СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГОЛОГРАММ НА КРЕМНИИ Российский патент 1998 года по МПК G03H1/04 

Изобретение относится к способам голографической записи и восстановлению волновых фронтов света и может быть применено для записи и хранения информации на полупроводниковых материалах (преимущественно на кремнии), особенно в случаях необходимости восстановления волновых фронтов света, несущих записанную информацию, в видимой и инфракрасной (ИК) области спектра.

Известен способ получения голограмм на полупроводниковых материалах, основанный на локальном изменении структурных и оптических характеристик некоторых полупроводников под воздействием лазерного излучения [1, 2]. В качестве носителей для записи оптических сигналов использовались тонкие аморфные полупроводниковые пленки.

Образцы подвергались воздействию импульсов рубинового (λ = 0.69 мкм) и неодимового (λ = 1.06 мкм) лазеров, работающих в режиме свободной генерации. Излучение лазера разделялось полупрозрачным зеркалом на два примерно равных по интенсивности пучка и направлялось на образец под необходимым углом схождения. При этом на пленке регистрировалась интерференционная решетка - голограмма поля излучения.

Однако, голограммы, полученные по известному способу, обладают малой дифракционной эффективностью. Так, при освещении решетки He-Ne лазером ЛГ-56 оказалось, что дифракционная эффективность составляла 1-4% [1].

Известен также способ получения голограмм на полупроводниковом материале [3] , являющийся наиболее близким к заявляемому и поэтому выбранный в качестве прототипа. По этому способу увеличение дифракционной эффективности полупроводниковых голограмм достигается обработкой поверхности высокоомного полупроводника путем ионного легирования электроактивными примесями.

В основу известного способа [3] положен принцип увеличения разности коэффициентов отражения в экспонированных и неэкспонированных областях фоточувствительного голограммного материала, подвергнутого воздействию лазерного излучения. От разности коэффициентов отражения зависит, как известно, контраст голографической решетки, а следовательно, КПД, то есть, дифракционная эффективность голограммы. Разность коэффициентов отражения для экспонированных и неэкспонированных областей увеличивается путем повышения концентрации свободных носителей в результате электрической активации внедренной примеси в экспонированных областях.

Технически этот способ [3] реализуется следующим образом. Высокоомный полупроводник, например, монокристаллический кремний n-типа проводимости с концентрацией электронов ≈ 10¹⁵ см^-3 после соответствующей обработки (шлифовки, полировки) имплантируют ионами электроактивной примеси, например, фосфора или сурьмы, на ионно-лучевом ускорителе ИЛУ-3. При этом температуру образца поддерживают ≤ 630^oC с тем, чтобы на поверхности кремния образовался аморфный ионно-легированный слой. Затем на этом ионно-легированном слое осуществляют запись голографической решетки (запись интерференционной картины от объектного и опорного пучков) на длине волны света в полосе поглощения полупроводника, например 1.06 мкм (неодимовый лазер). Длительность импульса лазерного излучения выбирают в наносекундном диапазоне, а интенсивность - в пределах 20-50 МВт/см². Эту интенсивность выбирают такой, чтобы она была достаточной для отжига радиационных дефектов и электрической активации внедренной примеси, но меньше порога светового разрушения полупроводника.

В местах, подвергнутых освещению (экспонированию), резко увеличивается концентрация носителей заряда (электронов) до значений ≈ 10²⁰ см^-3.

Величина коэффициента отражения изменяется наиболее резко при считывании в ИК области спектра на длинах волн, превосходящих плазменную длину волны для данного ионно-легированного слоя. Например, для длин волн ≈ 10 мкм (лазер на CO₂) разность коэффициентов отражения экспонированных и неэкспонированных областей составляет ≈ 40%. Это приводит к увеличению дифракционной эффективности голограмм, изготовленных по способу [3], по сравнению с известными аналогами [1, 2], при восстановлении в ИК диапазоне спектра.

Однако голограммы на кремнии, полученные по известному способу [3], обладают низкой дифракционной эффективностью при восстановлении в видимой области спектра, поскольку разность коэффициентов отражения экспонированных и неэкспонированных областей становится существенной только на длинах волн, превосходящих плазменную длину волны для данного ионно-легированного слоя, т. е. в ИК области спектра. Это наглядно подтверждается результатами испытаний,
Так, на фиг. 1a приведена микрофотография поверхности голограммы, изготовленной по известному способу [3]. Дифракционная картина, полученная на этой решетке при восстановлении в видимой области спектра на длине волны излучения He-Ne лазера ( (λ = 0.63 мкм) приведена на фиг. 3a. Известно, что дифракционная эффективность определяется как отношение интенсивности дифрагировавшей волны первого порядка E_1пор к интенсивности излучения, освещающего голограмму E_пад [4]. Хорошо видно, что основная интенсивность излучения заключена в нулевом максимуме (центральное пятно, на фиг. 3a).

Кроме того, полученная по известному способу [3] голограмма является амплитудной, т. е. основным механизмом, с помощью которого записанная информация переносится на восстановленное оптическое поле, является разность коэффициентов пропускания или отражения экспонированных и неэкспонированных участков поверхности полупроводников [5]. Это подтверждается фиг. 1a и 2a. Видно (фиг. 1a), что записанная на поверхности полупроводника периодическая решетка отличается различными коэффициентами отражения в экспонированных и неэкспонированных областях. На фиг. 2a приведена микрофотография этой же структуры, выполненная на интерференционном микроскопе МИИ-4. Формирование параллельных горизонтальных интерференционных полос свидетельствует о том, что на границе между экспонированными и неэкспонированными участками не образуется ступенька, т.е. на поверхности полупроводника не образуется микрорельеф (в пределах погрешности измерения на МИИ-4 ≈ 15 нм). Это означает, что при считывании этой голограммы не возникает разница оптических путей с двух участков, т. е. эта голограмма является амплитудной. При этом хорошо известно, что теоретический предел дифракционной эффективности тонкой амплитудной голограммы составляет 6.25% как при восстановлении в видимом, так и ИК-диапазоне спектра, а практически достижимые значения составляют от 1 до 2% [4,5].

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение следующего технического результата: увеличение дифракционной эффективности голограмм на кремнии при восстановлении в видимой и ИК-области спектра.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном способе получения голограмм на кремнии, заключающемся в создании методов ионной, имплантации приповерхностного аморфизованного слоя и записи интерференционной картины от объектного и опорного пучков когерентного излучения наносекундного диапазона длительностей с длиной волны в полосе поглощения аморфного полупроводника - для решения поставленной задачи - после записи интерференционной картины образец дополнительно облучают импульсом некогерентного света длительностью в интервале 0.05-4 с и плотностью мощности в интервале 3400-70 Вт/см².

На фиг. 1б к нашей заявке приведена микрофотография поверхности голограммы, изготовленной по заявляемому способу. Видно, что в отличие от голограммы изготовленной по известному способу [3] (фиг. 1а) наблюдается изменение микрорельефа на поверхности образца. Это изменение возникает в результате облучения структуры, приведенной на фиг. 1а импульсом некогерентного света. Более четко это изменение можно проследить по интерференционной микрофотографии, приведенной на фиг. 2б. Хорошо видно, что между экспонированными и неэкспонированными участками голограммы образуется ступенька. Это приводит к возникновению разницы оптических путей с двух участков при считывании голограммы. Изменение физической толщины означает, что голограмма, формируемая по заявляемому способу, является фазовой [4,5] (в отличие от голограммы, сформированной по известному способу [3], которая является амплитудной). При этом согласно данным теории фазовых голограмм [4,5] следовало ожидать существенного повышения дифракционной эффективности. Хорошо известно, что максимальная дифракционная эффективность таких голограмм ≈ 33.9% [4,5] . Действительно, если сравнить дифракционную картину, полученную на сформированных по предлагаемому нами способу (фиг. 3б) и по известному способу [3] (фиг. 3а) видно, что в нашем случае происходит заметное увеличение дифракционной эффективности. Как уже отмечалось выше, дифракционная эффективность определяется, как отношение E_1пор/E_пад. Хорошо видно, что интенсивность центрального пятна (соответствующего нулевому максимуму) по нашему способу (фиг. 36) значительно меньше, чем по известному способу [3] (фиг. 3а) за счет перераспределения интенсивности падающего излучения в соответствующие максимумы дифракции. Это приводит к существенному увеличению дифракционной эффективности по нашему способу, по сравнению с известным способом - прототипом [3]. Восстановление волновых фронтов мы проводили излучением He-Ne лазера (λ = 0.63 мкм).

Границы режима облучения импульсным некогерентным светом (τ_и = 0.05-4 с, I₀ = 3400-70 Вт/см²) определяются следующим образом.

Мы провели исследование по определению максимальной длительности импульса некогерентного света, которая еще позволяет сформировать качественную фазовую голограмму. Наши эксперименты показали, что верхний предел длительности импульса равен τ_и = 4.0 с (при плотности мощности светового импульса I₀ = 70 Вт/см²). При больших длительностях исчезает контраст оптических и теплофизических свойств экспонированных и неэкспонированных областей голограммы, и потому не формируется качественная фазовая голограмма.

Рабочий диапазон длительностей импульса некогерентного светового облучения со стороны коротких длительностей ограничен τ_и = 0.05 с (I₀ = 3400 Вт/см²), т. к. при меньших длительностях уменьшается время существования расплавленного состояния и не формируется качественный рельеф, необходимый для создания фазовой голограммы. Кроме того, при меньших длительностях возможна генерация мощных механических напряжений, приводящих к разрушению образцов.

Рассмотрим способ на конкретных примерах.

Пример 1. Монокристаллический полупроводник, например, кремний p-типа проводимости с исходной концентрацией носителей ≈ 1,5 • 10¹⁶ см^-3 после соответствующей обработки (шлифовки, химико-механической полировки) имплантируют на ускорителе ИЛУ-3 ионами с массами M > 28 у.е.м., например, фосфора для создания аморфизованного слоя. Энергию и дозу имплантации (E = 40 кэВ, D=3.12 • 10¹⁵ см^-2) выбирают из таких соображений, чтобы аморфизованный слой начинался непосредственно от поверхности образца.

Затем на этом ионно-имплантированном слое проводят запись голографической решетки на длине волны света в полосе поглощения аморфного полупроводника например 1.06 мкм (неодимовый лазер) с интенсивностью 20-50 МВт/см². При этом длительность светового импульса выбирают в наносекундном диапазоне длительностей, а плотность энергии устанавливают таким образом, чтобы она была достаточной для отжига дефектов в экспонированных областях, но ниже порога светового разрушения полупроводника.

В местах, подвергнутых экспозиции, происходит рекристаллизация аморфизованного кремния (и электрическая активация примеси). При выбранной нами геометрии эксперимента период решетки равен ≈ 24 мкм (фиг. 1а).

Затем структура облучается импульсом некогерентного света на установке УОЛ.П-1 излучением ксеноновых ламп-вспышек ИНП-16/250А со спектром излучения от УФ до ближнего ИК. Важным достоинством мощных некогерентных источников света являются, как известно, высокая однородность облучения образцов большого диаметра вплоть до 100-150 мм. Особенностью этой установки является возможность плавного управления плотностью мощности излучения I₀ в диапазоне от 20 до 4000 Вт/см², и как следствие, длительностью импульса некогерентного света от 0.02 до 20 с, приводящей к плавлению поверхности кремния (фиг. 4).

Длительность импульса некогерентного света выбирают τ_и = 0.13 с, а плотность мощности излучения I₀ = 1250 Вт/см². При облучении структуры импульсом некогерентного света происходит плавление неэкспонированных областей с последующей их рекристаллизацией и формированием микрорельефа (фиг. 1б, 2б). В результате этого происходит образование фазовой голограммы, что обеспечивает повышение дифракционной эффективности по сравнению с амплитудной голограммой, изготовленной по известному способу (фиг. 3б и 3а).

Таким образом, видно, что запись голограммы на ионно-имплантированном кремнии по заявляемому способу повышает дифракционную эффективность при восстановлении в видимом и ИК диапазоне спектра.

Пример 2. Длительность импульса некогерентного света выбирают τ_и = 0.05 с, а плотность мощности излучения I₀ = 3400 Вт/см².

Остальное - как в примере 1.

Пример 3. Длительность импульса некогерентного света выбирают τ_и = 4.0 с, а плотность мощности излучения I₀ = 70 Вт/см².

Остальное - как в примере 1.

Используемая литература:
1. Белокриницкий Н. С., Гнатовский А.В., Данилейко М.В., Захаров В.П., Козлов А.В., Шпак М.Т. Запись оптической информации на аморфных пленках полупроводниковых соединений//Письма в ЖЭТФ. - 1972. - т. 15, вып. 4. - с. 198-200.

2. Белокриницкий Н. С. // Доклады АН СССР. - 1973. - т. 209, N 2. - с. 330-332.

3. Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М., Штырков Е.И., Галяутдинов М.Ф., Туриянский Е. А. // А.С. СССР N 490368, кл. G 03 H 1/04, 1974, Бюлл. изобр. N 11 за 1976 г., с. 199, дата опубликования 16.04.76 г. (прототип).

4. Кольер Р. , Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. - М.: Мир, 1973, с. 688 (256-258).

5. Применение голографии /Под ред. Дж. Гудмена. - М., 1973, с. 80 (18-19).

Изобретение относится к способам голографической записи и восстановлению волновых фронтов света и может быть применено для записи и хранения информации на полупроводниковых материалах (преимущественно на кремнии), особенно в случаях необходимости восстановления волновых фронтов света, несущих записанную информацию, в видимой и инфракрасной области (ИК) спектра. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение следующего технического результата: увеличение дифракционной эффективности голограмм на кремнии при восстановлении в видимой и ИК области спектра. Сущность изобретения заключается в следующем. Методом ионной имплантации в образце кремния создается приповерхностный аморфизованный слой, на котором записывается интерференционная картина от объектного и опорного пучков когерентного излучения наносекундного диапазона длительностей с длиной волны в полосе поглощения аморфного полупроводника. После записи интерференционной картины образец дополнительно облучают импульсом некогерентного света. 4 ил.

Способ получения голограмм на кремнии, заключающийся в создании методом ионной имплантации аморфизованного слоя на поверхности образца и записи интерференционной картины от объектного и опорного пучков когерентного излучения наносекундного диапазона длительности с длиной волны в полосе поглощения аморфного полупроводника, отличающийся тем, что после записи интерференционной картины образец дополнительно облучают импульсом некогерентного света длительностью в интервале 0,05 - 4 с и плотностью мощности 3400 - 70 Вт/см².