Toepassingen van laserinterferentieverwerking

Deze sectie verklaart kort de verschillende belangrijke toepassingen van laserinterferentieverwerking.

Kristallisatie en structurering van halfgeleidersfilms

Onlangs trekt laserinterferentieverwerking de groeiende belangen in de semi-geleiderindustrie aan. De toepassingen die significante attenties hebben ontvangen, omvatten de laser-geïnduceerde kristallisatie en de structurering van amorfe en nanokristallijne halfgeleiders. Deze toepassingen worden in de volgende paragrafen kort besproken.

Wanneer twee of meer stralen mogen interfereren op het oppervlak van amorfe film, kan de modulatie van intensiteit de periodieke kristallisatiepatronen induceren met afwisselende amorfe en polykristallijne lijnen (interferentie met twee bundel) of stippen (interferentie met drie balk of vier balk)) . De door laser geïnduceerde kristallisatie omvat ultrasneldersmelt- en stollingsprocessen ver van thermisch evenwicht (Mulato et al. 2002). Laser-geïnduceerde kristallisatie van amorfe halfgeleiders is van bijzonder belang omdat het de fabricage van grote gebiedsfilms voor toepassingen in platte paneelschermen en zonnecellen mogelijk maakt. De toepassingen van interferentiepatronen voor het produceren van periodieke microkristallijne structuren werden eerst aangetoond voor waterstofvrije amorfe siliciumfilms met behulp van een gepulseerde kleurstoflaser (Heintze et al. 1994). Figuur 11.6 presenteert de periodieke lijnachtige en puntachtige kristallijne structuren geproduceerd door interferentie kristallisatie van amorf silicium gevolgd door selectief plasma-ets. Zoals aangegeven in Fig. 11.6a, resulteert de sinusvormige intensiteitsmodulatie in de interferentie met twee bundels in het lijnrooster van 400 nm brede blokgolfstrepen gescheiden door 340 nm brede loopgraven. De scherpte van de interface tussen de microkristallijn

Fig. 11.6 (a) Kristallijne lijnrostoois en (b) DOT -roosters geproduceerd door kristallisatie van laserinterferentie en selectief plasma -etsen.

(Herdrukt van Heintze et al. 1994. Met toestemming. Copyright American Institute of Physics.)

En het amorfe gebied is het gevolg van de goed gedefinieerde drempel van laserkristallisatie van amorf silicium (95 MJ/cm2). De periodieke tweedimensionale puntroosters kunnen worden geproduceerd door de interferentie van vier stralen, zodat elke kristallijne stip het kruisingpunt van twee geperposeerde loodrechte lijnroosters weergeeft (Fig. 11.6b). Het is noodzakelijk om de intensiteit van de stralen zodanig te selecteren dat kristallisatie alleen wordt geïnduceerd bij de interferentiemaxima op de kruisingpunten van twee loodrechte lijnroosters. Microkristallijne stippen met een gemiddelde diameter van 700 nm en dikte van 200 nm zijn geproduceerd met behulp van een combinatie van laserinterferentie en selectief plasma -etsen.

Soortgelijke laserinterferentie kristallisatiestudies zijn uitgevoerd op de amorfe germaniumfilms (Mulato et al. 1997; Mulato et al. 1998). Figuur 11.7 presenteert het puntpatroon van gekristalliseerde germanium met hexagonale roostersymmetrie verkregen door laserinterferentie met drie bundels. De kristalliniteit van de stippen kan worden bevestigd met behulp van ruimtelijk opgeloste micro-raman-spectroscopie. Figuur 11.8 presenteert de ruimtelijke variatie (laterale resolutie van 0,7um) kristallijn (300 cm- 1) en amorfe (~ 270 cm- 1) componenten van het Raman-spectrum over de laser-gekristalliseerde stip. De figuur geeft de hoogste kristallijne bijdrage aan het midden van de stip aan en de hoogste amorfe bijdrage tussen de stippen (Mulato et al. 1997).

Het amorfe silicium- en germaniumfilms gekweekt door PECVD (plasma verbeterde chemische dampafzetting) bevatten in het algemeen meer dan 10 bij. % Hydro-gen. Wanneer dergelijke films worden onderworpen aan kristallisatie van laserinterferentie, vindt explosieve effusie van waterstof plaats, wat leidt tot de verstoring van het filmoppervlak of de vorming van vrijstaande films. Onlangs is kristallisatie van laserinterferentie bestudeerd voor waterstofvrije amorfe germanium-nitrogene (A-gen) legeringen om de rol van stikstof tijdens faseversie te bepalen. Figuur 11.9 presenteert de

Fig. 11.7 Laser -interferentie kristallisatie van amorf germanium met het zeshoekige rooster van gekristalliseerd germaniumstippen met een periode van

2,6 m verkregen met interferentie met drie bundel. (Herdrukt uit Mulato et al. 1997. mettoestemming. Copyright American Institute of Physics.))

Fig. 11.8 Ruimtelijke variatie van de kristallijne (~ 300 cm - 1) en de amorfe (~ 270 cm - 1) componenten van het Raman -spectrum

Over een laser-kristalliseerde germanium dot. (Herdrukt uit Mulato et al. 1997. Met toestemming. Copyright American Institute of Physics.)

Fig. 11.9 AFM-oppervlak en verticale profielen van de amorfe genfilm bestraald met het tweedelige interferentiepatroon met de periodieke microkristallijne en amorfe lijnen. (Herdrukt uit Mulato et al. 2002. Met toestemming. Auteursrechten Australisch Instituut voor fysica.) Oppervlakteprofiel en het verticale profiel (gemeten met atoomkrachtmicroscopie) van de periodieke kristallisatiestructuur verkregen met twee interfererende stralen op het oppervlak van A-gen. De figuur geeft de periodieke donkere lijnen aan die overeenkomen met microkristallijn germanium en de heldere lijnen die overeenkomen met de onaangetaste amorfe gen. De microkristallijne lijnen hebben de periode van 4m en de breedte van 1 m. Dergelijke oppervlakte-interferentiestructuren met driedimensionale profielen en verschillende optische eigenschappen die overeenkomen met de verkregen microkristallijne en amorfe gebieden kunnen worden gebruikt als optische diffractievrijen. Het verticale profiel laat ook zien dat het gekristalliseerde deel van de film ongeveer 25 nm lager is dan het amorfe gebied als gevolg van effusie van stikstof vergelijkbaar met die van waterstof in het geval van amorf silicium (A-Si: H) films. Dit kan worden bevestigd door de karakteriseringstechnieken zoals infraroodspectroscopie en Raman -spectroscopie (Fig. 11.10). Figuur 11.10a presenteert de infrarood ge -N rekabsorptieband van genfilm voor en na laserinteractie. Het verschil in de sterkte van de absorptieband geeft aan dat het totale aantal GE -N -bindingen is afgenomen na laserkristallisatie die de effusie van stikstof tijdens kristallisatie suggereert. Zoals eerder vermeld, kan het bewijs van kristallisatie in de amorfe genfilms na laserinterferentieverwerking worden verkregen door Raman -spectroscopie (Fig. 11.10b). De figuur geeft duidelijk de afwezigheid van kristallijne component aan die overeenkomt met 300 cm - 1 in de startende amorfe film. De piek verschijnt in het lasergristalliseerde monster dat kan worden vergeleken met het referentiekristallijne germanium. De breedte van de piek in het laser-kristalliseerde monster geeft aan dat laserinterferentie resulteert in de vorming van verdeling van kleine kristallieten in plaats van monocerystallijne germaniumfilm (Mulato et al. 2002).

Voor veel dunne film-elektronische toepassingen is het belangrijk om het korrelgroeipadium te begrijpen tijdens laserinterferentie kristallisatie van amorfe of

Fig. 11.10 (a) Infrarood ge -n rekabsorptiebanden, en (b) Raman -spectra van de amorfe genfilms voor en

Na bestraling met laserinterferentiepatroon. (Herdrukt van Mulato et al. 2002. Met toestemming. Copyright American Institute of Physics.)

Nano-kristallijne dunne films. Dit is van bijzonder belang waar microkristallisatie wordt vergemakkelijkt door super laterale groei (SLG) gewenst. Zoals eerder vermeld, wordt de laser-geïnduceerde kristallisatie geassocieerd met ultrasneldersmelten en stolling. De korrels nucleaat op het vaste -vloeistofinterface en groeien naar de interferentie maxima langs de thermische gradiënt. De korrels die aan weerszijden van de interferentie groeien Maxima ontmoeten elkaar in het midden van de maxima en vormen een korrelgrens. De laterale korrelgroei onder bepaalde omstandigheden wordt beperkt door de spontane nucleatie van kleinere korrels in het midden van de energiemaxima. Onder deze omstandigheden kunnen de laterale korrels het centrum van de interferentie maxima niet bereiken. Dit wordt getoond in het AFM-beeld (Fig. 11.11) verkregen uit het oppervlak van amorf silicium gekristalliseerd met behulp van symmetrisch interferentiepatroon met twee bundels (door frequentie verdubbeld Q-geswakte ND: YAG-laser met 532 nm golflengte). Asymmetrische laserinterferentie kristallisatie, waarbij de intensiteiten van twee laserstralen verschillend zijn, kunnen ook worden gebruikt om de tijdelijke temperatuurprofielen en dus het korrelgroei-gedrag aan te passen en te optimaliseren (Rezek et al. 2000).

Soortgelijke studies naar het gedrag van de zijdelingse korrelgroei tijdens kristallisatie van laserinterferentie van amorfe of nanokristallijne Sige-films, afgezet op de kwartsubstraten, zijn uitgevoerd (Eisele et al. 2003). De kristallisatie -experimenten werden uitgevoerd met twee verschillende schema's: kristallisatie van laserinterferentie (LIC) en scanning laser interferentie kristallisatie (SLIC). In LIC wordt de interferentiepatroon direct bestraald op het oppervlak van het monster, terwijl in SLIC het interferentiepatroon op het oppervlak wordt verschoven met een vooraf gedefinieerde stiefbreedte (Fig. 11.12). Figuur 11.13 presenteert de TEM-beelden uit de secties van laser-kristalliseerde lijnen van SIGE-films gekristalliseerd bij twee verschillende temperaturen (25 ° C en 740 ° C). Voor het geval van laser-geïnduceerde kristallisatie (LIC) bij kamertemperatuur is de laterale korrelgroei beperkt vanwege spontane nucleatie van kleinere korrels in het midden van de lijn. Voor het geval van LIC bij verhoogde temperatuur resulteert de verminderde koelsnelheid echter in verminderde of geen spontane nucleatie. De spontane nucleatie kan ook worden voorkomen door smallere lijnen verkregen met interferentie met drie bundel. Het AFM-beeld van SIGE-film gekristalliseerd door interferentiepatroon met drie bundels (met een periode 6 m) met behulp van SLIC wordt gepresenteerd in Fig. 11.14. Zoals aangegeven in de figuur, resulteert SLIC in langere korrels (~ 2m).

Fig. 11.12 Schema van (a) laserinterferentie kristallisatie (LIC) en (b) en (c) scanning laser interferentie kristallisatie (SLIC).

(Herdrukt uit Eisele et al. 2003. Met toestemming. Copyright Elsevier.)