Aplicações do processamento de interferência a laser

Esta seção explica brevemente as várias aplicações importantes do processamento de interferências a laser.

Cristalização e estruturação de filmes semicondutores

Recentemente, o processamento de interferência a laser está atraindo interesses crescentes na indústria de semi-condutores. As aplicações que receberam atenções significativas incluem a cristalização induzida por laser e a estruturação de semicondutores amorfos e nano-cristalinos. Esses aplicativos são discutidos brevemente nas seções a seguir.

Quando dois ou mais feixes podem interferir na superfície do filme amorfo, a modulação da intensidade pode induzir os padrões periódicos de cristalização com linhas amorfas e policristalinas alternadas (interferência de dois feixes) ou pontos (interferência de três ou quatro feixes) . A cristalização induzida por laser envolve processos ultra-rápidos de fusão e solidificação longe do equilíbrio térmico (Mulato et al. 2002). A cristalização induzida por laser de semicondutores amorfos é de particular interesse, pois permite a fabricação de filmes de grandes áreas para aplicações em displays de painel plano e células solares. As aplicações dos padrões de interferência para a produção de estruturas microcristalinas periódicas foram demonstradas pela primeira vez para filmes amorfos sem hidrogênio, usando um laser de corante pulsado (Heintze et al. 1994). A Figura 11.6 apresenta as estruturas cristalinas periódicas semelhantes a linhas e do tipo ponto produzidas pela cristalização de interferência de silício amorfo seguido de gravação seletiva de plasma. Conforme indicado na Fig. 11.6a, a modulação de intensidade sinusoidal na interferência de dois vantagens resulta na grade de linhas de onda quadrada de 400nm de largura separadas por trincheiras de 340 nm de largura. A nitidez da interface entre o microcristalino

Fig. 11.6 (a) grades de linha cristalina e (b) grades de pontos produzidas por cristalização de interferência a laser e gravação seletiva de plasma.

(Reimpresso de Heintze et al. 1994. com permissão. Copyright American Institute of Physics.)

E a região amorfa resulta do limiar bem definido da cristalização a laser do silício amorfo (95 MJ/cm2). As grades periódicas de pontos bidimensionais podem ser produzidos pela interferência de quatro vigas, de modo que cada ponto cristalino represente o ponto de cruzamento de duas grades de linha perpendicular superposta (Fig. 11.6b). É necessário selecionar a intensidade das vigas, de modo que a cristalização seja induzida apenas nos máximos de interferência nos pontos de cruzamento de duas grades de linha perpendicular. Pontos microcristalinos com um diâmetro médio de 700 nm e espessura de 200 nm foram produzidos usando uma combinação de interferência a laser e gravação seletiva de plasma.

Estudos de cristalização de interferência a laser semelhantes foram realizados nos filmes amorfos de germânio (Mulato et al. 1997; Mulato et al. 1998). A Figura 11.7 apresenta o padrão de ponto de germânio cristalizado com simetria de treliça hexagonal obtida por interferência a laser de três feixes. A cristalinidade dos pontos pode ser confirmada usando espectroscopia de micro-raman resolvida espacialmente. A Figura 11.8 apresenta a variação espacial (resolução lateral de 0,7um) de componentes cristalinos (300 cm-1) e amorfos (~ 270 cm-1) do espectro Raman através do ponto cristalizado a laser. A figura indica a maior contribuição cristalina no centro do ponto e a maior contribuição amorfa entre os pontos (Mulato et al. 1997).

Os filmes amorfos de silício e germânio cultivados por PECVD (deposição de vapor químico aprimorados por plasma) geralmente contêm mais de 10 em. % hidrogen. Quando esses filmes são submetidos à cristalização de interferência a laser, ocorre o derrame explosivo do hidrogênio, levando à interrupção da superfície do filme ou à formação de filmes permanentes livres. Recentemente, a cristalização de interferência a laser foi estudada para ligas amorfas-nitrogênio-nitrogênio (A-general) sem hidrogênio para determinar o papel do nitrogênio durante a transição de fase. Figura 11.9 apresenta o

Fig. 11.7 Cristalização de interferência a laser de germânio amorfo mostrando a rede hexagonal de germânio cristalizadopontos com um período de

2,6 m obtidos com interferência de três feixes. (Reimpresso de Mulato et al. 1997. compermissão. Copyright American Institute of Physics.)

Fig. 11.8 Variação espacial dos componentes cristalinos (~ 300 cm -1) e amorfo (~ 270 cm -1) do espectro Raman

em um ponto de germânio cristalizado a laser. (Reimpresso de Mulato et al. 1997. Com permissão. Copyright American Institute of Physics.)

Fig. 11.9 Perfis superficiais e verticais do AFM do filme de Gen Amorfo irradiado com o padrão de interferência de dois feixe, mostrando o periódico microcristalino e linhas amorfas. (Reproduzido de Mulato et al. 2002. Com permissão. Copyright American Institute of Physics.) Perfil de superfície e o perfil vertical (medido com microscopia de força atômica) da estrutura de cristalização periódica obtida com duas vigas interferentes na superfície do A-general. A figura indica as linhas mais escuras periódicas correspondentes ao germânio microcristalino e as linhas claras correspondentes ao Gen amorfo não afetado. As linhas microcristalinas têm o período de 4m e a largura de 1m. Tais estruturas de interferência de superfície com perfis tridimensionais e diferentes propriedades ópticas correspondentes às regiões microcristalinas e amorfas obtidas podem ser usadas como grades de difração óptica. O perfil vertical também mostra que a porção cristalizada do filme é de cerca de 25 nm menor que a região amorfa devido ao derrame de nitrogênio semelhante ao do hidrogênio no caso de filmes amorfos de silício (A-Si: H). Isso pode ser confirmado pelas técnicas de caracterização, como espectroscopia infravermelha e espectroscopia Raman (Fig. 11.10). A Figura 11.10a apresenta a banda de absorção de alongamento GE -N infravermelho do filme de Gen antes e após a interação a laser. A diferença na força da banda de absorção indica que o número total de ligações GE - N diminuiu após a cristalização do laser, sugerindo o derrame de nitrogênio durante a cristalização. Como mencionado anteriormente, a evidência de cristalização nos filmes de genéricos amorfos após o processamento de interferência a laser pode ser obtida por espectroscopia Raman (Fig. 11.10b). A figura indica claramente a ausência de componente cristalino correspondente a 300 cm -1 no filme amorfo inicial. O pico aparece na amostra de cristalização a laser que pode ser comparada com o germânio cristalino de referência. A amplitude do pico na amostra cristalizada a laser indica que a interferência do laser resulta na formação de distribuição de pequenos cristalitos em vez de filmes de germânio monocriestalino (Mulato et al. 2002).

Para muitas aplicações eletrônicas de filme fino, é importante entender o comportamento de crescimento de grãos durante a cristalização de interferência a laser de amorfo ou

Fig. 11.10 (a) Bandas de absorção de alongamento GE -N infravermelho e (b) espectros de Raman dos filmes amorfos de gen

Após irradiar com o padrão de interferência do laser. (Reimpresso de Mulato et al. 2002. Com permissão. Copyright American Institute of Physics.)

Filmes finos nano-cristalinos. Isso é de particular importância, onde a microcristalização facilitada pelo crescimento super lateral (SLG) é desejado. Conforme mencionado antes da cristalização induzida por laser, está associada a fusão e solidificação ultra-rápida. Os grãos nucleam na interface sólido -líquido e crescem em direção aos máximos de interferência ao longo do gradiente térmico. Os grãos que crescem de ambos os lados da interferência Maxima se encontram no centro dos máximos e formam um limite de grão. O crescimento lateral dos grãos sob certas condições é limitado pela nucleação espontânea de grãos menores no centro dos máximos de energia. Sob essas condições, os grãos laterais não podem atingir o centro da interferência máxima. Isso é mostrado na imagem AFM (Fig. 11.11) obtida da superfície do silício amorfo cristalizado usando o padrão simétrico de interferência de dois feixes (por laser de n-swithed ND: YAG dobrado com frequência com comprimento de onda de 532 nm). A cristalização assimétrica de interferência a laser, onde as intensidades de duas vigas a laser são diferentes, também podem ser usadas para ajustar e otimizar os perfis de temperatura transitória e, portanto, o comportamento de crescimento de grãos (Rezek et al. 2000).

Estudos semelhantes sobre comportamento lateral de crescimento de grãos durante a cristalização de interferência a laser de filmes sige amorfos ou nanocristalinos, depositados nos substratos de quartzo, foram realizados (Eisele et al. 2003). As experiências de cristalização foram realizadas com dois esquemas distintos: cristalização de interferência a laser (LIC) e cristalização de interferência a laser de varredura (SLIC). Em Lic, a interferência patente é irradiada diretamente na superfície da amostra, enquanto que, no SLIC, o padrão de interferência é deslocado na superfície com uma madrasta predefinida (Fig. 11.12). A Figura 11.13 apresenta as imagens TEM das seções de linhas de filmes SigE cristalizados a laser cristalizados em duas temperaturas diferentes (25 ° C e 740 ° C). Para o caso de cristalização induzida por laser (LIC) à temperatura ambiente, o crescimento lateral dos grãos é limitado devido à nucleação espontânea de grãos menores no centro da linha. No entanto, para o caso de LIC em temperatura elevada, a taxa de resfriamento reduzida resulta em nucleação reduzida ou sem espontânea. A nucleação espontânea também pode ser evitada por linhas mais estreitas obtidas com interferência de três feixes. A imagem AFM do filme sige cristalizada pelo padrão de interferência de três feixes (com um período 6 m) usando o SLIC é apresentado na Fig. 11.14. Conforme indicado na figura, o SLIC resulta em grãos mais longos (~ 2m).

Fig. 11.12 Esquema de (a) cristalização de interferência a laser (LIC) e (b) e (c) cristalização de interferência a laser de varredura (SLIC).

(Reimpresso de Eisele et al. 2003. Com permissão. Copyright Elsevier.)