Aplicaciones de procesamiento de interferencias láser

Esta sección explica brevemente las diversas aplicaciones importantes del procesamiento de interferencia láser.

Cristalización y estructuración de películas de semiconductores

Recientemente, el procesamiento de interferencias láser está atrayendo intereses crecientes en la industria de los semi-conductores. Las aplicaciones que han recibido atenciones significativas incluyen la cristalización inducida por láser y la estructuración de semiconductores amorfos y nanocristalinos. Estas aplicaciones se discuten brevemente en las siguientes secciones.

Cuando se permite que dos o más vigas interferiran en la superficie de la película amorfa, la modulación de la intensidad puede inducir los patrones de cristalización periódicos con líneas alternas amorfas y policristalinas (interferencia de dos haz) o puntos (interferencia de tres haz o cuatro haz) . La cristalización inducida por láser implica procesos de fusión y solidificación ultrarrápidas lejos del equilibrio térmico (Mulato et al. 2002). La cristalización inducida por láser de semiconductores amorfos es de particular interés, ya que permite la fabricación de películas de área grande para aplicaciones en pantallas de paneles planos y células solares. Las aplicaciones de patrones de interferencia para producir estructuras microcristalinas periódicas se demostraron primero para películas de silicio amorfo sin hidrógeno utilizando un láser de colorante pulsado (Heintze et al. 1994). La Figura 11.6 presenta las estructuras cristalinas periódicas de línea y similar al punto producidas por la cristalización de interferencia de silicio amorfo seguido de un grabado de plasma selectivo. Como se indica en la Fig. 11.6a, la modulación de la intensidad sinusoidal en la interferencia de dos haz da como resultado la rejilla de línea de rayas de onda cuadradas de 400 nm de ancho separadas por trincheras de 340 nm de ancho. La nitidez de la interfaz entre el microcristalino

Fig. 11.6 (a) rejillas de línea cristalina y (b) rejillas de puntos producidas por cristalización de interferencia láser y grabado de plasma selectivo.

(Reimpreso de Heintze et al. 1994. Con permiso. Copyright American Institute of Physics).

Y la región amorfa resulta del umbral bien definido de cristalización láser de silicio amorfo (95 mJ/cm2). Las rejillas de puntos bidimensionales periódicas se pueden producir mediante la interferencia de cuatro haces de modo que cada punto cristalino representa el punto de cruce de dos rejillas de línea perpendiculares superpuestas (Fig. 11.6b). Es necesario seleccionar la intensidad de las vigas de tal manera que la cristalización se induce solo en los máximos de interferencia en los puntos de cruce de dos rejillas de línea perpendiculares. Se han producido puntos microcristalinos con un diámetro promedio de 700 nm y un grosor de 200 nm utilizando una combinación de interferencia láser y grabado de plasma selectivo.

Se han realizado estudios de cristalización de interferencia láser similares en las películas de germanio amorfo (Mulato et al. 1997; Mulato et al. 1998). La Figura 11.7 presenta el patrón DOT de germanio cristalizado con simetría de red hexagonal obtenida por interferencia láser de tres haz. La cristalinidad de los puntos se puede confirmar utilizando espectroscopía micro-Raman resuelta espacialmente. La Figura 11.8 presenta la variación espacial (resolución lateral de 0.7um) de componentes cristalinos (300 cm- 1) y amorfos (~ 270 cm- 1) del espectro Raman a través del punto cristalizado con láser. La figura indica la contribución cristalina más alta en el centro del punto y la contribución amorfa más alta entre los puntos (Mulato et al. 1997).

Las películas amorfas de silicio y germanio cultivadas por PECVD (deposición de vapor químico mejorado en plasma) generalmente contienen más de 10 AT. % HYDRO-GEN. Cuando tales películas están sujetas a cristalización de interferencia láser, se produce un derrigo explosivo de hidrógeno que conduce a la interrupción de la superficie de la película o la formación de películas independientes. Recientemente, la cristalización de la interferencia láser se ha estudiado para las aleaciones de germanio amorfo-nitrógeno (A-Gen) sin hidrógeno para determinar el papel del nitrógeno durante la transición de fase. La figura 11.9 presenta el

Fig. 11.7 Cristalización de interferencia láser de germanio amorfo que muestra la red hexagonal de germanio cristalizadopuntos con un período de

2.6 m obtenido con interferencia de tres haz. (Reimpreso de Mulato et al. 1997. conpermiso. Copyright Instituto Americano de Física).

Fig. 11.8 Variación espacial de los componentes cristalinos (~ 300 cm - 1) y amorfos (~ 270 cm - 1) del espectro Raman

a través de un punto de germanio cristalizado con láser. (Reimpreso de Mulato et al. 1997. Con permiso. Copyright Instituto Americano de Física).

Fig. 11.9 Perfiles de superficie y vertical AFM de la película de generación amorfa irradiada con el patrón de interferencia de dos haz que muestra las líneas microcristalinas y amorfas periódicas. (Reimpreso de Mulato et al. 2002. con permiso. Copyright American Institute of Physics). La figura indica las líneas periódicas más oscuras correspondientes al germanio microcristalino y las líneas claras correspondientes a la generación amorfa no afectada. Las líneas microcristalinas tienen el período de 4 my el ancho de 1m. Dichas estructuras de interferencia de la superficie con perfiles tridimensionales y diferentes propiedades ópticas correspondientes a las regiones microcristalinas y amorfas obtenidas se pueden usar como rejillas de difracción óptica. El perfil vertical también muestra que la porción cristalizada de la película es de alrededor de 25 nm más baja que la región amorfa debido a un derrigo de nitrógeno similar al del hidrógeno en el caso de las películas de silicio amorfo (A-Si: H). Esto puede confirmarse mediante las técnicas de caracterización como la espectroscopía infrarroja y la espectroscopía Raman (Fig. 11.10). La Figura 11.10A presenta la banda de absorción de estiramiento GE -N infrarroja de la película Gen antes y después de la interacción láser. La diferencia en la resistencia de la banda de absorción indica que el número total de enlaces GE -N ha disminuido después de la cristalización del láser, lo que sugiere el efecto de nitrógeno durante la cristalización. Como se mencionó anteriormente, la evidencia de cristalización en las películas de Gen amorfas después del procesamiento de interferencia láser se puede obtener mediante espectroscopía Raman (Fig. 11.10b). La figura indica claramente la ausencia de componente cristalino correspondiente a 300 cm - 1 en la película amorfa inicial. El pico aparece en la muestra cristalizada con láser que se puede comparar con el germanio cristalino de referencia. La amplitud del pico en la muestra cristalizada con láser indica que la interferencia láser da como resultado la formación de la distribución de pequeños cristalitos en lugar de la película de germanio monocrystalino (Mulato et al. 2002).

Para muchas aplicaciones electrónicas de películas delgadas, es importante comprender el comportamiento de crecimiento de granos durante la cristalización de la interferencia láser de amorfos o

Fig. 11.10 (a) bandas de absorción de estiramiento GE -N infrarrojas, y (b) espectros Raman de las películas de generación amorfa antes y

Después de irradiar con el patrón de interferencia láser. (Reimpreso de Mulato et al. 2002. Con permiso. Copyright Instituto Americano de Física).

Películas delgadas nano-cristalinas. Esto es de particular importancia donde se desea la microcristalización facilitada por el crecimiento super lateral (SLG). Como se mencionó antes, la cristalización inducida por láser se asocia con la fusión y solidificación ultrarrápida. Los granos se nuclean en la interfaz sólida -líquido y crecen hacia los máximos de interferencia a lo largo del gradiente térmico. Los granos que crecen desde cada lado de la interferencia máximas se encuentran en el centro de los máximos y forman un límite de grano. El crecimiento del grano lateral bajo ciertas condiciones está limitado por la nucleación espontánea de los granos más pequeños en el centro de los máximos de energía. En estas condiciones, los granos laterales no pueden alcanzar el centro de los máximos de interferencia. Esto se muestra en la imagen AFM (Fig. 11.11) obtenida de la superficie del silicio amorfo cristalizado usando un patrón de interferencia simétrico de dos haz (por láser ND: YAG con frecuencia de frecuencia duplicada con láser de onda de 532 nm). La cristalización de interferencia láser asimétrica, donde las intensidades de dos haces láser son diferentes, también se pueden usar para ajustar y optimizar los perfiles de temperatura transitoria y, por lo tanto, el comportamiento de crecimiento de granos (Rezek et al. 2000).

Se han realizado estudios similares sobre el comportamiento lateral de crecimiento de grano durante la cristalización de la interferencia láser de películas SIGE amorfas o nanocristalinas, depositadas en los sustratos de cuarzo, (Eisele et al. 2003). Los experimentos de cristalización se llevaron a cabo con dos esquemas distintos: cristalización de interferencia láser (LIC) y cristalización de interferencia láser (SLIC). En LIC, el patrón de interferencia se irradia directamente en la superficie de la muestra, mientras que, en SLIC, el patrón de interferencia se desplaza en la superficie con un ancho de paso predefinido (Fig. 11.12). La Figura 11.13 presenta las imágenes TEM de las secciones de líneas cristalizadas con láser de películas SIGE cristalizadas a dos temperaturas diferentes (25 ° C y 740 ° C). Para el caso de la cristalización inducida por láser (LIC) a temperatura ambiente, el crecimiento lateral del grano es limitado debido a la nucleación espontánea de los granos más pequeños en el centro de la línea. Sin embargo, para el caso de LIC a temperatura elevada, la velocidad de enfriamiento reducida da como resultado una nucleación reducida o no espontánea. La nucleación espontánea también puede prevenirse mediante líneas más estrechas obtenidas con interferencia de tres haz. La imagen AFM de la película SIGE cristalizada por un patrón de interferencia de tres haz (con un período 6 m) usando SLIC se presenta en la figura 11.14. Como se indica en la figura, SLIC da como resultado granos más largos (~ 2m).

Fig. 11.12 Esquema de (a) cristalización de interferencia láser (LIC), y (b) y (c) cristalización de interferencia láser de escaneo (SLIC).

(Reimpreso de Eisele et al. 2003. con permiso. Copyright Elsevier.)