К.т.н. Куликова И.В., к.т.н. Клунникова Ю.В.

Южный федеральный университет

Исследование влияния режимов работы лазера на температурное поле в обрабатываемой полупроводниковой структуре

В настоящее время практически во всех областях производства микро- и наноэлектроники широко используются лазерные технологические операции. Наиболее важными из лазерных технологических процессов обработки являются «лазерная рекристаллизация» и «лазерный отжиг», которые позволяют получить высококачественные полупроводниковые структуры. Это достигается за счет локальности, импульсного характера и селективности лазерного излучения [1], что является важным шагом на пути к созданию тонкопленочных солнечных элементов [2] и перфорированных мембран для элементов микросистемной техники [3].

На сегодняшний день широко применяются не только экспериментальные исследования лазерных технологических операций, но и моделирование, которое позволяет значительно сократить время и стоимость исследований и рассчитать оптимальные параметры данной технологической операции [1].

В работе было проведено исследование влияния режимов обработки лазера, таких как плотность мощности лазерного луча и скорости сканирования, на распределение температуры в сложных многослойных полупроводниковых структурах при помощи численного эксперимента.

Для этих целей была разработана программа численного моделирования распределения температуры в исследуемой структуре на основе метода конечных разностей. В основу модели было положено нестационарное уравнение теплопроводности с граничными условиями третьего рода, которые позволили учесть конвективную и излучательную диссипацию тепловой энергии с поверхности структуры в процессе лазерной обработки. Источником тепла являлось лазерное излучение. В модели использовалось так же уравнение Бугера-Ламберта-Бера, которое позволило учитывать оптическую прозрачность некоторых слоев в структуре. В частности, приведенные на рисунке 1, результаты моделирования были получены для структуры сенсибилизированного солнечного элемента, состоящего из стекла, слоя SnO₂:F и TiO₂ при обработке Nd:YAG лазером с длинной волны 1064 нм для двух режимов работы. Стекло является прозрачным для данной длины волны.

Рис. 1 – Распределение температуры в структуре при различных режимах сканирования лазерным лучом: a) мощность лазера 25 Вт, скорость сканирования 5 мм/с, б) мощность лазера 85 Вт, скорость – 55 мм/с.

На рисунке 2 представлена зависимость максимальной температуры в обрабатываемой структуре от различной скорости сканирования и плотности мощности лазерного луча.

Результаты моделирования показали, что максимальная температура в структуре линейно зависит от плотности мощности лазерного излучения, в то время как зависимость от скорости сканирования является нелинейной. Так же стоит заметить, что необходимую температуру при лазерной обработке можно получить двумя путями: увеличивая мощность лазера и уменьшая скорость сканирования (рисунок 1). Однако уменьшение скорости сканирования приводит к растеканию тепла по структуре, что не во всех случаях допустимо, а увеличение мощности с одновременным увеличением скорости приводит к локализации теплового воздействия.

Рис. 2 – Зависимость максимальной температуры в структуре при различных режимах сканирования лазерным лучом.

Литература:

1. Малюков С.П., Куликова И.В., Калашников Г.В. Моделирование процесса лазерного отжига структуры «кремний-стекловидный диэлектрик». Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Интеллектуальные САПР». – 2011. – № 7. – С. 182-188.

2. Малюков С.П., Куликова И.В., А.В. Саенко, А.С. Рукавишникова. Теоретическое исследование влияния толщины и структуры электрода TiO2 на фотоэлектрические характеристики солнечного элемента. Известия ЮФУ. Технические науки. – 2012. – № 1. – с. 247.

3. Куликова И.В., Шпак А.А. Методика расчета эквивалентных механических параметров мембран сложной топологии для элементов микросистемной техники. «Инженерный вестник Дона», 2013, № 2. – Режим доступа: http://ivdon.ru/ magazine/archive/n2y2013/1648 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. Рус.