Pulsed 193 nm Excimer laser processing of 4H–SiC (0001) wafers with radiant exposure dependent in situ reflectivity studies for process optimization

Abstract

193 nm Excimer lasers are efficient tools to process group-IV semiconductors for advanced microelectronic and photonic devices through crystallization annealing, or strain engineering. The combination of both, high photon energy and low penetration depth of the 193 nm laser pulses allow breaking most covalent bonds with a single photon, and low thermal budget treatments through a precise control of the laser processed volume. Up to now, studies using 193 nm lasers for silicon carbide (SiC) processing are mostly limited to ablation processes for micromachining purposes. This paper presents a first study to demonstrate that the optimization of other processes, like the creation or annealing of vacancies, the alloying of SiC surfaces or the selective ablation of silicon or carbon should also be feasible. To develop such laser assisted processes and optimize process parameters, a numerical simulation of the laser/material interaction is essential. This implies that the temporal evolution of the laser pulse must be well known, and that an “in-situ measurement” of the response of the material to the laser pulse should be available. This study therefore evaluates the temporal profile of a new high-power Excimer laser, and presents the results of in-situ Time Resolved Reflectivity (TRR) measurements obtained when irradiating 4H–SiC(0001) wafers with radiant exposures ranging from 0,1 J/cm2 to 3,0 J/cm2. The temporal pulse profile is determined, fitted and applied in a 1-D numerical simulation of the temperature gradients for Si(100) as reference sample, to validate the experimental findings. Radiant exposure thresholds at around 1,4 J/cm2 to locally produce molten surfaces and 1,8 J/cm2 to ablate and create carbon-rich regions with graphene, are determined in-situ and confirmed by Raman spectroscopy.

Los láseres Excimer de 193 nm son herramientas eficaces para procesar semiconductores del grupo IV para dispositivos microelectrónicos y fotónicos avanzados mediante recocido de cristalización o ingeniería de deformación. La combinación de la alta energía fotónica y la baja profundidad de penetración de los pulsos láser de 193 nm permite romper la mayoría de los enlaces covalentes con un solo fotón, y tratamientos de bajo presupuesto térmico mediante un control preciso del volumen procesado por láser. Hasta ahora, los estudios que utilizan láseres de 193 nm para el procesado de carburo de silicio (SiC) se limitan principalmente a procesos de ablación con fines de micromecanizado. Este trabajo presenta un primer estudio para demostrar que la optimización de otros procesos, como la creación o recocido de vacantes, la aleación de superficies de SiC o la ablación selectiva de silicio o carbono también debería ser factible. Para desarrollar estos procesos asistidos por láser y optimizar los parámetros del proceso, es esencial realizar una simulación numérica de la interacción entre el láser y el material. Esto implica que debe conocerse bien la evolución temporal del pulso láser y que debe disponerse de una "medición in situ" de la respuesta del material al pulso láser. Por lo tanto, este estudio evalúa el perfil temporal de un nuevo láser Excimer de alta potencia, y presenta los resultados de las medidas in-situ de Reflectividad Resuelta en el Tiempo (TRR) obtenidas al irradiar obleas de 4H-SiC(0001) con exposiciones radiantes que oscilan entre 0,1 J/cm2 y 3,0 J/cm2. El perfil temporal del pulso se determina, ajusta y aplica en una simulación numérica 1-D de los gradientes de temperatura para Si(100) como muestra de referencia, para validar los resultados experimentales. Los umbrales de exposición radiante en torno a 1,4 J/cm2 para producir localmente superficies fundidas y 1,8 J/cm2 para ablacionar y crear regiones ricas en carbono con grafeno, se determinan in situ y se confirman mediante espectroscopia Raman.