Zastosowania przetwarzania zakłóceń laserowych

W tej sekcji krótko wyjaśnia różne ważne zastosowania przetwarzania zakłóceń laserowych.

Krystalizacja i struktura folii półprzewodników

Ostatnio przetwarzanie zakłóceń laserowych przyciąga rosnące zainteresowania w branży półwęściowej. Zastosowania, które otrzymały znaczące uwagi, obejmują krystalizację indukowaną laserem oraz strukturę amorficznych i nano-krystalicznych półprzewodnikowych. Wnioski te są krótko omówione w poniższych sekcjach.

Gdy dwie lub więcej wiązek mogą zakłócać powierzchnię folii amorficznej, modulacja intensywności może indukować okresowe wzorce krystalizacji z naprzemiennymi liniami amorficznymi i polikrystalicznymi (interferencja z dwoma wiązkami) lub kropki (zakłócenia z trzema wiązaniem lub czterema wiązkami) . Krystalizacja indukowana laserowo obejmuje ultraszybkie procesy topnienia i zestalania z daleka od równowagi termicznej (Mulato i in. 2002). Indukowana laserowo krystalizacja amorficznych półprzewodników jest szczególnie interesująca, ponieważ umożliwia wytwarzanie dużych folii obszarowych do zastosowań w wyświetlaczach płaskich paneli i ogniwach słonecznych. Zastosowania wzorów interferencyjnych do wytwarzania okresowych struktur mikrokrystalicznych najpierw wykazano w przypadku amorficznych folii krzemu bez wodoru przy użyciu pulsacyjnego lasera barwnika (Heintze i in. 1994). Rycina 11.6 przedstawia okresowe struktury krystaliczne podobne do linii i kropki wytwarzane przez krystalizację interferencji amorficznego krzemu, a następnie selektywne trawienie w osoczu. Jak wskazano na ryc. 11.6a, modulacja intensywności sinusoidalnej w zakłóceniu dwóch wiązek powoduje siatkę linii o szerokości 400 nm paski fali kwadratowej oddzielone wykopami o szerokości 340 nm. Ostrość interfejsu między mikrokrystaliczną

Ryc. 11.6 (a) Krystaliczne kraty linii i (b) kroki kropkowe wytwarzane przez krystalizację zakłóceń laserowych i selektywne trawienie w osoczu.

(Przedrukowane z Heintze i in. 1994. Za zgodą. Copyright American Institute of Physics.)

A region amorficzny wynika z dobrze zdefiniowanego progu krystalizacji laserowej amorficznego krzemu (95 mj/cm2). Okresowe dwuwymiarowe kroki kropkowe mogą być wytwarzane przez zakłócenia czterech wiązek, tak że każda krystaliczna kropka reprezentuje punkt krzyżowania dwóch superponowanych kratów linii prostopadłej (ryc. 11.6b). Konieczne jest wybranie intensywności wiązek tak, że krystalizacja jest indukowana tylko przy maksimach zakłóceń w punktach skrzyżowania dwóch prostopadłych kratów linii. Dotości mikrokrystaliczne o średniej średnicy 700 nm i grubości 200 nm zostały wytworzone przy użyciu połączenia interferencji laserowej i selektywnego trawienia w osoczu.

Podobne badania krystalizacji interferencji laserowej przeprowadzono na amorficznych filmach germanu (Mulato i in. 1997; Mulato i in. 1998). Rycina 11.7 przedstawia wzór krystalizacji skrystalizowanego germanu z heksagonalną symetrią sieci uzyskanej przez zakłócenia lasera z trzema wiązkami. Krystaliczność kropek można potwierdzić za pomocą przestrzennie rozdzielonej spektroskopii mikro-raman. Rycina 11.8 przedstawia zmienność przestrzenną (rozdzielczość boczna 0,7um) krystalicznego (300 cm-1) i amorficznych (~ 270 cm-1) komponentów widma ramanowego w krystalizowanej laserowej kropce. Rysunek wskazuje najwyższy wkład krystaliczny w środku kropki i najwyższy amorficzny udział między kropkami (Mulato i in. 1997).

Filmy amorficzne krzemowe i germanowe hodowane przez PECVD (osadzanie chemiczne ulepszone w osoczu) zwykle zawierają więcej niż 10 przy. % Hydro-gen. Gdy takie filmy są poddawane krystalizacji zakłóceń laserowych, występuje wybuchowy wysięk wodoru, co prowadzi do zakłócenia powierzchni folii lub tworzenia folii wolnostojących. Niedawno zbadano krystalizację interferencji laserowych dla bezwodorowych stopów amorficznych germanu-nitrogen (A-GEN) w celu określenia roli azotu podczas przejścia fazowego. Rysunek 11.9 przedstawia

Ryc. 11.7 Krystalizacja zakłóceń laserowych amorficznych germanu pokazująca sześciokątną sieć skrystalizowanego germanukropki z okresem

2,6 m uzyskane z zakłóceniami trzech wiązek. (Przedruk z Mulato i in. 1997.pozwolenie. Copyright American Institute of Physics.)

Ryc. 11.8 Zmiana przestrzenna krystalicznego (~ 300 cm -1) i amorficznych (~ 270 cm -1) komponentów widma Ramana

Przez laserową krystalizowaną german DOT. (Przedrukowane z Mulato i in. 1997. Za zgodą. Copyright American Institute of Physics.)

Ryc. 11.9 Profile powierzchniowe i pionowe AFM i pionowe folii genów napromieniowane wzorem zakłóceń dwustronnych pokazujących okresowe linie mikrokrystaliczne i amorficzne. (Przedrukowane z Mulato i in. 2002. Za zgodą. Copyright American Institute of Physics.) Profil powierzchniowy i profil pionowy (zmierzony za pomocą mikroskopii siły atomowej) okresowej struktury krystalizacji uzyskanej z dwoma zakłócającymi wiązkami na powierzchni A-Gen. Rysunek wskazuje okresowe ciemniejsze linie odpowiadające mikrokrystalizacyjnej germanu i wyraźne linie odpowiadające niezmienionym amorficznym genowi. Linie mikrokrystaliczne mają okres 4 m i szerokość 1M. Takie struktury zakłóceń powierzchniowych z trójwymiarowymi profilem i różne właściwości optyczne odpowiadające uzyskanym regionom mikrokrystalicznym i amorficznym mogą być stosowane jako optyczne kroki dyfrakcyjne. Profil pionowy pokazuje również, że krystalizowana część filmu jest około 25 nm niższa niż region amorficzny z powodu wysięku azotu podobnego do wodoru w przypadku folii amorficznego krzemu (A-SI: H). Można to potwierdzić technikami charakteryzacji, takimi jak spektroskopia w podczerwieni i spektroskopia ramanowska (ryc. 11.10). Rycina 11.10a przedstawia w podczerwieni pasmo absorpcji GE - N folii genów przed i po interakcji laserowej. Różnica w wytrzymałości pasma absorpcji wskazuje, że całkowita liczba wiązań GE - N zmniejszyła się po krystalizacji laserowej sugerująca wysięk azotu podczas krystalizacji. Jak wspomniano wcześniej, dowody krystalizacji w amorficznych filmach genów po przetwarzaniu zakłóceń laserowych można uzyskać za pomocą spektroskopii ramanowskiej (ryc. 11.10b). Rysunek wyraźnie wskazuje na brak komponentu krystalicznego odpowiadający 300 cm -1 w początkowej folii amorficznej. Szczyt pojawia się w próbce skrystalizowanej laserowo, którą można porównać z referencyjnym krystalicznym germanem. Szerokość piku w próbie krystalizowanej laserowo wskazuje, że interferencja laserowa powoduje tworzenie rozmieszczenia małych krystalitów zamiast monokonstalistycznej filmu germanu (Mulato i in. 2002).

W przypadku wielu cienkich filmów elektronicznych ważne jest zrozumienie zachowania wzrostu ziarna podczas krystalizacji zakłóceń laserowych amorficznych lub

Ryc. 11.10 (a) Pasma absorpcji GE - N w podczerwieni oraz (b) widma ramanowskie amorficznych filmów genów przed i

Po napromieniowaniu za pomocą wzoru zakłóceń laserowych. (Przedruk z Mulato i in. 2002. Za zgodą. Copyright American Institute of Physics.)

Nano-krystaliczne cienkie folie. Ma to szczególne znaczenie, w którym pożądana jest mikrokrystalizacja ułatwiona przez super boczny wzrost (SLG). Jak wspomniano wcześniej, krystalizacja indukowana laserem jest związana z ultraszybkim topnieniem i zestalaniem. Ziarna zarodkują na interfejsie stałym i cieczy i rosną w kierunku maksimów zakłóceń wzdłuż gradientu termicznego. Ziarna rosnące z obu stron zakłócenia maksima spotykają się w środku maksimów i tworzą granicę ziarna. Wzrost ziarna bocznego w określonych warunkach jest ograniczony spontanicznym zarodkowaniem mniejszych ziaren w środku maksimów energii. W tych warunkach ziarna boczne nie mogą dotrzeć do środka maksimów zakłóceń. Jest to pokazane na obrazie AFM (ryc. 11.11) uzyskanym z powierzchni amorficznego krzemu krystalizowanego przy użyciu symetrycznego wzoru zakłóceń dwóch wiązki (przez laser podwójnie Q-przełączonego Q-YAG o długości fali 532 nm). Asymetryczna krystalizacja zakłóceń laserowych, w której intensywności dwóch wiązek laserowych są różne, można również użyć do dostosowania i optymalizacji przejściowych profili temperatur, a zatem zachowania wzrostu ziarna (Rezek i in. 2000).

Przeprowadzono podobne badania dotyczące zachowania bocznego wzrostu ziarna podczas krystalizacji interferencji laserowej amorficznych lub nanokrystalicznych filmów SIGE, osadzonych na podłożach kwarcowych (Eisele i in. 2003). Eksperymenty krystalizacji przeprowadzono z dwoma wyraźnymi schematami: krystalizacja interferencji laserowej (LIC) i skaningowa krystalizacja interferencji laserowej (SLIC). W LIC podatak zakłóceń jest bezpośrednio napromieniowany na powierzchni próbki, podczas gdy w SLIC wzorzec zakłóceń jest przesunięty na powierzchnię z predefiniowanym krokiem (ryc. 11.12). Rycina 11.13 przedstawia obrazy TEM z sekcji krystalizowanych laserowych linii filmów SIGE krystalizowanych w dwóch różnych temperaturach (25 ° C i 740 ° C). W przypadku indukowanej laserowo krystalizacji (LIC) w temperaturze pokojowej wzrost ziarna bocznego jest ograniczony ze względu na spontaniczne zarodkowanie mniejszych ziaren na środku linii. Jednak w przypadku LIC w podwyższonej temperaturze zmniejszona szybkość chłodzenia powoduje zmniejszenie lub brak spontanicznego zarodkowania. Spontaniczne zarodkowanie można również zapobiec za pomocą węższych linii uzyskanych z zakłóceniami trzema wiązkami. Obraz AFM folii SIGE krystalizowany według wzoru zakłóceń z trzema wiązaniem (z okresem 6 m) przy użyciu SLIC przedstawiono na ryc. 11.14. Jak wskazano na rysunku, SLIC powoduje dłuższe ziarna (~ 2 m).

Ryc. 11.12 Schemat (a) krystalizacji interferencji laserowej (LIC) oraz (b) i (c) skanujący krystalizacja interferencji laserowej (SLIC).

(Przedruk z Eisele i in. 2003. Za zgodą. Prawa autorskie Elsevier.)