Лазерный мир

Железный Сергей Владимирович, Логинов Владимир Александрович, Митрохин Виктор Иванович // Вестник Воронежского института МВД России, 2020

Исследована температурная зависимость внутреннего трения в Si и InAs, подвергнутых воздействию импульсного лазерного излучения. На кривой обнаружены пики внутреннего трения, определены энергии активации и частотные факторы релаксационных процессов. Высказаны предположения о природе максимумов внутреннего трения.

Введение. Полупроводниковые радиоматериалы, такие как кремний и материалы типа А3В5, нашли широкое применение в радиотехнике вообще и в устройствах квантовой и оптической электроники систем безопасности и связи в частности. Требуемые характеристики полупроводниковых приборов достигаются в процессе их производства различными технологическими методами. Модификация физических свойств приповерхностных слоев полупроводниковых материалов может проводиться при помощи механической, химической, термической и прочих видов обработки. Широкое применение нашел метод обработки концентрированными потоками энергии [1]. Наряду со стационарным применяется импульсный режим обработки, в частности — обработка импульсным некогерентным излучением, а также лазерными пучками, позволяющая осуществлять локальное воздействие. Импульсная световая обработка некогерентным излучением применяется для отжига ионно-имплантированных слоев, для гетерирова-ния дефектов кристаллической решетки, для кристаллизации аморфных слоев, для отжига и генерации дефектных центров в приповерхностных областях кристаллов. Импульсное воздействие когерентным (лазерным) и некогерентным излучением позволяет проводить обработку тонких приповерхностных слоев. Такая особенность имеет неоспоримые преимущества перед стационарными методиками отжига при производстве интегральных микросхем и оптоэлектронных приборов. Лазерная обработка — один из наиболее перспективных методов модифицирования свойств приповерхностных слоев полупроводниковых материалов. Она проводится в широком временном диапазоне и применяется для отжига ионно-имплантированных слоев, кристаллизации аморфных слоев, формирования силицидов, гетерирования дефектов и примесей и т.д. Однако лазерное воздействие сопровождается такими явлениями, как введение в кристалл точечных дефектов, дислокаций, образование мелких доноров и центров безызлучательной рекомбинации, изменение механических свойств материалов, что ограничивает эффективность такой обработки [1, 2].

Временной диапазон, применяемый при импульсном воздействии достаточно широк: от фемпто- и пикосекундной длительности [2] до нескольких секунд. Обработка импульсами когерентного лазерного излучения применяется для локального воздействия, импульсное некогерентное излучение — для обработки больших площадей поверхности [3—5].

Российская компания разработала оборудование для автоматической лазерной подгонки резисторов Лазерный комплекс Omega Prof рекомендован для серийных производств, т.к. позволяет ускорить процесс лазерной подгонки резисторов.

Кроме временных и спектральных различий в технологии импульсной обработки поверхности полупроводниковых радиоматериалов важное значение имеет величина плотности энергии импульсного излучения, воздействующего на поверхность. При определенном значении этих величин морфология поверхности полупроводника претерпевает изменения, которые могут быть связаны с плавлением (зарождением жидкой фазы), выделением летучего компонента (особенно у бинарных полупроводников) и т.д. В связи с этим и различают два основных режима обработки поверхности: допороговый, при котором не наблюдается нарушения морфологии поверхности, и надпороговый, при котором такое нарушение наблюдается.

Допороговый режим позволяет проводить тонкую модификацию свойств материала в твердой фазе, в том числе введение в приповерхностную область различных точечных дефектов и их отжиг. Допороговые значения энергии лазерного излучения используются как в технологии обработки полупроводниковых материалов, так и собственно при эксплуатации оптоэлектронных устройств волоконно-оптических систем передачи информации, а также датчиков и сенсоров оптического излучения в системах безопасности.

Надпороговый режим сопровождается либо планарным плавлением всей поверхности, либо появлением специфических локальных областей плавления [2—5]. Возможно также изменение стехиометрического состава приповерхностных слоев за счет выделения летучей компоненты (в случае бинарных полупроводников).

Основная часть. В данной работе приведены результаты исследования воздействия импульсного когерентного излучения на свойства приповерхностных областей полупроводников в надпороговом режиме. Воздействие лазерного излучения на полупроводники в надпороговом режиме исследовалось методом внутреннего трения (ВТ). Этот метод, обладающий высокой структурной чувствительностью, позволяет получить ценную информацию о свойствах дефектов в полупроводниках.

В качестве образцов полупроводников типа А3В5 использовались монокристаллические пластины арсенида индия n-типа. Монокристаллические пластины получались путем резки слитка, выращенного методом Чохральского. Пластины имели толщину 0,5 мкм и диаметр 30—40 мм. Пластины проходили процесс обработки, включающий в себя: шлифовку на абразивных порошках (Ml4) и (М10) и механическую полировку при помощи алмазных паст с различным размером абразивного зерна: ACM 7/5, ACM 5/3, ACM 3/2, ACM 2/0, ACM 1/0.

Лазерное облучение монокристаллических образцов Si и InAs осуществляли на установке «Квант-16», работающей в режиме свободной генерации. Длина волны лазерного излучения составляла 1,06 мкм, длительность импульса 4 мс, энергия импульса варьировалась в диапазоне 0,1…1 Дж. Лазерную обработку проводили в многоимпульсном режиме с одновременным перемещением образцов. Расстояние между зонами лазерного воздействия равнялось 1 мм, диаметр зоны 300…500 мкм.

ВТ исследовалось на установке для измерения ВТ твердых тел [6] посредством определения затухания собственных изгибных колебаний прямоугольной пластины размером 20 х 8 х 0,4 мм. Образец устанавливали горизонтально на две кварцевые опоры в точках узлов основной моды изгибных колебаний и в нем электростатическим способом возбуждали и регистрировали колебания в интервале температур от 133 до 403 К. При указанных размерах образцов частота колебаний составляла несколько килогерц. Такой способ измерения ВТ наиболее приемлем для монокристаллических полупроводников с малым собственным затуханием, так как практически исключает неконтролируемые деформации в точках закрепления образца и тем самым обеспечивает низкий аппаратурный фон. Перед лазерной обработкой поверхность образцов подвергали химическому травлению для удаления дефектов механической обработки с последующим отжигом остаточных механических напряжений в течение 1 ч при температуре 573 К.

В результате лазерной обработки на поверхности образцов вдоль линий сканирования наблюдаются ряды лунок с измененной морфологией, что обусловлено локальным плавлением полупроводникового материала и его кристаллизацией в термодинамически неравновесных условиях. В случае лазерной обработки образцов InAs в образование лунок дополнительный вклад вносит процесс испарения летучего компонента. Степень нарушения кристаллической структуры регулируется путем изменения энергии падающего излучения. С увеличением энергии импульса излучения диаметр и глубина расплавленных областей линейно возрастают.

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/modifikatsiya-lazernym-izlucheniem-fizicheskih-svoystv-poluprovodnikovyh-radiomaterialov/pdf