Диссертация (1097807), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Как видно из рисунка,структура поверхности исследованных пленок a-Si:H изменяется с увеличениемплотности энергии лазерных импульсов. При низких значениях плотности энергииимпульсов (до 90 мДж/см2) возникают тёмные и светлые полосы (образцы под номерами2–4 на рисунке). Это указывает на неоднородное по площади воздействия на пленкулазерного пучка, несмотря на то, что диаметр лазерного пучка на поверхности пленки(15 мкм) превышал шаг сканирования (2 мкм). Такое неоднородное воздействие, повидимому, связано с гауссовой формой распределения плотности энергии лазерныхимпульсов. Появление контраста ”цветов“ (темные и светлые полосы) образцов можетбыть связано как с изменением структуры пленки в результате ее лазерного облучения,так и ее поверхности.
Обе причины могут привести к уменьшению коэффициентаотражения плёнок. При увеличении плотности энергии в лазерных импульсах ширинатемных полос, середина которых соответствует центру лазерного пучка, возрастает(переход от образца 2 к образцу 4). Можно предположить, что в результате облученияпленок фемтосекундным лазерным излучением происходит частичная кристаллизация aSi:H, причем с увеличением плотности энергии лазерных импульсов увеличиваетсяобласть кристаллизации — ширина темных полос.Начиная с образца 5 (W0 = 110 мДж/см2), возникают новые структурныетрансформации: происходит формирование тёмных пятен размером порядка 1 мкмвдоль направления сканирования лазерного луча.
При дальнейшем увеличенииплотности энергии в лазерных импульсах возникают четыре типа областей в плёнке(фотография 6 на рис. 1.12): а) небольшие темные пятна (размером до 3 мкм), б)большие тёмные пятна (размером до 15 мкм); в) большие белые пятна и г) областимежду пятнами. Большие белые пятна являются областями с отсутствием плёнки. Повидимому, начиная с некоторого критического значения плотности энергии в лазерномимпульсе, на поверхности пленки происходит возникновение вздутых областей, такназываемых «пузырей».
Данные области быстро нагреваются, вследствие отсутствияпрямого теплового контакта с подложкой, кристаллизуются и, наконец, отслаиваются.41Рис. 1.12. Изображения, полученные с помощью оптического микроскопа в режиме пропускания,поверхностей пленок a-Si:H, модифицированных ФЛО. Указанные цифры соответствуют образцам,облученным с различной плотностью энергии: (1) -0 мДж/см2, (2) – 40 мДж/см2, (3) – 65 мДж/см2, (4) –90 мДж/см2, (5) – 110 мДж/см2, (6) - 135 мДж/см2.При облучении пленок аморфного кремния фемтосекундными лазернымиимпульсами с плотностью энергии более 250 мДж/см2 начинается новый типструктурных изменений. Поверхность пленки становится шероховатой и отражение отнее значительно падает. Это видно из рисунка 1.13, на котором представленыизображения, полученные с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ)исходной и облученных пленок a-Si:H. Как будет показано далее, данные изменениясвязаны с процессом окисления пленки (начинается при плотностях энергии более 135мДж/см2) в результате ее сильного нагрева и плавления под воздействием лазерныхимпульсов.42Рис.
1.13. Изображения РЭМ исходной пленки a-Si:H (слева вверху) и облученных при двух различныхплотностях энергии импульсов (внизу). Справа вверху изображение пленки в отраженном свете.Отражение от части пленки, облученной при плотностях энергии в импульсе более 250 мДж/см2,значительно падает.Из рисунка 1.13 видно, что морфология поверхности пленок a-Si:H существенноизменяется при лазерном облучении. Дополнительные исследования, проведенные спомощью АСМ, показали, что при облучении пленок a-Si:H лазерными импульсами наих поверхности образуются субмикронные шероховатости.
В литературе отмечаетсянесколько процессов, влияющих на изменение морфологии поверхности пленокаморфного кремния, подвергнутых лазерному облучению: эффузия водорода из пленки[12],мультипликативнаяимпульснаякристаллизация[96],различиетеплотыкристаллизации и коэффициента теплопроводности для кристаллического и аморфногокремния [97], условия окружающей среды, в которой происходит облучение [96].Причемотмечается,чтонаиболеевероятнымипричинамивозникновенияшероховатостей на поверхности a-Si:H являются эффузия водорода из пленки ивзрывная кристаллизация a-Si:H [96, 98].На рис. 1.14 представлены профили поверхностей пленок наномодифицированногофемтосекундным лазерным излучением аморфного кремния.43Рис. 1.14. Полученные с помощью АСМ профили поверхностей пленок a-Si:H, подвергнутых ФЛО приплотностях энергии лазерных импульсов а) 160 мДж/см2 и b) 360 мДж/см2.Из рисунка видно, что при облучении пленок импульсами с плотностью энергии от30 до 200 мДж/см2 высота образующихся шероховатостей составляет порядка 20 – 40 нм(рис.
1.14 а), в то время как размеры шероховатостей, образующихся на поверхностипленок при облучении с плотностями энергии более 250 мДж/см2, резко возрастают повысоте и изменяются от 200 до 400 нм (рис. 1.14 b). Такое резкое изменение в размерахшероховатостей, по-видимому, связано с изменением масштаба кристаллизации пленок.Для импульсов с небольшими плотностями энергии (до 200 мДж/см2) пленкавозбуждается в пределах 1 мкм, что можно определить, например, по нижней левоймикрофотографии на рис.
1.13 и профилю поверхности на рис. 1.14 а. Поскольку шагсканирования составлял 2 мкм, то при облучении пленки не происходило перекрытияобластей возбуждения и кристаллизации пленки. При повышении плотности энергиилазерных импульсов (более 250 мДж/см2) размер области возбуждения пленкистановится больше шага сканирования, пленка начинает плавиться, что приводит кнаблюдающемуся резкому изменению морфологии поверхности облученных пленок(правая нижняя микрофотография рис.
1.13).Предположение об изменении структуры пленок a-Si:H, облученных с разнойплотностью энергии в лазерных импульсах, подтверждается представленными на рис.1.15 спектрами рамановского рассеяния света исследованных образцов. Как видно из44рисунка, для образцов, облученных фемтосекундными лазерными импульсамиплотностью энергии не более 90 мДж/см2, наблюдается ярко выраженный максимумвблизи частоты ωА=480 см−1, соответствующий поперечной оптической (TO) фононноймоде в аморфной структуре кремния. В то же время на спектрах рамановскогорассеяния,полученныхдляобразцов,подвергнутыхлазерномуоблучениюсплотностями энергии в импульсах более 110 мДж/см2, наблюдается также максимумвблизи ωC = 520,5 см−1, соответствующий поперечным оптическим фононамкристаллического кремния.Рис. 1.15.
Спектры рамановского рассеяния света для плёнок a-Si:H, подвергнутых фемтосекунднойлазерной обработке. Плотность энергии в используемых для кристаллизации лазерных импульсахприведена на рисунке.Для определения доли кристаллической фазы в образцах nc-Si/a-Si:H, полученныхФЛО a-Si:H их спектры рамановского рассеяния света были разложены насоставляющие фононные моды, в соответствии с процедурой, описанной выше (дляпленок nc-Si/a-Si:H, полученных методом PECVD).Зависимость объемной доли кристаллической фазы Xс исследуемых образцов ncSi/a-Si:H, полученных ФЛО a-Si:H от плотности энергии лазерных импульсов,представлена на рисунке 1.16.
Из рисунка хорошо видно, что с увеличением плотностиэнергии лазерных импульсов, объёмная доля кристаллической фазы в пленке возрастает.45807060XC , %50403020100020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2202W0, мДж/смРис. 1.16. Зависимость объемной доли кристаллической фазы nc-Si/a-Si:H, полученных ФЛО a-Si:H, отплотности энергии лазерных импульсов.По формуле (1.4) была произведена оценка размеров нанокристаллов кремния,образующихся в пленках a-Si:H в результате их фемтосекундной лазерной обработки.Результаты численных аппроксимаций спектров рамановского рассеяния представленына рис. 1.17 в виде зависимости dnc-Si от плотности энергии лазерных импульсов,использованных для облучения пленок a-Si:H, и от доли кристаллической фазы впленках.
Из рисунка видно, что при увеличении плотности энергии лазерных импульсовувеличивается как доля кристаллической фазы в пленке, так и размер образующихсянанокристаллов кремния. Причем резкий рост средних размеров нанокристаллов (болеечем в два раза) происходит при резком увеличении доли кристаллической фазы впленке.46Рис. 1.17.
Зависимость среднего размера нанокристаллов кремния в исследованных пленках a-Si:H,модифицированных ФЛО, от плотности энергии в лазерных импульсах (черные круги, нижняя шкала) иот доли кристаллической фазы в пленке (красные квадраты, верхняя шкала).Спектры рамановского рассеяния света также могут быть использованы дляопределения относительного изменения концентрации Si-H связей, а значит исодержания водорода, в исследуемых пленках. Максимум на спектре рамановскогорассеяния света a-Si:H вблизи частоты ωSi-H = 625 см-1 отвечает за колебания связей Si-H[65]. На рис. 1.18 представлена часть спектра рамановского рассеяния, отвечающаяколебаниям Si-H связей, для пленок аморфного кремния, модифицированных ФЛО.
Поотносительномуизменениюинтегральнойинтенсивностимаксимума,соответствующего Si-H колебательным модам, можно судить об относительномизменении концентрации водорода в пленке. Максимум вблизи 625 см-1 былаппроксимирован линией гауссовой формы. Стоит отметить, что при проведенииаппроксимации спектров учитывался вклад от LA фононной моды на удвоенной частоте(вблизи 610 см-1).47Рис. 1.18. Часть спектра рамановского рассеяния света, соответствующая Si-H колебательным модам,для пленок a-Si:H, подвергнутых ФЛО. Числа на рисунке соответствуют значениям плотности энергиилазерных импульсов при облучении a-Si:H.На рис.
1.19изображена зависимость относительного изменения содержанияводорода, вычисленная по соотношению интегральных интенсивностей линии вблизи625 см-1, от плотности энергии лазерных импульсов, использованных для облученияпленок a-Si:H. Как видно из рисунка, концентрация водорода в пленке уменьшается приувеличении плотности энергии лазерного воздействия. Данный эффект проявляетсятакже при термическом отжиге пленок a-Si:H при температурах больше 350 оС [100].Следовательно, фемтосекундная лазерная обработка приводит к термическомувозбуждению a-Si:H, сопровождающемуся выходом водорода из пленки.
При этомпроявление нетермических воздействий фемтосекундного лазерного излучения напленки a-Si:H возможно в случае невысоких значений плотности энергии лазерныхимпульсов (менее 90 мДж/см2).48Рис. 1.19. Зависимость относительного изменения содержания водорода в пленке от плотности энергиив лазерных импульсах. Штриховая линия представлена для помощи следования глазу.Для пленок a-Si:H, подвергнутых ФЛО с большими плотностями энергии навоздухе, возможен процесс значительного окисления.
С целью исследования такойвозможности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) былопределен химический состав пленок гидрогенизированного аморфного кремния,модифицированного фемтосекундными лазерными импульсами с W0>200 мДж/см2. Дляпримера на рис. 1.20 представлена часть спектра РФЭС, соответствующая Si 2pорбиталям необлученной пленки a-Si:H и пленки, облученной с W0 = 260 мДж/см2. Излитературных данных известно, что энергия связи Si 2р электронов в объемномкристаллическом кремнии равна 99.5 эВ, а энергия связи Si 2р электронов в матрицеSiO2 приблизительно составляет 104 эВ [101].
Чтобы избежать в исследованиях учетаестественного оксидного слоя, с поверхности необлученной пленки a-Si:H ионами Arбыл стравлен слой толщиной в 4 нм. После этого анализ спектра РФЭС необлученнойпленки показал, что она состоит только из атомов кремния (рис. 1.20 штриховая линия).В то же время, содержание SiO2 в пленке резко возрастает при ее облучении с W0 ≥ 260мДж/см2 (рис. 1.20 сплошная линия).49Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
