Фотоэлектрические процессы в лазерной диффузионной рекристаллизации полупроводниковых поликристаллических окислов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ОТДЕЛ ТЕПЛОФИЗИКИ

циЛ^И'ИДШ'И- ............—————

На правах рукописи

ХАЙДАРОВ Али Хасанович

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЛАЗЕРНОЙ ДИФФУЗИОННОЙ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОКИСЛОВ

01.04.07 — «Физика твердого тела»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ТАШКЕНТ—1991

Работа выполнена в Отделе теплофизики АН Республики Узбекистан.

Научные руководители: — чл. коор. АН СССР

Хабибуллаев П. К.,

кандидат физико-математических наук Гольдман В. Я.

Официальные оппоненты: чл. коор. АН Рес. Узб.

Муминов Р. А.,

кандидат физико-математических наук Игамбердиев X.

Ведущая организация: Физико-технический институт АН

Республики Таджикистан-

Ж

Защита состоится «<¿2» - 1992. г. в

час-_ мин. на заседании Специализированного ученого

совета Д. 015. 22.015 при Отделе теплофизики АН Рес. Узб. 700135, Ташкент, массив Чиланзар, квартал Ц, ул. Катар-тал, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке АН Рес. Узб.

Автореферат разослан «г£з _1991 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета,

доктор физ.-мат. наук I М. А. КАСЫМДЖАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актусипьность исследований На ПУТИ ССЗДЭЛИЯ Лазерной МИКрОхимической технологии заметная роль отводится изучению физико-химических процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом. Изо всех преимуществ лазерного излучения ( высокой мощности, когерентности, монохроматичности и т.д.) наиболее просто исполь~-зовать высокую моазгосгь излучения и возмо-аюсть удобной доставки в зону реакции. Именно поэтому, в основе практически всех применений лазероз в микрохимии легит использование лазерного излучения, как средства нагрева. Наиболее ярко этот подход выражается п лазерной термохимии, где для достижения наиболее эффективного управления химиче-скими процесса!,:» используются нелинейные обратные связи нохду коэффициентами поглощения света и температурой зоны реакции. В то ье время совершенно ясно,'что выгоднее было Си использовав лазерное излучение не для силового воздействия на химические процессы, а в качестве инструмента, только лишь направ-лзжцего протекание реакции по иугному пути.

Такая возможность предоставляется при лазерном управлении процессами в полупроводниковых кристаллах. При этом моле г использоваться не нагрев, а возбуждение электронной подсистемы кристалла. Ясно, что эффективность последнего процесса значительно виае. Неравновесные электроны с кристалле способны приводи1Ъ к появлении наведенных электрических полей, которые влияет на процессы мигрант, примесных атомов в полупроводнике, a raine к изменении коэффициентов диффузии и дане к изменении концентрации с.оосшейных дебетов. Как известно, фотовопоуздеппе олетреннм! подсиете-.

мы полупроводников наиболее эффективно при низких температурах. Поэтому в настоящее время успешные попытки использовать фотовоз-бувдение гтолупроподчиковых кристаллов непрерывным лазерным излучением налой мощности предпринимаются обычно для управления такими процессами, которые не требует для своего протекания высоких

температур. В то те Бродя чрезвычайно ваетнм является управление

(

высокотемпературными диффузионными процессами с помощю малых доз лазерного излучения. На первый взгляд такая задача кажется трудноразрешимой из-за напой эффективности возбуждения электронов в полупроводниках при высоких температурах. Однако, кыг было у;..а показано ранее фотоэлектрическое возбуудяиио лазорны:: ;гаяуч-лшсч с опредзлешшх услогиях ютет слукш. Э'.£У.г.т>!и1н-.< ср гелием для ускорения и замедления вусокотешерздурит«; лроцоссо\> (нчпршор, при лазерном управлении вшжотекзчртчрик» сйизхсний:* Однако, к настонщом;,' г-рсисия изуччно ^»госполулиро.! . .и-.) -юлько К:х высокотемпературных процессов, нинешка «.ошрьс поведением гочечше: даЕжгои. В то г.о время су»};спиуег зночитель -нос ко.чличество физических процессов, пробками? котиртк завнеиг от крупных десктоп кристалла. Это процессы диффузионной рскриз -тт1лл::пэции гюлнкрисгаллов, роста нор и диффузионной очистки кристаллов и т.д. Возможность фотоэлектрического управления этими процессами предстаол$;ет значительный интерсс для технических приложений .

цель эисссрпиииошюй раьоти-. Изучение роли фотоэлектрических процессов в диффузионном формировании крупномасштабной структуры и физических свойств (коэффициента отражения, ыикротвердости,

- 3 -г

пористости, нестехиометрии) полупроводниковых поликристаллических окислов. Для достижения поставленой цели решались задачи:

- исследование лазерного управления процессами высокотемпературной рекристаллизации полупроводникового поликристаллического оксида и установление роли фотоэлектрических процессов в этом ВЛИЯНИИ;

- исследование влияния внешнего электростатического поля на процессы диффузионного роста зерен поликристаллического окисла-,

- исследование фотоэлектрического влияния на физические свойства поликристаллических окислов, прошедпих отжиг при лазерном воздействии низкой интенсивности.

В Настоящей работе обладают научи ой новизной и выносятся на

лащиту следующте результаты:

1) Результата исследования процессов лазерного управления диффузионным ростом зерен поликристаллов полупроводникового окисла:

- действие лазерного излучения малой мощности приводит к изменению среднего размера зерен поликристалла; размер зерен уменьшается в случае мехгюнного поглощения света и увеличивается в случае примесного поглощения, а само фотовоздейстше носит фотоэлектрический характер;

- фотовоздействие во время диффузионной рекристаллизации поликристаллов приводит, в первую очередь, к перераспределению массы между зернами различных размеров, что позволяет получачъ ансамбли с нэрагловесны-

- в -

ми, в том числе с сосредоточенными, функциями распределения зерен по размерам;

гэ. Результаты исследования физических свойств поликристалл лов, прошедших рекристаллизацию при воздействии лазерного излучения:

- фотовоздействие в, области примесного поглощения в процессе рекристаллизации приводит к увеличению коэффициента отражения поликристалла, а в области собственного поглощения - к его уменьшению; это изменение связано с формированием функции распределения коэффициентов отражения по размерам зерен и отражает перераспределение нестехиометрии между зернами различных размеров;

- действие лазерного излучения в процессе рекристаллизации приводит к изменению пористости поликристалла, вызывая очистку от пор областей прилегающих к границам зерен; микротвердрость кристаллита уменьшается, . либо увеличивается в зависимости от соотношения между длиной волны излучения и шириной запрещенной зоны окисла;

зз Результата исследования процессов диффузионного роста зерен поликристаллов во внешнем электростатическом поле:

- внешнее -электростатическое поле оказывает существенное влияние на процесс рекристаллизации окисла, ускоряя или замедляя рост зерен в зависимости от своего направления; эффект воздействия имеет насыщение при

- '! -.

низких напржеш ¡остях поля и связан с воздействием на области пространственного заряда границ зерен.

Научная и практическая иаиаоагь. Изучение роли фотоэлектрических процессов в лазерная диффузионной рекристаллизации полупроводниковых поликристаллических окислов позволяет получать новую информации о влиянии неболи.;их доз лазерного излучения на диффузию круписипсш-тоных дефектов в полупроводниках при высоких теи-пературах. Талая информация предсшаяяот интерес для понимания роли электронно?! подсисте(/л полупросоднккових- кристаллов в процессах дефектооОразозання и миграции границ зерен, пор п их взаимодействия с точечными дефектами. Полученные результата могут Оип, использованы в нпкрозле-ктроннои промышленности при разработке приборов »к» ■ основе пошфкстииличаских материалов. Кроне того, результат» раоош находят прш.гненмз в ».:е тллургии при разработке новьк методов закалки ттери&лов.

мч-г.Оииия 1„хЬопи. Материал», ыгличеншло в раооту докладу:ва-лис-ь на уп Всесоюзной конкуренции по взаимодействию оптического излучения с ведес гвои (Ленинград, 1863 г. >, IV и у Ссе.-олнпх семинарах "¿отогизика поверхности" (Ленинград, 108? л юаз г.), Всесоюзной научной конференции "Ф(лиш№птрическиэ .явления в полупроводниках" (Ташкент, 1УШ г.) и Мездуниродиоы семинара "Физика и химия лазерной обработки натериалов" (Ташкент, 1&Й9 г.).

пуьликаиии. Основные материалы диссергашш опубликовали ь десяти печатшя работах, в том числе в пяти статьях в центральной и зсру^ешсЛ печати.еппесок кошрих приведен в ко1!це р*£српта.

- в -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении кратко обсуждаются актуальность теш диссертационной работы, ее научная и практическая ценность, сформулирована цель диссертации и основные защищаете положения. Обсуждается также научная и практическая ценность работы и представлены данные об апробации работы на Всесоюзных и международных конференциях.

В первой главе диссертации представлен обзор, отражающий современное понимание физических принципов лазерного влияния на диффузионно-контролируемые процессы в полупроводниковых кристаллах .

В первом параграфе, посвященном лазерному управлению диффузионными процессами, отражены основные эксперименты, окапавшие влияние на развитие технологии лазерного управления диффузией в 1нсрдых телах. Рассмотрены этапы через которые прошла концепция лазерного 'управления. Сделан сравнительный анализ преимуществ и недостатков селективной фотохимии и лазерной термохимии. Сделан вывод о необходимости исследования возможностей нерезопапеного фотостимулирования диффузионных процессов.

Во втором параграфе подробно рассмотрены работы, посЕшценные фотоетимулироваишо процессов окисления металлов при высоких температурах. На основании обзора литературы сделан вывод о необходимости расширения этих исследований на изучение фотостимулирования процессов, саванах с движением крупных дефектов (границ зерен, пор) и лазерной рекристаллизации окислов.

' Вторая глава диссертации носит методологический характер и посвящена обсуждению особенностей проведения экспериментов по «»следованию фотовоздействия па высокотемпературную рекристаллизацию поликристаллических окислов.

В первом параграфе показано существование трех стадий роста зерен поликристалла и экспериментально выделена стадия диффузионного роста, непосредственно интересовавшая нас в эксперименте; Во втором параграфе описываются исследования, позволившие выбрать оптимальный температурный диапазон для проведения, исследований,, приведены критерии стабитьнаста температуры, поддерживаемой во. время опытов. Третий параграф посвящен описанию оригинальных экспериментов по выбору оптимальной методологии проведения экспериментов по лазерному фотостимулированию высокотемпературных процессов. Сделан вьюод об оптимальном соотношении равновесного и; лазерного излучений в экспериментах по фотостимулированию.

Третья глава диссертации посвящена фотостимулированному управлению диффузионным ростом зерен поликристаллического соо. Она содержит четыре параграфа.

В первом параграфе исследована роль фотопроцессов в лазерном управлении скоростью роста зерен поликристалла. Основные результаты представлены на рис.1, и в следующей таблице:

энергия кванта r*/rt излучения, эВ m m

m

0,73 0,83

cpRVj<T

0,8

0,61 1,1

-0,87

T

1,17

1 ,08 U,37

0,7 ' 0,87 1.4 1 ,3

0,8

-3,8

0.9

Здесь индексы "ф" и "т" относятся к фронтальной и тыльной сторонам мишени, облучаемой и необлучаемой лазерным излучением, соответственно. Из таблицы видно, что воздействие на величину Вт, характеризующую скорость роста зерен значительно меньше (порядка 20%), чем на полуширину функции распределения и на ее эксцентриситет. На рис 1 показано, как изменяется вид функции распределения при лазерном воздействии. На основании изучения влияния лазерного излучения различного спектрального состава на процессы рекристаллизации окислов и исследования конкуренции фото- и теплового влияния сделан вывод о фотоэлектрическом характере лазерного воздействия при достаточно низкой интенсивности лазерного излучения. Показано, что основное влияние лазерного излучения сводится не столько к изменению коэффициентов миграции границ зерен, сколько к перераспределению массы поликристалла между зернами различных размеров.

Во втором параграфе основываясь на характере насыщения эффекта фото&оэдействия при низких интенсивностях света сделан вывод о том, что его поисхоздение связано с фотоизменением структуры области пространственного заряда границы зерен. Экспериментально определена высота электронного электрического барьера на

границе зерен при высоких температурах.

Третий параграф данной главы посвящен исследованию диффузионной рекристаллизации поликристаллических окислов при высоких температурах в электростатических полях. Показано (рис.2) чрезвычайно сильное влияние электростатического поля (ускорение

или замедление процессов рекристаллизации в 3-5 раз в зависимости от направления поля) и сделан вывода важности электрических

ч

Рис.1. Влияние лазерного излучения на распределение зерен поликристалла по размерам.

1 . 1 . 1 , 1 . 1 . 1 , 0.5 о--------а .л-" ;<У3 0.1

-12 -10 -В -4 -2 й N ..О-'' п. .. ...О- 2 4 6 0 10 12 -0.1 Е (И/СП) --0.3 - -0.5

Рис.2. Изменение среднего размера зерен поликристаллического окисла кобальта в зависимости от электрического поля, приложенного во время спекания.

характеристик границы зерен для процессов диффузионной рекристаллизации.

Четвертый параграф этой главы посвящен изучению деформации формы функции распределения зерен поликристаллов, прошедших гомогенизирующий отжиг при лазерном воздействии. Показано, что лазерное фотовоздействие приводит к сильной деформации распределения зерен вплоть до появления дополнительного максимума на этом распределении. Показано, что причины этой деформации связаны с фотос-тимулировашым изменением атомных процессов на границах зерен.

Четвертая глава диссертации посвящена рассмотрению физических свойств поликристаллических окислов. Показано, что непрерывное лазерное воздействие низкой интенсивности эффективно изменяет, большой набор свойств поликристалла, связаных с состоянием его дефектной структуры. Во втором и третьем параграфах рассмотрено изменение оптических свойств поликристалла, прошедшего гомогенизирующий отжиг при лазерном воздействии. Во втором параграфе обсуждается изменение интегральных спектральных характеристик поликристалла. Показано, что результат воздействия лазерного излучения во время тепловой обработки поликристалла зависит от спектральных характеристик воздействующего излучения. Из данных по зависимости величины лазерного стимулирования от интенсиивности воздействующего излучения сделал вывод о границах зерен, как обь-екте влияния излучения. В третьем параграфе показано, что воз-

I

действие лазерного излучения малой мощности приводит к радикальному изменению функции распределения коэффициентов отражения, сделан вывод о взаимосвязи концентрадии дефектов в объеме зерен

поликристалла с кинетическими характеристики^ рекристаллизации зерен и с эле!прическими характеристиками границы зерен. В четвертом параграфе рассмотрено взаимодействие между порами и границам! зерен поликристалла. Показано, что лазерное выздействие принципиальным образом изменяет взаимодействие этих объектов, в результате чего нарушается однородность расположения пор в объеме зерна и начинается диффузионная очистка кристалла от пор. Предложена модель, объясняются этот эффект изменением потока заряхеных вакансий на границы зерен при фотсетимулированном изменении электрических характеристик границы. В пятом параграфа данной главы экспериментально изучено изменение микротвердости гтолигсрис-талличес!сого окисла при внешнем фотоэлектрическом воздействии. Показано, что результаты изменения прочностных характеристик соответствуют сделаным в предыдущих параграфах выводам об изменении дефектной структуры кристаллита под воздействием лазерного излучения малой мощности.

В Заключении сформулированы основные в!Гводы диссертационной работы о фотоэлектрическом влиянии лазерного излучения малой мощности и внепнего электростатического поля на рекристаллизация по-ликристалличесгатх окислов и формирование их физических свойств:

1) Лазерное воздействие малой мощности способно оказывать существенное фотегоздействие на процессы диффузионной рекристаллизации поликристаллов:

- лазерное воздействие оказывает влияние на рост зерен поликристалла, причем это влияние носит фотоэлектрический характер при достаточно низкой интенсивности лазерного излучения...

- Фототоэдействие лазерного излучения на спекание, обладает

наенщзни&м при низких интенсивностях света, tiro происхождение связано с фотоизыенением структуры области пространственного заряда вблизи границы зерен.

- лазерное излучение позволяет направлено формировать функции распределения зерен, позволял получать сосредооченные функции распределения и функции распределения со смещенным эксцентриситетом; в отдельных случаях лазерное излучение, может приводить к переключений ремшов нормального и анонального резшыов роста зерен, с формированием распределении с одним или доуил «.исасдуыауи;

- лазерное излучение приводит, в первую очередь, не к ускорения диффузионных процессов, а к перераспределений шсси к.етду зернаки различных размеров; это такг;е свидетельствует о том, что фотопроцесси разышаа/гся на границе

2) Внешнее электрическое nose способно ©¡гаошип. радикально сильное влияние па процесс спекания зерен иолуп)суоднякоаого окисла. Электронные характеристики границы зерен окалваот ptáisu--цое влитешз на проыессн дщ^оиоиного роста зерен окисла и их изменении инешшш всицеисгаигл приводит к изминокшш скорости рекристаллизации и физических свойств отохмшого полупроводника.

3) Лазерное фотовоздьйстше на процесс спекали»! полупроводниковых поликристаллов оказывает интенсивное влияние на дотирование доических свойств поликристаллов:

- ¿■лтовиздеистппе в процессе реафиепшшацкм приводит к избиения коэффициента отражении поликристалла; знак изы-знгнии зависит о г дп;ша волны излучения; ого изменение связано с фории-|.и.й-.ипеа зупкции распределения коэффициентов отражении по раина-Р-и идееи п, невидимому, oipasaer перераспределение неетехиоког-

- IS -

рии между зернами различных размеров;

- действие лазерного излучения в процессе рекристаллизации приводит к изменению пористости поликристалла, вызывая очистку от пор областей прилегающих к границам зерен; (

- лазерное фотовоздействие приводит к изменению микротверд-рости кристаллита; микротвердость уменьшается, либо увеличивается в зависимости 6Т.соотношения между длиной волны излучения и шириной запрещенной зоны окисла.

Оснавные резултаты диссертации опубликовании в следующих работах: <

1. Alimov D.T., Goldman V.Ya.,' Khaidarov A.Kh. Photoprocesse3 In laser thermochemistry oi heterogenous reactions. /Proc. oi First International Schole on Laser Surface Microprocessing., SPIE.- V. 1352, P.240-248.

2. Алимов.Д.Т., Гольдман.В., Журавский.В., Хайдаров А.Х., Хаби-буллаев П.К. Кинетика образования зёрен оксида металлов при лазерном облучении. Тезисы докл. II Всес. симп. по лаз.химии. Звинигород^ 1985.- с.80

3. Алимов.Д.Т., Гольдман.В., Куравский.В., Хайдаров А.Х., Тю-гай.В. Кинетика образавания зерен оксида металлов при лазерном облучении. Препринт ИЯФ АН УзССР Р-226 Ташкент 1986,10с.

4. Алимов Д.Т., Журавский В., ГоЛьдман В., Хайдаров А.Х. Рекристаллизация полупроводниковых ■ оксидов при лазерном воздействии. ФиХОМ, 1991 No 2, С. 57-63

5. Алимов Д.Т., Гольдман В.Я., Омельченко А.П., Убайдулла-ев С.А., Хайдаров А.Х. Электронный аспект лазерной

химии твердого тела: фотовоздействие при высоких температурах. / ТВТ.- 1991.- Т. 29, N0 4,- С.826-828. {). Гольдман В.Я., Хайдаров А.Х. Фотостимулированное окисление металлов: оптимизация воздействия при высоких температурах, в кн.:При-мене циеновейших достижений физики конденсированных сред. С.92. ?. Алимов Д.Т., Гольдман В., Омельченко А., Хайдаров А.Х., Убайдул-лаев С. Фотовоздействие лазерного излучения на поверхность твердого тела при высоких температурах. Тез.докл. Всес.сем. "Фотофизика поверхности" Ленинград. 1989.- С.3-4 о. Алимов Д.Т., Гольдман В.Я., Куравский В.Л., Уйайдуллаев С.А., Хайдаров А.Х. Стимулирование собирательной рекристаллизации полупроводников действием электрическоо поля. // Письма в , 2ГГФ. 1989.- Т. 14.- N 20,- С. 1902 - 1905. а. Алимов Д.Т., Гольдман В.Я., Омельченко А.И., Хайдаров А.Х. Фотоэлектрические процессы в окислах и стехиометрия при лазерном окислении^/ Тез. докл. Всес. конф. в со.: Фотоэлектри-. ческие явления в полупроводниках.- 1989.- С.349. . ю. Алимов Д.Т., Гольдман В.Я., Омельченко А.И., Убайдуллаев С.А., Хайдаров А.Х. Изменение стехиометрии поверхностных слоев окислов при лазерном воздействии. /-•"Тез. док л. V Всес. сем. фотофизика поверхности. Ленинград.-1989.-С.3-4.

!' ' Подписано к псчаш 2¥ /2-9/ г. Форш» бумаш Ы>гЫЧ„

Бумага писчая Псч41ь офсетная Ой им { а л. Тира^к 120 Заказ ъЦЯ^

Отпечатано в типографии Таш11И Ташкеш, ул. Я .Киласа, 1С