Диссертация (1105259), страница 21
Текст из файла (страница 21)
По-видимому, «зародившаяся» в некоторой точкеобласть отслоившегося материала разогревается лазерными импульсами при последующихпроходах лазерного пучка, что приводит к её расширению и, как итог, формированиюструктур, вытянутых в направлении, перпендикулярном к направлению сканирования. Нарис. 55 приведены примеры таких структур, при горизонтальном направлении сканирования(относительно рисунка) и смещении лазерного пучка снизу вверх при переходе на новуюполосу сканирования.Рис.
55. Микрофотографии лазерно-модифицированных пленок a-Si:H, снятые напропускание. Условия облучения пленок: а) λ=1030 нм, W=105 мДж/см2, скоростьсканирования 5 мм/с; б) λ=1030 нм, W= 80 мДж/см2, скорость сканирования 3 мм/с.Представляется затруднительным сделать общие выводы об условиях получения иобработки пленок a-Si:H, позволяющих избежать спалляции. Однако при исследованиибольшого количества экспериментальных образцов удалось выделить следующие факторы,увеличивающие вероятность отслаивания и удаления с подложки материала пленки: а)уменьшение температуры подложки (TS) при осаждении исходных пленок; б) наличие в нихпримеси бора; в) обработка пленок излучением с длиной волны, лежащей в областипрозрачности материала (1030 нм в нашем случае). Заметим, что «взрывной» выход водородасчитается одной из возможных причин наблюдаемого эффекта спалляции.
Принимая вовнимание, что уменьшение T S приводит к увеличению содержания водорода в пленкахисходного a-Si:H, можно объяснить результат, сформулированный в пункте (а), изменениемконцентрации водорода. По-видимому, вероятность образования области «зарождения»отслоения существенно выше вблизи неоднородностей в пленке, концентрация которыхрастет при введении примесей, в частности, бора. Что касается влияния длины волнылазерной обработки, то отсутствие спалляции в случае малых длин волн может быть связанос тем, что разогрев материала вблизи подложки незначителен.107Возникновение областей отслоения пленок является нежелательным при лазерноймикрообработке. Поэтому изучение механизмов спалляции a-Si:H при импульсном лазерномоблучении и поиск экспериментальных условий, позволяющих избежать появление данногоэффекта, являются важными прикладными задачами. В тоже время, контролируемоеудаление материала может использоваться для разделения элементов микроэлектроники.5.2.3.
Периодические структуры на поверхности пленок a-Si:H,сформированные под действием фемтосекундного лазерногоизлученияПри увеличении плотности энергии лазерной обработки мы наблюдали формированиепериодических структур на поверхности облученных пленокa-Si:H, при условиииспользования длины волны, лежащей в области прозрачности материала (1030 нм). Ванглоязычной литературе они получили название laser induced periodic surface structures(LIPSS).
Наиболее вероятной причиной их образования считается интерференция падающеголазерного излучения и поверхностного плазмона [164]. В литературе описаны два типаэкспериментально наблюдавшихся LIPSS — с малым (порядка длины волны излучениялазера) и большим периодом (низкой частотой), формирующихся на поверхностиполупроводниковых материалов, облученных сверхбыстрыми лазерными импульсами сдлиной волны лежащей в области прозрачности материала [165].Поверхности исследованных нами пленок a-Si:H, облученных лазерными импульсамис различной энергией и поляризацией, показаны на рисунке 55.
В верхней строке рисунка 55показаны LIPSS “первого типа”. Нанокристаллы кремния в данном случае формируюткластеры, вытянутые вдоль направления поляризации лазера. Эти структуры образуют линиис периодом около λ/10. На всех снимках сканирующего электронного микроскопа,представленных на рисунке 55, красная и синяя стрелки указывают направление поляризациилазерного излучения, а черная стрелка указывает направление сканирования лазернымпучком.
Нижняя строка рис. 55 демонстрирует структуру поверхности пленок приувеличении энергии модифицирующего лазерного импульса до 0,125 мкДж (плотностьлазерной энергии 240 мДж/см2). Как видно из рисунка, в данном случае между кремниевымидоменами образуются периодически расположенные полости. Период сформированныхструктур «второго типа» составляет примерно λ/3, а направление образованных полостейперпендикулярно к поляризации лазерного пучка.
На снимках представлена только однаполосасканирования.Можнозаметить неоднородностьиндуцированныхлазерным108излучением структурных модификаций, связанную с гауссовым распределением энергии влазерном пучке. Так, на СЭМ снимках средней строки рис. 55 можно видеть изменения«первого типа» на периферии пучка и изменения «второго типа» в его центральной (болееинтенсивной) части.Рис.
55. Морфология поверхности пленок a-Si:H, модифицированных лазерными импульсами сэнергиями 0,075; 0,09 и 0,125 мДж (λ= 1030 нм; τ= 360 фс; частота повторения 100 кГц,соседние полосы сканирования не пересекались и не показаны на рисунке). Черные стрелкиуказывают направление сканирования, синие и красные — направление поляризациилазерного излучения.5.2.4 Оксидация пленок a-Si:H под действием фемтосекундноголазерного излученияПри облучении пленок гидрогенизированного аморфного кремния фемтосекунднымилазерными импульсами с W ≥ 260 мДж/см2 (λ=1030 нм, перекрытие соседних полос присканировании 85 %; скорость сканирования 5 мм/с) формируется новый тип структурныхизменений. В качестве примера на рис.
56 представлено изображение в отраженном светеповерхности исходной пленки a-Si:H (вверху справа) и её участков облученных с W = 110мДж/см2 и W = 360 мДж/см2 и микрофотографии этих участков, полученные с помощьюрастрового электронного микроскопа (РЭМ). Из рисунка видно, что отражение от участкапленки, облученного фемтосекундными лазерными импульсами с плотностью энергии более260 мДж/см2, резко падает по сравнению с отражением от исходной пленки a-Si:H илиучастка пленки, облученного с W = 110 мДж/см2. Такие пленки выглядят более светлыми “наглаз”, что, в частности, может быть вызвано и началом абляции материала в результате109испарения кремния.
Из рис. 56 следует, что морфология поверхности пленок a-Si:Hсущественноизменяетсяприфемтосекундномлазерномоблученииразличнойинтенсивности. Отметим, что для пленок, облученных с W ≥ 260 мДж/см2, шероховатостьповерхности резко возрастает, а сформированные поверхностные структуры теряютсимметрию лазерного сканирования. Как будет показано далее, данные факты связаны сначалом процесса окисления пленки в результате ее сильного нагрева и плавления подвоздействием лазерных импульсов с W ≥ 260 мДж/см2 на воздухе.Рис. 56. Изображения РЭМ исходной пленки a-Si:H (слева вверху) и облученных пленок придвух различных плотностях энергии лазерных импульсов 110 мДж/см2 (слева внизу) и 360мДж/см2 (справа внизу). Справа вверху изображение пленки в отраженном свете.Для определения размеров поверхностных структур, сформированных под действиемлазерного облучения, нами использовалась атомно-силовая микроскопия (АСМ).
Профилиповерхности облученных пленок представлены на рис. 57. Отметим, что приведенныепрофили поверхностей представлены непосредственно с прибора. То есть по оси ординатпредставлены не приведенные к «0» значения. Поэтому для того, чтобы получить корректныезначения высоты образовавшихся на поверхности пленок шероховатостей, вычиталась«базовая линия», изображенная на рисунке пунктирной линией.110Рис. 57. Полученные с помощью АСМ профили поверхностей пленок a-Si:H,облученных с плотностью энергии лазерных импульсов а) 90 мДж/см2 и b) 360 мДж/см2.Из анализа профилей поверхностей исследованных образцов было установлено, чтопри облучении пленок импульсами с W от 40 до 135 мДж/см2 высота образующихсяшероховатостей составляет 20 – 40 нм, в то время как размеры шероховатостей,образующихся на поверхности пленок при облучении с W ≥ 260 мДж/см2, резко возрастаютпо высоте и изменяются от 200 до 400 нм.Рис.
58. Часть спектра РФЭС, соответствующая Si 2p орбиталям необлученной пленкиаморфного кремния (штриховая линия) и пленки, облученной с W = 260 мДж/см2.111Как было отмечено выше при облучении исследованных пленок на воздухе лазернымизлучением с большой плотностью энергии возможно их окисление. Поэтому для выясненияхимического состава пленок гидрогенизированного аморфного кремния, модифицированногофемтосекундными лазерными импульсами с W > 260 мДж/см2, отражение которыхсущественно снижено (практически прозрачные), был использован метод рентгеновскойфотоэлектронной спектроскопии (РФЭС).Рис.
59. Зависимость процентного состава неокисленных атомов кремния в пленке отплотности энергии лазерных импульсов (слева) и от глубины травления для пленки,облученной с W = 260 мДж/см2.На рис. 58 представлены спектры РФЭС для необлученной пленки a-Si:H и пленки,облученной с W = 260 мДж/см2. Как видно из рисунка на спектре необлученной пленкинаблюдается один пик с центральной энергией 99,5 эВ (штриховая линия на рис. 58).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
