Femtosecond laser scribing of sapphire at wavelength 1040 and 520 nm

Резка сапфира в настоящее время является одной из крупнейшей развивающейся области лазерной обработки материалов. Сапфир является одним из самых твердых прозрачных материалов. Его механические и оптические свойства сделали его идеальной и ценной основой для создания различных устройств, например, таких как защитные стекла для часов, дисплеи мобильных устройств, защитные стекла для камер и подложки для светодиодов и транзисторов. Среди существующих способов резки с помощью лазерных или алмазных инструментов, фемтосекундное лазерное скрайбирование является ногообещающей технологией, поскольку эта технология обладает уникальной способностью производить высоколокализованную объемную модификацию благодаря нелинейному поглощению. Резка сапфира твердотельными лазерами хорошо известна уже в течение многих лет и стала современным промышленным процессом. Однако скорость и качество процесса резки до сих пор ограничены, а эксплуатационные расходы относительно высоки. Целью работы, результаты которой представлены в рамках данной статьи, является улучшение скорости и качества резки. В статье описаны результаты исследования фемтосекундного лазерного скрайбирования сапфира при длинах волн 1040 и 520 нм с последующим жидкостным травлением в смеси азотной и плавиковой кислот для выявления формирующихся дефектов и трещин. Морфология поверхности сапфира, подвергнутого лазерной абляции, оценена методом сканирующей электронной микроскопии. Показано, что на основной частоте материал эффективно удаляется с поверхности, однако при этом формируются расходящиеся по поверхности трещины на расстояние до 40 мкм. Использование второй гармоники дало более аккуратные и глубокие резы по сравнению с основной частотой при той же энергии импульса, что обусловлено меньшей размерностью многофотонных процессов. При этом формируются анизотропные трещины, расходящиеся в объем материала. Таким образом, показаны возможности применения фемтосекундной лазерной абляции в технологических процессах скрайбирования для изготовления устройств на основе сапфира. Sapphire cutting is one of the largest markets in laser materials processing. Since sapphire is one of the hardest transparent materials its mechanical and optical properties made it the ideal choice for use in the production of various devices, such as LEDs and transistors, cover glasses of watches and mobile devices. Among existing laser- or diamond-based tools solutions, femtosecond laser scribing appear as a promising technology since this technology has the unique capacity to produce highly localized bulk modification owing to non-linear absorption. Sapphire cutting with solid-state lasers is well known for many years and has become a modern industrial process. However, achievable process speed and cut quality are still limited. The femtosecond laser scribing of sapphire was studied at wavelengths of 1040 and 520 nm, followed by wet etching in HNO3/HF solution to identify emerging defects. The morphology of the laser ablated sapphire surface was evaluated by scanning electron microscopy. It was shown that at the wavelength of 1040nm, the material was effectively removed from the surface; however, cracks on the surface were formed. The use of the second harmonic gave more accurate and deep cuts compared with the main frequency at the same conditions. At the wavelength of 520 nm, the cracks were formed anisotropically inside the volume of the material. Therefore, there is a potential application of the femtosecond laser scribing for the fabrication of sapphire-based devices

Влияние технологических примесей на температурную зависимость коэффициента усиления биполярного n-p-n-транзистора

Herein, the temperature dependences of the static current gain (β) of bipolar n-p-n-transistors, formed by similar process flows (series A and B), in the temperature range 20–125 °С was investigated. The content of uncontrolled technological impurities in the A series devices was below the detection limit by the TXRF method (for Fe < 4.0 · 109 at/cm2). In series B devices, the entire surface of the wafers was covered with a layer of Fe with an average concentration of 3.4 ∙ 1011 at/cm2; Cl, K, Ca, Ti, Cr, Cu, Zn spots were also observed. It was found that in B series devices at an average collector current level (1.0 ∙ 10–6 < Ic <1.0 ∙ 10–3 A) the static current gain was greater than the corresponding value in A series devices. This was due to the higher efficiency of the emitter due to the high concentration of the main dopant. This circumstance also determined a stronger temperature dependence of β in series B devices due to a significant contribution to its value from the temperature change in the silicon band gap. At Ic < 1.0 ∙ 10–6 A β for B series devices became significantly less than the corresponding values for A series devices and practically ceases to depend on temperature. In series B devices, the recombination-generation current prevailed over the useful diffusion current of minority charge carriers in the base due to the presence of a high concentration of uncontrolled technological impurities. For A series devices at Ic < 10–6 A, the temperature dependence of β practically did not differ from the analogous dependence for the average injection level.Исследованы температурные зависимости статического коэффициента усиления по току (β) биполярных n-p-n-транзисторов, сформированных по аналогичным технологическим маршрутам (серии А и В), в интервале температур 20–125 °С. Содержание неконтролируемых технологических примесей в приборах серии А было ни- же предела обнаружения методом полного внешнего отражения рентгеновского излучения (по Fe < 4,0 · 109 ат/см2). В приборах серии В вся поверхность пластин была покрыта слоем Fe со средней концентрацией 3,4 · 1011 ат/см2, наблюдались также пятна Cl, K, Ca, Ti, Cr, Cu, Zn. Установлено, что в приборах серии В при среднем уровне тока коллектора (1,0 ∙ 10–6 < Ic < 1,0 ∙ 10–3 A) статический коэффициент усиления по току больше соответствующего значения в приборах серии А. Это обусловлено большей эффективностью эмиттера вследствие высокой концентрации основной легирующей примеси. Данное обстоятельство определяло и более сильную температурную зависимость β в приборах серии В вследствие значительного вклада в его величину температурного изменения ширины запрещен- ной зоны кремния. При Ic < 1,0 ∙ 10–6 A β для приборов серии В становится существенно меньше соответствующих значений для приборов серии А и практически перестает зависеть от температуры. В приборах серии В рекомбинационно-генерационный ток преобладает над полезным диффузионным током неосновных носителей заряда в базе вследствие наличия высокой концентрации неконтролируемых технологических примесей. Для приборов серии А при Ic < 10–6 A температурная зависимость β практически не отличается от аналогичной зависимости для среднего уровня инжекции

АММИАЧНАЯ МОЛЕКУЛЯРНО-ПУЧКОВАЯ ЭПИТАКСИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР AlGaN НА ПОДЛОЖКАХ САПФИРА

In order to develop a technology for the growth of Al(Ga)N-based heterostructures, the effect of different molecular beam epitaxy growth conditions on the properties of AlN and AlGaN layers was studied. The optimal conditions for the growth of AlN buffer layers were established, which made it possible to achieve a root mean square roughness as small as 0.7 nm. It was shown that an increase of AlN layer thickness leads to a decrease of density of edge dislocations, while no explicit dependence of the screw dislocation densityon the layer thickness was observed. The minimal obtained dislocations density values for 1.25μm-thick AlN layer were nedges = 5.9×109 cm-2 and nscrew = 2.2×107 cm-2 for edge and screw dislocations respectively. As a result of optimization of the AlGaN growth temperature, a series of 0.15μm-thick layers was grown, which showed stimulated emission at wavelengths λ = 330 nm, 323 nm, 303 nm, and 297 nm with threshold powerdensities of 0.7 MW/cm2, 1.1 MW/cm2, 1.4 MW/cm2 and 1.4 MW/cm2, respectively. The determined optimal epitaxy conditions for AlN and AlGaN layers were used to grow the AlGaN/GaN high electron mobility transistor structure on a sapphire substrate with two-dimensional electron gas, which had a mobility of 1950 cm2/(Vs) at a concentration of 1.15×1013 cm-2. The obtained results are important for creating of nitride-basedUV-emitting optoelectronic semiconductor devices, as well as high-power and high-frequency electronic devices.В работе с целью разработки технологии роста гетероструктур на основе Al(Ga)Nисследовалось влияние различных условий роста гетероструктур молекулярно-пучковой эпитаксией на свойства слоев AlN и AlGaN. Были установлены условия для роста буферных слоев AlN, которые позволили достигнуть среднеквадратичного значения величины шероховатостей 0,7 нм. Показано, что увеличение толщины слоя AlN приводит к уменьшению плотности краевых дислокаций, в то время как явной зависимости плотности винтовых дислокаций от толщины слоя не наблюдалось. Минимальные полученные значения плотности проникающих дислокаций для слоя AlN толщиной 1,25 мкм составили nкраев. = 5,9×109 см-2 и nвинт. = 2,2×107 см-2. В результате оптимизации температуры роста AlGaN была выращена серия слоев толщиной 0,15 мкм, показавших стимулированное излучение на длинах волн λ = 330 нм, 323 нм, 303 нм и 297 нм с пороговыми плотностями мощности 0,7 МВт/см2, 1,1 МВт/см2, 1,4 МВт/см2 и 1,4 МВт/см2 соответственно. Установленные условия эпитаксии слоев AlN и AlGaN на подложках сапфира были использованы для роста транзисторной структуры AlGaN/GaN на подложке сапфира с двумерным электронным газом, который имел подвижность 1950 см2/(Вс) при концентрации 1,15×1013 см-2. Полученные результаты важны для создания излучающих оптоэлектронных полупроводниковых приборов, работающих в УФ области спектра, а также приборов силовой и высокочастотной электроники на основе нитридов

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ НА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО n–p–n-ТРАНЗИСТОРА

Contamination of the monocrystal silicon with technological impurities in the devices fabrication process exerts a considerable influence on the electro-physical characteristics of the bipolar n–p–n-transistors. Revelation of the causes of the labile reproducibility of the basic characteristics of the bipolar planar n–p–n-transistors is vital for the purpose of establishing the factors, determining reliability and stability of the operational parameters of the integrated circuits. There were investigated I–V characteristics of the various lots of the bipolar n–p–n-transistors, fabricated under the epitaxialplanar technology as per the similar process charts with the identical used technological materials, however, at different times. It is established that the electro-physical characteristics of the bipolar n–p–n-transistors substantially depend on the contents of the technological impurities in the substrate material. Availability of the high concentration of the generation-recombination centers, related to the metallic impurities, results both in increase of the reverse current of the collector – base junction of the transistors and the significant reduction of the breakdown voltage of the collector junction. The most probable cause of deterioration of the electro-physical parameters of the bipolar n–p–n-transistors is the material contamination with the technological impurities (such, as Fe, Cl, Ca, Cu, Zn and others) during the production process of the devices fabrication. The sources of impurity may be both the components and sub-assemblies of the technological units and the materials and reagents under usage.Загрязнение монокристаллического кремния технологическими примесями в процессе изготов- ления приборов оказывает существенное влияние на электрофизические характеристики биполярных n–p–n-тран- зисторов. Выявление причин лабильной воспроизводимости основных характеристик биполярных планарных n–p–n-транзисторов является актуальным с целью установления факторов, определяющих надежность и стабильность эксплуатационных параметров интегральных микросхем. Исследованы вольт-амперные характеристики различных партий биполярных n–p–n-транзисторов, изготовленных по эпитаксиально-планарной технологии по аналогичным технологическим маршрутам, при идентичных используемых технологических материалах, однако в различное время. Установлено, что электрофизические характеристики биполярных n–p–n-транзисторов существенным образом зависят от содержания технологических примесей в материале подложки. Наличие высокой концентрации генерационно-рекомбинационных центров, связанных с металлическими примесями, приводит как к увеличению обратного тока через переход коллектор–база транзисторов, так и к существенному снижению напряжения пробоя коллек- торного перехода. Наиболее вероятной причиной ухудшения электрофизических параметров биполярных n–p–nтранзисторов является загрязнение материала технологическими примесями (такими, как Fe, Cl, Ca, Cu, Zn и др.) во время производственного процесса изготовления приборов. Источниками загрязнений могут служить как детали и узлы технологических установок, так и используемые материалы и реактивы

КОНДЕНСАТОРНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК ТИТАНАТА БАРИЯ, СФОРМИРОВАННЫХ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОДОМ

The objective of the work is investigation the dielectric permittivity and dielectric loss tangent of BaTiO3 films in a capacitor structure formed by sol – gel method on a Si/TiOx/Pt substrate. The basis of this capacitor is a four-layer film of barium titanate xerogel with a thickness of about 200 nm. The film was synthesized by sol-gel method at a final annealing temperature 750 °C. The problems related to the development of method of forming multilayer capacitor structures, the analysis of the morphology and phase composition of BaTiO3 film, and also the measurement of the capacitance-voltage characteristics in the frequency range 10 kHz – 2 MHz have been solved. Morphology of the films was analyzed using a Hitachi S-4800 scanning electron microscope. X-ray diffraction spectra was recorded using a DRON-3 automated diffractometer, using monochromatic CuKα radiation. Capacitance-voltage characteristics were obtained using a B1500A semiconductor analyzer. Dielectric constant and dielectric loss tangent, calculated for capacitance measurements, are changed as follows: for a bias voltage of U = 0 V, the change in ε is 232–214, and tanδ 0.022–0.16, and for a bias voltage of U = 10 V, ε occurs in the range 135–124 and tanδ from 0.02 to 0.1. The obtained frequency dependences of the dielectric constant of BaTiO3 films show a decrease in the dielectric constant in the range of 10 kHz – 2 MHz. It was found that, with a BaTiO3 film thickness of less than 100 nm, a thin-film capacitor with a lower platinum electrode is not always formed, which is probably caused by shunting of the structure.Цель работы заключалась в исследовании диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь пленок BaTiO3 в конденсаторной структуре, сформированной золь-гель методом на подложке Si/TiOx/Pt. Основа данного конденсатора представляет собой четырехслойную пленку ксерогеля титаната бария толщиной около 200 нм. Пленка синтезирована золь-гель методом при температуре окончательного отжига 750 оС. Были решены задачи, связанные с разработкой методики формирования многослойных конденсаторных структур, исследованием морфологического и фазового состава пленки BaTiO3, а также с измерением значений вольт-фарадных характеристик в диапазоне частот 10 кГц – 2МГц. Морфология полученной конденсаторной структуры исследовалась методом растровой электронной микроскопии на установке HITACHI S-4800. Рентгенодифракционные исследования проводились на автоматизированном дифрактометре ДРОН-3 с использованием монохроматического CuKα-излучения. Вольт-фарадные характеристики получены с помощью анализатора полупроводниковых приборов B1500A. Значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, вычисленные для результатов измерений емкости, изменяются следующим образом: при напряжении смещения U = 0 В изменение ε составляет 232–214, и tgδ – 0,022–0,16, а при напряжении смещения U = 10 В изменение ε происходит в диапазоне 135–124 и tgδ от 0,02 до 0,1. Полученные частотные зависимости диэлектрической проницаемости пленок BaTiO3 показывают снижение диэлектрической проницаемости в интервале 10 кГц – 2 МГц. Обнаружено, что при толщине пленки BaTiO3 менее 100 нм тонкопленочный конденсатор с нижним электродом из платины не всегда формируется, что предположительно вызвано шунтированием структуры

Condenser structures based on barium titanate films formed by sol-gel method

Цель работы заключалась в исследовании диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь пленок BaTiO3 в конденсаторной структуре, сформированной золь-гель методом на подложке Si/TiOx/Pt. Основа данного конденсатора представляет собой четырехслойную пленку ксерогеля титаната бария толщиной около 200 нм. Пленка синтезирована золь-гель методом при температуре окончательного отжига 750 оС. Были решены задачи, связанные с разработкой методики формирования многослойных конденсаторных структур, исследованием морфологического и фазового состава пленки BaTiO3, а также с измерением значений вольт-фарадных характеристик в диапазоне частот 10 кГц – 2МГц. Морфология полученной конденсаторной структуры исследовалась методом растровой электронной микроскопии на установке HITACHI S-4800. Рентгенодифракционные исследования проводились на автоматизированном дифрактометре ДРОН-3 с использованием монохроматического CuKα-излучения. Вольт-фарадные характеристики получены с помощью анализатора полупроводниковых приборов B1500A. Значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, вычисленные для результатов измерений емкости, изменяются следующим образом: при напряжении смещения U = 0 В изменение ε составляет 232–214, и tgδ – 0,022–0,16, а при напряжении смещения U = 10 В изменение ε происходит в диапазоне 135–124 и tgδ от 0,02 до 0,1. Полученные частотные зависимости диэлектрической проницаемости пленок BaTiO3 показывают снижение диэлектрической проницаемости в интервале 10 кГц – 2 МГц. Обнаружено, что при толщине пленки BaTiO3 менее 100 нм тонкопленочный конденсатор с нижним электродом из платины не всегда формируется, что предположительно вызвано шунтированием структуры. The objective of the work is investigation the dielectric permittivity and dielectric loss tangent of BaTiO3 films in a capacitor structure formed by sol – gel method on a Si/TiOx/Pt substrate. The basis of this capacitor is a four-layer film of barium titanate xerogel with a thickness of about 200 nm. The film was synthesized by sol-gel method at a final annealing temperature 750 °C. The problems related to the development of method of forming multilayer capacitor structures, the analysis of the morphology and phase composition of BaTiO3 film, and also the measurement of the capacitance-voltage characteristics in the frequency range 10 kHz – 2 MHz have been solved. Morphology of the films was analyzed using a Hitachi S-4800 scanning electron microscope. X-ray diffraction spectra was recorded using a DRON-3 automated diffractometer, using monochromatic CuKα radiation. Capacitance-voltage characteristics were obtained using a B1500A semiconductor analyzer. Dielectric constant and dielectric loss tangent, calculated for capacitance measurements, are changed as follows: for a bias voltage of U = 0 V, the change in ε is 232–214, and tanδ 0.022–0.16, and for a bias voltage of U = 10 V, ε occurs in the range 135–124 and tanδ from 0.02 to 0.1. The obtained frequency dependences of the dielectric constant of BaTiO3 films show a decrease in the dielectric constant in the range of 10 kHz – 2 MHz. It was found that, with a BaTiO3 film thickness of less than 100 nm, a thin-film capacitor with a lower platinum electrode is not always formed, which is probably caused by shunting of the structure

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНДЕНСАТОРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ, СФОРМИРОВАННЫХ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОДОМ

The thin film capacitors were formed on silicon. The capacitor is based on the strontium titanate multi-layer which was fabricated using the sol-gel method after heat treatment at the temperature 750 or 800 °C. The lower and upper electrodes were made from platinum and nickel accordingly. The average values of the dielectric permittivity, ε, and the loss factor, tg δ, were found between 150-190 and 0,06-0,1 respectively. The standard deviation values of the mentioned characteristics were calculated.Сформированы тонкопленочные конденсаторы на подложках кремния. Основу конденсатора составляет многослойная пленка титаната стронция, полученная золь-гель методом при температурах отжига 750-800 °С. Нижний электрод сформирован из платины, верхний - из никеля. Средние значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлекрических потерь лежат в пределах 150-190 и 0,06-0,1 соответственно. Приведены значения среднеквадратического отклонения указанных величи

ЗОЛЬ-ГЕЛЬ СИНТЕЗ ПЛЕНОК ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

The strontium titanate thin films were fabricated on silicon using the sol-gel method. The strontium titanate phase was registered with X-ray diffraction analysis after heat treatment in the temperature range 750-1000 °C. The films were deposited by spin-on technique and the film thickness was in the range of 90-250 nm depending on numbers of layer. The perspectives of developments of the sol-gel method for the formation of elements of electronic device as well as varistors and capacitors on the basis of SrTiO3 xerogels are discussed.Золь-гель методом получены пленки титаната стронция на подложках кремния. Фаза титаната стронция зарегистрирована методом рентгенофазового анализа после термообработки при температуре 750-1000 °С. Толщина пленок, полученных методом центрифугирования, изменяется от 90 до 250 нм в зависимости от числа формируемых слоев. Обсуждаются перспективы развития золь-гель метода для формирования пленочных элементов электронной техники, а также варисторов и конденсаторов, на основе ксерогелей SrTiO3

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ПОДЗАТВОРНОГО ДИЭЛЕКТРИКА МОП-СТРУКТУР ПО ВОЛЬТ-ФАРАДНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

There were investigated the capacity-voltage characteristics of the MOS transistors, fabricated by the similar process charts, with the identical applied technological materials), however at various time (appropriately further in the text series A and series B). It was shown, that the measurements of the capacityvoltage characteristics of the MOS structures make it possible to perform the quality diagnostics of the gate dielectric. The kind and shape of the measured characteristics are determined by the value of the additional positive charge in the dielectrics and density of the fast surface states on the Si-SiO2 interface, which correlate with the surface concentration of the technological impurities, adsorbed on the surface of the wafers in process of the devices fabrication, which makes it possible to make a conclusion about the quality of the applied materials and compliance of the manufacturing process. Исследованы МОП-транзисторы методом вольт-фарадных характеристик, изготовленных в разное время, но по аналогичным технологическим маршрутам и при использовании идентичных технологических материалов. Установлено, что измерения вольтфарадных характеристик МОП-структур позволяют проводить диагностику качества подзатворного диэлектрика. Вид и форма измеренных характеристик определяются величиной дополнительного положительного заряда в объеме диэлектрика и плотностью быстрых поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO2, которые коррелируют с поверхностной концентрацией технологических примесей, адсорбированных на поверхности пластин в процессе изготовления приборов, что позволяет сделать заключение о качестве используемых материалов и соблюдении технологических режимов.

Влияние технологических примесей на электрофизические параметры МОП-транзистора

It is shown that the quality of gate dielectric has a determinative impact on electrical physical parameters of MOS transistors. Contamination of material by technological impurities during the manufacturing process is the reason for the deterioration of electrical physical parameters of MOS transistors. Sources of contamination can be components of technological equipments, as well as the materials and reagents.Исследованы ВАХ МОП-транзисторов, созданных по эпитаксиально-планарной технологии в различное время с использованием идентичных технологических материалов по аналогичным технологическим маршрутам. Установлено, что электрофизические характеристики МОП-транзисторов существенным образом зависят от качества подзатворного диэлектрика. Наличие дополнительного встроенного заряда в диэлектрике, а также быстрых поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO2 приводят как к увеличению порогового напряжения, так и к снижению тока и напряжения насыщения, крутизны характеристики МОП- транзистора в линейной области и в области насыщения, проводимости структуры в линейной области. Возрастают также токи утечки затвора. Показано, что причиной ухудшения электрофизических параметров МОП-транзисторов является загрязнение материала технологическими примесями (Fe, Cl, K, Ca, Ti, Cr, Cu, Zn и др.) во время производственного процесса. Источниками загрязнений могут служить как детали и узлы технологических установок, так и используемые материалы и реактивы