RU2391742C1 - Method of making dielectric layer containing nanocrystals - Google Patents
Method of making dielectric layer containing nanocrystals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2391742C1 RU2391742C1 RU2009104889/28A RU2009104889A RU2391742C1 RU 2391742 C1 RU2391742 C1 RU 2391742C1 RU 2009104889/28 A RU2009104889/28 A RU 2009104889/28A RU 2009104889 A RU2009104889 A RU 2009104889A RU 2391742 C1 RU2391742 C1 RU 2391742C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanocrystals
- dielectric film
- radiation
- formation
- initial
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
- Formation Of Insulating Films (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к полупроводниковой технологии, и может быть использовано при изготовлении микро-, наноэлектронных и оптоэлектронных устройств, в частности ячеек энергонезависимой памяти, солнечных элементов, светодиодов.The invention relates to semiconductor devices, namely to semiconductor technology, and can be used in the manufacture of micro-, nanoelectronic and optoelectronic devices, in particular cells of non-volatile memory, solar cells, LEDs.
Известен способ формирования содержащего нанокристаллы диэлектрического слоя (патент РФ №2278400 на изобретение, МПК 8 В82В 3/00), заключающийся в том, что в подложку вводят материал для формирования нанокристаллов в составе раствора, воздействуют на раствор лазерным излучением в импульсном режиме с образованием низкотемпературной плазмы в виде газообразной среды для восстановления в ней ионов исходно введенного материала до чистого материала и последующим охлаждением плазмы с формированием нанокристаллов. При этом подложку выбирают из природных или искусственных материалов с заданными физическими параметрами. В качестве материала для формирования нанокристаллов используют металлы, металлоиды и полупроводники. Раствор с имеющимися в его составе указанными материалами вводят в нанопоры подложки природного или искусственного происхождения. Формирование нанокристаллов осуществляют в объеме нанопор, расположенных в пределах воздействия лазерного пятна.A known method of forming a nanocrystal dielectric layer (RF patent No. 2278400 for an invention, IPC 8 В82В 3/00), which consists in the fact that a material is introduced into the substrate to form nanocrystals in the solution, they are applied to the solution by laser radiation in a pulsed mode with the formation of low-temperature plasma in the form of a gaseous medium for the reduction in it of ions of the initially introduced material to a pure material and subsequent cooling of the plasma with the formation of nanocrystals. In this case, the substrate is selected from natural or artificial materials with specified physical parameters. As a material for the formation of nanocrystals, metals, metalloids and semiconductors are used. A solution with the indicated materials contained therein is introduced into the nanopores of a substrate of natural or artificial origin. The formation of nanocrystals is carried out in the volume of nanopores located within the laser spot.
К недостаткам приведенного технического решения относится узкий ассортимент подложек и исходных диэлектрических пленок в результате требования их специальной наноструктурированности. Также следует отметить необходимость использования для растворов веществ, загрязняющих материалы, не совместимых практически с планарной технологией изготовления полупроводниковых приборов.The disadvantages of the above technical solution include a narrow assortment of substrates and initial dielectric films as a result of the requirement for their special nanostructured structure. It should also be noted that it is necessary to use substances that pollute materials for solutions that are not compatible practically with planar technology for manufacturing semiconductor devices.
В качестве ближайшего к заявляемому техническому решению выявлен способ формирования содержащего нанокристаллы диэлектрического слоя (публикация US 2008/0178794 А1 от 31.07.2008 г., заявка №11/698262 на выдачу патента США на изобретение от 25.01.2007 г., МПК 8 С03В 25/00), заключающийся в том, что в составе подложки формируют поверхностный проводящий слой, на котором изготавливают исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов, и проводят лазерную обработку, по крайней мере, исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, вызывающую в ней агрегацию материала для формирования нанокристаллов и соответственно формирование последних.As a method closest to the claimed technical solution, a method for forming a nanocrystal-containing dielectric layer was identified (publication US 2008/0178794 A1 dated July 31, 2008, application No. 11/698262 for the grant of a US patent for an invention dated January 25, 2007, IPC 8 С03В 25 / 00), which consists in the fact that a surface conductive layer is formed on the substrate, on which an initial dielectric film containing material for forming nanocrystals is made, and laser treatment of at least the initial dielectric film containing the material is performed ial for the formation of nanocrystals, causing aggregation of material in it for the formation of nanocrystals and, accordingly, the formation of the latter.
При этом в качестве исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, изготавливают обогащенный кремнием диэлектрический слой, содержащий окись кремния, или нитрид кремния, или их комбинации, характеризующийся показателем преломления от 1,4 до 2,3, зависящим от состава, то есть содержания кремния.In this case, as the initial dielectric film containing the material for forming the nanocrystals, a silicon-enriched dielectric layer containing silicon oxide or silicon nitride, or a combination thereof, characterized by a refractive index of 1.4 to 2.3, depending on the composition, i.e. silicon content.
Исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов, изготавливают посредством плазмохимического осаждения из паров (PECVD) толщиной от 50 нм и до 1000 нм.An initial dielectric film containing material for forming nanocrystals is made by plasma chemical vapor deposition (PECVD) with a thickness of 50 nm to 1000 nm.
Лазерную обработку проводят посредством использования эксимерного лазера с подобранными длиной волны и мощностью излучения, обеспечивающих наличие температур в зоне воздействия до 400°С. Длина волны используемого лазерного излучения равна 308 нм.Laser processing is carried out by using an excimer laser with a selected wavelength and radiation power, ensuring the presence of temperatures in the affected area up to 400 ° C. The wavelength of the used laser radiation is 308 nm.
Плотность излучения варьируют от 70 до 300 мДж/см2, при этом диаметр формируемых нанокристаллов получают от 3 до 10 нм при их плотности - от 1011 см2 и до 1012 см2.The radiation density varies from 70 to 300 mJ / cm 2 , while the diameter of the formed nanocrystals is obtained from 3 to 10 nm at a density of 10 11 cm 2 and up to 10 12 cm 2 .
В качестве проводящего слоя формируют слой из металла, или окиси металла, или их комбинации.As a conductive layer, a layer of metal or metal oxide or a combination thereof is formed.
К недостаткам приведенного ближайшего технического решения относится узкий ассортимент подложек и исходных диэлектрических пленок. Причины, препятствующие достижению нижеуказанного технического результата, заключаются в следующем.The disadvantages of the nearest technical solution include a narrow assortment of substrates and initial dielectric films. The reasons that impede the achievement of the following technical result are as follows.
В рассматриваемом способе воздействия при лазерной обработке вызывают кристаллизацию с классическим фазовым переходом, сопровождающимся передачей энергии решетке диэлектрика исходной пленки и, как следствие, разогревом, вносящим негативные последствия.In the considered method of exposure, laser treatment induces crystallization with a classical phase transition, accompanied by energy transfer to the dielectric lattice of the initial film and, as a result, by heating, introducing negative consequences.
Используемые материалы в отношении ультрафиолетового излучения эксимерных лазеров, посредством которых осуществляют лазерную обработку, обладают большим коэффициентом поглощения, и излучение поглощается в пределах 20 нм от поверхности обрабатываемой пленки. В этих же пределах происходит формирование нанокристаллов, на которое направлена лазерная обработка. Данное обстоятельство не позволяет использовать исходные диэлектрические пленки, содержащие материал для формирования нанокристаллов, толщиной более 0,5 мкм. Формирование нанокристаллов происходит неравномерно по толщине. Увеличение же «закачиваемой» в объем мощности с целью достижения более равномерного образования нанокристаллов по толщине, а не только вблизи поверхности, приводит к существенному разогреву, и, в результате, испарению исходной диэлектрической пленки.The materials used in relation to the ultraviolet radiation of excimer lasers, through which laser processing is carried out, have a high absorption coefficient, and the radiation is absorbed within 20 nm from the surface of the processed film. Within the same limits, the formation of nanocrystals occurs, which laser treatment is aimed at. This circumstance does not allow the use of initial dielectric films containing material for the formation of nanocrystals with a thickness of more than 0.5 microns. The formation of nanocrystals occurs unevenly in thickness. An increase in the power “pumped” into the volume in order to achieve a more uniform formation of nanocrystals in thickness, and not only near the surface, leads to a significant heating, and, as a result, evaporation of the initial dielectric film.
С другой стороны, наличие большого коэффициента поглощения в отношении используемого излучения приводит к разогреву при воздействии лазером на материал исходной пленки, в особенности при большом избытке кремния, что необходимо для формирования нанокристаллов с большой плотностью, превышающей обеспечиваемую известным способом. В свою очередь, разогрев опять же обуславливает испарение исходной диэлектрической пленки.On the other hand, the presence of a large absorption coefficient in relation to the radiation used leads to heating when the laser acts on the material of the initial film, especially with a large excess of silicon, which is necessary for the formation of nanocrystals with a high density exceeding that provided by the known method. In turn, heating again causes the evaporation of the original dielectric film.
Таким образом, ассортимент исходных пленок ограничен по толщине и составу, то есть содержанию избыточного кремния, применяемым ультрафиолетовым излучением в непрерывном режиме.Thus, the range of starting films is limited in thickness and composition, that is, the content of excess silicon used by ultraviolet radiation in a continuous mode.
Кроме того, использование для обработки эксимерного лазера с ультрафиолетовым излучением приводит к тому, что далеко не каждая подложка оказывается подходящей для изготовления приборной структуры. Так, подложка кварца, являющаяся прозрачной для ультрафиолетового излучения, может быть использована в этих целях, а подложка стекла, поглощающая указанное излучение, - нет. В последнем случае при достаточно тонкой для однородного формирования нанокристаллов исходной пленке значительная часть «закачиваемой» мощности затрачивается на разогрев поглощающей излучение подложки и, в результате, может привести к деформации подложки или к испарению исходной пленки.In addition, the use for processing an excimer laser with ultraviolet radiation leads to the fact that not every substrate is suitable for the manufacture of the instrument structure. So, a quartz substrate, which is transparent to ultraviolet radiation, can be used for these purposes, but a glass substrate that absorbs the specified radiation is not. In the latter case, when the initial film is sufficiently thin for the uniform formation of nanocrystals, a significant part of the “pumped” power is spent on heating the substrate absorbing radiation and, as a result, can lead to deformation of the substrate or to evaporation of the initial film.
И более того, для формирования нанокристаллов в указанном способе на подложку осуществляют обязательное нанесение проводящего слоя, на котором формируют исходную пленку. Такая необходимость, по-видимому, обусловлена стремлением использовать отражающую способность проводящего слоя из металла или его оксида во избежание перегревов, для усиления эффективности формирования нанокристаллов, в части повышения однородности распределения их в объеме и достижения большей плотности.And moreover, for the formation of nanocrystals in the specified method on the substrate carry out the mandatory deposition of a conductive layer on which to form the original film. This need, apparently, is due to the desire to use the reflectivity of the conductive layer of metal or its oxide to avoid overheating, to enhance the efficiency of the formation of nanocrystals, in terms of increasing the uniformity of their distribution in volume and achieving a higher density.
Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:
- расширение ассортимента подложек, используемых для изготовления приборных структур;- expanding the range of substrates used for the manufacture of instrument structures;
- расширение ассортимента исходных диэлектрических пленок, используемых для изготовления приборных структур.- expanding the range of source dielectric films used for the manufacture of instrument structures.
Технический результат достигают в способе формирования содержащего нанокристаллы диэлектрического слоя, заключающемся в том, что на подложке изготавливают исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов, проводят лазерную обработку исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, вызывающую в ней агрегацию материала для формирования нанокристаллов и соответственно формирование последних, причем при лазерной обработке используют импульсное излучение с длительностью импульса и плотностью энергии, обеспечивающими наличие фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой, с отсутствием передачи энергии решетке диэлектрика, при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине исходной пленки.The technical result is achieved in a method of forming a nanocrystal-containing dielectric layer, namely, that an initial dielectric film containing a material for forming nanocrystals is made on a substrate, laser processing of an initial dielectric film containing a material for forming nanocrystals is performed, causing aggregation of a material for forming nanocrystals in it and, accordingly, the formation of the latter, moreover, during laser processing using pulsed radiation with for pulse duration and energy density, providing a phase transition crystallization stimulated electron-hole plasma, with the absence of power transmission grating dielectric medium at an emission wavelength of ensuring the presence of absorption throughout the thickness of the starting film.
В способе в качестве подложки используют подложку кремния или стекла.In the method, a silicon or glass substrate is used as a substrate.
В способе в качестве исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, изготавливают пленку нитрида кремния с избытком кремния SiNx с х, равным от 0,5 до 1,3.In the method, as a starting dielectric film containing material for forming nanocrystals, a silicon nitride film with an excess of silicon SiN x with x equal to from 0.5 to 1.3 is made.
В способе толщину исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, выбирают равной от 20 до 600 нм.In the method, the thickness of the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is chosen equal to from 20 to 600 nm.
В способе проводят лазерную обработку исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, вызывающую в ней агрегацию материала для формирования нанокристаллов и соответственно формирование последних из кремния.In the method, laser processing of the initial dielectric film containing material for forming nanocrystals is carried out, causing aggregation of the material for forming nanocrystals in it and, accordingly, the formation of the latter from silicon.
В способе при лазерной обработке используют импульсное излучение с длительностью импульса фемтосекундного диапазона от 30 до 120 фемтосекунд.In the method for laser processing using pulsed radiation with a pulse duration of the femtosecond range from 30 to 120 femtoseconds.
В способе при лазерной обработке используют импульсное излучение с плотностью энергии от 20 до 110 мДж/см2.In the method for laser processing using pulsed radiation with an energy density of from 20 to 110 mJ / cm 2 .
В способе при лазерной обработке используют импульсное излучение при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине исходной пленки, от 390 до 800 нм.In the laser processing method, pulsed radiation is used at an average radiation wavelength that ensures absorption across the entire thickness of the original film, from 390 to 800 nm.
В способе при лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения от 50 до 98%.In the method during laser processing, scanning is carried out over the surface of the initial dielectric film containing material for forming nanocrystals, with a speed that ensures that the overlapping spot of incident radiation during processing is from 50 to 98%.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 представлена блок-схема установки лазерной обработки исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, где 1 - титан-сапфировый лазер; 2 - оптическая система для варьирования плотности энергии в импульсе излучения; 3 - обрабатываемый образец; 4 - подвижный столик для сканирования. На Фиг.2 приведен спектр комбинационного рассеивания света исходной, до проведения лазерной обработки, диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов - SiNx при x=0,5. На Фиг.3 приведен спектр комбинационного рассеивания света диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов - SiNx при х=0,5, подвергавшейся сканирующей лазерной обработке импульсным излучением с использованием титан-сапфирового лазера, с длительностью импульса 30 фемтосекунд при плотности энергии 93 мДж/см2. На Фиг.4 приведен спектр комбинационного рассеивания света диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов - SiNx при x=1, подвергавшейся сканирующей лазерной обработке импульсным излучением с использованием титан-сапфирового лазера, с длительностью импульса 30 фемтосекунд при плотности энергии 93 мДж/см2.The invention is illustrated by the following description and the accompanying drawings. Figure 1 presents the block diagram of the installation of laser processing of the original dielectric film containing material for the formation of nanocrystals, where 1 is a titanium-sapphire laser; 2 - an optical system for varying the energy density in a radiation pulse; 3 - processed sample; 4 - movable table for scanning. Figure 2 shows the spectrum of Raman scattering of the light of the original, before laser processing, dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals - SiN x at x = 0.5. Figure 3 shows the Raman spectrum of the light of a dielectric film containing a material for the formation of nanocrystals - SiN x at x = 0.5, subjected to scanning laser processing by pulsed radiation using a titanium-sapphire laser, with a pulse duration of 30 femtoseconds at an energy density of 93 mJ / cm 2 . Figure 4 shows the Raman spectrum of the light of a dielectric film containing a material for the formation of nanocrystals - SiN x at x = 1, subjected to scanning laser processing by pulsed radiation using a titanium-sapphire laser, with a pulse duration of 30 femtoseconds at an energy density of 93 mJ / cm 2 .
Основным отличием предлагаемого способа от ближайшего аналога является устранение негативного влияния разогрева материала исходной диэлектрической пленки, возникающего по тем или иным причинам. Технический результат достигается тем, что в способе используется импульсное излучение со временем импульса, меньшим времени передачи энергии от электронной подсистемы к фононной подсистеме. Фазовый переход проистекает не по классической схеме, а стимулирован горячей плотной электрон-дырочной плазмой («плазменный отжиг»).The main difference of the proposed method from the closest analogue is the elimination of the negative effect of heating the material of the original dielectric film that occurs for one reason or another. The technical result is achieved by the fact that the method uses pulsed radiation with a pulse time shorter than the time of energy transfer from the electronic subsystem to the phonon subsystem. The phase transition does not occur according to the classical scheme, but is stimulated by a hot dense electron-hole plasma (“plasma annealing”).
Достижение технического результата обусловлено, во-первых, за счет использования малых времен воздействий на исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов. Длительность воздействия лазерным излучением выбирают из условия обеспечения наличия фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой, при котором отсутствует передача энергии решетке диэлектрика, что свойственно классическому фазовому переходу кристаллизации. В результате удается избежать явления разогрева. Исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов, обрабатывают лазерным импульсным излучением с импульсами малой длительности, в частности с импульсами фемтосекундного диапазона.The achievement of the technical result is due, firstly, due to the use of short exposure times on the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals. The duration of exposure to laser radiation is chosen from the condition of ensuring the presence of a crystallization phase transition stimulated by an electron-hole plasma, in which there is no energy transfer to the dielectric lattice, which is characteristic of the classical crystallization phase transition. As a result, the phenomenon of heating is avoided. The initial dielectric film containing material for the formation of nanocrystals is treated with laser pulsed radiation with pulses of short duration, in particular with pulses of the femtosecond range.
Во вторую очередь на достижение технического результата влияет выбор длины излучения лазера, который осуществляют с учетом толщины и материала исходной диэлектрической пленки таким образом, чтобы поглощение излучения имело место по всей толщине, хотя бы и с максимумом поглощения фотонов ближе к поверхности исходной пленки и с экспоненциальным спадом на границе раздела ее с подложкой. В качестве исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, изготавливают, в частности, обогащенный кремнием диэлектрический слой, содержащий нитрид кремния SiNx с составом x, равным от 0,5 до 1,3. Также в зависимости от предназначения приборной структуры, изготавливаемой с применением предлагаемого способа, может быть использована окись кремния, или оксинитрид кремния с тем или иным содержанием избыточного кремния, или другие пары материалов в отношении диэлектрика пленки и формируемых в нем нанокристаллов. Для толщин исходных диэлектрических пленок до 1000 нм при указанном составе наличие требуемого поглощения обеспечивается при средних длинах волн импульсного излучения от 390 до 800 нм. По расчетным данным, с учетом роста поглощения в пленках SiNx с уменьшением длины волны излучения, можно использовать импульсное излучение со средней длиной волны до 390 нм при обработке исходных пленок с толщиной до 20 нм. В случаях использования другой пары материалов количественный интервал длин волн импульсного излучения в зависимости от толщины пленки будет отличаться от указанного.Secondly, the achievement of the technical result is affected by the choice of the laser radiation length, which is carried out taking into account the thickness and material of the initial dielectric film in such a way that the absorption of radiation takes place over the entire thickness, even with a maximum absorption of photons closer to the surface of the initial film and with exponential recession at the interface between it and the substrate. As a starting dielectric film containing a material for forming nanocrystals, a silicon-rich dielectric layer comprising silicon nitride SiN x with a composition x equal to from 0.5 to 1.3 is made, in particular. Also, depending on the purpose of the instrument structure manufactured using the proposed method, silicon oxide or silicon oxynitride with one or another excess silicon content, or other pairs of materials with respect to the dielectric of the film and the nanocrystals formed in it, can be used. For the thicknesses of the initial dielectric films up to 1000 nm with the indicated composition, the required absorption is ensured at average wavelengths of pulsed radiation from 390 to 800 nm. According to the calculated data, taking into account the increase in absorption in SiN x films with a decrease in the radiation wavelength, one can use pulsed radiation with an average wavelength of up to 390 nm when processing the initial films with a thickness of up to 20 nm. In cases where another pair of materials is used, the quantitative range of wavelengths of pulsed radiation, depending on the film thickness, will differ from the indicated one.
При использовании для лазерной обработки исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, титан-сапфирового лазера со средней длиной волны излучения, например 800 нм - при генерации первой гармоники или 400 нм - при генерации второй гармоники, длительность импульсов излучения выбирают, например, от 30 до 120 фемтосекунд. Для данного конкретного лазера указанная длительность импульсов излучения обеспечивает отсутствие передачи энергии решетке диэлектрической матрицы и реализацию стимулированного электрон-дырочной плазмой фазового перехода кристаллизации, а указанные средние длины волн - требуемое поглощение их в исходной пленке SiNx в зависимости от ее толщины при фиксированном х. Минимальная толщина пленок для данного частного случая составляет 20 нм, максимальная - 600 нм. В случае использования другого лазера или пары материалов, диэлектрика и материала для формирования нанокристаллов, или других и первого, и второго количественный интервал длительности импульсов будет отличаться от указанного, но он также должен удовлетворять условию отсутствия передачи энергии решетке диэлектрической матрицы и реализации стимулированного электрон-дырочной плазмой фазового перехода кристаллизации.When used for laser processing of the initial dielectric film containing material for the formation of nanocrystals, a titanium-sapphire laser with an average radiation wavelength, for example, 800 nm, when generating the first harmonic, or 400 nm, when generating the second harmonic, select the duration of the radiation pulses, for example, from 30 to 120 femtoseconds. For this particular laser, the indicated radiation pulse duration ensures the absence of energy transfer to the dielectric matrix lattice and the implementation of the crystallization phase transition stimulated by the electron-hole plasma, and the indicated average wavelengths provide their required absorption in the initial SiN x film depending on its thickness at a fixed x. The minimum film thickness for this particular case is 20 nm, and the maximum is 600 nm. In the case of using another laser or a pair of materials, a dielectric and a material for the formation of nanocrystals, or others of both the first and second, the quantitative interval of the pulse duration will differ from the indicated one, but it must also satisfy the condition of the absence of energy transfer to the dielectric matrix lattice and the realization of a stimulated electron-hole plasma phase transition crystallization.
Плотность энергии излучения выбирают от 20 и до 110 мДж/см2. Указанные величины плотности энергии приведены для случая использования титан-сапфирового лазера с указанными средними длинами волны излучения и длительностями импульсов. Минимальное значение интервала соответствует величине плотности энергии излучения, при которой весь материал для формирования нанокристаллов, в частности избыточный кремний, трансформируется в нанокристаллы посредством кристаллизации с фазовым переходом, стимулированным электрон-дырочной плазмой. Максимальное значение интервала соответствует величине плотности энергии излучения, при превышении которой начинается инициация процессов разогрева и оплавление материала для формирования нанокристаллов, в частности избыточного кремния, с образованием, в конечном счете, нанокристаллов, характеризующимся классическим фазовым переходом кристаллизации. При превышении максимального значения интервала вследствие вышеописанных процессов происходит частичное испарение или абляция пленок. Конкретный количественный диапазон плотности энергии излучения может отличаться от указанного в случае использования другого, не сапфир-титанового лазера, с другой длительностью импульсов, однако также обеспечивающей наличие фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой с отсутствием передачи энергии решетке диэлектрика и, как следствие, отсутствием явления разогрева, а также в зависимости от используемой пары материалов, то есть диэлектрика и материала для формирования нанокристаллов. Основное требование к выбору той или иной величины плотности энергии излучения заключается в том, что она должна обеспечить кристаллизацию, стимулированную электрон-дырочной плазмой, отсутствие передачи энергии решетке диэлектрика и разогрева.The radiation energy density is selected from 20 to 110 mJ / cm 2 . The indicated values of the energy density are given for the case of using a titanium-sapphire laser with the indicated average radiation wavelengths and pulse durations. The minimum interval value corresponds to the radiation energy density at which all the material for the formation of nanocrystals, in particular excess silicon, is transformed into nanocrystals by crystallization with a phase transition stimulated by an electron-hole plasma. The maximum value of the interval corresponds to the energy density of radiation, above which the initiation of heating processes and the melting of the material to form nanocrystals, in particular excess silicon, begins, with the formation, ultimately, of nanocrystals, characterized by a classical crystallization phase transition. When exceeding the maximum value of the interval due to the above processes, partial evaporation or ablation of the films occurs. The specific quantitative range of the radiation energy density may differ from that indicated in the case of using a different non-sapphire-titanium laser with a different pulse duration, but also providing a crystallization phase transition stimulated by an electron-hole plasma with no energy transfer to the dielectric lattice and, as a result, the absence of a heating phenomenon, and also depending on the pair of materials used, that is, the dielectric and the material for the formation of nanocrystals. The main requirement for choosing one or another value of the radiation energy density is that it should provide crystallization stimulated by the electron-hole plasma, the absence of energy transfer to the dielectric lattice and heating.
Установка для проведения лазерной обработки исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, собрана, например, из титан-сапфирового лазера (1), оптической системы для варьирования плотности энергии в импульсе излучения (2), подаваемого на обрабатываемый образец (3), и подвижного столика для сканирования (4), на котором размещен обрабатываемый образец (3) (см. Фиг.1). Оптическая система для варьирования плотности энергии в импульсе излучения (2) предназначена также и для фокусировки излучения на обрабатываемый образец (3). Подвижный столик для сканирования (4) выполнен с возможностью перемещения со скоростью, необходимой для достижения перекрытия пятна падающего при обработках излучения от 50 до 98%.An apparatus for laser processing an initial dielectric film containing material for forming nanocrystals is assembled, for example, from a titanium-sapphire laser (1), an optical system for varying the energy density in a radiation pulse (2) supplied to the sample being processed (3), and movable table for scanning (4), on which the processed sample (3) is placed (see Figure 1). An optical system for varying the energy density in a radiation pulse (2) is also intended for focusing radiation on the processed sample (3). The movable table for scanning (4) is made with the possibility of moving at the speed necessary to achieve overlap of the spot of the incident radiation during processing from 50 to 98%.
Сканирование необходимо при обработке всей площади образцов с исходной диэлектрической пленкой площадью, превышающей площадь размера пятна падающего излучения, для достижения ее равномерности. При помощи оптической системы для варьирования плотности энергии в импульсе излучения (2) падающее излучение на обрабатываемый образец фокусируют в пятно диаметром от 2 до 200 мкм. Поскольку равномерность засветки в пятне достигается на площади его центральной части и нарушается к периферии в соответствии с гауссианой, минимальное перекрытие при сканировании, обеспечивающее равномерность засветки и, следовательно, равномерность обработки по площади пленки, составляет 50%, а максимальное - 98%.Scanning is necessary when processing the entire area of the samples with the original dielectric film with an area exceeding the area of the spot size of the incident radiation in order to achieve its uniformity. Using an optical system to vary the energy density in the radiation pulse (2), the incident radiation is focused on the sample to be processed into a spot with a diameter of 2 to 200 μm. Since the uniformity of illumination in the spot is achieved on the area of its central part and is violated to the periphery in accordance with the Gaussian, the minimum overlap during scanning, which ensures uniformity of illumination and, therefore, uniformity of processing over the film area, is 50%, and the maximum is 98%.
Контроль изменения фазового состава при формировании нанокристаллов проводят посредством спектроскопии комбинационного рассеивания света (В.А.Володин «Комбинационное рассеивание света в массивах нанообъектов кремния и арсенида галлия», диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, г. Новосибирск: ИФП СО РАН, 1999 г.; Е.Bustarret, М.A.Hachicha, М.Brunel «Experimental determination of the nanocrystalline volume fraction in silicon thin films from Raman spectroscopy», APL, 1988, v.52, n.20, p.1676).The change in the phase composition during the formation of nanocrystals is controlled by Raman spectroscopy (V.A. Volodin, “Raman scattering of light in arrays of silicon and gallium arsenide nanoobjects”, dissertation for the degree of candidate of physical and mathematical sciences, Novosibirsk: IPP SB RAS , 1999; E. Bustarret, M. A. Hachicha, M. Brunel “Experimental determination of the nanocrystalline volume fraction in silicon thin films from Raman spectroscopy”, APL, 1988, v. 52, n.20, p. 1676 )
Изготовление образцов для лазерной обработки осуществляют, например, с использованием кремниевых подложек или из стекла, на которые наносят исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов, в частности нитрида кремния SiNx с составом x, равным от 0,5 до 1,3. Для нанесения используют метод плазмохимического осаждения. Температуру осаждения пленок варьируют от 100 до 380°С. Контроль состава осаждаемой исходной диэлектрической пленки проводят методом эллипсометрии. Параметр х, характеризующий состав, определяют из коэффициента поглощения излучения гелий-неонового лазера с длиной волны 632,8 нм. Обеспечение требуемого состава достигают путем изменения соотношения кремнийсодержащего и азотсодержащего газообразных компонентов в процессе осаждения. В качестве исходных диэлектрических пленок, содержащих материал для формирования нанокристаллов, могут быть использованы пленки, осаждаемые так, как описано в указанном ближайшем техническом решении.The preparation of samples for laser processing is carried out, for example, using silicon substrates or glass, onto which an initial dielectric film is applied containing a material for forming nanocrystals, in particular silicon nitride SiN x with a composition x equal to from 0.5 to 1.3. For application using the method of plasma chemical deposition. The deposition temperature of the films range from 100 to 380 ° C. The composition of the deposited source dielectric film is controlled by ellipsometry. The parameter x characterizing the composition is determined from the absorption coefficient of the radiation of a helium-neon laser with a wavelength of 632.8 nm. Providing the desired composition is achieved by changing the ratio of silicon-containing and nitrogen-containing gaseous components in the deposition process. As the initial dielectric films containing material for the formation of nanocrystals can be used films deposited as described in the specified technical solution.
Для контроля изменения фазового состава при формировании нанокристаллов в результате лазерной обработки измеряют спектры комбинационного рассеивания (см. Фиг.2 - Фиг.4).To control changes in the phase composition during the formation of nanocrystals as a result of laser processing, Raman spectra are measured (see FIG. 2 - FIG. 4).
Исходные диэлектрические пленки, содержащие материал для формирования нанокристаллов, в частности нитрида кремния, обогащенного кремнием, SiNx с составом x, равным 0,5, характеризуются спектром с широким пиком, имеющим максимум в области 475÷480 см-1, обусловленным рассеянием на оптических колебаниях связей кремний-кремний в кластерах аморфного кремния (см. Фиг.2). Приведенный спектр показывает, что избыточный кремний собран в кластеры аморфного кремния в соответствии с моделью случайных фаз (В.А.Гриценко «Атомная структура аморфных нестехометрических оксидов и нитридов кремния», УФН, 2008 г., т.178, №7, стр.727).The initial dielectric films containing material for the formation of nanocrystals, in particular silicon enriched silicon, silicon-enriched SiN x with a composition x equal to 0.5, are characterized by a wide-peak spectrum with a maximum in the range 475–480 cm –1 due to scattering by optical vibrations of the silicon-silicon bonds in amorphous silicon clusters (see Figure 2). The presented spectrum shows that excess silicon is assembled into amorphous silicon clusters in accordance with the random phase model (V. A. Gritsenko “Atomic structure of amorphous non-stoichiometric silicon oxides and nitrides”, UFN, 2008, v. 178, No. 7, p. 727).
Лазерная обработка импульсным излучением, например, с использованием титан-сапфирового лазера, с длительностью импульса 30 фемтосекунд при плотности энергии 93 мДж/см2 той же самой пленки приводит к изменению фазового состава кластеров кремния, о чем свидетельствует трансформация спектра комбинационного рассеивания (см. Фиг.3). На спектре видны два пика: слабый «аморфный» пик, широкий и имеющий максимум в области 475÷480 см-1, и более сильно выраженный «нанокристаллический» пик, узкий и смещенный к значению 520 см-1, что свидетельствует о полноте трансформации избыточного кремния в нанокристаллическую фазу. Спектры комбинационного рассеивания, измеренные на монокристаллическом кремнии, показывают наличие пика с расположением на указанной величине. Однако положение пика в спектрах комбинационного рассеивания, обуславливаемого наличием нанокристаллов кремния, зависит не только от размеров последних, но также от величин внутренних механических напряжений, в связи с этим точная оценка их размеров затруднена. Можно лишь утверждать, что размеры нанокристаллов в диаметре менее 10 нм.Laser treatment by pulsed radiation, for example, using a titanium-sapphire laser, with a pulse duration of 30 femtoseconds at an energy density of 93 mJ / cm 2 of the same film leads to a change in the phase composition of silicon clusters, as evidenced by the transformation of the Raman spectrum (see Fig. .3). Two peaks are visible in the spectrum: a weak “amorphous” peak, wide and having a maximum in the region of 475–480 cm –1 , and a more pronounced “nanocrystalline” peak, narrow and shifted to a value of 520 cm –1 , which indicates the complete transformation of the excess silicon into the nanocrystalline phase. Raman spectra measured on monocrystalline silicon show the presence of a peak located at a specified value. However, the position of the peak in the Raman spectra, determined by the presence of silicon nanocrystals, depends not only on the sizes of the latter, but also on the values of internal mechanical stresses; in this connection, an accurate estimation of their sizes is difficult. It can only be argued that the sizes of nanocrystals in diameter are less than 10 nm.
При изменении состава x в SiNx, уменьшении содержания избыточного кремния и достижения, например, х=1, после проведения лазерных обработок при тех же условиях, то есть использовании титан-сапфирового лазера, длительности импульса 30 фемтосекунд и плотности энергии 93 мДж/см2, в спектре комбинационного рассеивания также присутствуют «аморфный» и «нанокристаллический» пики (см. Фиг.4), однако из анализа спектра видно, что доля нанокристаллической фазы составляет около 10%. Поскольку вклад аморфизированной границы кластера кремния в спектр комбинационного рассеивания более существен для мелких кластеров, и существенность вклада подтверждает характер спектра, с широким пиком, имеющим максимум в области 475÷480 см-1, обусловленным рассеиванием на оптических колебаниях связей кремний-кремний в кластерах аморфного кремния, аналогичный спектру исходных диэлектрических пленок (см. Фиг.2), то, по-видимому, в случае меньшего количества избыточного кремния формируются более мелкие нанокристаллы, чем в предыдущем случае.When changing the composition of x in SiN x , reducing the content of excess silicon and achieving, for example, x = 1, after laser treatments under the same conditions, that is, using a titanium-sapphire laser, a pulse duration of 30 femtoseconds and an energy density of 93 mJ / cm 2 , in the Raman spectrum there are also "amorphous" and "nanocrystalline" peaks (see Figure 4), however, from the analysis of the spectrum it is seen that the fraction of the nanocrystalline phase is about 10%. Since the contribution of the amorphized silicon cluster boundary to the Raman spectrum is more significant for small clusters, and the significance of the contribution confirms the nature of the spectrum, with a broad peak having a maximum in the range 475–480 cm –1 due to scattering of silicon – silicon bonds in amorphous clusters by optical vibrations silicon, similar to the spectrum of the initial dielectric films (see Figure 2), then, apparently, in the case of a smaller amount of excess silicon, smaller nanocrystals are formed than in the previous layer tea.
Таким образом, по желанию, варьируя в исходной диэлектрической пленке содержание материала для формирования нанокристаллов, в частности избыточного кремния, при фиксированных параметрах лазерной обработки можно управлять размерами формируемых нанокластеров.Thus, if desired, by varying the content of the material for the formation of nanocrystals in the initial dielectric film, in particular, excess silicon, for fixed parameters of laser processing, the sizes of the formed nanoclusters can be controlled.
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением технического результата, приводим нижеследующие примеры.As information confirming the possibility of implementing the method with the achievement of a technical result, we give the following examples.
Пример 1.Example 1
На подложке изготавливают исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов. В качестве подложки используют подложку кремния. В качестве исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, изготавливают пленку нитрида кремния с избытком кремния SiNx с x, равным 0,5. Толщину исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, выбирают равной 90 нм.An initial dielectric film containing material for forming nanocrystals is made on a substrate. As the substrate, a silicon substrate is used. As an initial dielectric film containing material for forming nanocrystals, a silicon nitride film with an excess of silicon SiN x with x equal to 0.5 is made. The thickness of the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is chosen equal to 90 nm.
Проводят лазерную обработку исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, вызывающую в ней агрегацию материала для формирования нанокристаллов и соответственно формирование последних из кремния.Laser processing of the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is carried out, causing aggregation of the material for the formation of nanocrystals in it and, accordingly, the formation of the latter from silicon.
При лазерной обработке используют импульсное излучение с длительностью импульса и плотностью энергии, обеспечивающими наличие фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой, с отсутствием передачи энергии решетке диэлектрика, при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине исходной пленки, а именно: импульсное излучение с длительностью импульса фемтосекундного диапазона - 30 фемтосекунд, с плотностью энергии от 93 мДж/см2, при средней длине волны излучения 800 нм.During laser processing, pulsed radiation with a pulse duration and energy density is used, which ensures the presence of a crystallization phase transition stimulated by an electron-hole plasma, with the absence of energy transfer to the dielectric lattice, at an average radiation wavelength that ensures the absorption over the entire thickness of the initial film, namely: pulsed radiation with a pulse duration of the femtosecond range of 30 femtoseconds, with an energy density of 93 mJ / cm 2 , with an average radiation wavelength of 800 nm.
При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 50%.When laser processing is performed, scanning is performed on the surface of the initial dielectric film containing material for the formation of nanocrystals, with a speed that ensures that the overlapping spot of the incident radiation during processing is 50%.
Пример 2.Example 2
На подложке изготавливают исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов. В качестве подложки используют подложку стекла. В качестве исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, изготавливают пленку нитрида кремния с избытком кремния SiNx с x, равным 0,5. Толщину исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, выбирают равной 90 нм.An initial dielectric film containing material for forming nanocrystals is made on a substrate. As the substrate, a glass substrate is used. As an initial dielectric film containing a material for forming nanocrystals, a silicon nitride film with an excess of silicon SiN x with x equal to 0.5 is made. The thickness of the original dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is chosen equal to 90 nm.
Проводят лазерную обработку исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, вызывающую в ней агрегацию материала для формирования нанокристаллов и соответственно формирование последних из кремния.Laser processing of the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is carried out, causing aggregation of the material for the formation of nanocrystals in it and, accordingly, the formation of the latter from silicon.
При лазерной обработке используют импульсное излучение с длительностью импульса и плотностью энергии, обеспечивающими наличие фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой, с отсутствием передачи энергии решетке диэлектрика, при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине исходной пленки, а именно: импульсное излучение с длительностью импульса фемтосекундного диапазона - 30 фемтосекунд, с плотностью энергии от 93 мДж/см2, при средней длине волны излучения 800 нм.During laser processing, pulsed radiation with a pulse duration and energy density is used, which ensures the presence of a crystallization phase transition stimulated by an electron-hole plasma, with the absence of energy transfer to the dielectric lattice, at an average radiation wavelength that ensures the absorption over the entire thickness of the initial film, namely: pulsed radiation with a pulse duration of the femtosecond range of 30 femtoseconds, with an energy density of 93 mJ / cm 2 , with an average radiation wavelength of 800 nm.
При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 50%.When laser processing is performed, scanning is performed on the surface of the initial dielectric film containing material for the formation of nanocrystals, with a speed that ensures that the overlapping spot of the incident radiation during processing is 50%.
Пример 3.Example 3
На подложке изготавливают исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов. В качестве подложки используют подложку кремния. В качестве исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, изготавливают пленку нитрида кремния с избытком кремния SiNx с x, равным 1,0. Толщину исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, выбирают равной 90 нм.An initial dielectric film containing material for forming nanocrystals is made on a substrate. As the substrate, a silicon substrate is used. As an initial dielectric film containing material for forming nanocrystals, a silicon nitride film with an excess of silicon SiN x with x equal to 1.0 is made. The thickness of the original dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is chosen equal to 90 nm.
Проводят лазерную обработку исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, вызывающую в ней агрегацию материала для формирования нанокристаллов и соответственно формирование последних из кремния.Laser processing of the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is carried out, causing aggregation of the material for the formation of nanocrystals in it and, accordingly, the formation of the latter from silicon.
При лазерной обработке используют импульсное излучение с длительностью импульса и плотностью энергии, обеспечивающими наличие фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой, с отсутствием передачи энергии решетке диэлектрика, при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине исходной пленки, а именно: импульсное излучение с длительностью импульса фемтосекундного диапазона - 30 фемтосекунд, с плотностью энергии от 93 мДж/см2, при средней длине волны излучения 800 нм.During laser processing, pulsed radiation with a pulse duration and energy density is used, which ensures the presence of a crystallization phase transition stimulated by an electron-hole plasma, with the absence of energy transfer to the dielectric lattice, at an average radiation wavelength that ensures the absorption over the entire thickness of the initial film, namely: pulsed radiation with a pulse duration of the femtosecond range of 30 femtoseconds, with an energy density of 93 mJ / cm 2 , with an average radiation wavelength of 800 nm.
При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 98%.When laser processing is performed, scanning is performed on the surface of the initial dielectric film containing material for the formation of nanocrystals, with a speed that ensures 98% of the overlapping spot of the incident radiation during processing.
Пример 4.Example 4
На подложке изготавливают исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов. В качестве подложки используют подложку стекла. В качестве исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, изготавливают пленку нитрида кремния с избытком кремния SiNx с x, равным 0,5. Толщину исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, выбирают равной 600 нм.An initial dielectric film containing material for forming nanocrystals is made on a substrate. As the substrate, a glass substrate is used. As an initial dielectric film containing a material for forming nanocrystals, a silicon nitride film with an excess of silicon SiN x with x equal to 0.5 is made. The thickness of the original dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is chosen equal to 600 nm.
Проводят лазерную обработку исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, вызывающую в ней агрегацию материала для формирования нанокристаллов и соответственно формирование последних из кремния.Laser processing of the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is carried out, causing aggregation of the material for the formation of nanocrystals in it and, accordingly, the formation of the latter from silicon.
При лазерной обработке используют импульсное излучение с длительностью импульса и плотностью энергии, обеспечивающими наличие фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой, с отсутствием передачи энергии решетке диэлектрика, при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине исходной пленки, а именно: импульсное излучение с длительностью импульса фемтосекундного диапазона - 120 фемтосекунд, с плотностью энергии от 93 мДж/см2, при средней длине волны излучения 800 нм.During laser processing, pulsed radiation with a pulse duration and energy density is used, which ensures the presence of a crystallization phase transition stimulated by an electron-hole plasma, with the absence of energy transfer to the dielectric lattice, at an average radiation wavelength that ensures the absorption over the entire thickness of the initial film, namely: pulsed radiation with a pulse duration of the femtosecond range of 120 femtoseconds, with an energy density of 93 mJ / cm 2 , with an average radiation wavelength of 800 nm.
При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 70%.When laser processing is performed, scanning is performed on the surface of the initial dielectric film containing material for the formation of nanocrystals, with a speed that ensures that the overlapping spot of the incident radiation during processing is 70%.
Пример 5.Example 5
На подложке изготавливают исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов. В качестве подложки используют подложку стекла. В качестве исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, изготавливают пленку нитрида кремния с избытком кремния SiNx с x, равным 1,0. Толщину исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, выбирают равной 500 нм.An initial dielectric film containing material for forming nanocrystals is made on a substrate. As the substrate, a glass substrate is used. As an initial dielectric film containing material for forming nanocrystals, a silicon nitride film with an excess of silicon SiN x with x equal to 1.0 is made. The thickness of the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is chosen equal to 500 nm.
Проводят лазерную обработку исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, вызывающую в ней агрегацию материала для формирования нанокристаллов и соответственно формирование последних из кремния.Laser processing of the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is carried out, causing aggregation of the material for the formation of nanocrystals in it and, accordingly, the formation of the latter from silicon.
При лазерной обработке используют импульсное излучение с длительностью импульса и плотностью энергии, обеспечивающими наличие фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой, с отсутствием передачи энергии решетке диэлектрика, при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине исходной пленки, а именно: импульсное излучение с длительностью импульса фемтосекундного диапазона - 30 фемтосекунд, с плотностью энергии от 50 мДж/см2, при средней длине волны излучения 800 нм.During laser processing, pulsed radiation with a pulse duration and energy density is used, which ensures the presence of a crystallization phase transition stimulated by an electron-hole plasma, with the absence of energy transfer to the dielectric lattice, at an average radiation wavelength that ensures the absorption over the entire thickness of the initial film, namely: pulsed radiation with a pulse duration of the femtosecond range of 30 femtoseconds, with an energy density of 50 mJ / cm 2 , with an average radiation wavelength of 800 nm.
При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 98%.When laser processing is performed, scanning is performed on the surface of the initial dielectric film containing material for the formation of nanocrystals, with a speed that ensures 98% of the overlapping spot of the incident radiation during processing.
Пример 6.Example 6
На подложке изготавливают исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов. В качестве подложки используют подложку стекла. В качестве исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, изготавливают пленку нитрида кремния с избытком кремния SiNx с x, равным 1,3. Толщину исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, выбирают равной 600 нм.An initial dielectric film containing material for forming nanocrystals is made on a substrate. As the substrate, a glass substrate is used. As an initial dielectric film containing material for forming nanocrystals, a silicon nitride film with an excess of silicon SiN x with x equal to 1.3 is made. The thickness of the original dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is chosen equal to 600 nm.
Проводят лазерную обработку исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, вызывающую в ней агрегацию материала для формирования нанокристаллов и соответственно формирование последних из кремния.Laser processing of the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is carried out, causing aggregation of the material for the formation of nanocrystals in it and, accordingly, the formation of the latter from silicon.
При лазерной обработке используют импульсное излучение с длительностью импульса и плотностью энергии, обеспечивающими наличие фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой, с отсутствием передачи энергии решетке диэлектрика, при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине исходной пленки, а именно: импульсное излучение с длительностью импульса фемтосекундного диапазона - 30 фемтосекунд, с плотностью энергии от 110 мДж/см2, при средней длине волны излучения 800 нм.During laser processing, pulsed radiation with a pulse duration and energy density is used, which ensures the presence of a crystallization phase transition stimulated by an electron-hole plasma, with the absence of energy transfer to the dielectric lattice, at an average radiation wavelength that ensures the absorption over the entire thickness of the initial film, namely: pulsed radiation with a pulse duration of the femtosecond range of 30 femtoseconds, with an energy density of 110 mJ / cm 2 , with an average radiation wavelength of 800 nm.
При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 98%.When laser processing is performed, scanning is performed on the surface of the initial dielectric film containing material for the formation of nanocrystals, with a speed that ensures 98% of the overlapping spot of the incident radiation during processing.
Пример 7.Example 7
На подложке изготавливают исходную диэлектрическую пленку, содержащую материал для формирования нанокристаллов. В качестве подложки используют подложку стекла. В качестве исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, изготавливают пленку нитрида кремния с избытком кремния SiNx с x, равным 0,5. Толщину исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, выбирают равной 20 нм.An initial dielectric film containing material for forming nanocrystals is made on a substrate. As the substrate, a glass substrate is used. As an initial dielectric film containing a material for forming nanocrystals, a silicon nitride film with an excess of silicon SiN x with x equal to 0.5 is made. The thickness of the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is chosen equal to 20 nm.
Проводят лазерную обработку исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, вызывающую в ней агрегацию материала для формирования нанокристаллов и соответственно формирование последних из кремния.Laser processing of the initial dielectric film containing the material for the formation of nanocrystals is carried out, causing aggregation of the material for the formation of nanocrystals in it and, accordingly, the formation of the latter from silicon.
При лазерной обработке используют импульсное излучение с длительностью импульса и плотностью энергии, обеспечивающими наличие фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой, с отсутствием передачи энергии решетке диэлектрика, при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине исходной пленки, а именно: импульсное излучение с длительностью импульса фемтосекундного диапазона - 30 фемтосекунд, с плотностью энергии от 20 мДж/см2, при средней длине волны излучения 390 нм.During laser processing, pulsed radiation with a pulse duration and energy density is used, which ensures the presence of a crystallization phase transition stimulated by an electron-hole plasma, with the absence of energy transfer to the dielectric lattice, at an average radiation wavelength that ensures the absorption over the entire thickness of the initial film, namely: pulsed radiation with a pulse duration of the femtosecond range of 30 femtoseconds, with an energy density of 20 mJ / cm 2 , with an average radiation wavelength of 390 nm.
При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности исходной диэлектрической пленки, содержащей материал для формирования нанокристаллов, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 92%.When laser processing is performed, scanning is performed on the surface of the initial dielectric film containing material for the formation of nanocrystals, with a speed that ensures that the overlap of the spot of the incident radiation during processing is 92%.
Одним из положительных эффектов предлагаемого технического решения является то, что применение указанных малых времен воздействия лазерного излучения, при соответствующей плотности энергии излучения, инициирующего кристаллизацию, позволяет расширить ассортимент подложек и исходных диэлектрических пленок, используемых для изготовления приборных структур. Так, способ позволяет использовать нетугоплавкие подложки (с температурой размягчения до 300°С), а в качестве исходных диэлектрических пленок использовать пленки, полученные низкотемпературной технологией осаждения, в частности, методом плазмохимического осаждения при температуре до 100°С.One of the positive effects of the proposed technical solution is that the use of the indicated short times of exposure to laser radiation, with an appropriate radiation energy density that initiates crystallization, allows you to expand the range of substrates and initial dielectric films used for the manufacture of instrument structures. Thus, the method allows the use of non-refractory substrates (with a softening temperature of up to 300 ° C), and films obtained by low-temperature deposition technology, in particular, by plasma-chemical deposition at temperatures up to 100 ° C, can be used as initial dielectric films.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009104889/28A RU2391742C1 (en) | 2009-02-12 | 2009-02-12 | Method of making dielectric layer containing nanocrystals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009104889/28A RU2391742C1 (en) | 2009-02-12 | 2009-02-12 | Method of making dielectric layer containing nanocrystals |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2391742C1 true RU2391742C1 (en) | 2010-06-10 |
Family
ID=42681682
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009104889/28A RU2391742C1 (en) | 2009-02-12 | 2009-02-12 | Method of making dielectric layer containing nanocrystals |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2391742C1 (en) |
-
2009
- 2009-02-12 RU RU2009104889/28A patent/RU2391742C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rebollar et al. | Ultraviolet and infrared femtosecond laser induced periodic surface structures on thin polymer films | |
| EA017676B1 (en) | Method for thin layer deposition | |
| TW200532808A (en) | Silicon layer for uniformizing temperature during photo-annealing | |
| Morintale et al. | Thin films development by pulsed laser-assisted deposition | |
| Emelyanov et al. | Effect of the femtosecond laser treatment of hydrogenated amorphous silicon films on their structural, optical, and photoelectric properties | |
| Korkut et al. | Laser crystallization of amorphous Ge thin films via a nanosecond pulsed infrared laser | |
| Korchagina et al. | Crystallization of amorphous Si nanoclusters in SiO x films using femtosecond laser pulse annealings | |
| RU2391742C1 (en) | Method of making dielectric layer containing nanocrystals | |
| Rapp et al. | Selective femtosecond laser structuring of dielectric thin films with different band gaps: a time-resolved study of ablation mechanisms | |
| Hosokawa et al. | Dynamics and mechanism of discrete etching of organic materials by femtosecond laser excitation | |
| RU2431215C1 (en) | Method of obtaining layer of polycrystalline silicon | |
| Volodin et al. | Femtosecond pulse crystallization of thin amorphous hydrogenated films on glass substrates using near ultraviolet laser radiation | |
| Volodin | Optical properties of Si nanocrystals formed with laser pulse annealing | |
| RU2708935C1 (en) | Laser method of changing structure of transparent materials with forbidden zone | |
| Khenkin et al. | Effect of hydrogen concentration on structure and photoelectric properties of a-Si: H films modified by femtosecond laser pulses | |
| Volodin et al. | Phase transitions in a-Si: H films on a glass irradiated by high-power femtosecond pulses: Manifestation of nonlinear and nonthermal effects | |
| Vidhya Y et al. | Nanosecond Laser Treatment of a-Si Thin Films for Enhanced Light Trapping and Minority Carrier Lifetime in Photovoltaic Cells. | |
| Vidhya et al. | Influence of Laser Beam Profile on Nd^ sup 3+^: YAG Laser Assisted Formation of Polycrystalline-Si Films in Underwater Conditions | |
| Vidhya et al. | Enhanced electrical characteristics of a-Si thin films by hydrogen passivation with Nd 3+: YAG laser treatment in underwater for photovoltaic applications | |
| RU2619446C1 (en) | Method for production of re-emitting textured thin films based on amorphous hydrogenated silicon with silicon nanocrystals | |
| JP4158926B2 (en) | Method for producing β-FeSi2 using laser annealing | |
| Thajeel et al. | Laser annealing of gold thin films as a platform for plasmonic sensing applications | |
| Korchagina et al. | Formation and crystallization of silicon nanoclusters in SiN x: H films using femtosecond pulsed laser annealings | |
| Vidhya et al. | Enhancement in Photoconductivity of a-Si thin Films by Annealing and Texturing Technique with the Third Harmonic Output from a Pulsed Nd3+: YAG Laser | |
| Chen et al. | Large optical nonlinearity of Au nanoparticle-dispersed Ba0. 6Sr0. 4TiO3 films prepared by pulsed laser deposition |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170213 |