Applications du traitement des interférences laser

Cette section explique brièvement les diverses applications importantes du traitement des interférences laser.

Cristallisation et structuration des films semi-conducteurs

Récemment, le traitement des interférences laser attire des intérêts croissants dans l'industrie semi-conductrice. Les applications qui ont reçu des attentions importantes comprennent la cristallisation induite par le laser et la structuration des semi-conducteurs amorphes et nano-cristallins. Ces applications sont brièvement discutées dans les sections suivantes.

Lorsque deux poutres ou plus peuvent interférer à la surface du film amorphe, la modulation de l'intensité peut induire les modèles de cristallisation périodiques avec des lignes amorphes et polycristallines alternées (interférence à deux faisceaux) ou des points (interférence à trois ou à quatre faisceaux) . La cristallisation induite par le laser implique des processus de fusion et de solidification ultra-rapides loin de l'équilibre thermique (Mulato et al. 2002). La cristallisation induite par le laser des semi-conducteurs amorphes est particulièrement intéressante car elle permet la fabrication de films à grande surface pour des applications dans des affichages en panneau plat et des cellules solaires. Les applications des modèles d'interférence pour la production de structures microcristallines périodiques ont d'abord été démontrées pour les films de silicium amorphe sans hydrogène à l'aide d'un laser de colorant pulsé (Heintze et al. 1994). La figure 11.6 présente les structures cristallines périodiques en forme de ligne et en forme de point produites par une cristallisation d'interférence du silicium amorphe suivi d'une gravure sélective du plasma. Comme indiqué sur la figure 11.6a, la modulation de l'intensité sinusoïdale dans l'interférence à deux faisceaux entraîne le réseau de lignes de bandes d'onde carrée de 400 nm de large séparées par des tranchées de 340 nm de large. La netteté de l'interface entre le microcristallin

Fig. 11.6 (a) Réparations de ligne cristalline et réductions (b) DOT produites par la cristallisation d'interférence laser et la gravure sélective du plasma.

(Réimprimé de Heintze et al. 1994. avec permission. Copyright American Institute of Physics.)

Et la région amorphe résulte du seuil bien défini de la cristallisation laser du silicium amorphe (95 mJ / cm2). Les réseaux de points bidimensionnels périodiques peuvent être produits par l'interférence de quatre faisceaux de telle sorte que chaque point cristallin représente le point de croisement de deux réseaux de ligne perpendiculaire superposés (Fig. 11.6b). Il est nécessaire de sélectionner l'intensité des faisceaux de telle sorte que la cristallisation ne soit induite qu'aux maxima d'interférence aux points de croisement de deux réseaux perpendiculaires. Des points microcristallins avec un diamètre moyen de 700 nm et une épaisseur de 200 nm ont été produits en utilisant une combinaison d'interférence laser et de gravure sélective du plasma.

Des études de cristallisation d'interférence laser similaires ont été menées sur les films de germanium amorphes (Mulato et al. 1997; Mulato et al. 1998). La figure 11.7 présente le motif de points du germanium cristallisé avec une symétrie de réseau hexagonal obtenue par interférence laser à trois faisceaux. La cristallinité des points peut être confirmée en utilisant la spectroscopie micro-rame résolue spatialement. La figure 11.8 présente la variation spatiale (résolution latérale de 0,7UM) des composantes cristallines (300 cm - 1) et amorphes (~ 270 cm - 1) du spectre Raman à travers le point cristallisé laser. La figure indique la contribution cristalline la plus élevée au centre du point et la contribution amorphe la plus élevée entre les points (Mulato et al. 1997).

Les films amorphes en silicium et en germanium cultivés par PECVD (dépôt de vapeur chimique amélioré en plasma) contiennent généralement plus de 10 AT. % Hydroen. Lorsque de tels films sont soumis à une cristallisation d'interférence laser, l'épanchement explosif de l'hydrogène a lieu conduisant à la perturbation de la surface du film ou à la formation de films autonomes. Récemment, la cristallisation d'interférence laser a été étudiée pour les alliages amorphes germanium-azote (A-Gen) sans hydrogène pour déterminer le rôle de l'azote pendant la transition de phase. La figure 11.9 présente le

Fig. 11.7 Crystallisation d'interférence laser du germanium amorphe montrant le réseau hexagonal du germanium cristallisépoints avec une période de

2,6 m obtenus avec une interférence à trois faisceaux. (Réimprimé de Mulato et al. 1997. avecautorisation. Copyright American Institute of Physics.)

Fig. 11.8 Variation spatiale des composants cristallins (~ 300 cm - 1) et amorphes (~ 270 cm - 1) du spectre Raman

à travers un point de germanium cristallisé au laser. (Réimprimé de Mulato et al. 1997. avec permission. Copyright American Institute of Physics.)

Fig. 11.9 Profils de surface AFM et verticaux du film de génération amorphe irradiée avec le modèle d'interférence à deux faisceaux montrant les lignées microcristallines et amorphes périodiques. (Réimprimé de Mulato et al. 2002. avec permission. Copyright American Institute of Physics.) Profil de surface et profil vertical (mesuré avec microscopie à force atomique) de la structure de cristallisation périodique obtenue avec deux faisceaux interférents à la surface de la génération A. La figure indique les lignes périodiques plus sombres correspondant à un germanium microcristallin et aux lignes claires correspondant à la génération amorphe non affectée. Les lignes microcristallines ont la période de 4 m et la largeur de 1 m. Ces structures d'interférence de surface avec des profils tridimensionnelles et différentes propriétés optiques correspondant aux régions microcristallines et amorphes obtenues peuvent être utilisées comme réductions de diffraction optique. Le profil vertical montre également que la partie cristallisée du film est d'environ 25 nm inférieure à la région amorphe en raison de l'épanchement d'azote similaire à celle de l'hydrogène dans le cas des films de silicium amorphe (a-si: h). Cela peut être confirmé par les techniques de caractérisation telles que la spectroscopie infrarouge et la spectroscopie Raman (Fig. 11.10). La figure 11.10a présente la bande d'absorption d'étirement GE - N infrarouge du film GEN avant et après l'interaction laser. La différence dans la résistance de la bande d'absorption indique que le nombre total de liaisons Ge - N a diminué après la cristallisation laser suggérant l'épanchement de l'azote pendant la cristallisation. Comme mentionné précédemment, les preuves de cristallisation dans les films Gen amorphes après un traitement d'interférence laser peuvent être obtenues par spectroscopie Raman (Fig. 11.10b). La figure indique clairement l'absence de composant cristallin correspondant à 300 cm - 1 dans le film amorphe de départ. Le pic apparaît dans l'échantillon cristallisé au laser qui peut être comparé à la référence germanium cristallin. La largeur du pic dans l'échantillon cristallisé au laser indique que l'interférence laser entraîne la formation de distribution de petites cristallites au lieu du film de germanium monocystallin (Mulato et al. 2002).

Pour de nombreuses applications électroniques à couches minces, il est important de comprendre le comportement de croissance des grains pendant la cristallisation d'interférence laser de l'amorphe ou

Fig. 11.10 (a) Bandes d'infrarouge GE - N à absorption d'étirement, et (b) spectres Raman des films de génération amorphe avant et

Après irradiation avec le modèle d'interférence laser. (Réimprimé de Mulato et al. 2002. avec permission. Copyright American Institute of Physics.)

Nano-cristallins minces. Ceci est particulièrement important où la microcristallisation facilitée par une croissance super latérale (SLG) est souhaitée. Comme mentionné précédemment, la cristallisation induite par le laser est associée à une fusion et une solidification ultra-rapides. Les grains se nucléent à l'interface solide-liquide et se développent vers les maxima d'interférence le long du gradient thermique. Les grains poussant de chaque côté des maxima d'interférence se rencontrent au centre des maxima et forment une limite de grains. La croissance des grains latéraux dans certaines conditions est limitée par la nucléation spontanée de grains plus petits au centre des maxima d'énergie. Dans ces conditions, les grains latéraux ne peuvent pas atteindre le centre des maxima d'interférence. Ceci est illustré à l'image AFM (Fig. 11.11) obtenue à partir de la surface du silicium amorphe cristallisé en utilisant un motif d'interférence symétrique à deux faisceaux (par la fréquence doublée au laser ND: YAG avec une longueur d'onde de 532 nm). La cristallisation asymétrique d'interférence laser, où les intensités de deux faisceaux laser sont différentes, peuvent également être utilisées pour ajuster et optimiser les profils de température transitoires et donc le comportement de croissance des grains (Rezek et al. 2000).

Des études similaires sur le comportement latéral de croissance des grains pendant l'interférence laser sur la cristallisation des films de sige amorphe ou nanocristallins, déposés sur les substrats de quartz, ont été menées (Eisele et al. 2003). Les expériences de cristallisation ont été réalisées avec deux schémas distincts: la cristallisation d'interférence laser (LIC) et la cristallisation d'interférence laser à balayage (SLIC). Dans LIC, le moteur d'interférence est directement irradié à la surface de l'échantillon, tandis que, dans SLIC, le motif d'interférence est décalé sur la surface avec une passager prédéfinie (Fig. 11.12). La figure 11.13 présente les images TEM des sections des lignes cristallisées au laser de films SIGE cristallisées à deux températures différentes (25 ° C et 740 ° C). Pour le cas de la cristallisation induite par le laser (LIC) à température ambiante, la croissance des grains latéraux est limitée en raison de la nucléation spontanée de grains plus petits au centre de la ligne. Cependant, pour le cas de LIC à température élevée, le taux de refroidissement réduit entraîne une nucléation réduite ou pas spontanée. La nucléation spontanée peut également être évitée par des lignes plus étroites obtenues avec une interférence à trois faisceaux. L'image AFM du film SIGE cristallisé par un motif d'interférence à trois faisceaux (avec une période 6 m) en utilisant SLIC est présentée sur la figure 11.14. Comme indiqué dans la figure, SLIC entraîne des grains plus longs (~ 2 m).

Fig. 11.12 Schéma de (a) cristallisation d'interférence laser (LIC), et (b) et (c) cristallisation d'interférence laser à balayage (SLIC).

(Réimprimé de Eisele et al. 2003. avec permission. Copyright Elsevier.)