eng
Выпуск #6/2025
М. С. Ковалев, Н. Г. Сцепуро, Е. В. Ултургашева, С. И. Кудряшов
Одноимпульсный лазерно-индуцированный перенос Al на подложку Si для создания омических контактов
Одноимпульсный лазерно-индуцированный перенос Al на подложку Si для создания омических контактов
Просмотры: 1276
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.6.466.477
В статье исследованы алюминиевые контакты на кремниевых подложках, созданные методом лазерно-индуцированного переноса. Установлено, что при одноимпульсном режиме экспонирования в точку поверхности и плотности энергии 15 Дж / см2 достигается концентрация алюминия 18,6% и минимальное контактное сопротивление 439 ± 4 Ом. Метод упрощает процесс формирования контакта и исключает необходимость в сложной очистке, что делает его перспективным для будущих электронных приложений на основе кремния.
В статье исследованы алюминиевые контакты на кремниевых подложках, созданные методом лазерно-индуцированного переноса. Установлено, что при одноимпульсном режиме экспонирования в точку поверхности и плотности энергии 15 Дж / см2 достигается концентрация алюминия 18,6% и минимальное контактное сопротивление 439 ± 4 Ом. Метод упрощает процесс формирования контакта и исключает необходимость в сложной очистке, что делает его перспективным для будущих электронных приложений на основе кремния.
Теги: direct laser writing laser-induced forward transfer (lift) ohmic contacts optoelectronics silicon кремний лазерно-индуцированный прямой перенос (пипп) омические контакты оптоэлектроника прямая лазерная запись
Одноимпульсный лазерно-индуцированный перенос Al на подложку Si для создания омических контактов
М. С. Ковалев 1, Н. Г. Сцепуро 1, 2, Е. В. Ултургашева 1, 2, С. И. Кудряшов 1, 2
Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН, Москва, Россия
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет), Москва, Россия
В статье исследованы алюминиевые контакты на кремниевых подложках, созданные методом лазерно-индуцированного переноса. Установлено, что при одноимпульсном режиме экспонирования в точку поверхности и плотности энергии 15 Дж / см2 достигается концентрация алюминия 18,6% и минимальное контактное сопротивление 439 ± 4 Ом. Метод упрощает процесс формирования контакта и исключает необходимость в сложной очистке, что делает его перспективным для будущих электронных приложений на основе кремния.
Ключевые слова: кремний, омические контакты, лазерно-индуцированный прямой перенос (ПИПП), прямая лазерная запись, оптоэлектроника
Статья получена: 24.12.2024
Статья принята: 25.05.2025
Введение
Технология лазерно-индуцированного прямого переноса (ЛИПП) функциональных материалов является одной из ключевых в области микроэлектроники [1–3]. Она основывается на использовании сверхкоротких лазерных импульсов для переноса вещества и создания проводящих каналов на различных подложках, включая кремний, полимеры и керамику. Данный метод характеризуется высокой точностью, что позволяет изготавливать компоненты мелких масштабов со сложной геометрией, а также универсальностью применения [4, 5]. Локализованный характер процесса минимизирует зону термического воздействия в пределах 100 нм [6, 7], проявляя существенное улучшением по сравнению с традиционными лазерными технологиями. Столь небольшая зона термического влияния имеет ключевое значение, поскольку она способствует сохранению целостности чувствительных материалов подложки и тем самым снижает риск повреждения, которое может негативно сказаться на электронных характеристиках устройств.
Неровности поверхности материалов, используемых в технологиях электроники, могут негативно повлиять на электрические характеристики и надежность устройств, создаваемых ЛИПП-методом. Поэтому создание электрических контактов на неровных и шероховатых поверхностях представляет собой значительную научно-техническую проблему. Достижения в области лазерного отжига, полученные авторами работ [6–8], продемонстрировали высокий потенциал метода в преодолении этой проблемы при формировании высококачественных омических контактов. Например, было показано, что импульсный лазерный отжиг эффективно создает такие контакты на GaN-транзисторах с высокой подвижностью электронов, даже несмотря на шероховатость поверхности, возникающую в процессе термической металлизации [8]. Эта эффективность связана с нетермической природой лазерного отжига, что минимизирует взаимодиффузию металлов – распространенный недостаток традиционных методов обработки, которые могут приводить к образованию шероховатой морфологии поверхности. Дальнейшие исследования подтвердили эффективность лазерного отжига в формировании омических контактов на основе никеля на n-типе 4H–SiC с учетом особенностей поверхности подложки [9].
Возможность обработки лицевой стороны устройств перед созданием контактов на тыльной стороне значительно улучшает общий процесс изготовления. Кроме того, исследования механизмов лазерного отжига выявили его влияние на морфологию поверхности и снижение контактного сопротивления за счет смешивания металлических слоев [10]. ЛИПП превращается в промышленную технологию создания омических контактов, что уже было продемонстрировано в производстве кремниевых солнечных элементов[11].
Прямой лазерный перенос алюминия на кремниевые подложки имеет важное технологическое значение для эффективного формирования электрических контактов, в первую очередь за счет лазерно-индуцированного плавления алюминиевого слоя, что облегчает его диффузию в кремниевую подложку. Микросекундные лазерные импульсы создают эффективные электрические контакты между алюминием и кремниевой пластиной, минуя необходимость высокотемпературной обработки, тем самым повышая производительность производства и снижая риск повреждения пластин [12]. Динамика температурных полей и скоростей во время лазерной обработки может существенно влиять на геометрию и электрические свойства контакта, поэтому важно контролировать рабочие параметры лазерного режима [13]. Взаимодействие между алюминием и кремнием во время лазерного переноса характеризуется алюминиево-индуцированным обменом слоями, что позволяет кристаллизовать аморфный кремний и формировать омические контакты при более низких температурах, чем обычные методы [14]. Однако, несмотря на преимущества технологий лазерной обработки, проблемы остаются. Неравномерное осаждение алюминия на полупроводниковые подложки может привести к неравномерному формированию контакта, что приведет к изменениям электрических свойств в области контакта. Кроме того, тепловые эффекты от лазерных импульсов могут вызывать дефекты в кремниевой подложке, потенциально нарушая целостность омических контактов и увеличивая величину сопротивления контакта [15, 16]. Риск окисления алюминия во время процесса переноса еще больше усложняет функциональные характеристики контактов.
В данной статье приведены результаты исследования процесса нанесения проводящего слоя алюминия на кремний с использованием метода лазерно-индуцированного прямого переноса с донорной подложки. Было изучено влияние расстояния между донорной и акцепторной подложками на сопротивление образуемого контакта и параметров лазерного излучения, в том числе влияние количества импульсов, экспонировавших одну точку поверхности (ppd, от англ. pulses per dot). Это позволило выбрать оптимальный режим для достижения минимальной величины контактного сопротивления. Топография поверхности и химический состав исследовали с применением методов сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, а также энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Электрические свойства контактов анализировались на основе вольтамперных характеристик, полученных с использованием регулируемого источника постоянного тока.
Методы и материалы
Для формирования омических контактов на поверхности акцепторной кремниевой подложки был использован метод лазерно-индуцированного переноса металла с донорной подложки. Для реализации процесса переноса (рис. 1) использовали лазерную установку HTF MARK (производство ОКБ «Булат», Зеленоград, Россия) с волоконным иттербиевым лазером с лазерными импульсами длительностью 120 нс и центральной длиной волны 1 064 нм. Максимальная энергия в импульсе составляла 1 мДж в режиме TEM00, а частота повторения импульсов могла варьироваться в диапазоне от f = 20 до 80 кГц. Для фокусировки и сканирования поверхности лазерным излучением использовался гальванометрический двухзеркальный сканатор, оснащенный F-θ-объективом с фокусным расстоянием 160 мм. Диаметр сфокусированного гауссова лазерного пучка составлял порядка 50 мкм по уровню 1 / e2 от его максимальной интенсивности. Такой подход обеспечил необходимую концентрацию энергии на поверхности подложки, что является критически важным условием для успешного формирования омических контактов с заданными электрическими характеристиками.
В качестве донорной подложки использовалось предметное стекло Levenhuk G100, на которое была нанесена металлическая пленка алюминия толщиной 250 нм методом магнетронного распыления. Акцепторной подложкой служила плоскопараллельная пластинка монокристаллического p-типа кремния с кристаллографической ориентацией <100>, удельное сопротивление которой составляло 20 Ом · см, а толщина – 350 мкм. При формировании омических контактов донорная пленка была ориентирована к акцепторной подложке и размещалась в горизонтальном положении на расстоянии от 20 до 60 мкм друг от друга.
Лазерно-индуцированный перенос металлической донорной пленки на акцепторную кремниевую подложку осуществлялся в одноимпульсном режиме при скорости сканирования излучения по донорной подложке 1 000 мм / с и частоте следования лазерных импульсов 20 кГц. Расчетный размер светового пятна в плоскости фокусировки составил 50 мкм по уровню 1 / e2 при длине перетяжки 2,8 мм. Плотность энергии во время сканирования лазерного излучения в латеральной плоскости донорной пленки варьировалась от 5 до 45 Дж / см2. Размер формируемых областей составлял 1 × 1 мм2, а расстояние между ними – 3 мм, как показано на рис. 2a. Отметим, что перед формированием омических контактов поверхность акцепторной кремниевой подложки не подвергалась стандартному четырехступенчатому процессу очистки кремниевых пластин [17].
Анализ изменения размеров кратеров проводился с использованием функциональной зависимости квадрата радиуса от логарифма энергии лазерного импульса: R2 = f (ln E). Линейная аппроксимация зависимостей, представленных на рис. 4, позволяет определить радиус пятна в фокусе (по уровню 1 / e2) и пороговое значение энергии для образования порога абляции при заданной фокусировке. Таким образом можно оценить значение пороговой плотности энергии (флюенса) абляции. Результаты расчетов и аппроксимации приведены на рис. 2b [18].
Топография поверхности и химический состав омических контактов, полученных на поверхности акцепторной кремниевой подложки, анализировали с использованием сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на оборудовании Vega Tescan (Чехия). Для проведения энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДРС) был использован модуль Aztec One (Xplore) фирмы Oxford Instruments (Великобритания). Исследования проводились при ускоряющем напряжении 5 кэВ [19]. Электрические свойства контактов анализировались на основе вольтамперных характеристик с применением регулируемого источника постоянного тока номиналом 0,5, 5, 10, 100 мкА и 1 мА. В качестве измерительных приборов использовался высокопроизводительный цифровой мультиметр модели 34470A компании Keysight, который применялся в схеме как микроамперметр и микровольтметр, а также шестидекадный магазин сопротивлений с диапазоном воспроизводимого сопротивления от 100 мОм до 99,9 кОм.
Проведение эксперимента
Исследование химического состава и сплошности переноса полученных омических контактов проводили с использованием СЭМ (рис. 3) и анализа спектров, полученных методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДРС). Данные спектры снимались с области одного из контактов размерами 1×1 мм2 в рамках каждой серии экспериментов. В соответствии с ранее указанными параметрами, расчетная глубина проникновения излучения составляет порядка 100 мкм. Данная величина соответствует глубине проникновения рентгеновского излучения в кремний при величине ускоряющего напряжения 5 кэВ. На спектрах ЭДРС были выделены характерные пики, подтверждающие наличие исследуемых химических элементов, на основе которых были построены 2D-карта, соответствующие расположению выбранных элементов по анализируемой поверхности акцепторной кремниевой подложке: Si (рис. 4а), Al (рис. 4с), кислород O (рис. 4e) и углерод C (рис. 4g). Последние два элемента были выбраны в качестве побочных продуктов горения.
В дальнейшем при плотности энергии 15,3 Дж/см2 исследовалась зависимость концентрации переносимого с помощью ЛИПП-технологии металла и сопротивления контактов в зависимости от расстояния между донорной и акцепторной подложками. На рис. 4b, d, f, h представлены результаты анализа спектров ЭДРС по каждому химическому элементу, контролируемому во время исследования, из которых следует, что с увеличением расстояния между подложками и с увеличением количества импульсов, экспонировавшихся одну точку поверхности (ppd) концентрация Si растет (рис. 4b). В первом случае это напрямую связано с тем, что количество переносимого материала становится меньше из-за того, что он распыляется на таком расстояние. Во-втором случае это связано с избыточной энергией, которая вкладывается в акцепторную подложку, в результате перенесенный металл из-за его малой толщины начинает расплавляться, а затем и вовсе испарятся. Этот факт подтверждают данные, представленные на рис. 4d. При этом формируемая в области фокусировки плазма не дает доступ кислорода к области взаимодействия лазерного излучения и Si. В связи с этим концентрация кислорода с увеличением количества импульсов в точку поверхности (ppd) снижается (рис. 4f).
После того, как было определено оптимальное расстояние между акцепторной и донорной подложками, которое составило 20 мкм, были исследованы зависимости результатов одноимпульсного лазерно-индуцированный переноса Al на подложку Si (при создании омических контактов) от плотности энергии. Анализ рентгеновских спектров кремниевой подложки-акцептора в условиях формирования омических контактов демонстрирует ключевую информацию о материалах при различных плотностях энергии (рис. 5).
Концентрация Si остается стабильной на уровне около 36,6%, что указывает на сохранение целостности подложки в условиях изменений плотности энергии. В то же время наблюдается заметное снижение концентрации алюминия, что связано с экспоненциальным характером зависимости концентрации от плотности энергии: более высокие значения плотности приводят к усилению абляции алюминиевого слоя и, соответственно, к меньшему переносу материала Al на кремниевую подложку. Эти данные подтверждает рис. 4а, демонстрирующий степень удаления с подложки поверхностного материала. Помимо этого наблюдается увеличение концентрации углерода C и других побочных продуктов, что объясняется превышением порога абляции алюминиевой пленки. Избыточная энергия лазерного импульса не только облегчает отделение алюминия, но и способствует его испарению во время переноса, что уменьшает его концентрацию на акцепторной подложке. Повышенные скорости процессов абляции и испарения также ведут к увеличению шероховатости поверхности подложки, что может негативно сказаться на электрических свойствах омических контактов. Таким образом, связь между плотностью энергии, процессом переноса материала и морфологией поверхности является критически важной для оптимизации характеристик омических контактов.
Также данные по анализу ЭДРС-спектров хорошо коррелируют с результатами измерения сопротивления полученных омических контактов. Представленные на рис. 6 результаты пропорциональны концентрации Al на акцепторной подложке. Наилучший показатель величины омического сопротивления был достигнут при расстоянии между контактами 20 мкм. При этом, начиная с 10 ppd (импульсов, экспонировавших одну точку поверхности), сопротивление контакта практически не изменяется. Это означает, что энергия импульсов, которая не тратится на перенос донорного металла на акцепторную подложку, расходуется на отжиг полученного Al-контакта.
Результаты и обсуждение
На основе усредненных данных, полученных в результате десяти экспериментов, можно сделать вывод, что с увеличением плотности энергии наблюдается рост сопротивления между исследуемыми областями. При этом увеличивается дисперсия полученных результатов, которая варьируется от 0,5% до 5,37%. Данные изменения можно объяснить, прежде всего, снижением количества металла, переносимого с донорной подложки на акцепторную, что способствует большему сохранению поверхностного слоя природного оксида в процессе лазерно-индуцированного переноса. Во-вторых, это связано с увеличением коэффициента шероховатости акцепторной подложки. Несмотря на то, что с увеличением плотности энергии уменьшается концентрация алюминия, процентное содержание кислорода сохраняется на уровне 26,4% на протяжении всего исследуемого диапазона. При этом вольтамперная характеристика омических контактов алюминия по подложке Si является линейной и симметричной, что показано на рис. 7.
Выводы
В данной работе исследованы химические, структурные и электрические характеристики алюминиевых контактов, сформированных на кремниевых подложках с использованием метода лазерно-индуцированного переноса. В результате систематической серии экспериментов были выбраны оптимальные параметры обработки, среди которых выделяется плотность энергии F = 15 Дж/см2 в режиме одного импульса, экспонируемого в область контакта. При используемой конфигурации схемы эксперимента концентрация алюминия достигла уровня 18,6% и обеспечила минимальное значение контактного сопротивления 439 ± 4 Ом. Метод лазерно-индуцированного переноса обладает заметными преимуществами по сравнению с традиционными методами, поскольку исключает необходимость выполнения стандартной четырехэтапной процедуры очистки, обычно включающей погружение в плавиковую кислоту для удаления слоя оксида кремния. Данное упрощение не только оптимизирует процесс формирования контакта, но и повышает эффективность создания омических контактов.
Результаты нашего исследования демонстрируют высокий потенциал применения метода лазерно-индуцированного переноса в процессах создания контактов алюминий-кремний для промышленных электронных приложений на основе кремния. Возможность получения высококачественных контактов при исключении этапов сложной процедуры очистки поверхности превращает этот метод в жизнеспособную альтернативу для области полупроводниковых технологий.
Финансирование
Результаты получены в рамках государственного задания № FSFN‑2024-0019 по соглашению с Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.
REFERENCES
Serra P., Piqué, A. Laser-Induced Forward Transfer: Fundamentals and Applications. Advanced Materials Technologies. 2018; 4(1): 1800099. DOI: 10.1002/admt.201800099.
Morales M., Munoz-Martin D., Marquez A., Lauzurica S., Molpeceres C. Advances in Laser Materials Processing in Laser-Induced Forward Transfer. Techniques and Applications. 2018; 339–379. DOI: 10.1016/B978‑0‑08‑101252‑9.00013‑3.
Kovalev M. S., Podlesnykh I. M., Pevchikh K. E., Kudryashov S. I. Near-Infrared Planar Photonics Based on Hyperdoped Silicon: Prospect. Photonics Russia. 2024; 2: 136–151. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2024.18.2.136.151.
Ковалев М. С., Подлесных И. М., Певчих К. Э., Кудряшов С. И. Планарная фотоника ближнего инфракрасного диапазона на основе сверхлегированного кремния: перспективы. Фотоника. 2024; 2: 136–151. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2024.18.2.136.151.
Manickam S., Wang, J., Huang, C. Laser–material interaction and grooving performance in ultrafast laser ablation of crystalline germanium under ambient conditions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2013; 227(11): 1714–1723. DOI:10.1177/0954405413492322.
Nastulyavichus A. А., Kudryashov S. I., Smirnov N. А. et al. Selection of regimes for one-step high-throughput laser printing of silver conducting lines on silicon by forward laser transfer. Journal of optical technology. 2024; 91 (2): 99–111. (In Russ.). DOI: 10.17586/1023‑5086‑2024‑91‑02‑99‑111.
Настулявичус А. А., Кудряшов С. И., Смирнов Н. А. [и др.] Выбор режимов одностадийной высокопроизводительной печати серебряных проводящих дорожек на поверхности кремния методом лазерного переноса. Оптический журнал. 2024; 91 (2): 99–111. DOI: 10.17586/1023‑5086‑2024‑91‑02‑99‑111.
Zacharatos F., Karvounis P., Theodorakos I., Hatziapostolou A., Zergioti I. Single Step Laser Transfer and Laser Curing of Ag NanoWires: A Digital Process for the Fabrication of Flexible and Transparent Microelectrodes. Materials (Basel). 2018; 11(6):1036. DOI: 10.3390/ma11061036.
Mehrpouya M., Emamian S. Recent advantages in laser fabrication of micro-channel heat exchangers. Materialwissenschaft Und Werkstofftechnik. 2017; 48(3–4): 205–209. DOI:10.1002/mawe.201600759.
Tzou A.-J., Hsieh D.-H., Chen S.-H., Li Z.-Y., Chang C.-Y., Kuo H.-C. Non-thermal alloyed ohmic contact process of GaN-based HEMTs by pulsed laser annealing. Semiconductor Science and Technology. 2016; 31(5): 055003. DOI: 10.1088/0268‑1242/31/5/055003.
S. Rascunà, P. Badalà, C. Tringali, C. Bongiorno, E. Smecca, A. Alberti, S. Di Franco, F. Giannazzo, G. Greco, F. Roccaforte, M. Saggio. Morphological and electrical properties of Nickel based Ohmic contacts formed by laser annealing process on n-type 4H-SiC. Materials Science in Semiconductor Processing. 2019, 97: 62–66. DOI: 10.1016/j.mssp.2019.02.031.
Hou M., Xie G., Sheng K. Mechanism of Ti/Al/Ni/Au ohmic contacts to AlGaN/GaN heterostructures via laser annealing. Chinese Physics B. 2019; 28(3): 037302. DOI:10.1088/1674‑1056/28/3/037302.
Wang L., Carlson D., Gupta M. Silicon solar cells based on all-laser-transferred contacts. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2015; 23: 61–68. DOI: 10.1002/pip.2395.
Raghavan A. S., Palmer T. A., Kragh-Buetow K. C., Domask A. C., Reutzel E. W., Mohney S. E., DebRoy T. Employing microsecond pulses to form laser-fired contacts in photovoltaic devices. Progress in photovoltaics. 2015; 23 (8): 1025–1036. DOI:0.1002/pip.2523.
Raghavan A., Palmer T. A., DebRoy T. Evolution of laser-fired aluminum-silicon contact geometry in photovoltaic devices. Journal of Applied Physics. 2012; 111(2): 024903. DOI:10.1063/1.3675442.
Schneider J., Sarikov A., Klein J., Muske M., Sieber I., Quinn T., Reehal H. S., Gall S., Fuhs W. A simple model explaining the preferential (100) orientation of silicon thin films made by aluminum-induced layer exchange. Journal of Crystal Growth. 2006; 287 (2): 423–427. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2005.11.057.
Ghorbanzadeh A. M., Barzan M. Improvement of Nd: YAG laser efficiency by long lifetime dye doped ORMOSILs. Laser Physics. 2013; 23(3): 035005. DOI: 10.1088/1054‑660x/23/3/035005.
Farid N., Brunton A., Rumsby P., Monaghan S., Duffy R., Hurley P., O’Connor G. M. Femtosecond Laser-Induced Crystallization of Amorphous Silicon Thin Films under a Thin Molybdenum Layer. ACS Applied Materials & Interfaces. 2021; 13(31): 37797–37808. DOI: 10.1021/acsami.1c07083.
Kudryashov S., Nastulyavichus A., Krasin G. K., Khamidullin K., Boldyrev K. N., Kirilenko D., Yachmenev A., Ponomarev D. S., Komandin G., Lebedev S., Prikhodko D., Kovalev M. CMOS-compatible direct laser writing of sulfur-ultrahyperdoped silicon: Breakthrough pre-requisite for UV-THz optoelectronic nano/microintegration. Optics and Laser Technology. 2023; 158: 108873. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108873.
Danilov P. A., Ionin A. A., Kudryashov S. I., Rudenko A. A. et al. Femtosecond laser ablation of thin silver films in air and water under tight focusing. Optical Materials Express. 2020; 10 (10): 2717–2722. DOI: 10.1364/OME.406054.
Podlesnykh I. M. et al. Enhanced broadband IR absorption and electrical characteristics of silicon variably hyperdoped by sulfur (1018–1021 cm‑3) by ion implantation/pulsed laser annealing. Materials Science in Semiconductor Processing. 2024; 184: 108830. DOI:10.1016/j.mssp.2024.108830.
АВТОРЫ
Ковалев М. С., к. т. н., с. н. с., ФГБУН Физический институт имени П. Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН им. П. Н. Лебедева), e-mail: kovalevms@lebedev.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-5074-0718
Сцепуро Н. Г., м. н. с. ФИАН им. П. Н. Лебедева, старший преподаватель ФГАОУ ВО Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет (МГТУ им. Н. Э. Баумана), Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-8383-7396
Ултургашева Е. В., м. н. с., ФИАН им. П. Н. Лебедева, м. н. с. МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
Кудряшов С. И., д. ф.‑ м. н., в. н. с. ФИАН им. П. Н. Лебедева, в. н. с. МГТУ им. Н. Э. Баумана.
ORCID: 0000-0001-6657-2739
АВТОРСКИЙ ВКЛАД
Ковалев М. С.: идея постановки работы; Сцепуро Н. Г.: обработка результатов; Ултургашева Е. В.: предложения и замечания; Кудряшов С. И.: организация работы.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов в авторском коллективе. Предложения и замечания, поступившие в ходе работы, приняты всеми авторами.
М. С. Ковалев 1, Н. Г. Сцепуро 1, 2, Е. В. Ултургашева 1, 2, С. И. Кудряшов 1, 2
Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН, Москва, Россия
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет), Москва, Россия
В статье исследованы алюминиевые контакты на кремниевых подложках, созданные методом лазерно-индуцированного переноса. Установлено, что при одноимпульсном режиме экспонирования в точку поверхности и плотности энергии 15 Дж / см2 достигается концентрация алюминия 18,6% и минимальное контактное сопротивление 439 ± 4 Ом. Метод упрощает процесс формирования контакта и исключает необходимость в сложной очистке, что делает его перспективным для будущих электронных приложений на основе кремния.
Ключевые слова: кремний, омические контакты, лазерно-индуцированный прямой перенос (ПИПП), прямая лазерная запись, оптоэлектроника
Статья получена: 24.12.2024
Статья принята: 25.05.2025
Введение
Технология лазерно-индуцированного прямого переноса (ЛИПП) функциональных материалов является одной из ключевых в области микроэлектроники [1–3]. Она основывается на использовании сверхкоротких лазерных импульсов для переноса вещества и создания проводящих каналов на различных подложках, включая кремний, полимеры и керамику. Данный метод характеризуется высокой точностью, что позволяет изготавливать компоненты мелких масштабов со сложной геометрией, а также универсальностью применения [4, 5]. Локализованный характер процесса минимизирует зону термического воздействия в пределах 100 нм [6, 7], проявляя существенное улучшением по сравнению с традиционными лазерными технологиями. Столь небольшая зона термического влияния имеет ключевое значение, поскольку она способствует сохранению целостности чувствительных материалов подложки и тем самым снижает риск повреждения, которое может негативно сказаться на электронных характеристиках устройств.
Неровности поверхности материалов, используемых в технологиях электроники, могут негативно повлиять на электрические характеристики и надежность устройств, создаваемых ЛИПП-методом. Поэтому создание электрических контактов на неровных и шероховатых поверхностях представляет собой значительную научно-техническую проблему. Достижения в области лазерного отжига, полученные авторами работ [6–8], продемонстрировали высокий потенциал метода в преодолении этой проблемы при формировании высококачественных омических контактов. Например, было показано, что импульсный лазерный отжиг эффективно создает такие контакты на GaN-транзисторах с высокой подвижностью электронов, даже несмотря на шероховатость поверхности, возникающую в процессе термической металлизации [8]. Эта эффективность связана с нетермической природой лазерного отжига, что минимизирует взаимодиффузию металлов – распространенный недостаток традиционных методов обработки, которые могут приводить к образованию шероховатой морфологии поверхности. Дальнейшие исследования подтвердили эффективность лазерного отжига в формировании омических контактов на основе никеля на n-типе 4H–SiC с учетом особенностей поверхности подложки [9].
Возможность обработки лицевой стороны устройств перед созданием контактов на тыльной стороне значительно улучшает общий процесс изготовления. Кроме того, исследования механизмов лазерного отжига выявили его влияние на морфологию поверхности и снижение контактного сопротивления за счет смешивания металлических слоев [10]. ЛИПП превращается в промышленную технологию создания омических контактов, что уже было продемонстрировано в производстве кремниевых солнечных элементов[11].
Прямой лазерный перенос алюминия на кремниевые подложки имеет важное технологическое значение для эффективного формирования электрических контактов, в первую очередь за счет лазерно-индуцированного плавления алюминиевого слоя, что облегчает его диффузию в кремниевую подложку. Микросекундные лазерные импульсы создают эффективные электрические контакты между алюминием и кремниевой пластиной, минуя необходимость высокотемпературной обработки, тем самым повышая производительность производства и снижая риск повреждения пластин [12]. Динамика температурных полей и скоростей во время лазерной обработки может существенно влиять на геометрию и электрические свойства контакта, поэтому важно контролировать рабочие параметры лазерного режима [13]. Взаимодействие между алюминием и кремнием во время лазерного переноса характеризуется алюминиево-индуцированным обменом слоями, что позволяет кристаллизовать аморфный кремний и формировать омические контакты при более низких температурах, чем обычные методы [14]. Однако, несмотря на преимущества технологий лазерной обработки, проблемы остаются. Неравномерное осаждение алюминия на полупроводниковые подложки может привести к неравномерному формированию контакта, что приведет к изменениям электрических свойств в области контакта. Кроме того, тепловые эффекты от лазерных импульсов могут вызывать дефекты в кремниевой подложке, потенциально нарушая целостность омических контактов и увеличивая величину сопротивления контакта [15, 16]. Риск окисления алюминия во время процесса переноса еще больше усложняет функциональные характеристики контактов.
В данной статье приведены результаты исследования процесса нанесения проводящего слоя алюминия на кремний с использованием метода лазерно-индуцированного прямого переноса с донорной подложки. Было изучено влияние расстояния между донорной и акцепторной подложками на сопротивление образуемого контакта и параметров лазерного излучения, в том числе влияние количества импульсов, экспонировавших одну точку поверхности (ppd, от англ. pulses per dot). Это позволило выбрать оптимальный режим для достижения минимальной величины контактного сопротивления. Топография поверхности и химический состав исследовали с применением методов сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, а также энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Электрические свойства контактов анализировались на основе вольтамперных характеристик, полученных с использованием регулируемого источника постоянного тока.
Методы и материалы
Для формирования омических контактов на поверхности акцепторной кремниевой подложки был использован метод лазерно-индуцированного переноса металла с донорной подложки. Для реализации процесса переноса (рис. 1) использовали лазерную установку HTF MARK (производство ОКБ «Булат», Зеленоград, Россия) с волоконным иттербиевым лазером с лазерными импульсами длительностью 120 нс и центральной длиной волны 1 064 нм. Максимальная энергия в импульсе составляла 1 мДж в режиме TEM00, а частота повторения импульсов могла варьироваться в диапазоне от f = 20 до 80 кГц. Для фокусировки и сканирования поверхности лазерным излучением использовался гальванометрический двухзеркальный сканатор, оснащенный F-θ-объективом с фокусным расстоянием 160 мм. Диаметр сфокусированного гауссова лазерного пучка составлял порядка 50 мкм по уровню 1 / e2 от его максимальной интенсивности. Такой подход обеспечил необходимую концентрацию энергии на поверхности подложки, что является критически важным условием для успешного формирования омических контактов с заданными электрическими характеристиками.
В качестве донорной подложки использовалось предметное стекло Levenhuk G100, на которое была нанесена металлическая пленка алюминия толщиной 250 нм методом магнетронного распыления. Акцепторной подложкой служила плоскопараллельная пластинка монокристаллического p-типа кремния с кристаллографической ориентацией <100>, удельное сопротивление которой составляло 20 Ом · см, а толщина – 350 мкм. При формировании омических контактов донорная пленка была ориентирована к акцепторной подложке и размещалась в горизонтальном положении на расстоянии от 20 до 60 мкм друг от друга.
Лазерно-индуцированный перенос металлической донорной пленки на акцепторную кремниевую подложку осуществлялся в одноимпульсном режиме при скорости сканирования излучения по донорной подложке 1 000 мм / с и частоте следования лазерных импульсов 20 кГц. Расчетный размер светового пятна в плоскости фокусировки составил 50 мкм по уровню 1 / e2 при длине перетяжки 2,8 мм. Плотность энергии во время сканирования лазерного излучения в латеральной плоскости донорной пленки варьировалась от 5 до 45 Дж / см2. Размер формируемых областей составлял 1 × 1 мм2, а расстояние между ними – 3 мм, как показано на рис. 2a. Отметим, что перед формированием омических контактов поверхность акцепторной кремниевой подложки не подвергалась стандартному четырехступенчатому процессу очистки кремниевых пластин [17].
Анализ изменения размеров кратеров проводился с использованием функциональной зависимости квадрата радиуса от логарифма энергии лазерного импульса: R2 = f (ln E). Линейная аппроксимация зависимостей, представленных на рис. 4, позволяет определить радиус пятна в фокусе (по уровню 1 / e2) и пороговое значение энергии для образования порога абляции при заданной фокусировке. Таким образом можно оценить значение пороговой плотности энергии (флюенса) абляции. Результаты расчетов и аппроксимации приведены на рис. 2b [18].
Топография поверхности и химический состав омических контактов, полученных на поверхности акцепторной кремниевой подложки, анализировали с использованием сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на оборудовании Vega Tescan (Чехия). Для проведения энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДРС) был использован модуль Aztec One (Xplore) фирмы Oxford Instruments (Великобритания). Исследования проводились при ускоряющем напряжении 5 кэВ [19]. Электрические свойства контактов анализировались на основе вольтамперных характеристик с применением регулируемого источника постоянного тока номиналом 0,5, 5, 10, 100 мкА и 1 мА. В качестве измерительных приборов использовался высокопроизводительный цифровой мультиметр модели 34470A компании Keysight, который применялся в схеме как микроамперметр и микровольтметр, а также шестидекадный магазин сопротивлений с диапазоном воспроизводимого сопротивления от 100 мОм до 99,9 кОм.
Проведение эксперимента
Исследование химического состава и сплошности переноса полученных омических контактов проводили с использованием СЭМ (рис. 3) и анализа спектров, полученных методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДРС). Данные спектры снимались с области одного из контактов размерами 1×1 мм2 в рамках каждой серии экспериментов. В соответствии с ранее указанными параметрами, расчетная глубина проникновения излучения составляет порядка 100 мкм. Данная величина соответствует глубине проникновения рентгеновского излучения в кремний при величине ускоряющего напряжения 5 кэВ. На спектрах ЭДРС были выделены характерные пики, подтверждающие наличие исследуемых химических элементов, на основе которых были построены 2D-карта, соответствующие расположению выбранных элементов по анализируемой поверхности акцепторной кремниевой подложке: Si (рис. 4а), Al (рис. 4с), кислород O (рис. 4e) и углерод C (рис. 4g). Последние два элемента были выбраны в качестве побочных продуктов горения.
В дальнейшем при плотности энергии 15,3 Дж/см2 исследовалась зависимость концентрации переносимого с помощью ЛИПП-технологии металла и сопротивления контактов в зависимости от расстояния между донорной и акцепторной подложками. На рис. 4b, d, f, h представлены результаты анализа спектров ЭДРС по каждому химическому элементу, контролируемому во время исследования, из которых следует, что с увеличением расстояния между подложками и с увеличением количества импульсов, экспонировавшихся одну точку поверхности (ppd) концентрация Si растет (рис. 4b). В первом случае это напрямую связано с тем, что количество переносимого материала становится меньше из-за того, что он распыляется на таком расстояние. Во-втором случае это связано с избыточной энергией, которая вкладывается в акцепторную подложку, в результате перенесенный металл из-за его малой толщины начинает расплавляться, а затем и вовсе испарятся. Этот факт подтверждают данные, представленные на рис. 4d. При этом формируемая в области фокусировки плазма не дает доступ кислорода к области взаимодействия лазерного излучения и Si. В связи с этим концентрация кислорода с увеличением количества импульсов в точку поверхности (ppd) снижается (рис. 4f).
После того, как было определено оптимальное расстояние между акцепторной и донорной подложками, которое составило 20 мкм, были исследованы зависимости результатов одноимпульсного лазерно-индуцированный переноса Al на подложку Si (при создании омических контактов) от плотности энергии. Анализ рентгеновских спектров кремниевой подложки-акцептора в условиях формирования омических контактов демонстрирует ключевую информацию о материалах при различных плотностях энергии (рис. 5).
Концентрация Si остается стабильной на уровне около 36,6%, что указывает на сохранение целостности подложки в условиях изменений плотности энергии. В то же время наблюдается заметное снижение концентрации алюминия, что связано с экспоненциальным характером зависимости концентрации от плотности энергии: более высокие значения плотности приводят к усилению абляции алюминиевого слоя и, соответственно, к меньшему переносу материала Al на кремниевую подложку. Эти данные подтверждает рис. 4а, демонстрирующий степень удаления с подложки поверхностного материала. Помимо этого наблюдается увеличение концентрации углерода C и других побочных продуктов, что объясняется превышением порога абляции алюминиевой пленки. Избыточная энергия лазерного импульса не только облегчает отделение алюминия, но и способствует его испарению во время переноса, что уменьшает его концентрацию на акцепторной подложке. Повышенные скорости процессов абляции и испарения также ведут к увеличению шероховатости поверхности подложки, что может негативно сказаться на электрических свойствах омических контактов. Таким образом, связь между плотностью энергии, процессом переноса материала и морфологией поверхности является критически важной для оптимизации характеристик омических контактов.
Также данные по анализу ЭДРС-спектров хорошо коррелируют с результатами измерения сопротивления полученных омических контактов. Представленные на рис. 6 результаты пропорциональны концентрации Al на акцепторной подложке. Наилучший показатель величины омического сопротивления был достигнут при расстоянии между контактами 20 мкм. При этом, начиная с 10 ppd (импульсов, экспонировавших одну точку поверхности), сопротивление контакта практически не изменяется. Это означает, что энергия импульсов, которая не тратится на перенос донорного металла на акцепторную подложку, расходуется на отжиг полученного Al-контакта.
Результаты и обсуждение
На основе усредненных данных, полученных в результате десяти экспериментов, можно сделать вывод, что с увеличением плотности энергии наблюдается рост сопротивления между исследуемыми областями. При этом увеличивается дисперсия полученных результатов, которая варьируется от 0,5% до 5,37%. Данные изменения можно объяснить, прежде всего, снижением количества металла, переносимого с донорной подложки на акцепторную, что способствует большему сохранению поверхностного слоя природного оксида в процессе лазерно-индуцированного переноса. Во-вторых, это связано с увеличением коэффициента шероховатости акцепторной подложки. Несмотря на то, что с увеличением плотности энергии уменьшается концентрация алюминия, процентное содержание кислорода сохраняется на уровне 26,4% на протяжении всего исследуемого диапазона. При этом вольтамперная характеристика омических контактов алюминия по подложке Si является линейной и симметричной, что показано на рис. 7.
Выводы
В данной работе исследованы химические, структурные и электрические характеристики алюминиевых контактов, сформированных на кремниевых подложках с использованием метода лазерно-индуцированного переноса. В результате систематической серии экспериментов были выбраны оптимальные параметры обработки, среди которых выделяется плотность энергии F = 15 Дж/см2 в режиме одного импульса, экспонируемого в область контакта. При используемой конфигурации схемы эксперимента концентрация алюминия достигла уровня 18,6% и обеспечила минимальное значение контактного сопротивления 439 ± 4 Ом. Метод лазерно-индуцированного переноса обладает заметными преимуществами по сравнению с традиционными методами, поскольку исключает необходимость выполнения стандартной четырехэтапной процедуры очистки, обычно включающей погружение в плавиковую кислоту для удаления слоя оксида кремния. Данное упрощение не только оптимизирует процесс формирования контакта, но и повышает эффективность создания омических контактов.
Результаты нашего исследования демонстрируют высокий потенциал применения метода лазерно-индуцированного переноса в процессах создания контактов алюминий-кремний для промышленных электронных приложений на основе кремния. Возможность получения высококачественных контактов при исключении этапов сложной процедуры очистки поверхности превращает этот метод в жизнеспособную альтернативу для области полупроводниковых технологий.
Финансирование
Результаты получены в рамках государственного задания № FSFN‑2024-0019 по соглашению с Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.
REFERENCES
Serra P., Piqué, A. Laser-Induced Forward Transfer: Fundamentals and Applications. Advanced Materials Technologies. 2018; 4(1): 1800099. DOI: 10.1002/admt.201800099.
Morales M., Munoz-Martin D., Marquez A., Lauzurica S., Molpeceres C. Advances in Laser Materials Processing in Laser-Induced Forward Transfer. Techniques and Applications. 2018; 339–379. DOI: 10.1016/B978‑0‑08‑101252‑9.00013‑3.
Kovalev M. S., Podlesnykh I. M., Pevchikh K. E., Kudryashov S. I. Near-Infrared Planar Photonics Based on Hyperdoped Silicon: Prospect. Photonics Russia. 2024; 2: 136–151. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2024.18.2.136.151.
Ковалев М. С., Подлесных И. М., Певчих К. Э., Кудряшов С. И. Планарная фотоника ближнего инфракрасного диапазона на основе сверхлегированного кремния: перспективы. Фотоника. 2024; 2: 136–151. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2024.18.2.136.151.
Manickam S., Wang, J., Huang, C. Laser–material interaction and grooving performance in ultrafast laser ablation of crystalline germanium under ambient conditions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2013; 227(11): 1714–1723. DOI:10.1177/0954405413492322.
Nastulyavichus A. А., Kudryashov S. I., Smirnov N. А. et al. Selection of regimes for one-step high-throughput laser printing of silver conducting lines on silicon by forward laser transfer. Journal of optical technology. 2024; 91 (2): 99–111. (In Russ.). DOI: 10.17586/1023‑5086‑2024‑91‑02‑99‑111.
Настулявичус А. А., Кудряшов С. И., Смирнов Н. А. [и др.] Выбор режимов одностадийной высокопроизводительной печати серебряных проводящих дорожек на поверхности кремния методом лазерного переноса. Оптический журнал. 2024; 91 (2): 99–111. DOI: 10.17586/1023‑5086‑2024‑91‑02‑99‑111.
Zacharatos F., Karvounis P., Theodorakos I., Hatziapostolou A., Zergioti I. Single Step Laser Transfer and Laser Curing of Ag NanoWires: A Digital Process for the Fabrication of Flexible and Transparent Microelectrodes. Materials (Basel). 2018; 11(6):1036. DOI: 10.3390/ma11061036.
Mehrpouya M., Emamian S. Recent advantages in laser fabrication of micro-channel heat exchangers. Materialwissenschaft Und Werkstofftechnik. 2017; 48(3–4): 205–209. DOI:10.1002/mawe.201600759.
Tzou A.-J., Hsieh D.-H., Chen S.-H., Li Z.-Y., Chang C.-Y., Kuo H.-C. Non-thermal alloyed ohmic contact process of GaN-based HEMTs by pulsed laser annealing. Semiconductor Science and Technology. 2016; 31(5): 055003. DOI: 10.1088/0268‑1242/31/5/055003.
S. Rascunà, P. Badalà, C. Tringali, C. Bongiorno, E. Smecca, A. Alberti, S. Di Franco, F. Giannazzo, G. Greco, F. Roccaforte, M. Saggio. Morphological and electrical properties of Nickel based Ohmic contacts formed by laser annealing process on n-type 4H-SiC. Materials Science in Semiconductor Processing. 2019, 97: 62–66. DOI: 10.1016/j.mssp.2019.02.031.
Hou M., Xie G., Sheng K. Mechanism of Ti/Al/Ni/Au ohmic contacts to AlGaN/GaN heterostructures via laser annealing. Chinese Physics B. 2019; 28(3): 037302. DOI:10.1088/1674‑1056/28/3/037302.
Wang L., Carlson D., Gupta M. Silicon solar cells based on all-laser-transferred contacts. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2015; 23: 61–68. DOI: 10.1002/pip.2395.
Raghavan A. S., Palmer T. A., Kragh-Buetow K. C., Domask A. C., Reutzel E. W., Mohney S. E., DebRoy T. Employing microsecond pulses to form laser-fired contacts in photovoltaic devices. Progress in photovoltaics. 2015; 23 (8): 1025–1036. DOI:0.1002/pip.2523.
Raghavan A., Palmer T. A., DebRoy T. Evolution of laser-fired aluminum-silicon contact geometry in photovoltaic devices. Journal of Applied Physics. 2012; 111(2): 024903. DOI:10.1063/1.3675442.
Schneider J., Sarikov A., Klein J., Muske M., Sieber I., Quinn T., Reehal H. S., Gall S., Fuhs W. A simple model explaining the preferential (100) orientation of silicon thin films made by aluminum-induced layer exchange. Journal of Crystal Growth. 2006; 287 (2): 423–427. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2005.11.057.
Ghorbanzadeh A. M., Barzan M. Improvement of Nd: YAG laser efficiency by long lifetime dye doped ORMOSILs. Laser Physics. 2013; 23(3): 035005. DOI: 10.1088/1054‑660x/23/3/035005.
Farid N., Brunton A., Rumsby P., Monaghan S., Duffy R., Hurley P., O’Connor G. M. Femtosecond Laser-Induced Crystallization of Amorphous Silicon Thin Films under a Thin Molybdenum Layer. ACS Applied Materials & Interfaces. 2021; 13(31): 37797–37808. DOI: 10.1021/acsami.1c07083.
Kudryashov S., Nastulyavichus A., Krasin G. K., Khamidullin K., Boldyrev K. N., Kirilenko D., Yachmenev A., Ponomarev D. S., Komandin G., Lebedev S., Prikhodko D., Kovalev M. CMOS-compatible direct laser writing of sulfur-ultrahyperdoped silicon: Breakthrough pre-requisite for UV-THz optoelectronic nano/microintegration. Optics and Laser Technology. 2023; 158: 108873. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108873.
Danilov P. A., Ionin A. A., Kudryashov S. I., Rudenko A. A. et al. Femtosecond laser ablation of thin silver films in air and water under tight focusing. Optical Materials Express. 2020; 10 (10): 2717–2722. DOI: 10.1364/OME.406054.
Podlesnykh I. M. et al. Enhanced broadband IR absorption and electrical characteristics of silicon variably hyperdoped by sulfur (1018–1021 cm‑3) by ion implantation/pulsed laser annealing. Materials Science in Semiconductor Processing. 2024; 184: 108830. DOI:10.1016/j.mssp.2024.108830.
АВТОРЫ
Ковалев М. С., к. т. н., с. н. с., ФГБУН Физический институт имени П. Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН им. П. Н. Лебедева), e-mail: kovalevms@lebedev.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-5074-0718
Сцепуро Н. Г., м. н. с. ФИАН им. П. Н. Лебедева, старший преподаватель ФГАОУ ВО Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет (МГТУ им. Н. Э. Баумана), Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-8383-7396
Ултургашева Е. В., м. н. с., ФИАН им. П. Н. Лебедева, м. н. с. МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
Кудряшов С. И., д. ф.‑ м. н., в. н. с. ФИАН им. П. Н. Лебедева, в. н. с. МГТУ им. Н. Э. Баумана.
ORCID: 0000-0001-6657-2739
АВТОРСКИЙ ВКЛАД
Ковалев М. С.: идея постановки работы; Сцепуро Н. Г.: обработка результатов; Ултургашева Е. В.: предложения и замечания; Кудряшов С. И.: организация работы.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов в авторском коллективе. Предложения и замечания, поступившие в ходе работы, приняты всеми авторами.
Отзывы читателей
