Способ определения времени существования зоны расплава на поверхности полупроводниковой кремниевой мишени

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЗОНЫ РАСПЛАВА НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ КРЕМНИЕВОЙ МИШЕНИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Асташинский Валентин Миронович Костюкевич Евгений Алексеевич Кузьмицкий Антон Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения времени существования зоны расплава на поверхности полупроводниковой кремниевой мишени, при котором воздействуют на полупроводниковую мишень высокоэнергетическим плазменным потоком из магнитоплазменного компрессора с образованием над поверхностью мишени интенсивно излучающего ударно-сжатого слоя плазмы, регистрируют долю прошедшего через мишень излучения фотоприемником, сигнал с фотоприемника подают на двухлучевой запоминающий осциллограф и определяют время существования зоны расплава как величину, соответствующую временной протяженности провала на полученной осциллограмме. 18209 1 2014.06.30 Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для определения времени жизни зоны расплава на поверхности полупроводниковой мишени в процессе воздействия на нее импульсными высокоэнергетическими направленными потоками плазмы, лазерного излучения. Время существования расплава - один из ключевых параметров, определяющих эффективность модификации свойств поверхности полупроводника. Знание его помогает составить более полное представление о характере взаимодействия плазмы с полупроводниковой мишенью и оценить эффективность воздействия компрессионного потока. Этот параметр немаловажен и для разработки математической модели, адекватно описывающей динамику формирования границы раздела плазма/расплав. Помимо прочего, знание времени жизни расплава позволяет оценить полноту отжига электроннолучевых или ионных повреждений в полупроводниках. Существующие способы его оценки ориентированы на традиционные технологии обработки полупроводников, не приводящие, в отличие от современных способов, использующих высокоэнергетические направленные потоки, к значительному перегреву полупроводниковой мишени и существенным неупорядоченным деформациям поверхности расплавленного слоя. Известен способ определения времени жизни зоны расплава 1-3, основанный на изменении излучательной способности поверхности полупроводниковой мишени в ходе воздействия на нее энергетическим потоком источника и заключающийся в непрерывном контроле эволюции температуры поверхности с помощью пирометра. Регистрация момента прохождения температурой точки плавления материала и ее последующего снижения до точки рекристаллизации позволяет определить время жизни зоны расплава. К недостаткам способа радиационной пирометрии относятся высокая инерционность и практическая неприменимость в условиях относительно сильного неравновесного свечения плазмы, превосходящего по интенсивности слабое температурное излучение полупроводниковой пластины 4. Ближайшим техническим решением к предлагаемому (прототип) является способ определения времени жизни зоны расплава, основанный на изменении отражательной способности полупроводниковой пластины в ходе воздействия на нее энергетическим потоком источника 5 и заключающийся в непрерывной регистрации фотоприемником интенсивности отраженного от поверхности мишени излучения - лазера. При достижении поверхностью температуры плавления коэффициент отражения поверхности резко возрастает за счет перехода материала в расплавленное состояние, а при понижении ее до точки рекристаллизации столь же стремительно падает до исходного значения. Временной промежуток между двумя этими событиями определяет время существования расплава на поверхности полупроводника. Такой способ эффективен в применении к стандартным технологиям обработки полупроводниковых материалов, обеспечивающим разогрев поверхности до температур немногим выше точки плавления кремния (1685 К). В случае обработки высокоэнергетическими (лазерными, плазменными и т.д.) потоками, когда температура поверхности кремния может превышать 3000 К, отражательная способность расплава испытывает значительное падение по сравнению с расчетной величиной, не в последнюю очередь обусловленное непрерывными деформациями поверхности полупроводниковой мишени, что приводит к неоднозначности трактовки полученных результатов. Наиболее же существенным недостатком способа применительно к случаю обработки высокоэнергетическими потоками является чрезвычайно низкий уровень полезного сигнала по сравнению с интенсивным фоновым свечением ударно-сжатого слоя на поверхности полупроводниковой мишени. Задачей изобретения является распространение возможностей способа на случай обработки поверхности полупроводника высокоэнергетическими (лазерными, плазменными и т.д.) потоками. 18209 1 2014.06.30 Поставленная задача решается тем, что в способе определения времени существования зоны расплава на поверхности полупроводниковой кремниевой мишени, при котором воздействуют на полупроводниковую мишень высокоэнергетическим плазменным потоком из магнитоплазменного компрессора с образованием над поверхностью мишени интенсивно излучающего ударно-сжатого слоя плазмы, регистрируют долю прошедшего через мишень излучения фотоприемником, сигнал с фотоприемника подают на двухлучевой запоминающий осциллограф и определяют время существования зоны расплава как величину, соответствующую временной протяженности провала на полученной осциллограмме. Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами. На фиг. 1 показан принцип осуществления способа, где 1 - полупроводниковая кремниевая мишень 2 - плазменный поток 3 - ударно-сжатый слой плазмы 4 - фотоприемник. На фиг. 2 показаны кривая спектральной чувствительности фотоприемника и положение края полосы пропускания полупроводника при комнатной температуре (Тк) и при температуре плавления (Ттп). На фиг. 3 приведен пример реализации способа. На фиг. 4 показана осциллограмма, позволяющая оценить время существования расплава. Определение времени существования зоны расплава на поверхности полупроводниковой кремниевой мишени, согласно изобретению, осуществляется следующим образом. Посредством воздействия на полупроводниковую кремниевую мишень 1 (далее по тексту - мишень 1) (фиг. 1) высокоэнергетическим плазменным потоком 2 над ее поверхностью образуют интенсивно излучающий ударно-сжатый слой плазмы 3. Материал мишени 1 прозрачен для красного и ближнего инфракрасного участков в спектре излучения из ударно-сжатого слоя благодаря наличию у полупроводника широкой полосы пропускания света с коротковолновой границей (так называемый край полосы фундаментального поглощения), приходящейся на ближнюю ИК-область спектра (фиг. 2). Прошедшее через мишень 1 излучение регистрируют фотоприемником 4. В процессе разогрева поверхности полупроводника край полосы фундаментального поглощения постепенно сдвигается в область длинных волн и при достижении поверхностью температуры, близкой к точке плавления материала мишени 1, выходит за границу спектрального диапазона чувствительности фотоприемника 4 (фиг. 2). Этому моменту соответствует резкое ослабление сигнала с фотоприемника 4. Сигнал остается слабым в течение всего времени существования расплава. По окончании воздействия плазменного потока 2 поверхность мишени 1 начинает остывать, и край полосы поглощения постепенно смещается в сторону коротких волн к своему исходному положению. С приближением температуры к точке рекристаллизации сигнал с фотоприемника 4 резко усиливается. Таким образом, временная протяженность провала на осциллограмме является мерой времени существования расплава на поверхности полупроводника. Пример реализации способа приведен на фиг. 3, где 1 - мишень, 4 - фотоприемник, 5 - вакуумная камера, 6 - магнитоплазменный компрессор, 7 - светозащитный экран, 8 - светозащитная бленда, 9 - объектив, 10 - диафрагма. Источником плазмы является магнитоплазменный компрессор (МПК) 6, генерирующий мощный импульсный поток газоразрядной плазмы со временем существования 50 мкс в атмосфере азота при начальном давлении в вакуумной камере 5 от 2 до 4 тор. В качестве мишени 1 использовали кремниевые пластинки размером 10100,68 мм 3, которые во избежание растрескивания под действием набегающего потока крепили на стеклянной подложке (156 мм 2) в светозащитной бленде 8. Расстояние от торца централь 3 18209 1 2014.06.30 ного электрода МПК 6 до поверхности кремниевой пластинки составляло 120 мм. Перед фотоприемником 4 (ФЭУ-68 с мультищелочным фотокатодом, чувствительным к видимой и ближней ИК-областям спектра) устанавливали точечную диафрагму 10 с диаметром отверстия 1,5 мм, в плоскость которой фокусировали объективом 9 изображение тыльной поверхности кремниевой пластинки. Светозащитный экран 7, светозащитную бленду 8 и точечную диафрагму 10 использовали для предотвращения попадания прямого и рассеянного стенками вакуумной камеры 5 излучения плазменного потока на фотоприемник 4. Сигнал с фотоприемника 4 подавали на двухлучевой запоминающий осциллограф (позиция не указана) (модель 8-40), который одновременно регистрировал разрядный ток. Пример осциллограммы приведен на фиг. 4. Полученное из таких осциллограмм оценочное значение времени жизни расплава (80 мкс) находится в разумном соответствии с данными численного моделирования процесса взаимодействия компрессионного плазменного потока с полупроводниковой мишенью 6. Таким образом, результаты экспериментов по модификации поверхности кремния компрессионными плазменными потоками показывают, что заявляемый способ позволяет оценивать время существования расплава на поверхности полупроводниковой мишени в процессе воздействия на нее импульсными высокоэнергетическими направленными потоками. Источники информации 1., 2004, ,(//21704610/). 2.2162210, 1, 2001. 3. 2381463, 1, 2010. 4. Магунов А.Н., Мудров Е.В. Теплофизика высоких температур. - Т. 29. -1. 1991. - С. 182-184. 5.4155779. 1, 1979. 6. Ананин С.И., Асташинский В.М., Емельянкенко А.С. и др. Журнал технической физики. - Вып. 7. - Т. 76. - 2006. - С. 34-40. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5