Диссертация (1105259), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Проведенные исследования показали, чтов аморфной кремниевой матрице под действием лазерной обработки формируютсянанокристаллы кремния, объемная доля которых растет по мере увеличения плотностиэнергии лазерных импульсов. Для примера на рисунке 47 показана эволюция спектров КРСлазерно-модифицированных пленок при увеличении плотности энергии лазерных импульсов.Для наглядности спектры на графике разнесены по интенсивности.
Нижний спектрсоответствует структуре исходной пленки a-Si:H, с характерным широким ТО фононнымпиком с центром около 480 см-1. Появление пика около 520 см-1 для спектров пленок,облученных с интенсивностями выше 50 мДж/см2, связано с частичной кристаллизациейпленок a-Si:H. Порог кристаллизации (т.е. значение плотности энергии лазерных импульсов,необходимое для начала кристаллизации пленки) зависел от таких характеристик исходныхпленок и процедуры лазерной обработки, как толщина пленок, концентрация водорода в них,длина волны и другие параметры используемого излучения.Доля нанокристаллических включений, образующихся в результате лазернойобработки, оценивалась при помощи процедуры, описанной в разделе «методики измерений».Результаты показали, что кристалличность облученных пленок определяется, в основном,плотностью лазерной энергии и длиной волны лазерных импульсов.
Данные по влиянию этихпараметров на долю нанокристаллический фазы в модифицированной пленке представленына рисунке 48. Порог кристаллизации пленок существенно увеличивается при увеличениидлины волны модифицирующего излучения. Как видно из рис.
48, для длин волн 515, 640 и991030 нм он находится в диапазонах 3,5-4; 8,5-11,5 и 50-80 мДж/см2. Резкое смещениепороговой плотности энергии в случае λ=1030 нм, по-видимому, связано со слабымпоглощением в аморфном кремнии на этой длине волны. Отметим, что соответствующаяэнергия кванта падающего света составляет примерно 1,2 эВ, что меньше ширинызапрещенной зоны a-Si:H (~1.8 эВ).Рис. 47. Спектры КРС пленок a-Si:H, облученных лазерными импульсами с длиной волны 1030нм и плотностями энергии, указанными на рисунке.100Рис.
48. Зависимость доли кристаллической фазы в пленках a-Si:H, облученных лазернымиимпульсами с длиной волны 515 (a), 640 (b) и 1030 нм (c), от плотности энергии в лазерномпучке.Отметим, что длина волны лазера, использованного для измерения КРС спектровописанных выше, составляла 488 нм. Такое излучение хорошо поглощается в аморфномкремнии и, следовательно, проникает только на небольшую глубину (около 50 нм отоблучаемойповерхности).Этопозволяетпровестиисследованиераспределениякристаллитов по толщине пленки.
Для этого были проведены измерения КРС спектров,снятых на длине волны 488 нм как со стороны подложки, так и со стороны поверхностипленок. Измеренные спектры представлены на риc. 49 для пленок, облученных излучением сλ=515 и 1030 нм. Анализ полученных спектров позволяет оценить структуру материала вслое толщиной ~ 50 нм, расположенном вблизи подложки или вблизи поверхности,соответственно. Как видно из рис. 49, поверхность пленки, облученной с λ=515 нм,кристаллизована (пик около 520 см-1 связывают с присутствием в структуре пленкикристаллической фазы), в то время как вблизи кварцевой подложки пленка остается висходном (аморфном) состоянии. С другой стороны при облучении пленок ИК излучением(λ=1030 нм), спектры КРС, снятые с разных сторон пленки практически совпадают прилюбой доле кристаллических включений (на рис. 49 показаны спектры с минимальнымхорошо различимым пиком около 520 см-1).
Это свидетельствует о том, что образующиесякристаллиты распределены равномерно по объему пленки. Полученный результат связан сразличием в коэффициенте поглощения излучения с длиной волны 515 и 1030 нм. Впоследнем случае, поглощение, приводящее к кристаллизации пленок, определяетсядвухфотоннымипереходами,вероятностькоторыхотносительноневелика.Слабопоглощающееся ИК излучение проникает на всю глубину аморфной пленки, вызываяоднородную по толщине пленки модификацию материала.101Рис. 49. Спектры КРС пленок a-Si:H, облученных лазерными импульсами с длиной волны 515(слева) и 1030 нм (справа).
Спектры снимались со стороны пленки и со стороны подложки.Процесс кристаллизации пленок a-Si:H сопровождается модификацией ихповерхностей. Морфология поверхности пленок исследовалась при помощи атомно-силовоймикроскопии (АСМ) и растровой электронной микроскопии (РЭМ). На облученныхповерхностях появляются наноструктуры размером порядка нескольких десятков нанометров(см. рис. 50).Рис 50.
Морфология поверхности пленки a-Si:H, измеренная при помощи АСМ, до (слева) ипосле (справа) ее облучения фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 515 нми плотностью энергии 8,26 мДж/см2.Средний размер и плотность расположения наноструктур, сформированных наповерхности пленок, зависели от длины волны и плотности энергии в лазерном импульсе.Результаты измерений суммированы на рисунке 51. Как видно из рисунка, на поверхностипленок, в которых начался процесс кристаллизации (подтвержденный данными КРС),появляются шарообразные структуры размером в несколько десятков нанометров.Увеличение длины волны и интенсивности облучения приводят к увеличению размеров102сформированных наноструктур.
Предполагается, что процесс лазерного текстурированияпротекает в две стадии [129]. На первой стадии образуются шарообразные структуры,процесс формирования которых зависит от атмосферы, окружающей пленку во времялазерной обработки [129]. Затем лазерная энергия начинает концентрироваться в долинымежду этими шарообразными структурами, за счет отражения света их границами. Этоприводит к образованию остроконечных «шипов» (spikes), размером до сотен нанометров.
Нарисунке 51, однако, не наблюдается высоких остроконечных структур, что, по-видимому,свидетельствует о том, что мы остановились на первой из описанных стадии модификацииповерхности.Рис. 51. Снимки АСМ пленок a-Si:H, облученных фемтосекундными лазерными импульсами сдлиной волны λ= 515 (слева); 640 (в центре) и 1030 нм (справа). Плотность энергии лазерныхимпульсов, использованных для обработки пленок, указана на рисунке.Заметим, что поверхностные структуры, сформированные нами в результатефемтосекундного лазерного облучения, имели эллиптическую форму, что особеннопроявилось при длине волны облучения 640 нм (см. рис. 51).
Длинная ось эллиптическихструктур перпендикулярна к направлению поляризации лазерного пучка. Согласно работе T.H. Her at al. [161], это является следствием более сильного поглощения p-поляризованногосвета, по сравнению с s-поляризованным светом. Большее поглощение приводит к большейабляции (удалению вещества пленки) вдоль p-поляризованного падающего света.В большинстве проведенных нами экспериментов по лазерной обработке пленок aSi:H, несмотря на перекрытие между соседними полосами сканирования, нам не удавалосьдобиться однородности в модификации структуры. В качестве примера на рис. 52103представлен снимок АСМ поверхности пленки a-Si:H, обработанной лазерным пучком сдиаметром 15 мкм и шагом сканирования 2 мкм (перекрытие около 85 %). Как видно изрисунка, текстурирование происходит, в основном, только в тех областях пленки, где приобработке проходил центр лазерного пятна.
Это привело к появлению периодической, спериодом 2 мкм, модификации поверхности материала. По нашему мнению, это связано сгауссовым распределением энергии в лазерном пучке и пороговым характером процессов,определяющих текстурирование поверхности.Рис. 52. Микрофотографии АСМ поверхности пленки a-Si:H, облученной лазернымиимпульсами с плотностью энергии 90 мДж/см2 и длиной волны 1030 нм.
Условиясканирования описаны в тексте.Отметим, однако, что наблюдаемая периодичность в распределении поверхностныхструктур не обязательно означает, что распределение кристаллической фазы в лазерномодифицированных пленках следует подобному распределению. При помощи рамановскойспектроскопии нами было исследовано изменение структуры вдоль поверхности пленки.
Нарис. 53 представлены карты распределения объемной доли кристаллической фазы поповерхности пленок a-Si:H после их облучения лазерным излучением (λ=1030 нм, диаметрпятна 15 мкм, шаг сканирования 2 мкм, плотность лазерной энергии 130 и 155 мДж/см2).Данные карты были получены путем вычисления в каждой точке поверхности отношенияинтегральной интенсивности рамановского сигнала в интервале частот от 500 до 530 см−1 кинтегральной интенсивности в интервале частот от 460 до 530 см-1. Видно, что в результатеоблучения a-Si:H лазерными импульсами с плотностью энергии 130 мДж/см2 (показано слевана рис.
53) распределение объемной доли кристаллической фазы отражает перемещениелазерного луча: она максимальна в областях, в которые непосредственно попадал центр пятналазерного излучения при сканировании, и уменьшается при переходе от одной линии104сканирования к другой. Для пленок, полученных после облучения a-Si:H лазернымиимпульсами с плотностью энергии 155 мДж/см2 (изображение 2 на рис. 53), такженаблюдается неоднородное распределение объемной доли кристаллической фазы поповерхности пленки, однако в этом случае отсутствует упорядочивание в расположенииобластей с высокими и низкими значениями кристаллической фазы.Рис. 53.
Карты распределения объемной доли кристаллической фазы в пленках a-Si:H,облученных с плотностями лазерной энергии 130 мДж/см2 (1) и 155 мДж/см2 (2).Таким образом, текстурирование поверхности происходит одновременно скристаллизацией пленок и пространственное распределение кристаллизованных областей иучастков наноструктурированной поверхности пленки совпадают.5.2.2. Спалляция пленок a-Si:H под действием фемтосекундноголазерного излученияДлянекоторыхпленокa-Si:H,обработанныхфемтосекунднымилазернымиимпульсами, наблюдался эффект частичного откола/отслаивания и последующего удаленияучастков пленки от кварцевой подложки (см. области 9-10 на рис. 46).
В литературе процесслокального разрушения твердых тел под действием импульсных нагрузок получил названиеспалляции (spallation). Этот эффект является результатом напряжений на границе различныхструктур, образованных под действием градиента температур вглубь пленки. Характернаятемпература этого эффекта для аморфного кремния зависит от параметров пленки, в работе[162] наблюдалось удаление вещества пленки при температуре 1350 К, что ниже точкиплавления a-Si:H.Рассмотрим структурные изменения, происходящие в пленке при протекании процессаспалляции. На рисунке 54 показана микрофотография пленки a-Si:H, облученной лазернымиимпульсами (λ=1030 нм, плотность энергии W=135 мДж/см2), для которой наблюдаетсяэффект спалляции.
На микрофотографии можно выделить 4 типа областей: а) небольшиетемные области (размером до 3 мкм), б) большие тёмные области (размером до 15 мкм); в)105области, в которых пленка прозрачна (на рисунке представлен снимок в отраженном свете,где эти области, соответственно, самые темные) и г) области между пятнами.
Темныеобласти, по-видимому, представляют собой участки отслоившейся пленки. Данные областинагреваются быстрее, чем окружающий кремниевый материал, вследствие отсутствияпрямого теплового контакта с подложкой.Чтобы уточнить структуру различных областей, наблюдаемых на микрофотографии,были проведены исследования поверхности пленки при помощи микрорамановскогоспектрометра (смотри верхнюю часть рисунка 54). Темные на отражение (и соответственно,прозрачные на пропускание) области имеют спектр КРС, нехарактерный для аморфного илинанокристаллического кремния. Сигнал КРС в данном случае приходит от кварцевойподложки. Следовательно, в этих областях произошла абляция всего материала пленки.Области «больших» и «маленьких» пятен представляют собой частично кристаллизованнуюпленку гидрогенизированного кремния.
Причем размер отслоившегося участка пленки растетодновременно с долей кристаллической фазы в нем. Области пленки между всемиотмеченными включениями так же представляют собой nc-Si:H, но со значительно меньшейдолей кристаллической фазы, по сравнению с отслоившимися участками.Рис. 54. Изображение, полученное с помощью оптического микроскопа в режимеотражения, поверхности пленки лазерно-модифицированного a-Si:H, для которойнаблюдается эффект спалляции (снизу). А так же спектры КРС (сверху) для различныхобластей пленки, указанных на рисунке.106Напомним, что процесс обработки пленок проводился в сканирующем режиме сбольшим перекрытием соседних полос.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
