УДК 539.2/2. 6: 539.216.1
ПИЛИПЕНКО В.А, ВЕЧЕР Д.В.,

ПОНАРЯДОВ В.В., ГОРУШКО В.А.,

ПЕТЛИЦКАЯ Т.В., СЯКЕРСКИЙ В.С.
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЗА ПРОЦЕССОМ ЛАЗЕРНОГО
ГЕТТЕРИРОВАНИЯ
НТЦ Белмикросистемы НПО Интеграл,
220064, Беларусь, г. Минск, ул. Корженевского 12
Для проведения процесса геттерирования кремниевых пластин в
оптимальном технологическом режиме необходимо осуществлять кон-
троль и управление потоком энергии. В случае лазерного излучения
управление плотностью потока энергии в зоне обработки можно осу-
ществлять путем его фокусировки или дефокусировки. Это позволяет
легко перейти от режима обработки обеспечивающего испарение
кремния, при плотностях потока >108 Вт/см2, к режиму плавления, при
плотностях <108 Вт/см2. Если для режима испарения не существует
жестких рамок по плотности потока и такой режим очень просто полу-
чить, задав плотность мощности в зоне обработки значительно выше
пороговой, то для реализации режима плавления без испарения суще-
ствует узкий диапазон плотностей мощности. Процесс испарения при-
водит к искажению поверхности расплава, которое сохраняется после
рекристаллизации. При расплаве эрозия поверхности возникает либо в
центре зоны облучения при гауссовом распределении интенсивности в
лазерном пучке в ТЕМ00 моде, либо в области горячих точек при
многомодовом режиме излучения. В зоне испарения кристаллографи-
ческое совершенство кремния нарушается, вплоть до образования в
ней поликристаллического кремния.
Одним из простейших методов контроля появления жидкой фа-
зы кремния и начала его разрушения является анализ интенсивности
диффузно рассеянного излучения от поверхности кремниевой пласти-
ны в зоне воздействия лазерного излучения.
Для его разработки была исследована интенсивность рассеянно-
го излучения, которая измерялась фотоэлектрическим преобразовате-
лем и сигнал регистрировался на запоминающем осциллографе. Ха-
рактерная кривая изменения интенсивности диффузно рассеянного
излучения от степени дефокусировки объективов приведена на рис.
Участки на кривой А-В и F-G определяют диапазон плотностей мощ-
ности излучения, обеспечивающего при обработке нагрев кремния, его
плавление и последующую эпитаксиальную рекристаллизацию по-
верхностного слоя. При увеличении плотности мощности излучения в
зоне воздействия происходит испарение кремния, сопровождающееся
увеличением интенсивности рассеянного излучения. В точках С и Е

она максимальна, а в точке D, где фокус линзы совпадает с поверхно-
стью кремниевой пластины - минимальна.
I/Io
С 1,0
Е
Е
С
D
0,4
2
D
A
B 0,2
G
1
F
G
A
B
F
F, мм
-12,6 -9,0 -5,4 -1,8
1,8
5,4
9,0
12,6
Рис. Изменение интенсивности диффузно рассеянного излучения в зависи-
мости от степени фокусировки объектива на поверхность кремниевой
пластины: 1- F=100 мм; 2 - F=50 мм

Такой ход зависимости можно объяснить следующим образом.
При увеличении плотности мощности лазерного излучения поверх-
ность расплава перегревается настолько, что над ней образуется эро-
зионное облако, состоящее из ионизированных частиц испаренного
вещества, которые вызывают дополнительное рассеяние падающего
излучения. Дальнейшее увеличение плотности мощности сопровожда-
ется ионизацией окружающего образец воздуха эрозионной плазмой,
которые совместно начинают экранировать поверхность фотоприем-
ника, регистрирующего рассеянное поверхностью излучение. Макси-
мальная экранировка соответствует наиболее плотной плазме, которая
имеет место при максимальной плотности мощности лазерного излу-
чения в зоне обработки, т.е. при совпадении поверхности обрабаты-
ваемой пластины с перемычкой каустики фокусирующего объектива.
Максимальная плотность мощности излучения в зоне обработки дос-
тигается с помощью объектива с фокусным расстоянием 50 мм (по
оценке она составляет 1,2·109
2
Вт/см ), которая в 4 раза больше, чем для
объектива с F=100 мм. При этом ход данных зависимостей не зависит
от типа кремниевых пластин, что также подтверждает выдвинутое
предположение о природе данного явления.
Данный метод позволяет по анализу рассеянного излучения ре-
гулировать начало не только эрозии, но и плавления поверхностного
слоя. Для этого необходимо провести осциллографирование формы
импульса рассеянного излучения. В момент начала плавления форма

импульса искажается и на ней появляется ступенька, обусловленная
увеличением коэффициента отражения поверхности при ее плавлении.
Изучение формы импульса рассеянного излучения в зависимо-
сти от степени фокусировки объектива показало, что скачок коэффи-
циента отражения при пороговой и выше плотности мощности потока
излучения может наблюдаться как на возрастающем, так и спадающем
участках лазерного импульса. В случае если данный скачок коэффици-
ента отражения располагается на возрастающей ветви импульса, то
можно говорить о начале процесса эрозии поверхности в области об-
работки. Пороги плотности мощности потока излучения, при которых
начинаются разрушение поверхности и плавление отличаются друг от
друга на 20-30%. Эффективность плавления зависит от характера рас-
пространения его фронта при воздействии лазерного импульса, причем
должно выполняться условие, гарантирующее отсутствие эрозии по-
верхности. Существует предельная глубина проникновения фронта
плавления при условии отсутствия поверхностного испарения крем-
ния. Для этого необходим точный выбор параметров сфокусированно-
го излучения и их поддержание в течение всего процесса обработки.
Поскольку линия сканирования при использовании импульсно-
го лазерного излучения складывается из частично перекрывающих
друг друга зон обработки отдельными импульсами, то при низких ско-
ростях сканирования (V<50 мм/с при f=10 кГц) это может привести к
эрозии поверхности кремния. Причина этого заключается в том, что за
время между импульсами (0,1 мс при f=10 кГц) температура в области
воздействия излучения не успевает снизиться до комнатной, за счет
теплоотвода в объем кремниевой пластины. При большом перекрытии
импульсов она в этой зоне может оказаться достаточной для испарения
кремния, что не имеет места высоких скоростях сканирования.
Увеличение интенсивности рассеянного излучения по сравне-
нию с минимальным уровнем может служить индикатором начала эро-
зии поверхности. Это позволяет построить систему осуществляющую
контроль и управление процессом лазерного геттерирования, при про-
ведении которого наилучшие технологические характеристики полу-
чаются при совпадении поверхности обрабатываемой пластины с пе-
ремычкой каустики оптической системы фокусировки. Фокусируя
оптическую систему до получения характерного минимума интенсив-
ности рассеянного излучения можно оптимизировать технологические
параметры обработки.


Document Outline