|
ГЛАВА 4. МИКРО- И НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ
SIO
2
/SI ЭКСИМЕРНЫМ ЛАЗЕРОМ
При планировании работ по исследованию влияния лазерного облучения
на параметры элементов интегральных микросхем казалось перспективным
применением для этих целей импульсных эксимерных лазеров.
Это объясняется несколькими важными соображениями:
− Более чем пятикратное снижение длины волны лазерного излучения
(193 нм для ArF - лазера) по сравнению с импульсным иттербиевым
волоконным лазером (ИИВЛ).
− Наносекундные длительности импульсов.
− Высокая номинальная энергия в импульсе. Для эксимерного лазера на
ArF 250 мДж по сравнению с ИИВЛ, у которого номинальная энергия
в импульсе составляет 1 мДж.
По техническим причинам количество экспериментов на этом лазере
крайне ограничено, поэтому получены лишь предварительные результаты,
необходимые для разработки режимов облучения элементов интегральных
схем.
Однако, нам казалось целесообразным представать эти материалы в
настоящей работе, так как ВАХ и ВФХ измеренных структур
свидетельствуют о протекании сложных физических процессов в них. В
частности указывают на скачкообразный перенос носителей в МОП
структуре.
4.1 . Микроструктурирование системы SiO
2
/Si пучком ArF лазера
В данном исследовании [116] для обработки образцов использовался
импульсный ArF–лазер с длиной волны 193 нм и длительностью импульса 17
нс. Облучение проводилось при плотностях энергии от 0,7 до 2 Дж/см
2
.
Частота следования импульсов составляла 3 Гц. Излучение лазера было
направлено перпендикулярно поверхности, площадь облучаемой области
98
оценивалась по следу после одного лазерного импульса и составляла 1×5
мм
2
. Число импульсов, падающих на поверхность, изменялось в диапазоне
от 1 до 10. Модификация поверхности образцов осуществлялась на воздухе
при комнатной температуре. Полученные структуры исследовались
методами атомно-силовой микроскопии (АСМ). Для АСМ-измерений
использовался сканирующий зондовый микроскоп Nanoeducator компании
NT-MDT.
В процессе облучения распределение мощности в лазерном пучке было
существенно
неоднородным,
так
как
лазер
обладает
стандартной
прямоугольной в поперечном сечении конфигурацией пучка (рис.4.1). Как
видно из рисунка, вдоль короткой оси наблюдается гауссово распределение,
вдоль длинной – распределение с относительно плоской вершиной и
быстрым понижением плотности энергии от плоской вершины к краям.
Рис. 4. 1. Проекции лазерного пучка. Вставка – фото лазерного пятна на поверхности
образца
Для изучения влияния режимов лазерного облучения на формирования
поверхностных микро- и наноструктур в системе SiO
2
/Si были приготовлены
две серии образцов. Для первой серии использовался следующий режим
облучения: плотность энергии 0,7 Дж/см
2
, один импульс. Для второй серии
- плотность энергии 1,32 Дж/см
2
, 5 импульсов. АСМ исследования
проводились в трёх различных областях лазерного пятна, как показано на
рис.4.2. Плотность энергии здесь понижалась от середины пятна к области 1
и далее к областям 2 и 3.
99
На рис.4.3 приведены результаты исследования первой серии образцов
(облучение с плотностью мощности 0,7 Дж/см
2
, 1 импульс). АСМ-анализ
поверхности в области 1 показал наличие нанорельефа волнообразной формы
с шагом около 40 нм (рис.4.3,а). Структуру нанорельефа составляют ряды
вертикальных, зауженных кверху колонн высотой 120 нм и диаметром от 30
нм у основания и до 25 нм к вершине (рис.4.3,б).
Рис. 4. 2. Микрофотографии средней части облучённых областей структур SiO
2
/Si при
воздействии ArF лазерного пучка (облучение с плотностью мощности 1,32 Дж/см
2
, 5
импульсов).
Во второй и третьей областях регулярность топологического рисунка
теряется. Для этих областей характерны образования структур в виде
«нанопиков» с большим разбросом размеров по основанию «нанопиков» (от
20 до 100 нм). Следует отметить, что при перемещении кантилевера с
области 2 ( рис.4.3, в, г) на область 3 (рис.4.3, д, е) уменьшается плотность
«нанопиков» на единицу площади и уменьшается их средняя высота с 50 до
40 нм.
На рис.4.4 приведены результаты исследования второй серии образцов
(облучение с плотностью мощности 1,32 Дж/см
2
, 5 импульсов). АСМ-анализ
поверхности в области 1 показал наличие волнообразных микроструктур,
которые имеют шаг периодичности около 3 мкм, высоту 280-300 нм (рис.4.4,
а, б).
100
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 4.3. 2D (а,в,д) и 3D (б,г,е) АСМ-изображения поверхностных структур в облучённых
областях структур SiO
2
/Si при дозе облучения 0,7 Дж/см
2
, 1 импульс: а,б – область 1 на
рис.4.2; в,г – область 2 на рис.4.2; д,е – область 3 на рис.4.2.
101
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 4.4. 2D (а,в,д) и 3D (б,г,е) АСМ-изображения поверхностных структур в облучённых
областях структур SiO
2
/Si при дозе облучения 1,32 Дж/см
2
, 5 импульсов: а,б – область 1;
в,г – область 2; д,е – область 3 (см.рис.4.2)
102
Для второй области характерны образования регулярных периодических
структур с шагом около 2 мкм (рис.4.4, в, г). Можно отметить, что наряду с
уменьшением шага уменьшилась и высота рельефа до 120-150 нм по
сравнению со структурами в области 1. Ближе к внешнему краю пятна
облучения (область 3) наблюдаются образования микроструктур в виде
«сталогнитов». Размер структур типа «сталогнитов» неоднороден и
колеблется от 0,08 до 2,5 мкм по основанию, а высота рельефа изменяется в
пределах 60-90 нм.
Удаление слоя оксида кремния с облученного образца в растворе
плавиковой кислоты показывает, что подобная волнообразная структура
присутствует и на поверхности самого кремния.
Поскольку SiO
2
прозрачен для лазерного излучения с λ = 193 nm, то
поглощение энергии происходит в поверхностном слое кремния, вызывая его
плавление, при этом оксид находится в твердом состоянии [106].
Образующаяся волнообразная структура объясняется «замораживанием»
поверхностных волн, возникающих на расплавленной
поверхности кремния с
находящейся на ней тонкой упруго деформированной пленкой оксида [107].
Очевидно, что толщина слоя оксида будет влиять на частотный спектр
возбуждаемых поверхностных волн и, как следствие, на наблюдаемый
пространственный период формирующейся структуры. В [108] было
теоретически
показано
и
экспериментально
подтверждено,
что
с
увеличением
толщины
пленки
SiO
2
линейно
увеличивается
и
пространственный период поверхностной волны для системы SiO
2
/Si. При
высоких плотностях поглощенной энергии лазерного излучения происходят
103
нагрев и размягченное понижение вязкости слоя оксида из-за подвода тепла
от расплавленного слоя кремния [108].
[109].
104
анизотропна, развивается упорядоченная елочная структура [110].
Выше
приведенный
анализ
результатов
работ
по
микроструктурированию системы SiO
2
/Si указывает на хорошее соответствие
результатов полученных в нашем исследовании. В нашем случае, плёнка SiO
2
при плавлении кремния на поверхности преобразует пластичность (Т
пл
. SiO
2
= 1700
о
С; Т
пл
.Si = 1423
o
C). Поэтому в области высоких температур вблизи
центра лазерного пятна наблюдается «лабиринтная структура». Далее от
центра, где температура ниже и жёсткость пленки больше наблюдается
разупорядочение микроструктурированной поверхности системы.
Do'stlaringiz bilan baham: |
