МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ ВОЛОКОННЫМ ЛАЗЕРОМ В РЕЖИМЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО СКАНИРОВАНИЯ

Предмет исследования. Исследована структура поверхности пластины монокристаллического кремния (подложки) с термически выращенным на поверхности диоксидом кремния (системы SiO2/Si) после облучения импульсным иттербиевым волоконным лазером типа ИЛИ-1-20. Основными требованиями к режимам облучения системы являлись сохранение целостности пленки диоксида кремния в процессе микроструктурирования и отсутствие взаимовлияния близлежащих облученных областей подложки. Метод. Исследования проведены на пластинах монокристаллического кремния КЭФ-4,5, ориентированных в кристаллографической плоскости (111) с исходным (естественным) диоксидом кремния (SiO2), толщиной порядка 4 нм, и SiO2, толщиной 40 нм и 150 нм, выращенном методом термического окисления во влажном кислороде. Исследованы также пластины КДБ-10, ориентированные в плоскости (100), с толщиной термического окисла 500 нм. Облучение системы SiO2/Si производилось с помощью лазерного комплекса, на основе импульсного иттербиевого волоконного лазера ИЛИ-1-20. Номинальная выходная мощность лазера составляет 20 Вт, а длина волны лазерного излучения составила λ=1062 нм. Облучение производилось сфокусированным пучком, диаметр пятна 25 мкм, с частотой следования импульсов 99 кГц. Облучение образцов с толщиной SiO2 150 нм и 40 нм производилось при плотности мощности 1,2·102 Вт/см2 , а образцов с толщиной SiO2 500 нм – при плотности мощности 2,0·102 Вт/см2 . Сканирование проводилось с помощью двухосевого сканатора на базе приводов VM2500+ с управлением через персональный компьютер с программным комплексом «SinMarkТМ». Использовалась только одна линия сканирования при максимальной скорости перемещения луча 8750 мм/с. Контроль морфологии облученных образцов проводился на оптическом микроскопе ZeissA1M с высоко разрешающей ПЗС-матрицей. Для структурных измерений использовался сканирующий зондовый микроскоп Nanoedicator компании NT-MDT. Основные результаты. Показано, что при однократном воздействии высокочастотного импульсного лазерного излучения на систему SiO2/Si при сохранении целостности пленки SiO2 на поверхности кремния происходит образование однотипных симметричных микроструктур. Высказывается предположение, что причина их появления – реконструкция поверхности кремния, возникающая в процессе рекристаллизации поверхностного расплава кремния в облученной области подложки. Морфология этих микроструктур обусловлена действием ряда факторов: кристаллографическая ориентация пластины, исходная (перед термическим окислением) реконструкция поверхности пластины, упругие механические напряжения системы SiO2/Si, лазерное воздействие (термическое, корпускулярное, волновое). Установлены режимы облучения, при которых наблюдаются данные структуры. Практическая значимость. Впервые при микроструктурировании системы SiO2/Si волоконным лазером в режиме высокоскоростного сканирования получены изображения фигур, по которым можно косвенно судить о реконструкции атомов на поверхности кремниевой подложки, которую имела подложка перед термическим окислением. Четко выраженная локализация энергии лазерного излучения при выбранных режимах облучения позволяет утверждать о возможности выявления и контроля структурных дефектов элементов полупроводниковых электронных устройств.

1. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности. М.: Мир, 1989. 564 с.
2. Скворцов А.М., Жарова Ю.А., Ткалич В.Л. Микроструктурирование поверхности монокристаллов кремния в электронике // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49. № 1. С. 60–65.
3. Мирзоев Ф.Х., Панченко В.Я., Шелепин Л.А. Лазерное управление процессами в твердом теле // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. № 1. С. 3–32.
4. Скворцов А.М., Вейко В.П., Хуинь Конг Ту. Применение импульсного волоконного лазера для микроструктурирования системы SiO2/Si // Научно-технический вестник информационных технологий,
механики и оптики. 2012. № 5 (81). С. 128–133.
5. Банишев А.Ф., Новикова Л.В. Образование обратимых и необратимых структурных дефектов на поверхности кремния под действием лазерного импульса // Физика и химия обработки материалов. 1992.
№ 4. С. 55–58.
6. Banishev A.F., Golubev V.S., Kremnev A.Y. Generation and accumulation of dislocations on the silicon surface ander the action of pulse-periodic emission from a YAG:Nd laser // Technical Physics. 2001. V. 46. № 8. P. 962–967. doi: 10.1134/1.1395116
7. Банишев А.Ф., Павлов А.М. Формирование структур дислокаций в приповерхностном слое кремния под воздействием лазерного излучения с микроструктурированным распределением интенсивности // Физика и химия обработки материалов. 2008. № 6. С.11–17.
8. Вейко В.П. Скворцов А.М., Хуинь Конг Ту, Петров А.А. Лазерная абляция монокристаллического кремния под действием импульсно-частотного излучения волоконного лазера // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 3. С. 426–434. doi: 10.17586/2226-1494-2015-15-3-426-434
9. Скворцов А.М., Хуинь Конг Ту, Халецкий Р.А. Механизм микроструктурирования системы SiO2/Si при облучении сканирующим пучком импульсного волоконного лазера // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 3 (85). С. 137–143.
10. Khaletsky R.A., Zamoraynskaya M.V., Kolesnikova E.V., Skvortsov A.M., Sokolov V.I., Pham Qung Tung, Veiko V.P. «Long-range action» effect under laser irradiation of SiO2-Si system // Proc. Int. Conf. on Fundamentals of laser assisted micro- and nanotechnologies (FLAMN-10). St. Petersburg, Russia, 2010. P. 105.
11. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7x7 Reconstruction on Si(111) resolved in real space // Physical Review Letters. 1983. V. 50. N 2. P. 120–123. doi: 10.1103/PhysRevLett.50.120
12. Зенгуил Э. Физика поверхности. М.: Мир, 1990. 536 с.
13. Joannopoulos J.D., Pino A.D., Meade R.D. Semiconductor surface studies // RLE Progress Report. 1996. N. 135. P. 131–136.
14. Iton M. The dynamical mechanism of (111) surface reconstruction: frustration and vortex structures // Journal of Physics: Condensed Matter. 1992. V. 4. N 4. P. 8447–8460. doi: 10.1088/0953-8984/4/44/007
15. Charles B. Duke. Semiconductor surface reconstruction: the structural chemistry of two-dimensional surface compounds // Chemical Reviews. 1996. V. 96. N 4. P. 1237−1259.
16. Newman C. Temperature induced Si(111) reconstruction as represented by the DAS model and supporting Ab initio calculations of the model // CEM. 2001. N 924. 9 p.
17. Gorecka-Drazazga A. Micro and nano structurization of semiconductor surfaces // Bulletin of the Polishб Academy of Sciences: Technical Sciences. 2005. V. 53. N 4. P. 433–440.
18. Brommer K.D., Needels M., Larson B. Ab initio theory of the Si(111)-(7x7) surface reconstruction: a challenge for massively parallel computation // Physical Review Letters. 1992. V. 68. N 9. P. 1355–1359. doi: 10.1103/PhysRevLett.68.1355
19. Aebi P. The magic of self-assembly on silicon surface [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://physics.unifr.ch/fr/page/151 (дата обращения: 28.01.2014).

20. Зиновьев В.А. Процессы на поверхности кремния при низкоэнергетическом ионном воздействии в условиях молекулярно-лучевой эпитаксии: дис. … канд. техн. наук. Новосибирск, 2004. 174 c.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License