Applicazioni di elaborazione delle interferenze laser

Questa sezione spiega brevemente le varie importanti applicazioni dell'elaborazione delle interferenze laser.

Cristallizzazione e strutturazione dei film a semiconduttore

Di recente, l'elaborazione delle interferenze laser sta attirando interessi crescenti nel settore semi-conduttore. Le applicazioni che hanno ricevuto attenzioni significative includono la cristallizzazione indotta dal laser e la strutturazione di semiconduttori amorfo e nano-cristallini. Queste applicazioni sono brevemente discusse nelle sezioni seguenti.

Quando due o più raggi possono interferire sulla superficie del film amorfo, la modulazione dell'intensità può indurre i modelli di cristallizzazione periodici con linee amorfe e policristalline alternate (interferenza a due fasce) o punti (interferenza a tre fasce o a quattro fasce) . La cristallizzazione indotta dal laser comporta processi di fusione e solidificazione ultravefistica lontano dall'equilibrio termico (Mulato et al. 2002). La cristallizzazione indotta da laser di semiconduttori amorfi è di particolare interesse in quanto consente la fabbricazione di film di grandi dimensioni per applicazioni in display a pannelli piatti e celle solari. Le applicazioni dei modelli di interferenza per la produzione di strutture microcristalline periodiche sono state prima dimostrate per i film di silicio amorfo idrogeno senza idrogeno usando un laser a colorante pulsato (Heintze et al. 1994). La Figura 11.6 presenta le strutture cristalline simili a linee periodiche e simili a punti prodotte mediante cristallizzazione di interferenza di silicio amorfo seguito da incisione selettiva del plasma. Come indicato in Fig. 11.6a, la modulazione di intensità sinusoidale nell'interferenza a due raggi provoca la griglia di strisce ad onda quadra larga 400 nm separate da trincee larghe 340 nm. La nitidezza dell'interfaccia tra il microcristallino

Fig. 11.6 (a) reticoli di linea cristallina e (b) grate di punti prodotte da cristallizzazione di interferenza laser e incisione selettiva del plasma.

(Ristampato da Heintze et al. 1994. con il permesso. Copyright American Institute of Physics.)

E la regione amorfa deriva dalla soglia ben definita della cristallizzazione laser del silicio amorfo (95 MJ/cm2). I grate di punti bidimensionali periodici possono essere prodotti dall'interferenza di quattro raggi in modo tale che ogni punto cristallino rappresenti il ​​punto di attraversamento di due reticoli perpendicolari sovrapposti (Fig. 11.6b). È necessario selezionare l'intensità dei raggi in modo tale che la cristallizzazione sia indotta solo ai massimi di interferenza nei punti di attraversamento di due reticoli perpendicolari. I punti microcristallini con un diametro medio di 700 nm e uno spessore di 200 nm sono stati prodotti utilizzando una combinazione di interferenza laser e attacco al plasma selettivo.

Simili studi di cristallizzazione delle interferenze laser sono stati condotti sui film amorfi di germanio (Mulato et al. 1997; Mulato et al. 1998). La Figura 11.7 presenta il modello punto di germanio cristallizzato con simmetria reticolare esagonale ottenuta dall'interferenza laser a tre raggi. La cristallinità dei punti può essere confermata usando la spettroscopia micro-raman-Raman risolta spazialmente. La Figura 11.8 presenta la variazione spaziale (risoluzione laterale di 0,7um) di componenti cristallini (300 cm- 1) e amorfo (~ 270 cm- 1) dello spettro Raman attraverso il punto cristallizzato laser. La figura indica il più alto contributo cristallino al centro del punto e il più alto contributo amorfo tra i punti (Mulato et al. 1997).

I film di silicio amorfo e germanio coltivati ​​da PECVD (deposizione di vapore chimico migliorato al plasma) generalmente contengono più di 10 AT. % idro-gen. Quando tali film sono sottoposti a cristallizzazione delle interferenze laser, il versamento esplosivo dell'idrogeno avviene che porta all'interruzione della superficie del film o alla formazione di film liberi. Recentemente, la cristallizzazione delle interferenze laser è stata studiata per le leghe di germanio-nitrogeno-nitrogeno (A-Gen) privo di idrogeno per determinare il ruolo dell'azoto durante la transizione di fase. La Figura 11.9 presenta il

Fig. 11.7 Cristallizzazione di interferenza laser del germanio amorfo che mostra il reticolo esagonale del germanio cristallizzatopunti con un periodo di

2,6 m ottenuti con interferenza a tre raggi. (Ristampato da Mularato et al. 1997. conautorizzazione. Copyright American Institute of Physics.)

Fig. 11.8 Variazione spaziale dei componenti cristallini (~ 300 cm - 1) e amorfo (~ 270 cm - 1) dello spettro Raman

attraverso un punto di germanio cristallizzato dal laser. (Ristampato da Mularato et al. 1997. con il permesso. Copyright American Institute of Physics.)

Fig. 11.9 Profili di superficie e verticale AFM del film di genmoro irradiato con il modello di interferenza a due fasci che mostra le linee periodiche microcristalline e amorfe. (Ristampato da Mularato et al. 2002. Con il permesso. Copyright American Institute of Physics.) Profilo di superficie e il profilo verticale (misurato con microscopia a forza atomica) della struttura di cristallizzazione periodica ottenuta con due raggi che interferiscono sulla superficie di A-Gen. La figura indica le linee periodiche più scure corrispondenti al germanio microcristallino e le linee chiare corrispondenti al gen amorfo non affetto. Le linee microcristalline hanno il periodo di 4 m e la larghezza di 1m. Tali strutture di interferenza superficiale con profili tridimensionali e diverse proprietà ottiche corrispondenti alle regioni microcristalline e amorfe ottenute possono essere utilizzate come reticoli di diffrazione ottica. Il profilo verticale mostra anche che la porzione cristallizzata del film è inferiore di circa 25 nm rispetto alla regione amorfa a causa dell'effusione di azoto simile a quello dell'idrogeno nel caso dei film di silicio amorfo (A-Si: H). Ciò può essere confermato dalle tecniche di caratterizzazione come la spettroscopia a infrarossi e la spettroscopia Raman (Fig. 11.10). La Figura 11.10A presenta la banda di assorbimento di allungamento GE - N a infrarossi di film GEN prima e dopo l'interazione laser. La differenza nella resistenza della banda di assorbimento indica che il numero totale di legami GE - N è diminuito dopo la cristallizzazione laser suggerendo l'effusione di azoto durante la cristallizzazione. Come accennato in precedenza, l'evidenza della cristallizzazione nei film di Gen Amorfo dopo l'elaborazione dell'interferenza laser può essere ottenuta mediante spettroscopia Raman (Fig. 11.10b). La figura indica chiaramente l'assenza di componente cristallino corrispondente a 300 cm - 1 nel film amorfo iniziale. Il picco appare nel campione cristallizzato dal laser che può essere confrontato con il germanio cristallino di riferimento. L'ampiezza del picco nel campione cristallizzato dal laser indica che l'interferenza laser provoca la formazione della distribuzione di piccoli cristalliti anziché nel film di germanio monocristallino (Mulato et al. 2002).

Per molte applicazioni elettroniche a film sottile, è importante comprendere il comportamento della crescita del grano durante la cristallizzazione di interferenza laser di amorfo o amorfo o

Fig. 11.10 (a) bande di assorbimento di allungamento GE - N a infrarossi e (b) spettri Raman dei film di Gen Amorfo prima e

Dopo l'irradiarsi con il modello di interferenza laser. (Ristampato da Mularato et al. 2002. con il permesso. Copyright American Institute of Physics.)

Film sottili nano-cristallini. Ciò è di particolare importanza in cui si desidera la microcristallizzazione facilitata dalla crescita super laterale (SLG). Come accennato prima, la cristallizzazione indotta dal laser è associata alla fusione e alla solidificazione ultrafast. I cereali nucleati all'interfaccia solido -liquido e crescono verso i massimi di interferenza lungo il gradiente termico. I grani che crescono da entrambi i lati delle massimi di interferenza si incontrano al centro dei massimi e formano un limite di grano. La crescita del grano laterale in determinate condizioni è limitata dalla nucleazione spontanea di grani più piccoli al centro dei massimi di energia. In queste condizioni, i grani laterali non possono raggiungere il centro dei massimi di interferenza. Questo è mostrato nell'immagine AFM (Fig. 11.11) ottenuta dalla superficie del silicio amorfo cristallizzato usando un modello di interferenza simmetrico a due raggi (per frequenza raddoppiata il laser Nd: YAG a commutazione Q con lunghezza d'onda di 532 nm). La cristallizzazione asimmetrica di interferenza laser, in cui le intensità di due raggi laser sono diverse, possono anche essere utilizzate per regolare e ottimizzare i profili di temperatura transitoria e quindi il comportamento della crescita del grano (Rezek et al. 2000).

Sono stati condotti studi simili sul comportamento della crescita del grano laterale durante la cristallizzazione di interferenza laser di film di Sige amorfi o nanocristallini, depositati sui substrati al quarzo (Eisele et al. 2003). Gli esperimenti di cristallizzazione sono stati condotti con due schemi distinti: cristallizzazione di interferenza laser (LIC) e cristallizzazione di interferenza laser a scansione (SLIC). In LIC, il pattern di interferenza è direttamente irradiato sulla superficie del campione, mentre, nella SLIC, il modello di interferenza viene spostato sulla superficie con una larghezza graduale predefinita (Fig. 11.12). La Figura 11.13 presenta le immagini TEM dalle sezioni di linee cristallizzate dal laser di film di SIGE cristallizzati a due diverse temperature (25 ° C e 740 ° C). Nel caso della cristallizzazione indotta dal laser (LIC) a temperatura ambiente, la crescita del grano laterale è limitata a causa della nucleazione spontanea di grani più piccoli al centro della linea. Tuttavia, nel caso di LIC a temperatura elevata, la velocità di raffreddamento ridotta si traduce in una nucleazione spontanea ridotta o senza alcuna. La nucleazione spontanea può anche essere prevenuta da linee più strette ottenute con interferenza a tre fasce. L'immagine AFM del film di SIGE è cristallizzata da un modello di interferenza a tre fasce (con un periodo 6 m) che utilizza SLIC è presentata in Fig. 11.14. Come indicato nella figura, SLIC provoca grani più lunghi (~ 2m).

Fig. 11.12 Schema di (a) cristallizzazione di interferenza laser (LIC) e (b) e (c) cristallizzazione di interferenza laser a scansione (SLIC).

(Ristampato da Eisele et al. 2003. Con il permesso. Copyright Elsevier.)