Фотонно-стимулированные технологические процессы микро- и нанотехнологии - страница 8

Термин «взрывная» или импульсная кристаллизация относится к быстрой и самоподдерживающей кристаллизации всего аморфного слоя после ее инициирования хотя бы в одной точке этого слоя. Скорость такой кристаллизации довольно высока и составляет около 1 м/с. Причем кристаллизация происходит на расстоянии до нескольких сантиметров. Считается, что ее самоподдерживание осуществляется за счет выделения избыточной теплоты кристаллизации на движущейся границе раздела фаз [22].

При сканировании лазерного луча по поверхности аморфного слоя «взрывная» кристаллизация приводит к появлению характерной структуры поверхности, что объясняют следующим образом: при взаимодействии лазерного луча с образцом, в начале полосы сканирования, аморфный слой получает достаточную энергию для инициирования кристаллизации. Выделенная теплота вместе с теплотой, передаваемой за счет теплопроводности, вызывает кристаллизацию прилегающих аморфных областей и рост зерен вдоль направления радиального теплового потока. Фронт кристаллизации обгоняет сканирующий лазерный луч и продвигается до тех пор, пока температура на поверхности раздела не станет меньше температуры, вызывающей переход из аморфного состояния в кристаллическое. Когда лазерный луч вновь попадает на аморфный материал, процесс кристаллизации снова начинается, что приводит к появлению характерной поверхностной структуры. Фронт кристаллизации может распространяться и по всему слою после однократного лазерного воздействия, однако для этого необходимо дополнительно нагревать образец. Теоретическое исследование этого процесса под действием импульсного нагрева показало, что вероятность «взрывной» кристаллизации увеличивается с ростом начальной температуры образца, скрытой теплоты кристаллизации и доли лазерного излучения, поглощаемого в аморфном слое. Однако полученные результаты по кристаллизации аморфного кремния, нанесенного на монокристаллическую подложку и на аморфную из плавленого кварца, показали, что «взрывная» кристаллизация может носить и твердофазный характер.

Для проведения жидкофазной «взрывной» кристаллизации на кремнии необходимо за 10^>-3 с нагреть весь образец до 1200 К и инициировать кристаллизацию кратковременным (~10^>-6 с) локальным нагревом до температуры кристаллизации. Эти условия могут быть обеспечены импульсом неодимового лазера с энергией 48 Дж·см^>-2 и длительностью 1,3 мс. Это позволит достичь температуры 1200 К, при которой начнется кристаллизация [26, 27].

Для лазерной рекристаллизации кремниевых слоев на аморфных диэлектрических подложках используют импульсное и непрерывное лазерное излучение. Причем рекристаллизация во всех случаях связана с плавлением слоя кремния на всю толщину. Для этого лазерный луч фокусируется в пятно малого диаметра на поверхности подложки, затем для обработки больших площадей производится сканирование либо подложкой, либо самим лучом относительно подложки.

Важным фактором являются процессы дефектообразования, сопутствующие процессу роста кристалла. Для подавления распространения дислокаций в процессе роста скорость кристаллизации должна быть выше скорости переползания дислокаций, которая зависит от концентрации точечных дефектов, коэффициента диффузии точечных дефектов и вектора Бюргерса для данного типа дислокаций.