Некоторые свойства кремниевых структур, полученных лазерным микроструктурированием

ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

УДК 621.315.592; 621.382.002

А. М. Скворцов, С. С. Дышловенко, М. В. Погумирский, Фам Куанг Тунг, В. И. Соколов

НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР, ПОЛУЧЕННЫХ ЛАЗЕРНЫМ МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЕМ

Исследовано влияние лазерного микроструктурирования монокристаллического кремния на морфологию и оптические свойства облученных областей. Показано, что на поверхности облученных областей кремния происходят сложные структурные изменения, сопровождаемые морфотропией кремния с образованием его нанокластеров. Одновременно существенно изменяются оптические характеристики, о чем свидетельствует изменение коэффициента пропускания облученных областей кремния.

Ключевые слова: лазерное микроструктурирование, облученная зона, кремниевый нанокластер, коэффициент пропускания.

В настоящее время процесс лазерного микроструктурирования поверхности широко применяется в полупроводниковой микроэлектронике. Краткий обзор методов микроструктурирования кремния с помощью лазера приведен в работе [1]. Изменяя параметры лазерного излучения, можно реализовать широкий диапазон режимов воздействия от локального нагревания до строго дозированного удаления материала. Из основных методов лазерного микроструктурирования поверхности в настоящей работе использован метод, который основан на локальном нагревании и испарении вещества. Этот метод позволяет модифицировать структуру поверхности кремния и его свойства.

Методика эксперимента. В работе осуществлялось лазерное микроструктурирование поверхности монокристаллических кремниевых пластин электронного типа проводимости с удельным сопротивлением 7,5 Ом-см и толщиной 0,38 мм, ориентированных в кристаллографической плоскости (100). Лазерной обработке подвергались как пластины неокислен-ного кремния, так и пластины с термическим окислом толщиной 0,35—0,4 мкм.

Лазерная обработка кремниевых пластин проводилась на специальном технологическом комплексе, в котором использовался С02-лазер с длиной волны X = 10,6 мкм. Основные параметры облучения: длительность импульса т = 0,88-10-4 с, частота следования импульсов / = 80 Гц, диаметр пучка 20 мкм, средняя мощность лазерного излучения Р = 0,3 Вт, скорость сканирования V = 2,5 мм/с. Площадь сканирования составляла 5x5 мм. Сканирование проводилось на воздухе в разных направлениях относительно базового среза пластины: параллельно, перпендикулярно и под углом 45о. Пластина кремния располагалась на стеклянной подложке.

Исследование структурных свойств экспериментальных образцов производилось методами растровой электронной микроскопии и катодолюминесценции, а для

исследования оптических свойств измерялся коэффициент пропускания образцов в ИК-диапазоне длин волн.

Люминесцентные методы исследования являются одними из наиболее информативных при изучении структуры двуокиси кремния. Метод электролюминесценции наиболее часто используется при исследовании генерационно-рекомбинационных процессов в МОП-структурах с тонким диэлектриком, а также при исследовании возможности токовой накачки светоизлучающих нанокомпозитов, содержащих нанокристаллы кремния.

В настоящей работе использован метод катодолюминесценции, который хотя и сложней метода электролюминесценции, но обладает рядом преимуществ перед последним, такими как возможность регистрации спектров с разрешением по глубине окисной пленки, а также высокая энергия возбуждения, что позволяет исследовать глубокие люминесцентные центры [2, 3]. В целом, нужно отметить, что спектры катодолюминесцен-ции и фотолюминесценции весьма похожи.

Исследования катодолюминесцентных свойств полученных структур проводились на электронно-зондовом микроанализаторе СашеЬах фирмы Cameca (Франция), снабженном оптическим спектрометром, регистрирующим катодолюминесцентное излучение образцов в видимой области спектра (350—750 нм).

Для измерения коэффициента пропускания образцов в инфракрасной области спектра использовался спектрофотометр ИКС-29.

Результаты исследований и их обсуждение. На рис. 1, а—г приведены фотографии облученных областей с различной морфологией из разных участков зоны лазерного сканирования; д — схематическое изображение зоны сканирования и расположение в ней участков а—г.

Как видно из рис. 1, в облученных областях, расположенных в средней части (участки а и б) зоны сканирования лазерного луча, можно выделить три части (рис. 1, а): центральная часть в виде выпуклости, окруженной волнообразными структурами в виде колец, ширина которых изменяется в пределах 8—10 мкм. Третья часть облученных областей имеет вид светлого кольца шириной порядка 5 мкм. В облученных областях, расположенных ближе к краям зоны сканирования (участки в и г), отсутствует центральная выпуклая часть.

Для объяснения полученных морфологических структур в областях, облученных пучком лазера, следует кратко рассмотреть процессы, которые обеспечивают взаимодействие монокристалла кремния с излучением СО2-лазера.

Поскольку кремний в инфракрасном диапазоне длин волн отражает порядка 46 % излучения и пропускает порядка 54 %, он практически не поглощает излучение СО2-лазера, поэтому на образцах монокристаллического кремния, облученного СО2-лазером, не было обнаружено каких-либо структурных изменений. Как уже указывалось ранее, для активации поглощения и взаимодействия кремния с лазерным излучением под пластины образцов кремния были помещены стеклянные пластины, хорошо поглощающие излучение СО2-лазера. Стекло под кремниевой пластиной поглощает излучение, нагревается и частично испаряется. За счет процесса теплообмена пластина кремния также нагревается, ее температура повышается. Вследствие этого изменяются оптические свойства кремния: его коэффициент поглощения повышается. Монокристалл кремния начинает поглощать лазерное излучение и нагреваться, что приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны кремния. В результате активируется внутризонное поглощение и увеличивается скорость термической генерации свободных носителей. В итоге процесс поглощения нарастает лавинообразно [4].

Таким образом, энергия лазерного излучения поглощается кремнием за счет повышения коэффициента поглощения кремниевой пластины и преобразуется в тепловую

энергию. При температуре порядка 800 °С и выше начинается пластическая деформация кремния. Когда температура поверхности достигает Т = 1423 °С, начинается плавление материала. В дальнейшем, при охлаждении, происходит рекристаллизация кремния и образование сложных структур, приведенных на рис. 1.

а) б)

Рис. 1

Как видно из рис. 1, а, диаметр центральной части области облучения порядка 20 мкм, т.е. совпадает с диаметром сфокусированного в центре области сканирования лазерного пучка, что обеспечивает наибольшую плотность мощности в средней части области сканирования. Именно здесь происходят расплав кремния и последующая рекристаллизация. С отклонением луча от средней части области сканирования увеличивается расфокусировка лазерного пучка, что приводит к уменьшению плотности мощности лазерного излучения в пятне. В результате снижается вероятность появления расплава и формируется лишь структурно-деформированная область, обусловленная появлением больших упругих механических напряжений, которые приводят к пластической деформации областей, прилежащих к областям расплава. Светлые кольца, расположенные за пределами структурно-деформированных областей, являются, возможно, областями, в которых имеются напряжения, обусловленные изменением постоянной решетки монокристалла.

В настоящей работе были сняты спектры катодолюминесценции (СЬ) двух образцов: образец 1 — монокристаллический кремний без окисла (рис. 2, кривые 1 и 2 — вне области облучения и в облученной области соответственно) и образец 2 — кремний с окислом (рис. 2, кривая 3). Люминесценция возбуждалась пучком электронов с энергией 5 кэВ и током 20 нА.

Во всех публикациях, касающихся структурных дефектов и люминесценции силикатных стекол (см., например, [2, 3, 5—7], выделяют два четких пика, обусловленных собственными

структурными дефектами. Один пик (полоса) с энергией 1,94 эВ в спектре люминесценции свидетельствует о наличии обогащенных кислородом дефектов (немостиковых атомов кислорода, прецессирующих на вершине кремний-кислородного тетраэдра). Другая полоса с энергией 2,67 эВ обусловлена наличием в силикатном стекле обогащенных кремнием дефектов (наличием в молекулярном комплексе двухкоординированного атома кремния =81:).

Рис. 2

В спектрах люминесценции термического окисла на кремнии наблюдаются пики в области 2,2—2,5 эВ, отсутствующие в спектрах кварцевого стекла, но характерные для нано-композитов опал—кремний, что свидетельствует о наличии нанокластеров кремния в окисле [3, 6, 7].

Рассмотрим спектры катодолюминесценции, полученные на первом образце. На рис. 2 (кривая 1) приведен спектр катодолюминесценции на необлученной части монокристалла кремния, покрытой тонким слоем естественного окисла. На его спектре люминесценции можно выделить три разных пика, соответствующих значениям энергии 1,94; 2,25 и 2,65 эВ. Из-за малой толщины слоя естественного окисла эти пики имеют малую интенсивность.

На спектре люминесценции, снятом в области облучения, четко выделяется одна яркая полоса, соответствующая 2,25 эВ (рис. 2, кривая 2), и полностью отсутствуют полосы со значениями энергии 1,94 и 2,65 эВ.

Следует отметить большую интенсивность пика, соответствующую энергии 2,25 эВ в спектре катодолюминесценции. Это можно рассматривать как свидетельство того, что после облучения в окисле, расположенном на структурированной поверхности кремния, сформировались нанокластеры кремния [1, 7].

На спектре люминесценции предварительно окисленного монокристаллического кремния, снятом в облученных областях, четко выделяется, так же как на рис. 2 (кривая 2), только одна яркая полоса, соответствующая энергии 2,25 эВ (кривая 3). Отличие заключается в том, что при энергии 1,97 эВ появился выступ, указывающий на наличие в структуре заметного количества обогащенных кислородом дефектов.

Исследование влияния лазерного облучения на ИК-пропускание неокисленного кремния показало (рис. 3), что в необлученном (1) и облученном (2) лазером кремнии значение коэффициента пропускания (Т) существенно различается.

Если до Х= 7 мкм ход обеих кривых близок, то с увеличением X наблюдается существенный рост Т, который достигает 70 % при длине волны X = 10 мкм и приближается к 90 % при X > 14,2 мкм, т.е. лазерная обработка приводит к существенному росту коэффициента пропускания кремния.

На рис. 4 приведена зависимость коэффициента пропускания Т монокристаллического кремния с термическим окислом толщиной 0,3—0,4 мкм на поверхности (кривая 1 — для не-облученного лазером образца, 2 — для облученного). Общее значение Т определяется нали-

чием двух слоев — оксида кремния и кремниевой подложки [8, 9]. Поэтому окончательный график коэффициента пропускания образца от длины волны имеет вид затухающего колебания (кривая 1).

Рис. 3

Рис. 4

После облучения лазером окисленного образца его коэффициент пропускания Т значительно изменился. Наблюдается уменьшение зависимости Т от длины волны. Вместо линии затухающего колебания наблюдается монотонный рост коэффициента пропускания, который достигает значения 70 % при длине волны в диапазоне \= 18—28 мкм.

Таким образом, проведенные морфологические, структурные и оптические исследования монокристаллического кремния, микроструктурированного с помощью излучения СО2-лазера, указывают на возможность использования лазерного облучения кремния для придания кремнию требуемых структурных и оптических свойств.

Авторы выражают благодарность Е. В. Колесниковой, сотруднице ФТИ им. А. Ф. Иоффе, за измерение спектров катодолюминесценции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вейко В. П., Дышловенко С. С., Скворцов А. М. Лазерное микроструктурирование поверхности кремния // Науч.-технич. сб. „Диагностика и функциональный контроль качества оптических материалов". Ч. 2. СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 138—153.

2. Zamoryanskaya M. V., Sokolov V. I. Structural study of thermal-oxyde films on silicon by cathodoluminescence // Phys. Solid State. 1998. Vol. 47, N 11. Р. 1797—1801.

3. Zamoryanskaya M. V., Sokolov V. I., Sitnikova A. A., Konnikov C. G. Cathodoluminescence study of defect distribution at different depths in films SiC^/Si // Sol. State Phen. 1998. Vol. 63—64. P. 237—242.

4. Wang W. J., Lu Y. F., An C. W., Hong M. H., Chong T. C. Controllable periodic structure on silicon wafer by CO2 laser irradiation // Appl. Surface Sci. 2002. Vol. 186. P. 594—598.

84

А. И. Жерновой

5. Силинь А. Р., Трухин А. Н. Точечные дефекты и элементарные возбуждения в кристаллическом и стеклообразном SiO2. Рига: Зинатне, 1985. 244 с.

6. Bai G. F., Wang Y Q., Ma Z. C., Zong W. H., Qin G. G. Electroluminescence from Au/native silicon oxide layer/pC-Si and Au/native silicon oxide layer/nC-Si structures under reverse biases // J. Phys.: Condens. Matter. 1998. Vol. 10. P. 717—721.

7. Lin C. F., Liu C. W., Chen M.-J., Lee M. H., Lin I. C. Infrared electroluminescence from metal-oxide— semiconductor structures on silicon // J. Phys.: Condens. Matter. 2000. Vol. 12. Р. 205—210.

8. Павлова В. Т. Оптика тонких пленок и технология их нанесения. Минск: БПИ, 1990.

9. Технология тонких пленок: Справочник / Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Т. 1. М.: Сов. радио, 1977. 664 с.

Альберт Матвеевич Скворцов Светлана Сергеевна Дышловенко Максим Викторович Погумирский Фам Куанг Тунг Владимир Иванович Соколов

Рекомендована кафедрой проектирования компьютерных систем

Сведения об авторах Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, E-mail: a-skvortsov@yandex.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, E-mail: puushistaya@mail.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, E-mail: max33-05@mail.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, E-mail: quang_tung@yahoo.com Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, E-mail: V.Sokolov@mail.ioffe.ru

Поступила в редакцию 20.02.07 г.

УДК 543.422.25

А. И. Жерновой

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА НЕФТЕВОДОГАЗОВОЙ СМЕСИ МЕТОДОМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Представлен метод определения состава нефтеводогазовой смеси методом ядерного магнитного резонанса, основанный на различии значений ядерной магнитной восприимчивости и времени продольной магнитной релаксации компонентов. Используется инверсия ядерной намагниченности п-импульсом, амплитуда сигнала свободной индукции измеряется в момент времени, когда намагниченность одного из жидких компонентов или всей смеси равна нулю.

Ключевые слова: ядерный магнитный резонанс, нефтеводогазовая смесь, состав, измерение.

Для оптимизации процесса добычи нефти требуется контроль соотношения нефти, воды и попутного газа непосредственно в промысловой скважине. Для этой цели можно использовать метод ядерного магнитного резонанса. Участок трубопровода, в котором находится исследуемая смесь, помещается в приемную катушку датчика сигнала свободной индукции (ССИ), расположенную в магнитном поле. Амплитуда ССИ смеси с относительными объемными концентрациями жидких компонентов (нефти и воды), равными Сн и Св, может быть рассчитана по следующей формуле:

А = Сн Ан + Св Ав,

где Ан и Ав — амплитуды ССИ при Сн = 1 и Св = 1, т.е. при заполнении датчика только одним компонентом.