Il laser all'infrarosso nella tecnologia del silicio

Il termine eccimero è la contrazione delle due parole inglesi excited-dimer, ossia dimero eccitato, riferendosi alla momentanea combinazione tra un atomo di gas inerte e una molecola di alogeno, che è alla base del funzionamento di un laser ad eccimeri.
Il dimero che si forma, infatti, è estremamente instabile e in pochissimo tempo si dissocia emettendo un fotone di frequenza compresa nel range dell’ultravioletto.
Gli elementi utilizzati sono miscele di gas tipo XeCl, KrF e ArF e si producono radiazioni luminose di lunghezza d’onda pari a rispettivamente 308, 248, 193 nm, con impulsi di durata compresa tra 10 e 30 ns.
La caratteristica principale di un laser ad eccimeri è di provocare la fusione di uno strato superficiale dello spessore di qualche nanometro del materiale irraggiato, grazie all’elevata densità di energia posseduta dal fascio incidente, che può arrivare fino circa 1J/cm², accoppiata con la brevissima durata di ogni impulso.
La densità di energia deve superare un valore di soglia determinato dal tipo di materiale irradiato, dallo spessore dello strato amorfo, dalla lunghezza d’onda del laser e dalla durata dell’impulso, per essere in grado di portare la superficie alla liquefazione. Con questo procedimento è possibile, ad esempio per un campione di silicio, rimuovere il danneggiamento reticolare e cristallizzare il silicio amorfo, generati da un precedente impianto ionico. Cessato l’impulso, infatti, s’innesca la ricrescita in fase liquida del silicio amorfo fuso dal fascio laser, con la conseguente transizione amorfo-cristallo. Oltre a ciò, la presenza della fase liquida consente anche d’incorporare nel semiconduttore quantità di impurità al di sopra dei valori di solubilità solida, dato che la rapidissima solidificazione avviene in condizioni di non-equilibrio, infatti, il fronte di ricrescita solido-liquido viaggia così velocemente che gli atomi di drogante sono intrappolati nelle posizioni sostituzionali del reticolo e, di conseguenza, sono elettricamente attivati. I più recenti esperimenti d’irraggiamento condotti su wafer di silicio con laser ad eccimeri provano che tale apparato permette di formare giunzioni estremamente sottili e di forma quasi rettangolare, ideali per le applicazioni più avanzate. In campioni impiantati con boro si ottengono giunzioni, a parità di attivazione elettrica, con spessore notevolmente inferiore rispetto a quello riscontrato in analoghi campioni sottoposti ai processi termici rapidi convenzionali, dunque, tale tecnica rappresenta una valida alternativa al trattamento in forno RTA.