Anwendungen der Laserinterferenzverarbeitung

In diesem Abschnitt wird kurz die verschiedenen wichtigen Anwendungen der Laserinterferenzverarbeitung erläutert.

Kristallisation und Strukturierung von Halbleiterfilmen

In jüngster Zeit weckt die Verarbeitung von Laserinterferenzen wachsende Interessen in der Halbdiretentbranche. Zu den Anwendungen, die signifikante Aufmerksamkeit erhalten haben, gehören die laserinduzierte Kristallisation und die Strukturierung von amorphen und nanokristallinen Halbleitern. Diese Anwendungen werden in den folgenden Abschnitten kurz erörtert.

Wenn zwei oder mehr Strahlen auf der Oberfläche des amorphen Films stören dürfen, kann die Intensitätsmodulation die periodischen Kristallisationsmuster mit abwechselnden amorphen und polykristallinen Linien (Zweistrahl-Interferenz) oder Punkten (Drei-Strahl- oder Vier-Strahl-Interferenz) induzieren . Die laserinduzierte Kristallisation beinhaltet ultraschnelle Schmelz- und Verfestigungsprozesse, die weit entfernt vom thermischen Gleichgewicht entfernt sind (Mulato et al. 2002). Die laserinduzierte Kristallisation amorpher Halbleiter ist von besonderem Interesse, da die Herstellung großer Flächenfilme für Anwendungen in flachen Panel-Displays und Solarzellen ermöglicht. Die Anwendungen von Interferenzmustern zur Erzeugung periodischer mikrokristalliner Strukturen wurden zunächst für wasserstofffreie amorphe Siliziumfilme unter Verwendung eines gepulsten Farbstofflasers nachgewiesen (Heintze et al. 1994). Abbildung 11.6 zeigt die periodischen linienähnlichen und dot-ähnlichen kristallinen Strukturen, die durch Interferenzkristallisation von amorphem Silizium erzeugt werden, gefolgt von selektivem Plasma-Ätzen. Wie in Abb. 11.6a angegeben, führt die Sinusintensitätsmodulation in der Zwei-Strahl-Interferenz zu einer Linie, die von 400 nm breiten Quadratwellenstreifen getrennt ist, die durch 340 nm breite Gräben getrennt sind. Die Schärfe der Grenzfläche zwischen der Mikrokristalline

Abb. 11.6 (a) Kristalline Liniengitter und (b) Punktgitter, die durch Laserinterferenz -Kristallisation und selektives Plasma -Radieren erzeugt werden.

(Nachdruck von Heintze et al. 1994. Mit Genehmigung. Copyright American Institute of Physics.)

Und die amorphe Region resultiert aus der gut definierten Schwelle der Laserkristallisation von amorphem Silizium (95 mJ/cm2). Die periodischen zweidimensionalen Punktgitter können durch die Interferenz von vier Strahlen erzeugt werden, so dass jeder kristalline Punkt den Überkreuzungspunkt von zwei überlagerten senkrechten Liniengittern darstellt (Abb. 11.6b). Es ist notwendig, die Intensität der Strahlen so auszuwählen, dass die Kristallisation nur an der Interferenzmaxima an den Kreuzungspunkten von zwei senkrechten Liniengittern induziert wird. Mikrokristalline Punkte mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 700 nm und einer Dicke von 200 nm wurden unter Verwendung einer Kombination aus Laserinterferenz und selektivem Plasma -Radieren hergestellt.

Ähnliche Laser -Interferenz -Kristallisationsstudien wurden an den amorphen deutschen Filmen durchgeführt (Mulato et al. 1997; Mulato et al. 1998). Abbildung 11.7 zeigt das Punktmuster des kristallisierten Germaniums mit hexagonaler Gittersymmetrie, die durch Drei-Strahl-Laser-Interferenz erhalten wird. Die Kristallinität der Punkte kann unter Verwendung räumlich aufgelöster Mikro-Raman-Spektroskopie bestätigt werden. Abbildung 11.8 zeigt die räumliche Variation (laterale Auflösung von 0,7um) von kristallinen (300 cm- 1) und amorphen (~ 270 cm- 1) Komponenten des Raman-Spektrums über den laserkristallisierten Punkt. Die Abbildung zeigt den höchsten kristallinen Beitrag in der Mitte des Punktes und den höchsten amorphen Beitrag zwischen den Punkten (Mulato et al. 1997).

Die amorphen Silizium- und Germaniumfilme, die durch PECVD (Plasma verstärkte chemische Dampfablagerung) gezüchtet wurden, enthalten im Allgemeinen mehr als 10 AT. % Hydro-Gen. Wenn solche Filme einer Laserinterferenz -Kristallisation ausgesetzt sind, findet der explosive Erguss von Wasserstoff statt, was zur Störung der Filmoberfläche oder zur Bildung freistehender Filme führt. In jüngster Zeit wurde die Laserinterferenzkristallisation auf wasserstofffreie amorphe Germanium-Stickstoff-Legierungen (A-Gen) untersucht, um die Rolle des Stickstoffs während des Phasenübergangs zu bestimmen. Abbildung 11.9 zeigt die

Abb. 11.7 Laserinterferenzkristallisation von amorphem Germanium zeigt das hexagonale Gitter des kristallisierten GermaniumsPunkte mit einer Zeit von

2,6 m mit Dreistrahl-Interferenz erhalten. (Nachdruck von Mulato et al. 1997. mitErlaubnis. Copyright American Institute of Physics.)

Abb. 11.8 räumliche Variation der kristallinen (~ 300 cm - 1) und der amorphen (~ 270 cm - 1) Komponenten des Raman -Spektrums

über einen laserkristallisierten Germanium-Punkt. (Nachdruck von Mulato et al. 1997. Mit Genehmigung. Copyright American Institute of Physics.)

Abb. 11.9 AFM-Oberfläche und vertikale Profile des amorphen Gen-Films, das mit dem Zweistrahl-Interferenzmuster bestrahlt wird, zeigt die periodischen mikrokristallinen und amorphen Linien. (Nachgedruckt von Mulato et al. 2002. Mit Genehmigung. Copyright American Institute of Physics.) Oberflächenprofil und das vertikale Profil (gemessen mit Atomkraftmikroskopie) der periodischen Kristallisationsstruktur, die mit zwei störenden Balken auf der Oberfläche von A-GEN erhalten wurde. Die Abbildung zeigt die periodischen dunkleren Linien an, die mikrokristallinem Germanium entsprechen, und die klaren Linien, die dem nicht betroffenen amorphen Gen entsprechen. Die mikrokristallinen Linien haben die Periode von 4 m und die Breite von 1 m. Solche Oberflächeninterferenzstrukturen mit dreidimensionalen Profilen und unterschiedlichen optischen Eigenschaften, die den erhaltenen mikrokristallinen und amorphen Regionen entsprechen, können als optische Beugungsgitter verwendet werden. Das vertikale Profil zeigt auch, dass der kristallisierte Teil des Films etwa 25 nm niedriger ist als die amorphe Region, da der Stickstoff ähnlich dem von Wasserstoff im Fall von amorphen Silizium (A-Si: H) -Filmen ähnlich ist. Dies kann durch die Charakterisierungstechniken wie die Infrarotspektroskopie und die Raman -Spektroskopie bestätigt werden (Abb. 11.10). Abbildung 11.10a zeigt das Infrarot -GE -N -Absorptionsband des Gen -Films vor und nach der Laserinteraktion. Der Unterschied in der Stärke des Absorptionsbandes zeigt, dass die Gesamtzahl der GE -N -Bindungen nach Laserkristallisation abgenommen hat, was den Erguss von Stickstoff während der Kristallisation hindeutet. Wie bereits erwähnt, kann der Nachweis der Kristallisation in den amorphen Gen -Filmen nach Laserinterferenzverarbeitung durch Raman -Spektroskopie erhalten werden (Abb. 11.10b). Die Abbildung zeigt deutlich das Fehlen einer kristallinen Komponente an, die 300 cm - 1 im startmorphen Film entspricht. Der Peak erscheint in der laserkristallisierten Probe, die mit dem Referenzkristallin-Germanium verglichen werden kann. Die Breitlichkeit des Peaks in der laserkristallisierten Probe zeigt, dass die Laserinterferenz zur Bildung der Verteilung kleiner Kristallite anstelle von monokrystallinem Germaniumfilm führt (Mulato et al. 2002).

Für viele elektronische Dünnfilmanwendungen ist es wichtig, das Verhalten des Kornwachstums während der Laserinterferenzkristallisation von Amorph oder zu verstehen

Abb. 11.10 (a) Infrarot -GE -N -Streckabsorptionsbänder und (b) Raman -Spektren der amorphen Gen -Filme vor und

Nach der Bestrahlung mit Laser -Interferenzmuster. (Nachdruck von Mulato et al. 2002. Mit Genehmigung. Copyright American Institute of Physics.)

nanokristalline dünne Filme. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn die durch super laterale Wachstum (SLG) erleichterte Mikrokristallisation gewünscht wird. Wie bereits erwähnt, ist die laserinduzierte Kristallisation mit ultraschnellem Schmelzen und Verfestigung verbunden. Die Körner kern an der festen Grenzfläche fest und wachsen in Richtung der Interferenzmaxima entlang des thermischen Gradienten. Die Körner, die von beiden Seiten der Interferenzmaxima wachsen, treffen sich in der Mitte des Maxima und bilden eine Korngrenze. Das laterale Kornwachstum unter bestimmten Bedingungen wird durch die spontane Keimbildung kleinerer Körner im Zentrum der Energiemaxima begrenzt. Unter diesen Bedingungen können die seitlichen Körner nicht das Zentrum der Interferenzmaxima erreichen. Dies ist im AFM-Bild (Abb. 11.11) gezeigt, das von der Oberfläche von amorpHem Silizium erhalten wird, das unter Verwendung symmetrischer Zweistrahl-Interferenzmuster kristallisiert wurde (durch Frequenz verdoppelt q-switched ND: YAG-Laser mit 532 nm Wellenlänge). Asymmetrische Laserinterferenzkristallisation, wobei die Intensitäten von zwei Laserstrahlen unterschiedlich sind, können auch verwendet werden, um die transienten Temperaturprofile anzupassen und zu optimieren, und damit das Kornwachstumsverhalten (Rezek et al. 2000).

Ähnliche Studien zum Verhalten des lateralen Kornwachstums während der Laserinterferenzkristallisation amorpher oder nanokristalliner Sige-Filme, die auf den Quarzsubstraten abgelagert wurden, wurden durchgeführt (Eisele et al. 2003). Die Kristallisationsexperimente wurden mit zwei unterschiedlichen Schemata durchgeführt: Laserinterferenzkristallisation (LIC) und Scan -Laser -Interferenzkristallisation (SLIC). In LIC wird der Interferenz-Patnern direkt auf der Oberfläche der Probe bestrahlt, während das Interferenzmuster in SLIC mit einer vordefinierten Stiefthen auf der Oberfläche verschoben wird (Abb. 11.12). Abbildung 11.13 zeigt die TEM-Bilder aus den Abschnitten von laserkristallisierten Linien von SIGE-Filmen, die bei zwei verschiedenen Temperaturen (25 ° C und 740 ° C) kristallisiert wurden. Für den Fall von Laser-induzierter Kristallisation (LIC) bei Raumtemperatur ist das laterale Kornwachstum aufgrund der spontanen Keimbildung kleinerer Körner im Zentrum der Linie begrenzt. Für den Fall von LIC bei erhöhter Temperatur führt die verringerte Kühlrate jedoch zu einer verringerten oder keine spontane Keimbildung. Die spontane Keimbildung kann auch durch schmalere Linien verhindert werden, die mit Drei-Strahl-Interferenz erhalten werden. Das AFM-Bild des SIGE-Films, das durch Drei-Strahl-Interferenzmuster (mit einer Periode 6 m) unter Verwendung von SLIC kristallisiert wurde, ist in Abb. 11.14 dargestellt. Wie in der Abbildung angegeben, führt SLIC zu längeren Körnern (~ 2m).

Abb. 11.12 Schema von (a) Laserinterferenzkristallisation (LIC) und (b) und (c) Scan -Laser -Interferenzkristallisation (SLIC).

(Nachdruck von Eisele et al. 2003. Mit Genehmigung. Copyright Elsevier.)