начинается интенсивная генерация собственных точечных дефектов 
(междоузельных атомов кремния и вакансий). Увеличение плотности 
точечных дефектов, в свою очередь, приводит к появлению и возрастанию 
плотности дефектов упаковки и дислокаций. Под действием касательных 

---

73 
напряжений, действующих на границе SiO
2
/Si, дислокации по механизму 
скольжения передвигаются к поверхности кристалла. Согласно этому 
механизму движение дислокации происходит следующим образом [101]. 
Дислокация легко движется в плоскости скольжения, то-есть в той 
плоскости, в которой находится дислокационная линия и её вектор Бюргерса. 
Перемещение краевой дислокации на одно межатомное расстояние 
представляет 
собой 
согласованную 
перегруппировку 
атомов 
возле 
дислокации и не сопровождается диффузионным переносом массы. Под 
действием 
касательного 
напряжения 
ряд 
атомов, 
образующих 
дислокационную линию, вытесняет ряд атомов в соседней плоскости, 
образуя полную плоскость. Вытесненный же ряд атомов тянет за собой 
перестройку связей и образуется новая полуплоскость с дислокацией на 
конце – дислокация переместилась на величину вектора Бюргерса, то-есть на 
одно межатомное расстояние.
Рис. 3.7. 2D и 3D АСМ-изображение линий скольжения в полосе скольжения в средней 
части облучённых областей структур SiO
2
/Si при q = 0,4.10
4
Вт/см
2
, 100000 импульсов, 50 
кГц. Разница высот ступенек характеризует неоднородность скорости генерации 
дислокации на разных площадях скольжения дислокации в полосе. 
Так перемещаясь, дислокация, в конце концов, выйдет на поверхность 
кристалла, и здесь появится ступенька, равная межатомному расстоянию. Так 
как в плоскости скольжения движутся десятки и сотни дислокаций, то в 

---

74 
результате их выхода на поверхность высота ступеньки будет увеличиваться. 
Под микроскопом эта «высокая» ступенька наблюдается как линия 
скольжения (рис.3.7). 
Деформация развивается неоднородно и начинается от центра 
облучаемой области. Поэтому линии скольжения располагаются на разных 
расстояниях друг от друга, образуя полосу линий скольжения. В результате 
получается сетка линий скольжения, образующаяся при пересечении полос 
линий скольжения сформированных на пересекающихся плоскостях 
скольжения (рис. 3.6,б и рис. 3.6,д). В начале пластической деформации, 
которая возникает при дозе облучения существенно ниже q = 0,4.10
4
Вт/см
2
, 
100000 импульсов, 50 кГц
,
с
ростом дозы облучения плотность линий 
скольжения в полосе растёт, затем начинает уменьшаться, сопровождаясь 
увеличением высоты ступенек линий скольжения. Наконец, в результате 
появления большого числа дислокаций, движущихся по плоскостям 
скольжения, и сетки линий скольжения возможно появление новых 
источников для размножения дислокаций – источников Франка-Рида [102]. 
Таким источником дислокаций в нашем случае может быть отрезок 
движущейся дислокации, застопоренный точками пересечения линий 
скольжения, расположенных в разных полосах. Как известно, «взрыв» одного 
источника Франка-Рида способен образовать сотни новых дислокаций. 
Начиная с определённых величин доз облучения подложек, часть 
соединившихся 
линий 
скольжения 
превращаются 
(перерастают) 
в 
микротрещины, формирование которых начинается в центральной части 
облучённых областей в местах пересечения и скопления линий скольжения 
(рис.3.6, в, е). Центрами зарождения микротрещин, вероятнее всего, 
являются области пересечения линий скольжения, расположенные в 
центральной части облучённой области. 
При мощностях, которые вызывают появление микротрещин в
облучённом участке подложки, на обратной полированной стороне пластины 

---

75 
возникают микротрещины в виде тонких лучей, исходящих из одной точки,
совпадающей с центром облучённой области. Это свидетельствует о том, что
с увеличением дозы облучения пластичесакая дефоромация кремниевой 
подложки, начавшаяся на поверхности кристалла, распространяется вглубь 
вплоть до обратной стороны кремниевой пластины. 
О 
фононной 
природе 
возникновения 
локальной 
пластической 
деформации 
свидетельствует 
также 
следующий 
эксперимент. 
На 
стандартном экспериментальном образце с помощью алмазного резца был 
нанесён скрайб. Именно механические нарушения поверхности кремниевых 
пластин при термических обработках являются основной причиной 
возникновения линий скольжения. В нашем случае при лазерном облучении 
скрайб не инициирует появление линий скольжения. Более того, скрайб 
является барьером при развитии линий скольжения даже в том случае, когда 
область облучения частично (краем) заходит на скрайб. Необходимо также 
отметить, что для формирования сеток линий скольжения вблизи края 
пластины (системы SiO
2
/Si) требуется доза облучения в два – три раза 
меньше, чем в середине пластины. Это можно объяснить тем, что край 
пластины ограничивает движение «фононного ветра». То-есть край 
пластины задерживает передачу энергии фононами в этом направлении. 
Энергия фононов растёт, и повышается температура в области облучения до 
порога пластичности при более низких дозах. В центре же пластины энергия 
лазерного излучения передаётся кристаллической решётки во все стороны на 
большие расстояния от облучённой области. Следовательно, для разогрева 
кристаллической решетки до появления пластической деформации в средней 
части пластины требуется большая доза облучения, чем на краю пластины. 
Из выше изложенного следует заключить, что в результате воздействия 
нескольких энергетических факторов, действующих на систему SiO
2
/Si при 
облучении лазером, а именно:

---

76 
- энергии фононов лазерного излучения (большая энергия и высокая 
частота следования импульсов);
- упругих механических напряжений, обусловленных разницей структур 
сочленённых решёток кремния и диоксида кремния; 
- термических напряжений, возникающих при лазерном облучении 
системы SiO
2
/Si за счёт разницы ТКЛР кремния и диоксида кремния; 
- наличия низкоэнергетических центров зарождения дислокаций на 
границе раздела SiO
2
/Si; 
на поверхности кремния в области облучения возникает пластическая 
деформация. Она проявляется в виде полос, каждая из которых состоит из 
большого 
числа 
параллельных 
друг 
другу 
линий 
скольжения, 
расположенных на соответствующих плоскостях скольжения. Пересечение 
полос приводит к появлению в кристаллической решётке кремния сложно 
структурированной поверхности в виде сетки линий скольжения. Следует 
еще раз отметить, что при таком микроструктурировании поверхности 
кремния не нарушается целостность плёнки SiO
2
.