Лазеры в микро- и наноэлектронике

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное 

учреждение высшего образования 

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

С. П. МАЛЮКОВ 

А. В. САЕНКО 

Ю. В. КЛУННИКОВА

А. В. ПАЛИЙ

ЛАЗЕРЫ В МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

Учебное пособие

заведений, обучающихся о
направлению подготовки

11.03.03 Конструирование и технология электронных средств

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.382 (075.8)
ББК 32.85я73

М145

Печатается по решению кафедры конструирования электронных 

средств Института нанотехнологий, электроники 

и приборостроения Южного федерального университета

(протокол № 9 от 17 января 2018 г.)

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент кафедры нанотехнологий 

и микросистемной техники ИНЭП ЮФУ С. П. Авдеев

кандидат технических наук, доцент, ведущий научный

сотрудник АО «ТНИИС» А. М. Горин

Малюков, С. П.

М145
Лазеры в микро- и наноэлектронике : учебное пособие /

С. П. Малюков, А. В. Саенко, Ю. В. Клунникова, А. В. Палий ; 
Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : 
Издательство Южного федерального университета, 2018. – 111 с.

ISBN 978-5-9275-3083-0
Учебное пособие содержит обобщение знаний в области лазерных 

технологий, сведения о физических основах лазерной обработки и её 
применении в микро- и наноэлектронике. Рассматриваются характеристики и параметры лазерного излучения и особенности различных лазерных технологических процессов, включая моделирование физики воздействия лазерного излучения на основе уравнения теплопроводности.

Пособие рекомендовано для подготовки магистров по направлению 

11.04.03 «Конструирование и технология электронных средств», а также 
для специалистов в области лазерных технологий.

УДК 621.382 (075.8)

ББК 32.85я73

ISBN 978-5-9275-3083-0

© Южный федеральный университет, 2018
© Малюков С. П., Саенко А. В.,

Клунникова Ю. В., Палий А. В., 2018

© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2018

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................5
1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ 
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ............................................................................6
1.1. Лазерное излучение и его характеристики .............................................6
1.2. Параметры лазерного излучения ...........................................................12
1.3. Измерение мощности и энергии излучения..........................................21
2. ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ...................................24
2.1. Структурная схема лазерных технологических установок .................24
2.2. Основные типы лазеров..........................................................................26
2.2.1. Твердотельные лазеры .........................................................................26
2.2.2. Газовые лазеры.....................................................................................29
2.2.3. Полупроводниковые лазеры................................................................30
2.3. Лазерная технологическая установка LIMO.........................................36
3. ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ...........................41
3.1. Классификация лазерных технологических процессов .......................41
3.2. Подготовительные операции. Очистка поверхности ...........................43
3.3. Основные лазерные операции................................................................44
3.3.1. Лазерное окисление..............................................................................44
3.3.2. Лазерный отжиг полупроводников.....................................................45
3.3.3. Лазерное легирование..........................................................................49
3.3.4. Осаждение тонких пленок...................................................................52
3.3.5. Лазерная абляция..................................................................................53
3.3.6. Лазерное структурирование ................................................................57
3.4. Завершающие лазерные операции.........................................................59
3.4.1. Лазерное скрайбирование....................................................................59
3.4.2. Маркировка...........................................................................................61
3.4.3. Резка ......................................................................................................62
3.4.4. Сверление..............................................................................................65
3.4.5. Пайка и контроль качества соединений .............................................68
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО НАГРЕВА В СИСТЕМЕ 
MATLAB.........................................................................................................70
4.1. Моделирование лазерного отжига кремния..........................................70
4.2. Моделирование и исследование лазерного нагрева перовскита.........75

Содержание

5. ПРИМЕР ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ
ДВУМЕРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В СТРУКТУРАХ 
ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ..............................................................86
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ........................................................................93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................98
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..............................................................................99
ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................103

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время возрастает интерес к новым технологиям, в том 

числе лазерным технологиям и их применению в микро- и наноэлектронике, солнечной энергетике. Применение лазеров в промышленном производстве хорошо известно и отработано. Основные лазерные технологические операции включают лазерный отжиг, осаждение тонких пленок, 
абляцию, структурирование, резку, сверление отверстий, маркировку, 
скрайбирование и др. Все они основаны на тепловом воздействии мощного лазерного излучения на обрабатываемые материалы.

Основной целью данного пособия является систематизация знаний в 

области лазерных технологий, физических основах лазерной обработки и 
её применении в микро- и наноэлектронике, солнечной энергетике. В пособии рассматриваются физические механизмы взаимодействия лазерного 
излучения с материалами (полупроводниками, диэлектриками, металлами) и особенности различных лазерных технологических процессов, 
включая моделирование физики воздействия лазерного излучения на материалы на основе уравнения теплопроводности.

Несмотря на актуальность рассматриваемой проблемы, имеющаяся

литература по лазерным технологическим процессам, моделированию 
лазерного воздействия на материалы не отражает большую часть вопросов, возникающих на практике. 

Учебное пособие представляет собой изложение основных идей и 

принципов взаимодействия лазерного излучения с материалами, лазерных 
технологий полупроводников, лазерных технологических систем, а также 
моделирования лазерного нагрева материалов. Разделы пособия изложены 
весьма подробно и лаконично, основываются на знаниях микро- и наноэлектроники, солнечной энергетики, физике технологических процессов.

Данное учебное пособие позволяет формировать у студентов навыки 

самостоятельного обучения новым методам исследования, организации 
исследовательских и проектных работ. Они приобретают умение решать 
научно-исследовательские задачи в области математического моделирования воздействия лазерного излучения на материалы.

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ 

ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Лазерное излучение и его характеристики

Лазерное излучение обладает рядом уникальных характеристик, та
ких как большая интенсивность (плотность потока) электромагнитной 
энергии, высокая монохроматичность, значительная степень временной и 
пространственной когерентности, возможность широкого изменения длительности воздействия – от непрерывного излучения до импульсного с
длительностью до нескольких фемтосекунд.

Moнoxроматичность лазерного излучения соответствует узкому диа
пазону частот его составляющих или малой ширине его спектра ∆λ (ширина спектральной линии – это интервал частот   или длин волн ∆λ, характеризующий спектральные линии в оптических спектрах атомов, молекул и других квантовых систем). Фактически монохроматичность означает излучение света с одной частотой или на одной длине волны. Для 
некоторой интегральной линии с длиной волны λ0 (частотой ν0) степень 
монохроматичности равна [13]:

             
(1.1)

Например, для газовых лазеров, работающих в одномодовом режиме

∆λ = 10-10 мкм и μ = 10-10. 

Каждому излучательному квантовому переходу между дискретными 

уровнями энергии Ek и Ei соответствует некоторый интервал частот      
близких к частоте перехода     . Значение      определяет ширину спектральной линии, т.е. степень немонохроматичности излучения. Контур 
спектральной линии φ(v) (зависимость интенсивности испускания или 
поглощения от частоты) обычно имеет максимум при частоте перехода 
    или вблизи нее (рис. 1.1) [1].

За ширину спектральной линии принимают разность частот, кото
рым соответствует уменьшение интенсивности вдвое (ее называют иногда 
полушириной спектральной линии).

Естественная (радиационная) ширина спектральной линии      

определяется суммой ширин уровней энергии ∆Ek и ∆Еi, т.е. согласно 

1.1. Лазерное излучение и его характеристики 

7

принципу неопределенности      тем больше, чем меньше времена жизни этих уровней ∆τk и ∆τi, и соответственно равна

      (

 

    

 

   )    .                            (1.2)

Рис. 1.1. Контур спектральной линии

Также следует отметить, что для импульсных лазеров ширина спек
тральной линии зависит от длительности импульса излучения и наоборот, 
при заданной ширине спектра длительность лазерного импульса τmin не 
может быть меньше определенной величины

τmin = 0,441/  ,                       
(1.3)

где   – ширина спектральной линии.

Значение 0,441 известно как произведение длительности импульса 

на ширину его спектральной линии и варьируется в зависимости от формы импульса [1-3].

Ширина спектральной линии ∆λ излучения лазеров может измерять
ся как в обратных сантиметрах (через волновое число   k = 2π/λ или просто 1/λ,), так и в единицах длины (пикометры, нанометры). Обычно при 
экспериментальных измерениях ширины полосы, например проведенных 
с помощью эталона Фабри – Перо, производят пересчет полученных значений в единицах длины ∆λ (м) в единицы частоты   (Гц) через соотношение:

1. Основные характеристики и параметры лазерного излучения

8

   

    

  ,                        
(1.4)

где с – скорость света, а λ – длина волны лазерного излучения.

Существуют стандартные методы и оборудование, предназначенные 

для точного измерения частоты (длины волны) и ширины спектральной 
линии лазерного излучения [1, 2]. 

Когерентность – это свойство лазерного излучения, которое наибо
лее существенным образом отличает его от света традиционных источников, открывая масштабные возможности применения лазеров в науке и 
технике. Критерием когерентности тех или иных колебаний является 
наличие постоянного фазового соотношения между ними.

Излучение называют когерентным в случае, когда все волны, фор
мирующие лазерный пучок, имеют одну и ту же фазу и это фазовое соотношение сохраняется как функция от времени или координаты пространства в виде волнового фронта излучения (рис. 1.2).

а)                                                
б)

Рис. 1.2. Некогерентные (а) и когерентные (б) световые волны

Выделяют два типа когерентности: временную и пространственную.
В идеальной лазерной системе соотношение фаз напряженностей 

волн излучения (волновой фронт) остается неизменным с течением времени во всех точках выбранного для рассмотрения поперечного сечения 
лазерного пучка. Такой пучок называют пространственно когерентным
[1].

Расстояние вдоль лазерного луча, на протяжении которого в каждом 

поперечном сечении выполняется условие пространственной когерентности, называется длиной когерентности Lког.

1.1. Лазерное излучение и его характеристики 

9

Этот тип когерентности пространственный и описывает корреляцию 

в фазе фотонов, распределенных в поперечном к распространению света 
направлении. Пространственная когерентность определяется в основном 
частотными характеристиками лазерного резонатора.

Другим типом когерентности лазерного излучения является времен
ная когерентность, определяющая постоянство с течением времени фазового соотношения в выбранной для рассмотрения точке в моменты времени с фиксированной задержкой ∆τ между ними.

Временной промежуток, в течение которого выполняется условие 

временной когерентности, называется временем, когерентности τког. Кроме того, время когерентности τког можно определить как временной промежуток, необходимый частицам активной среды для излучения волнового цуга длиной Lког, что выражается зависимостью:

τког = Lког /с.                   
(1.5)

Время когерентности лазерного излучения τког связано с частотной 

линией   (шириной спектральной линии) практически обратным соотношением:

τког ≈ 1/(2·  ).           
(1.6)

Таким образом, учитывая соотношения, связывающие частотные и

длинноволновые характеристики лазерного излучения, λ = с/v, а также 
∆λ =   (с/ν2), длину когерентности Lког можно определить как

     

  

     

 

    ,            
(1.7)

Стабилизированные по частоте лазеры, т.е. излучающие в одномодо
вом режиме, имеют узкую ширину спектральной линии, благодаря чему 
демонстрируют более высокое время и длину когерентности сравнительно 
с источниками многомодового излучения.

Для обычного источника света, который излучает все длины волн в 

диапазоне от 400 до 900 нм с центральной длиной волны в 600 нм, ожидаемая длина когерентности составит 0,36 мм. В то же время многомодовый 
Не-Ne-лазер, излучающий на длине волны 632,8 нм с шириной полосы 
генерации 1400 МГц, будет иметь длину когерентности около 10 см. Тот 
же Не-Ne-лазер, если его частота стабилизирована до 1 МГц, будет иметь 
длину когерентности, равную уже 150 м. В то время как активно стабили