Лазерный отжиг

ЛАЗЕРНЫЙ ОТЖИГ, физическое явление и метод быстрой ориентированной кристаллизации твёрдых тел под действием импульсного лазерного излучения высокой интенсивности. Как физическое явление лазерный отжиг открыт в 1974-75 в ряде институтов Академии Наук СССР (Государственная премия, 1988). Как метод лазерный отжиг был предложен И. Б. Хайбуллиным с сотрудниками (Казанский физико-технический институт) и означал восстановление кристаллической структуры тонких (толщиной менее 1 мкм) полупроводниковых слоёв, разупорядоченных при ионной имплантации. Лазерный  отжиг предложен как альтернатива термическому отжигу, широко применяемому в микроэлектронике после имплантации ионов электроактивных примесей (например, фосфора или бора) в полупроводниковый кремний для создания слоёв проводимости электронного или дырочного типа. В широком смысле лазерный отжиг означает различные структурные и фазовые превращения в твёрдых телах (полупроводниках, металлах, диэлектриках) под действием лазерного излучения. Лазерный  отжиг положен в основу научного направления и технологии импульсной модификации материалов интенсивными пучками электромагнитных волн, электронов, ионов.

Основным механизмом лазерного отжига полупроводников и других материалов в широком диапазоне длительностей лазерного излучения является тепловой. В зависимости от скорости и степени нагрева, определяемых плотностью мощности и длительностью излучения, а также оптическими и теплофизическими свойствами материала, реализуются 2 режима лазерного отжига - твердофазный и жидкофазный.

Твердофазный режим, осуществляемый при воздействии импульсами лазера (или импульсных ламп) длительностью 10^–3-10 с, позволяет снизить до минимума диффузионное перераспределение примеси. Этот режим широко применяется для отжига интегральных схем, создания сверхтонких (толщиной менее 0,1 мкм) сильнолегированных слоёв, уплотнения тонкоплёночных покрытий, сглаживания микрорельефа поверхности и т. п.

Жидкофазный режим лазерного отжига реализуется при воздействии интенсивного лазерного импульса длительностью 10^-9-10^-6 с. При лазерном отжиге в этом режиме в условиях высокого темпа нагрева и охлаждения (до 10¹² градус/с) происходит быстрая направленная кристаллизация равновесных или метастабильных расплавов со скоростями (до 10 м/с), превышающими скорости образования протяжённых дефектов кристаллической структуры. В этом режиме лазерного отжига повышается также сечение захвата примесей движущейся границей раздела фаз. При воздействии коротковолнового излучения в пикосекундном диапазоне длительности импульса (менее 10^-9 с) скорости охлаждения и затвердевания возрастают, что приводит к срыву кристаллизации и аморфизации материалов.

Уникальными и технологически важными особенностями лазерного отжига являются высокая пространственная локальность модифицирования тонких слоёв и отдельных участков поверхности с размерами менее 0,1 мкм; отсутствие ростовых дефектов (дислокаций, кластеров примесей и др.) в кристаллических слоях, подвергнутых отжигу; повышенный уровень растворимости примесей в кристаллах, в десятки раз превышающий их равновесную растворимость. Внедрение (например, ионной имплантацией либо диффузией) электроактивных примесей в полупроводниковые кристаллы с последующим лазерным отжигом приводит к значительному снижению удельного электрического сопротивления элементов полупроводниковых приборов. Лазерный  отжиг позволяет синтезировать новые тонкоплёночные (в том числе нанокристаллические) материалы и обрабатывать сложные структуры и легкоразлагающиеся соединения на воздухе без использования защитных сред. Импульсное лазерное воздействие широко применяется при разработке новых приборов микро и наноэлектроники.

Лит.: Качурин Г. А., Придачин Н. Б., Смирнов Л. С. Отжиг радиационных дефектов импульсным лазерным облучением // Физика и техника полупроводников. 1975. Т. 9. Вып. 7; Штырков Е. И., Хайбуллин И. Б. и др. Локальный лазерный отжиг ионно-легированных полупроводниковых слоев // Там же. 1975. Т. 10. Вып. 10; Импульсный отжиг полупроводниковых материалов. М., 1982; Ахманов С. А. и др. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов // Успехи физических наук. 1985. Т. 147. № 12; Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под редакцией М. Поута. М., 1987; Ивлев Г. Д., Гацкевич Е. И. Фазовые превращения, инициируемые в тонких слоях аморфного кремния наносекундным воздействием излучения эксимерного лазера // Физика и техника полупроводников. 2003. Т. 37. № 5.