Диссертация (1090573), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Однако в работе не сообщается олокальной температуре, которой при отжиге подвергались как PZT пленки,так и приповерхностный слой кремниевой подложки, на котором обычноформируетсявсямикроэлектроннаясхемотехника.Можнолишьпредполагать, что с учетом длины волны CO2 лазера разогрев превышал550-600оС.Помимо нанесения буферного слоя, для получения пленок PZT вфазе перовскита, в работе [81]производился предварительный отжигкремниевой пластины с нанесенным методом золь-гель слоем PZT.
Отжиг впечи при температуре 450 оС в течение 1 часа позволяет сформировать фазупирохлора.1.2.3 Полупроводниковый лазерПолупроводниковый лазер с непрерывным спектром излучения такжеприменяется для кристаллизации тонких пленок PZT. К его основнымпреимуществам можно отнести невысокую цену, компактные размеры инизкое энергопотребление.Однако для кристаллизации пленок заданной толщины можетпотребоватьсянесколькоцикловотжига.Вработе[82]толщинакристаллизованного слоя составляла 45 нм после одного цикла отжига. Всилу особенностей используемого лазерного излучения (в указаннойработе: длина волны 980 нм для , мощность до 100 W , непрерывныйспектр), большая часть энергии поглощается нижним платиновым32электродом , и нагреваетего. Таким образом, лишь приграничный сэлектродом слой пленки оказывается кристаллизованным.На данный момент нет опубликованных работ, подтверждающихвозможность кристаллизации тонких пленок PZT без нанесения буферногослоя.Анализ рассмотренных выше примеров использования эксимерных,полупроводниковых и CO2 лазеров показал следующее:1.Лазерный отжиг используется как дополнительный и служитдля рекристаллизации перовскитной фазы и улучшения диэлектрическихпараметров пленок.
Эксперименты по непосредственной кристаллизацииперовскитной фазы в пленках не позволяли получать однофазнуюперовскитную структуру пленок PZT.2.Использование эксимерного лазера для отжига пленок PZTтолщиной, превышающей длину волны эксимерного лазера, оказываетсязатруднительным, особенно в области пленки, примыкающей к границе еераздела с нижним электродом.3.Существует существенное ограничение на толщину пленок PZTдля кристаллизации полупроводниковым лазера с непрерывным спектром.4.Применение СО2 лазера, по всей видимости, приводит ксильному разогреву приповерхностного слоя кремниевой подложки, накотором формируется микроэлектронная схемотехника.5.В работах по применению лазерного отжига для формированиянеобходимой структуры и морфологии сегнетоэлектрических пленокотсутствует какая-либо информация о возможности создания локальныхмикрообластей перовскитной фазы в матрице аморфной (пирохлорной)фазы PZT пленки.Однако электрофизические параметры структур, кристаллизованныхэксимерными и CO2 лазерами, хуже, чем у плёнок, сформированныхизотермически.331.3.
Фемтосекундное лазерное излучениеСпустя два десятилетия после того, как был изобретен лазер,длительность самого короткого импульса удалось снизить на 6 порядков,перейдя от наносекундного к фемтосекундному режиму генерации. [83]Важнойнаучнойзадачей,диктовавшейнеобходимостьсокращатьдлительность лазерных вспышек было исследование быстропротекающихявлений. Так, добившись световых импульсов длительностью менеенаносекунды (10-9 с), были, в частности, исследованы процессы вэлектрооптических явлениях (быстродействие эффекта Керра) и изученыбыстропротекающие фотохимические реакции [84].Революционныйпрорыв в области полученияультракороткихсветовых импульсов случился при достижении длительности импульсапорядка 1 фс (10-15с).
Некоторые из наиболее фундаментальных процессовфизического мира происходят с характерными временами, сопоставимыми сфемтосекундной. К ним можно отнести: движение электронов в твердыхтелах, колебания частей молекул, разрыв и формирование химическихсвязей. В микромире существенную роль играют перемещения в масштабахмикро-и нанометров, которые происходят за очень короткие времена.Таким образом, временное разрешение экспериментальных методикпорядкафемтосекундоткрываетширокиеисследовательские(иприкладные) возможности.Особенностифемтосекундногоизлучения,связанныесультракороткой длительностью импульса, состоят в концентрации энергии впредельно малом временном промежутке и высоких значениях пиковоймощности.Более того, низкая расходимость лазерного пучка в сочетании ввысокой мощностью позволяет фокусировать интенсивное излучение вочень малом объеме.34Среди ряда реализованных конструкций фемтосекундых лазеров,наибольшее распространение получили лазеры на титан-сапфире.
Такой видлазера используется и в данной работе.1.3.1 Особенности взаимодействия фемтосекундного излучения свеществомИзвестно,чтофизическиеявления,происходящиепривзаимодействии лазерного излучения с веществом, сильно связаны сдлительностью импульса [83,84].Привзаимодействиилазерас наносекундными импульсами(например, подробно рассмотренный выше эксимерный лазер на KrF имеетдлину импульса от 30 до 100 нс)с веществом, энергия излученияпередается электронам, возбужденные электроны, в свою очередь, передаютэнергию решетке. Причем важно то, что этот процесс происходит в рамкаходного импульса. Электроны и ионы решетки остаются в равновесии илазер просто «нагревает» вещество. Таким образом, отжиг наносекунднымлазером является термическим процессом.Иными словами, действиетакого вида излучения на вещество обусловливается локальным нагревом.Локальный нагрев ограничивает использования лазера с большойдлиной импульса для термически чувствительных материалов.
Более того,создаваемое при таком воздействии тепловое напряжения создает неровныекрая и микротрещины в материале.Взаимодействие фемтосекундного излучения с металлами включает всебя несколько стадий. Сначала свободные электроны поглощают энергиюлазерного излучения, при этом тепловое равновесие в электроннойподсистеме отсутствует. Далее электроны достигают теплового равновесия,и плотность состояний определяется распределением Ферми-Дирака. Тем неменее, на этом этапе электроны и решетка не находятся в тепловомравновесии, агорячие электроны передают энергию ионам решетке35электрон-фононноговзаимодействия.Финальнойстадиейявляетсядостижение равновесия между электронами и решеткой. Ключевымявляется то, что тепловое равновесие в электронной подсистеме достигаетсяв течение ультракороткого времени (несколько фс), а в масштабе временипорядка пикосекунд достигается тепловое равновесие между электронной ирешеточнойподсистемами.Инымисловами,дляфемтосекундноголазерного импульса энергия передается электронам в масштабе временигораздо быстрее, чем время передачи этой энергии в решетку материала, азатем время дальнейшего распространения тепла по образцу.Решетка вблизи поверхности нагревается в течение очень короткогопромежутка времени, почти без изменения объема, то есть не происходитдеформации поверхности.
Далее следует различать режим абляции, то естьудаления вещества, и режим (ре)кристаллизации без удаления веществазависит от параметров вещества (плотность, объем, теплопроводность ит.п.) и лазерных параметров (длительность импульса, плотность мощности).Последнее приводит к гораздо меньшим тепловым повреждениям посравнению с более длинными импульсами воздействия.На данный момент большинство работ по фемтосекундномувоздействию посвящено кристаллизации аморфного кремния.Говоряополупроводниках,подвоздействиемвозбужденияультракоротким импульсом, материал в состоянии термодинамическогоравновесия проходит несколько стадий релаксации, прежде чем вернуться всостояние равновесия. Энергия передается сначала электронам, затемрешетке и включает в себя несколько режимов возбуждения носителейзаряда и релаксации.
Основные стадии: возбуждение носителей заряда,термализация, гибель носителей заряда, тепловые и структурные эффекты.В случае с фемтосекундным лазерным излучением, эти процессыпроисходят с различными постоянными времени.36При этом использовались особенности фемтосекундного излучения,позволяющего диагностировать процесс кристаллизации in-situ в процесселазерного отжига.При кристаллизации аморфного кремния фемтосекундным лазером вомногих работах использовались особенности излучения, позволяющиедиагностировать процесс кристаллизации in-situ в процессе лазерногоотжига.Так, например, в работе [85] отжиг кремния осуществлялся припомощи фемтосекундного лазера (параметры импульса: 2 мДж, 50 фс, 800нм), а диагностика процесса кристаллизации осуществлялась по параметрамтерагерцового излучения, генерируемого кристаллизованной структурой.
Вработе [80] теми же авторами была показана возможность кристаллизациине просто некоей области кремния, а формирование посредствомфемтосекундного лазерного отжига транзистора.В работе [86] представлены результаты сравнительного исследованиядействия мощных наносекундных (20 нс) и фемтосекундных (120 фс)лазерных импульсов на кремниевые наноструктуры, создаваемые ионнолучевым синтезом в слоях SiO2 или осаждением на стеклянные подложки.Наносекундные отжиги приводят к появлению полосы фотолюминесценциивблизи 500 нм, ее интенсивность растет с энергией и числом импульсов.Источниками излучения считаются кластеры атомов Si, сегрегированных изокисла.
Длительности фемтосекундных импульсов оказалось недостаточнодля сегрегации избыточного Si из SiO2. Вместе с тем они кристаллизуюттонкие пленки a-Si на стекле. Было показано, что диапазон энергий обоихтипов импульсов, при которых наблюдалась кристаллизация, допускалкратковременное плавление поверхности.371.4. Нелинейно-оптическая диагностика сегнетоэлектриков1.4.1. Общие вопросы генерация второй оптической гармоникиГенерация второй оптической гармоники (ГВГ) является эффективнойдиагностической методикой исследования структур. В рамках даннойработы она позволяет исследовать структурные особенности пленок идинамику их изменений.
Данная методика основана на зависимостинелинейно-оптического отклика исследуемой среды, который описываетсянелинейно-оптической поляризацией �Р⃗(2), от ее симметрии. Будучибесконтактным методом, ГВГ позволяет исследовать структуру без еёразрушения.Метод ГВГ обладает высокой чувствительностью к симметрии среды,что может быть использовано для обнаружения структурных особенностейисследуемого образца, наличия пьезоэффекта, фазовых переходов. Именноэтаметодика,наравнедифференцироватьспьезо-силовойперовскитнуюфазумикроскопией,отостальныхпозволяет(аморфной,пирохлорной).Следует также отметить, что при использовании данного метода нетребуетсяналичие,например,проводимостиисследуемогообразца.Возможность использования данного метода для не обладающих этимисвойствами биологических структур была приведена в работах [87-89].При условии нецентросимметричной среды, отклик системы начастотевторойгармоникиопределяетсянелинейнымичленамивразложении поляризации по степеням электрического поля, которое имеетвид:�Р⃗ = Р�⃗() + �Р⃗(2) + �Р⃗(3)+.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
