Лазерная модификация кремния и структуры кремний-окисел (создание нанокомпозита Si-SiO2, нано-МОП-структур, поверхностных периодических структур (ППС) и т.д.)

Кристаллический кремний (c-Si) является базовым материалом современной микроэлектроники и компьютерной техники. Значительное количество экспериментальных и теоретических работ связано с исследованиями различных методов формирования систем на основе нанокластеров кремния. Что касается влияния лазерного излучения на формирование нанокластеров кремния в системе диоксид кремния - кремний (SiO2/Si), то число таких работ существенно меньше. В то же время, возможности использования лазерного излучения для формирования нанокластеров кремния в нанокомпозитных системах на основе структур SiO2/Si только начинают изучаться и интерес к ним непрерывно растет. В этой связи остро актуально изучение новых физических механизмов взаимодействия лазерного излучения с поверхностью раздела кремний-окисел (системой SiO2/Si) с упором на фотомеханические эффекты, а также определение и получение оптимальных лазерных режимов (интенсивности и длительности лазерных импульсов, частоты следования, параметров сканирования лазерного пучка) для контролируемого микро- и наноструктурирования и формирования нанокомпозитных областей в системе SiO2/Si.

В ходе выполнения работ по данному направлению проводится комплексное исследование влияния лазерного воздействия (с длительностями в диапазоне от наносекунд до фемтосекунд) на различных длинах волн (от ближнего ИК до УФ) на структурные, электрофизические и оптические характеристики системы кремний - диоксид кремния (в т. ч. с ионно-имплантированнымив окисел атомами кремния) и структуры на основе пористого кремния.

К основным полученным результатам можно отнести следующие:

1. Обнаружен ряд явлений, указывающих на взаимосвязь чисто термических (нагревания и плавления) и структурных (генерация дефектов и т.п.) эффектов при воздействии излучения импульсного волоконного иттербиевого лазера (ИВИЛ) на структуру окисел-кремний.

 –  определены энергетические диапазоны лазерного воздействия на систему SiO2/Si, обеспечивающие  микроструктурирование  поверхности  кремния  при  сохранении целостности плёнки диоксида кремния.- Обнаружена локальная пластическая деформация поверхности кремния под слоем окисла, проявляющаяся в виде сетки линий скольжения при облучении системы SiO2/Si импульсным волоконным лазером.

 – обнаружен  анизотропный  характер  процесса  локального  микроплавления монокристаллического кремния и определены температурные диапазоны его протекания при лазерном воздействии.

2. Выявлен ряд новых механизмов микроструктурирования системы окисел-кремний, основанных на цикле плавление-кристаллизация кремния под слоем прозрачного, размягченного при нагревании кремния окисла.

 – при облучении системы SiO2/Si импульсным волоконным иттербиевым лазером в режиме сканирования также формируются упорядоченные волнообразные структуры. Период этих структур (порядка 10- 40 мкм) зависит не только от характеристик лазерного излучения, но и от толщины пленки SiO2. С уменьшением толщины плёнки SiO2 период «волн» уменьшается.

 – установлено, что при облучении системы SiO2/Si ИВИЛ в режиме перекрытия полос сканирования форма и масштаб элементов микрорельефа зависят от направления движении луча в соседних треках.

 – с помощью атомно-силовой микроскопии на поверхности системы SiO2/Si обнаружены периодические и непериодические наноструктуры при воздействии ArF лазерного излучения (длина волны 193 нм). Показано, что меняя число импульсов и плотность энергии, можно в широких пределах управлять морфологией системы SiO2/Si.

Рисунок 1. Микрофотография (а) и АСМ-изображение (б) облученной одиночным импульсом области поверхности раздела SiO2/Si пластины кремния, ориентированной в плоскости (111) с толщиной окисла do = 150 нм при плотности мощности 1.2·107 Вт/см2.

3. Предложена и подтверждена возможность создания нанокомпозитных областей в структуре Si-SiO2 путем "внедрения внешних" атомов или ионов кремния в кристаллический или пористый кремний за счет процессов генерации наночастиц в жидкости, ионной имплантации или легирования.

 – Показана возможность формирования нанокомпозитных структур типа нанокластеры кремния в окисле при лазерном окислении массива осажденных наночастиц, полученных методом лазерной абляции под слоем жидкости.

Д.С. Поляков, А.М. Скворцов