• Михайличенко Александр Валерьевич
  • 2011
  • 23

Разработка технологических основ создания наноструктурированных пленок оксидов ванадия методом импульсного лазерного осаждения и приборов на их основе автореферат диссертации для написания диплома, курсовой работы, тема для доклада и реферата

Разработка технологических основ создания наноструктурированных пленок оксидов ванадия методом импульсного лазерного осаждения и приборов на их основе - темы дипломов, курсовиков, рефератов и докладов Ознакомиться с текстом работы
Специальность ВАК РФ: 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах
  • Реферун рекомендует следующие темы дипломов:
  • Свойства оксидов ванадия
  • Применение пленок оксидов ванадия
  • Реферун советует написать курсовую работу на тему:
  • Переключатели для энергонезависимой памяти
  • Параметры процесса сканирования мишени в модуле
  • Реферун советует написать реферат на тему:
  • Способы восстановления до низших оксидов
  • Формирование потенциального барьера в контакте металл-полупроводник
  • Реферун предлагает написать доклад на тему:
  • Определение характерной величины сечения квазиодномерного проводника
  • Базисный технологический маршрут формирования кристалла для интеграции углеродных нанотрубок
  • Подгонка частоты радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах
Поделиться с друзьями:

Полный текст автореферата диссертации Михайличенко Александр Валерьевич, 2011, 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах

На правах рукописи

МИХАИЛИЧЕНКО Александр Валерьевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПЛЕНОК ОКСИДОВ ВАНАДИЯ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ И ПРИБОРОВ

НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 СЕН 2011

Таганрог - 2011

4853057

Работа выполнена в Технологическом институте Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге на кафедре "Технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

O.A. Агеев (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог).

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

А. А. Лаврентьев (ДГТУ, г. Ростов-на-Дону)

кандидат физ.-мат. наук, доцент Е.М. Кайдашев

(НИИМиПМ ЮФУ, г. Ростов-на-Дону);

Ведущая организация: Закрытое акционерное общество

"Нанотехнология - МДТ" (г. Москва).

Защита состоится «30» сентября 2011 г. в 14 ч. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д212.208.23 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге по адресу: 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко,2, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан «2б» августа 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

И.Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы

На современном этапе развития электроники одним из перспективных направлений является улучшение свойств сенсоров, а также создание приборов с новыми свойствами. Оксиды ванадия (УОх) являются известными материалами, которые применяются для создания чувствительных элементов различных типов сенсоров: неохлаждаемых инфракрасных сенсоров, газовых сенсоров и др. На существующем этапе развития сенсорики актуальной задачей является получения азовых сенсоров на основе нелегированных пленок оксида ванадия. Для решения этой задачи используется нанострукгурирование поверхности чувствительного слоя. Кроме сенсоров областью применения пленок оксидов ванадия являются переключатели-мемристоры на основе структуры металл-оксид-металл, которые используются для создания устройств памяти большой емкости.

Применение метода импульсного лазерного осаждения (ИЛО), представляющего собой многоцелевой, универсальный метод нанесения тонких пленок различных материалов, позволяет получать наноструктурированные пленки оксидов ванадия для различных применений. Поэтому проведение исследования процесса ИЛО оксидов ванадия актуально для разработки ехнологических процессов получения пленок оксидов ванадия с заданными свойствами.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование •ехнологических основ создания наноструктурированных пленок УОх методом импульсного лазерного осаждения для чувствительных элементов сенсоров.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обобщение и выявление основных требований к методам получения и свойствам пленок оксидов ванадия для применения в чувствительных элементах сенсоров.

2. Теоретические исследования термодинамических закономерностей процессов фазообразования в системе ванадий-кислород.

3. Теоретические исследования закономерностей процессов теплопереноса и фазообразования при импульсном лазерном осаждении.

4. Разработка методики, программных средств и проведение теоретического анализа равномерности нанесения пленок при импульсном лазерном осаждении.

5. Исследование влияния режимов импульсного лазерного осаждения (температуры подложки, давления рабочего газа, длительности осаждения) на морфологию и электрофизические свойства пленок оксидов ванадия.

6. Разработка конструкции чувствительных элементов сенсоров на основе пленок оксидов ванадия.

7. Разработка технологических маршрутов изготовления чувствительных элементов сенсоров на основе использования многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Научная новизна работы:

1. Установлены термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системе ванадий-кислород, с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств материала, давления кислорода и установлена их корреляция с режимами ИЛО.

2. Разработана математическая модель расчета однородности нанесения пленок оксидов ванадия методом ИЛО с учетом скорости вращения подложки, частоты следования лазерных импульсов, расстояния мишень-подложка и технологических параметров перемещения лазерного луча по поверхности мишени.

3. Экспериментально установлены закономерности влияния режимов ИЛО на морфологию и электрофизические свойства пленок оксидов ванадия с учетом технологических параметров температуры, давления и длительности ИЛО.

4. Экспериментально установлены закономерности влияния на сопротивление пленок оксидов ванадия режимов отжига с учетом температуры и длительности, позволяющие варьировать величину удельного сопротивления в диапазоне от 0,02 до 250 Ом-см.

5. Разработан способ перестройки по частоте микроболометрического чувствительного элемента ИК фотоприемника на основе использования пьезоматериала и материала с эффектом памяти формы.

Практическая значимость:

1. Определены режимы получения наноструктурированных пленок оксидов ванадия методом ИЛО. Показано, что, изменяя температуру подложки, можно получать пленки с удельным сопротивлением от 10 до 5-105 Ом-см. Также показано, что изменяя толщину пленок от 23 до 122 нм можно варьировать удельное сопротивление пленок от 3 до 70 Ом-см.

2. Разработано программное обеспечение для расчета равномерности осаждения пленки на пластину диаметром 100 мм, с учетом режимов ИЛО. Показано, что варьируя параметры сканирования мишени, расстояние мишень-подложка и скорость вращения подложки возможно получать пленки с параметром однородности до 0,96.

3. Разработана конструкция перестраиваемого по частоте неохлаждаемого микроболометрического чувствительного элемента ИК-диапазона, позволяющего, согласно оценкам, детектировать излучение в диапазоне от 2 до 22 мкм.

4. Разработаны технологические маршруты формирования чувствительных элементов сенсоров на основе использования многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Положения, выносимые на защиту:

1. Термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системе ванадий-кислород с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств материала, давления кислорода и их корреляция с режимами ИЛО, которые позволяют прогнозировать фазовый состав пленок оксидов ванадия.

2. Закономерности влияния технологических режимов метода импульсного лазерного осаждения на электрофизические свойства пленок УОх с учетом температуры подложки, давления рабочего газа, длительности осаждения, которые позволяют формировать пленки оксидов ванадия с заданным удельным сопротивлением.

3. Закономерности влияния режимов отжига на удельное сопротивление пленок оксидов ванадия, с учетом температуры и длительности, которые позволяют варьировать величину удельного сопротивления.

4. Математическая модель расчета однородности нанесения пленок оксидов ванадия методом ИЛО с учетом скорости вращения подложки, частоты следования лазерных импульсов, расстояния мишень-подложка и технологических параметров перемещения пятна лазера по поверхности мишени, которая позволяет формировать пленки с однородностью 0,96.

5. Конструкция и способ перестроения по частоте микроболометрического чувствительного элемента ИК фотоприемника на основе пленок оксидов ванадия, позволяющего, согласно оценкам, варьировать длину детектируемого излучения в диапазоне от 2 до 22 мкм.

Реализация результатов работы:

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры ТМ и НА и НОЦ «Нанотехнологии» в 2008-2011 гг.: «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области микро- и наноструктур на основе оксидных, органических и биологических материалов, разработка технологии их получения для развития перспективной сенсорики, основанной на новых физических принципах в центре коллективного пользования научным оборудованием «Высокие технологии»» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (внутр. №13013); «Исследование и разработка технологических процедур для производства элементов изделий микро- и наноэлектронной техники на основе использования сверхвысоковакуумной технологической автоматизированной платформы кластерного типа» в рамках федеральной целевой программой на 2009-2013 годы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (внутр. №13315); «Разработка пилотного проекта технического комплекса раннего обнаружения, оповещения о пожаре и концентрации опасных, токсичных газов и вредных веществ с автоматической системой очищения воздуха в защищенном помещении образовательного (научного) учреждения» (внутр. № 46100/13020).

Результаты диссертационной работы внедрены на промышленном предприятии ЗАО «Нанотехнологии - МДТ» (г. Москва), ЗАО «БЭТА ИР» (г. Таганрог), а также в учебный процесс на кафедре ТМ и НА ТТИ ЮФУ. Имеются 4 акта о внедрении результатов диссертационной работы.

Апробация работы:

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских конференциях и семинарах, таких как: Международная научно-техническая конференция

"Микроэлектроника и наноинженерия»" (г. Москва, 2008); Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2010); Международная научно-техническая конференция и молодежная школа-семинар «Нанотехнологии-2010» (пос. Дивноморское, 2010); Конференция аспирантов и молодых ученых «Неделя науки» (г. Таганрог, 2008, 2009); Симпозиум «Нанотехнологии» (г. Таганрог, 2009); Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010); 56-ая научно-техническая конференция ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2010).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работы, из них 3 статьи опубликовано в журналах, входящих в Перечень ВАК. Получены патенты РФ на полезную модель №87568, приоритет от 18 мая 2009 года, и патент №102847, приоритет от 25 октября 2010 года.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, а также приведены сведения об апробации работы и структуре диссертации.

В первой главе представлен обзор основных свойств оксидов ванадия. Рассмотрены основные принципы, достоинства и недостатки методов формирования пленок оксидов ванадия. Описаны особенности применения метода импульсного лазерного осаждения для получения пленок оксидов ванадия, а также физические основы этого метода. Также проведен обзор основных областей применения пленок оксидов ванадия: чувствительные элементы неохлаждаемых фотоприемников инфракрасного диапазона; газочувствительные сенсоры; устройства с эффектом переключения сопротивления на основе структур металл-оксид-металл. Выявлены основные проблемы, возникающие при использовании пленок оксидов ванадия в указанных областях:

- получение пленок с заданным удельным сопротивлением и ТКС;

- получение однородных по толщине пленок на подложках диаметром 100 мм методом импульсного лазерного осаждения;

- селективного детектирования длины волны падающего излучения чувствительным элементом фотоприемника инфракрасного диапазона;

- недостаточное исследование воспроизводимости эффекта переключения в структурах металл-оксид-металл на основе пленок оксидов ванадия, содержащих несколько фаз;

Сделан вывод о необходимости проведения исследований влияния основных технологических параметров метода импульсного лазерного осаждения на электрофизические свойства пленок оксида ванадия.

Результаты обзора определили цель и постановку задач работы.

Во второй главе представлены результаты теоретических расчетов термодинамических закономерности процессов межфазного взаимодействия в системе ванадий-кислород, на основании расчета температурных зависимостей изменения энергии Гиббса. Поскольку в дальнейших экспериментальных исследованиях использовалась твердая мишень состава V205 чистотой 99,999% фирмы SCI Engineered Materials, то для анализа выделены основные оксиды ванадия, согласно степени окисления металлического ванадия: VO2, V2O3, VO, а также металлический ванадий и кислород. Проведены термодинамические расчеты процессов диссоциации оксида ванадия V205, также исследованы термодинамические закономерности процессов взаимодействия основных оксидов ванадия и металлического ванадия с кислородом.

Результаты расчетов температурной зависимости изменения энергии Гиббса реакций диссоциации V2O5 показывают, что при достижении температуры около 1200 К начинается процесс разложения твердого V2O5 на газообразные компоненты (рисунок 1 (а)), которые в свою очередь также диссоциируют. При достижении температур около 3000 К основными продуктами диссоциации являются ванадий и кислород.

Поскольку основные процессы, влияющие на свойства пленок в методе ИЛО связанны с распространением факела в сторону подложки, которое сопровождается снижением температуры факела, были проведены теоретические исследования взаимодействия оксидов ванадия и металлического ванадия с атмосферой рабочего газа окислителя (кислорода), а также с кислородом в факеле, образовавшемся в результате процессов диссоциации мишени V205. Предполагается, что при этом будут происходить процессы соединения металлического ванадия и кислорода, с образованием основных оксидов ванадия. Результаты расчетов изменения энергии Гиббса реакций взаимодействия металлического ванадия, представленные на рисунке 1 (б), показывают, что наиболее вероятно в результате уменьшения температуры происходит образование оксидов У20з и V205. Менее вероятно образование оксидов VO2 и VO.

Т.к. в процессе ИЛО помимо осаждения возможно производить отжиг пленок, был проведен термодинамический анализ реакций при нагреве основных оксидов ванадия в атмосфере кислорода. Результаты расчетов температурной зависимости изменения энергии Гиббса показали, что наиболее вероятным является реакция окисления ванадия до оксидов V203 и V2Os.

1,5x10

Ч

-1,8x10*'

Л 6,0x10' §

0,0.

§

О 5,0x10*'

■1,5x10*-

1,0x10'

1000 2000 3000 <000

Температура, Т (К)

5000

О 1000 2000 3000 4000 5000

Температура, Т (К)

а)

б)

Рисунок 1 - Температурные зависимости изменений энергий Гиббса реакций разложения У205 (а) и реакций взаимодействия металлического ванадия с

кислородом (б)

Для оценки режимов ИЛО были проведены расчеты температуры поверхности мишени в точке воздействия лазерного излучения, а также температуры фронта факела при его распространении в рабочей камере, на основе тепловой теории лазерной абляции [1]. Расчеты показали, что температура поверхности фронта абляции близка к 8000 К. Высокая начальная температура, приводящая к диссоциации У205, уменьшается при удалении от мишени, что инициирует процессы образования оксидов ванадия.

Для решения проблемы получения равномерного профиля осаждения пленок на подложке диаметром 100 мм методом импульсного лазерного осаждения была разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать профиль осаждения пленки в зависимости от режимов ИЛО.

В модуле ИЛО комплекса НАНОФАБ НТК-9 взаимное расположение мишени и подложки не соосно. Поэтому при осаждении пленки подложка вращается с некоторой угловой скоростью. Скорость перемещения пятна лазера по диаметру мишени задается скоростью перемещения сканирующей системы. Управление перемещением сканирующей системы осуществляется при помощи специальной программы, которая оперирует большим количеством параметров.

На основе закона косинусов была получена формула для определения толщины пленки, осаждаемой на подложке:

где Ме - масса испаренного вещества, р - плотность мишени.

Профиль распределения толщины описывается соотношением (1/с10, где с10 -толщина пленки в центре подложки, <И - толщина пленки в текущей точке. Также оценивался коэффициент однородности к^с!,тп/с1тах. Результаты расчетов профилей распределения относительной толщины пленки для различных режимов осаждения представлены на рисунках 2-3.

¡=1 )=\

О)

1.0-1

0,9'

0,8-

0,Т-

0.6-

т? 0,5-

XI 0,4-

0,3-

0,2-

0,1-

0

1,0-

0,9-

О.Г-

0.6-

0 5-

•ö 0,4-

0,3-

0.2-

0,1-

0

50 100

Диаметр подложки, D (мм)

1,0

0.9

0,8

0.7

0,6

0,5

■о

тз 0,4

0.3

0,2-

0,1

0

50 100

Диаметр подложки, D (мм)

а)

О гр*д/с 1гр»д/с

10 град/с *20 град/с ' 5 гоад/с 7 град/с

Диаметр подложки, D (мм)

Диаметр подложки, D (мм)

В) Г)

Рисунок 2 - Профили распределения толщины при различных: расстоянии мишень-подложка (а), параметре Origin (б), скорости вращения подложки (в), максимальной скорости перемещения лазера по мишени (г)

70 «в W «00 на <70 «в t« 1« Расстояние мишонь-подложка, L (мм)

15 20 23

Origin, w

а)

б)

лг ЛГ ЛГ

Скорость вращения подложки. Vi {''с)

Ma*. Velocity, (мм/с)

В) Г)

Рисунок 3 - Зависимости коэффициента однородности от: расстояния мишень подложка (а), параметра Origin (б), скорости вращения подложки (в), максимальной скорости перемещения лазера по поверхности мишени (г)

Исследования влияния основных параметров метода ИЛО на профиль распределения толщины показали, что наиболее однородные пленки получаются при увеличении расстояния между мишенью и подложкой. Исследование влияния параметра Origin показало, что наиболее однородные пленки получаются при максимальной скорости перемещения лазера у края мишени, соответствующего центру подложки. Это объясняется тем, что при перемещении лазера от центра мишени к краю происходит увеличение площади сектора на подложке, на который происходит осаждение материала. Для равномерного осаждения пленки по всей подложке необходимо обеспечить одинаковое количество распыляемого материала в каждой точке подложки. Поэтому максимальная скорость перемещения лазера по поверхности мишени должна достигаться в точке поверхности мишени, соответствующей минимальной площади сектора подложки.

Зависимости коэффициента однородности от параметров сканирования и взаимного расположения мишени и подложки, представленные на рисунке 3, позволяют определить параметры, при которых пленка будет наиболее однородной, а также выявить особенности использования различных режимов сканирования мишени.

Для проведения экспериментальной проверки разработанной модели было проведено сравнение теоретически полученного профиля с экспериментальным. Результаты представлены на рисунке 4. Из результатов следует, что теоретическая зависимость профиля распределения, хорошо коррелирует с экспериментальным результатом.

Рисунок 4 - Профили распределения толщины пленки при различных технологических параметрах (ТП)

Максимальная величина коэффициента к ограничена геометрическими размерами рабочей камеры модуля ИЛО, максимально допустимыми скоростями вращения подложки и перемещения лазера по поверхности мишени, а также постоянным взаимным расположением мишени и подожки. Расчеты показали, что для рабочих значений технологических параметров модуля ИЛО нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9, используемого в экспериментальных исследованиях, достижима наилучшая однородность с коэффициентом £-0,84 (рисунок 4).

Таким образом, была разработана модель, позволяющая рассчитать профиль распределения толщины пленки при ИЛО по подложке диаметром 100 мм при использовании мишени диаметром 50 мм. Показана хорошая корреляция теоретической модели с экспериментальными данными. Получен профиль распределения с учетом конструктивных особенностей и рабочих значений технологических параметров модуля ИЛО комплекса НАНОФАБ НТК-9. Разработаны рекомендации для технологических параметров модуля ИЛО, реализация которых позволит получить пленки с однородностью по толщине 0,96.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния режимов ИЛО на электрофизические свойства пленок VOx.

Для формирования пленок VOx использовался входящий в многофункциональный сверхвысоковакуумный нанотехнологический комплекс НАНФАБ НТК-9 (ЗАО «Нанотехнологии МДТ», Зеленоград, Россия) модуль импульсного лазерного осаждения. Для исследования морфологии поверхности использовалась зондовая нанолаборатория Ntegra Vita, а также модуль СЗМ комплекса НАНОФАБ НТК-9 (ЗАО «Нанотехнологии МДТ», Зеленоград, Россия). Также для исследования морфологии и состава использовался растровый электронный микроскоп с системой фокусированных ионных пучков Nova NanoLab 600 в специальной конфигурации (FEI Company, Нидерланды). Исследование кристаллической структуры проводились методом дифракции отраженных быстрых электронов (ДОБЭ) в модуле ИЛО. Исследование электрических характеристик методом ЭДС Холла производилось на установке Ecopia HMS-3000. Исследования температурных зависимостей сопротивления пленок VOx производились двухзондовым методом.

Исследования поверхности пленок VOx методами АСМ и ДОБЭ, результаты которых представлены на рисунке 5, выявили поликристаллическую структуру образцов.

Результаты влияние длительности осаждения на толщину пленки VOx представленные на рисунке 6 (а), позволили определить скорость роста пленок VOx, которая составила 1,5 нм/мин, что соответствует литературным данным для получения пленок с наиболее однородной по площади морфологией [2].

Анализ результатов исследований электрических характеристик пленок VOx, приведенный на рисунках 6, 7, показал, что варьируя толщину можно изменять величину удельного сопротивления пленок. Вместе с тем пленки обладают стабильным ТКС в диапазоне толщин от 23 до 122 нм (рисунок 7 (б)). Морфологические параметры пленок VOx на различных подложках изменялись с увеличением толщины, как показано на рисунке 8.

Выявлено, что на подложках из кремния с увеличение толщины пленок увеличивается шероховатость. Согласно данным АСМ это связано с образованием крупных зерен, что отражается зависимостью плотности зерен от толщины пленки. При изменении плотности зерен меняется соотношение площади межзеренных границ и зерен, которые представляют собой области с различным сопротивлением. Площадь зерен имеет сложную зависимость от длительности осаждения, обнаруживая пик на толщинах около 50 нм.

а) б)

Рисунок 5 - АСМ изображения и картины ДОБЭ поверхности пленок VOx толщиной 50 нм, полученных при различных режимах ИЛО

1,0 1,5 2А 2.S ЪД 3,5. 4,0 -1,5 МКМ

Количество импульсов, N,

20__30_40

10 20 30 40 50 60 70 80 Время осаждения, t (мин)

Толщина пленки, h (нм)

Рисунок 6 - Зависимость толщины пленки УОх от длительности ИЛО (а) и электрические свойства пленок УОх различной толщины (б)

—«— Нагрев —с— Охлаждение

Температура, Т (°С)

Толщина, h (нм)

а) б)

Рисунок 7 - Температурные зависимости удельного сопротивления (а) и зависимость ТКС от толщины пленок УОх

Толщина пленки, h (нм)

» i о

, i

&2-I

3

20 40 60 80 100 120

Толщина пленки, h (нм)

а) б)

Рисунок 8 - Зависимость от толщины основных параметров морфологии пленок УОх на подложках из кремния (а) и поликора (б)

Для исследования областей токопрохождения были получены пленки VOx на диэлектрической подложке, а затем поверхность этих пленок исследовалась методом сопротивления растекания. Исследования показали, что основными областями проводимости поликристаллнческих пленок VOx являются границы зерен. С увеличением плотности зерен (т.е. количества зерен на единицу площади), происходит увеличение площади границ зерен (областей проводимости) и концентрации носителей заряда. Исходя из этого, можно утверждать, что носители заряда сосредоточены на центрах захвата границ зерен, обеспечивая проводимость.

Таким образом, было показано, что изменяя длительность ИЛО можно управлять целым рядом свойств пленок VOx, при этом оставляя другие параметры технологического процесса неизменными.

Также были проведены экспериментальные исследования влияние температуры подложки при ИЛО на электрофизические свойства пленок VOx. Пленки формировались при 35 000 импульсов и давлении кислорода в рабочей камере 0,03 Topp. Было установлено влияние температуры подложки на толщину пленки VOx (рисунок 9). Зависимость толщины пленок VOx от температуры подложки, свидетельствует о том, что при высоких температурах (более 450 °С) активно происходят процессы десорбции, и скорость роста пленки снижается.

Рисунок 9 - Зависимость толщины пленки \ЮХ от температуры подложки при

ИЛО

Исследование поверхности пленок \ЮХ методом ДОБЭ выявили поликристаллическую структуру пленок на подложках из кремния и поликора при температуре подложек при ИЛО 250 °С и более. При меньших температурах пленка являлась аморфной. Результаты исследований влияния температуры подложки при ИЛО на морфологию поверхности пленок, приведенные на рисунке 10, показали, что полученные пленки имели шероховатость не более 20 нм на подложках кремния и поликора.

I 20£

N

V 1

2й-

ъ .А14 18. те. г ы";

■« х "я ■»о •812 \ 5 ■ МОЯ

"7 \ 1 \ 1 / /1 * \ X « -<№в 1. £ 12. о №

1 ■ > ■30 & П •еда 2 а (О « е.

/ / ' \ ■ 4 о о о § Ь 3 *

/ • — •'А « & •то ^ с .0 с .«00 ь 0.

200 300 410 500 Температура, Т ("С)

230 300 400 500 Температура, Т |*С)

—1-0

ЛО

а* £

а) б)

Рисунок 10 - Основные параметры морфологии пленки УОх при различной температуре подложки кремния (а) и поликора (б)

Исследования удельного сопротивления и ТКС пленок выявили зависимость от температуры подложки, как показано на рисунках 11, 12. Также проводились исследования температурной зависимости сопротивления пленок УОх. Как видно из рисунка 12 при нагреве происходит уменьшение величины удельного сопротивления.

Таким образом, установлено, что изменяя температуру подложки при ИЛО возможно управлять величиной удельного сопротивления пленок УОх .

а) б)

Рисунок 11 - Зависимость удельного сопротивления (а) и ТКС (б) пленок УОх от температуры подложки при ИЛО

Рисунок 12 - Температурные зависимости удельного сопротивления пленок VOx, осажденных при различных температурах

Было исследовано влияние давления кислорода в рабочей камере на свойства пленок VOx. Показано, что изменяя давление кислорода можно получать пленки VOx различного удельного сопротивления (рисунок 13 (а)). Это может объясняться тем, что при низких давлениях кислорода пленка VOx содержит металлическую фазу ванадия, оказывающую влияние на удельное сопротивление пленки VOx. Подтверждают это предположение и значения удельного сопротивления пленок, полученных при низких (менее 0,003 Topp) давлениях

а) б)

Рисунок 13 - Основные электрические свойства (а) и температурные зависимости сопротивления пленок VOx, осажденных при различных давлениях кислорода (б)

Исследования температурной зависимости удельного сопротивления, представленные на рисунке 13 (б), выявили изменение величины сопротивления у пленок, полученных при давлениях: 0,03 Topp, 0,01 Topp и 0,001 Topp. При нагреве величина сопротивления изменялась в среднем в 2 раза. Это свидетельствует о том, что в чистом виде фаза VO2, которая, согласно литературным данным, характеризуется изменением сопротивления в 104 раз, не образовывалась ни в одной из пленок. У пленок, полученных при других давлениях кислорода, изменение сопротивление оставалось неизменным в диапазоне температур от 25 до 70 °С. Это свидетельствует об образовании различных промежуточных оксидов ванадия в этих пленках и отсутствии процессов фазовых переходов.

Также было проведено исследование фазового состава пленок VOx осажденных в вакууме и при давлении 0,03 Topp. Исследования проводились в лаборатории физики поверхности и гетероструктур ЮФУ, г. Ростов-на-Дону с помощью многофункционального рентгеновского фотоэлектронного микрозонда ESCALAB 250 на глубинах: 25 Ä, 240 Ä, 480 Ä (рисунок 14). Выявлено, что элементный состав пленки оксида ванадия полученной в вакууме методом ИЛО в пределах её толщины, существенно различается. Внутренние слои материала пленки состоят из чистого металлического ванадия при малой доли оксида V2O3. Поверхность пленки состоит главным образом из смеси оксидов ванадия V203 и V2O5 с небольшим количеством металлического ванадия. Это подтверждает теоретические исследования, проведенные в главе 2, согласно которым, во время облучения мишени V2Os лазерным лучом идет интенсивная диссоциация материала мишени и на подложку напыляется металлический ванадий. Отсюда следует вывод о том, что процесс синтеза оксида ванадия в вакууме практически отсутствует.

а) б)

Рисунок 14 - Рентгеноэлектронные спектры 2р3/2. т уровней ванадия с поверхности образца, полученного в вакууме (а) и в атмосфере кислорода при

давлении 0,03 Topp (б) Также в лаборатории наноматериалов ЮФУ, г. Ростов-на-Дону были проведены исследования спектров поглощения пленок VOx, осажденных в вакууме и атмосфере кислорода. Результаты этих исследований, приведенные на рисунке 15, отражают влияние фазового состава на спектр длин волн поглощения излучения.

0,6. | 0.5.

|<М.

о с;

о 0,3 020.1 0,0.

1

1 VjOJ+VJOS

1 V+VjOj

V

Y \

» V-ÖJ

VO*ViO)

VO+VjO,

600 800 1000 Длина волны, нм

Рисунок 15 - Спектры поглощения пленок УОх

Обе пленки имеют пик поглощения на длине волны 250 нм. Пленка, осажденная в кислороде, имеет дополнительный пик поглощения на 400 нм. Это объясняется различиями фазового состава пленок. Таким образом, показана возможность управления спектром поглощения пленки путем изменения фазового состава пленок УОх.

Таким образом, анализ фазового состава пленок оксидов ванадия, осажденных в атмосфере кислорода и в вакууме, показал соответствие термодинамическим расчетам, представленным в главе 2. Согласно этим расчетам наиболее вероятные реакции образования оксидов У203 и У205, что подтверждают экспериментальные результаты, представленные в данной главе. Также показано влияние фазового состава пленок на величину и характер изменения удельного сопротивления от температуры.

Проводились сравнительные исследования пленок, полученных методом ИЛО и окислением металлического ванадия. Исследования показали, что ИЛО в отличие от окисления металлического ванадия, позволяет получать мелкозернистые пленки в широком диапазоне сопротивлений.

Было проведено исследования влияния режимов отжига на удельное сопротивление пленок УОх (рисунки 16, 17). Исследования влияния температуры отжига показали, что для пленок изначально осажденных в кислороде дополнительный отжиг в кислороде приводит к изменению величины и характера изменения сопротивления при нагреве, как показано на рисунке 16 (а).

Исследования окисления пленок, осажденных в вакууме, выявили различную величину и характер изменения сопротивления при нагреве, как показано на рисунке 16 (б). Наибольшее изменение сопротивления при нагреве (в 78 раз) зафиксировано у пленки, полученной при отжиге в течении 30 минут. В пленках, осажденных в вакууме, и богатых металлическим ванадием, характер сопротивления будет определяться также недоокисленной металлической фазой.

Также проводилось исследование влияния длительности отжига на свойства пленок УОх, результаты представлены на рисунке 17.

Рисунок 16 - Отжиг в атмосфере кислорода при температуре 500 °С пленок УО, полученных ИЛО в атмосфере кислорода (а) и вакууме (б)

600.

30405060703090 100 Температура, Т (°С)

20 30 4050€070Ю90 100

Температура, Т(°С)

а)

б)

Отжиг 30 мин

460 "С

' I I

360'С

Температура, Т (°С)

Onwr 180 мин

Температура, Т (°С)

а500

Л 400-I 300.

е

в> 0,04.

г о,аз-

«0,01. >> 0,00.

Опю*г45 м<н

Температура, Т (°С)

б)

I

О;«

6

S 4

Температура, Т ("С)

В) г)

Рисунок 17 - Отжиг в атмосфере кислорода пленок VOx, полученных ИЛО в вакууме, в течении 30 мин (а), 45 мин (б) и 180 мин (в), а также пленок, полученных в атмосфере кислорода в течении 180 мин (г)

У образцов, осажденных в вакууме в диапазоне температур от 0,5 до 5 °С, сопротивление изменилось в 2 раза (рисунок 17 (в)). Несмотря на то, что величина изменения сопротивления мала, такое изменение сопротивления на малом отрезке температур является признаком наличия фазы VO2 в отожженной пленке. Температурный диапазон, в котором происходило изменение сопротивления, варьировался в зависимости от температуры отжига. Таким образом, было показано, что варьируя температуру отжига можно управлять характером изменения сопротивления.

В четвертой главе приведены результаты исследований экспериментальных образцов газовых сенсоров, а также MOM структур (мемристоров) на основе пленки VOK. Кроме этого представлена разработанная конструкция перестраиваемого по частоте микроболометрического чувствительного элемента.

Показана количественная оценка зависимости детектируемой ИК фотоприемником длины волны излучения от высоты четвертьволнового резонатора. Разработанная конструкция позволит микроболометрическому чувствительному элементу работать в диапазоне частот, что является эффективным способом преодоления помех. Также эта конструкция позволит обеспечить подстройку под необходимую постоянную дину волны, для компенсации погрешностей изготовления четвертьволнового резонатора чувствительного элемента.

В разработанной конструкции перестройка по частоте осуществляется за счет изменения высоты четвертьволнового резонатора. Изменение высоты

осуществляется перемещением микрозеркала, с помощью пьезокерамических микроперемещателей. Пьезокерамические микроперемещатели можно заменить [а перемещатели на основе материалов с памятью формы, такими как: N¡-11, БеЛ, Со-№, №-А1, Си-А1-К1, Си-А1, Си-Мп. Такие материалы могут осуществлять большие по сравнению с пьезокерамикой перемещения, при меньших размерах.

Предложенные конструкции сенсоров позволяют путем перемещения шкрозеркала осуществлять отбор целого спектра длин волн. Оценки [оказывают, что при варьировании высоты четвертьволнового резонатора от 0,1 [о 10 мкм, возможно перекрытие достаточно широкого спектра в ИК-излучении. 1а конструкции описанных микроболометрических чувствительных элементов ¡ыли получены патенты РФ на полезные модели №87568 и №102847.

Также была разработана конструкция газочувствительного сенсора на основе наноструктурированной пленки УОх. Был изготовлен экспериментальный |бразец, представляющий собой пленку УОх (нелегированную) толщиной 60 нм, 'сажденную на диэлектрическую подложку. На пленку УОх были напылены 1еталлические контакты для проведения измерения сопротивления. Результаты (змерения сопротивления экспериментального образца газочувствительного енсора при детектировании метана с концентрацией 20 ррш представлены на 1исунке 18.

Рисунок 18 -Изменение сопротивления экспериментальных образцов газочувствительного сенсора при детектировании метана

Исследования показывают, что параметры газовых сенсоров на основе [аноструктурированной, нелегированной пленки УОх схожи с параметрами азовых сенсоров на основе легированных пленок УОх. Показано, что у [сследованных экспериментальных образцов при времени воздействия метана 3 екунды величина Д11 составила 0,7 кОм (при рабочей температуре 100 °С) и 0,15 :Ом (при рабочей температуре 150 °С). Таким образом, для обеспечения [аилучшего быстродействия рекомендуемая рабочая температура газового енсора на основе УОх должна составлять около 100 °С.

Также были исследованы повторяемость и равномерность эффекта гереключения сопротивления на экспериментальном образце МОМ структуры на снове поликристаллической пленки УОх толщиной 50 нм. Исследования ВАХ доводились методом контактной АСМ, путем подвода зонда к различным очкам на поверхности пленки. Схема метода, а также ВАХ исследуемой труктуры представлены на рисунке 19 (б).

9 9? n?oof9?9?W V О 9

?9

a)

5 10 15 20 25 50 35 Переключения

-2 О Напряжение, В

б)

Рисунок 19 - Эффект переключения сопротивления (а) и ВАХ (б) MOM структуры на основе VOx

Исследования показали, что в MOM структурах (мемристорах) на основе поликристаллических пленок VOx возможен эффект переключения сопротивления. Эффект повторяется при многократном приложении напряжения, как показано на рисунке 19 (а). Усредненная ВАХ приведена на рисунке 19 (б). Разброс значений сопротивления RBbIM (от 9 до 12 МОм) объясняется поликристаллической структурой пленки VOx. Зонд при измерении попадал на зерна и межзеренные границы, обладающие разной проводимостью. В среднем величина сопротивления изменялась в 10 раз при изменении напряжения на 5 В. Также исследовалась равномерность эффекта переключения образца МОМ структуры методом зонда Кельвина, применение которого позволило визуализировать потенциальный рельеф областей соответствующих выключенному и включенному состояниям. На рисунке 20 показано, что эффект переключения происходит на площади размером бхб мкм, что свидетельствует о равномерности указанного эффекта. Таким образом, проведенные исследования подтвердили воспроизводимость и равномерность эффекта переключения в МОМ структурах (мемристорах) на основе поликристаллических пленок УОх.

i 0 t -100 ' -200

0 2 4

Рисунок 20 - Исследование поверхности пленки УОх методом зонда Кельвина

На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных [сследований были разработаны технологические маршруты формирования увствительных элементов сенсоров на основе использования гногофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического омплекса НАНОФАБ НТК-9.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Теоретически исследованы термодинамические закономерности процессов фазообразования в системе ванадий-кислород, показано, что при взаимодействии ванадия и кислорода наиболее вероятно образование оксидов У205 и У,03.

2. Теоретически исследованы закономерности процессов теплопереноса и фазообразования при импульсном лазерном осаждении, показано, что мишень У205 в процессе осаждения диссоциирует на ванадий и кислород. Далее происходят процессы взаимодействия ванадия и кислорода с образованием различных оксидов ванадия.

3. Разработаны методика и программные средства для теоретического анализа равномерности нанесения пленок при импульсном лазерном осаждении, позволяющие рассчитать профиль распределения толщины пленки по подложке диаметром 100 мм при импульсном лазерном осаждении. Разработаны рекомендации для технологических параметров модуля импульсного лазерного осаждения, реализация которых позволит получить пленки с однородностью по толщине 0,96.

4. Проведены экспериментальные исследования влияния режимов импульсного лазерного осаждения (температуры подложки, давления рабочего газа, длительности осаждения) на морфологию и электрофизические свойства пленок оксидов ванадия. Показано, что изменяя режимы импульсного лазерного осаждения можно управлять величиной удельного сопротивления пленок оксидов ванадия в диапазоне от 5 до 3-105 Ом см.

5. Разработаны конструкции: чувствительного элемента сенсора ИК диапазона, защищенные патентами РФ на полезную модель №87568 и №10284; газового сенсора; мемристорного переключателя на основе пленок оксидов ванадия.

6. Разработаны технологические маршруты изготовления чувствительных элементов сенсоров на основе использования многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Анисимов С.И., Лукьянчук Б.С. Избранные задачи теории лазерной абляции // Успехи физических наук. Том 172. №3. 2002. С. 301-333.

2. Eason R. Pulsed laser deposition of thin film / J. Willey & Sons. 2007. 682 p.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Агеев O.A., Коломийцев A.C., Михайличенко A.B., Смирнов В.А., Пташник

B.В., Солодовник М.С., Федотов A.A., Замбург Е.Г., Климин B.C., Ильин О.И., Громов А.Л., Рукомойкин A.B. Получение наноразмерных структур на основе нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 // Известия Южного федерального университета. Технические науки, Том 114, №1, 2011. С. 109116.

2. Агеев O.A., Джуплин В.Н., Михайличенко A.B., Чередниченко Д.И. Формирование пленок оксида ванадия методом импульсного лазерного осаждения // Известия ЮФУ. Технические науки. Том 117. №4. 2011. С. 134141.

3. Агеев O.A., Замбург Е.Г., Михайличенко A.B., Пташник В.В., Электрофизические свойства пленок ZnO и VOx полученных методом импульсного лазерного осаждения // Известия ЮФУ. Технические науки. Том 117. №4. 2011. С. 141-149.

Публикации в других изданиях:

4. Замбург Е.Г., Михайличенко A.B. Осаждение наноразмерных оксидных пленок методом импульсного лазерного осаждения на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // «Неделя науки» Сборник тезисов. 2008. Том 2.

C. 176-179.

5. Агеев O.A., Джуплин В.Н., Михайличенко A.B. Формирование тонких пленок окисла ванадия методом вакуум-термического напыления с последующим окислением в диффузионной печи // Сборник трудов Международной научно-технической конференции "Микроэлектроника и наноинженерия".2008. С. 4950.

6. Замбург Е.Г., Михайличенко A.B., Пташник В.В. Получение наноструктурированных пленок ZnO методом импульсного лазерного осаждения на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ // Сборник трудов симпозиума «НАНОТЕХНОЛОГИИ». 2009. С. 17-18.

7. Михайличенко A.B. Формирование тонких пленок окисла ванадия методом реактивного импульсного лазерного осаждения на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ // Сборник трудов симпозиума «НАНОТЕХНОЛГИИ». 2009. С. 18-19.

8. Агеев O.A., Джуплин В.Н., Михайличенко A.B. Получение пленок окисла ванадия на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Материалы Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая весна». 2009. С. 249-250.

. Замбург Е.Г., Михайличенко A.B., Пташник В.В. Выращивание наноструктурированных пленок ZnO и VO методом импульсного лазерного осаждения в нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Сборник трудов молодых ученых. «Неделя науки».2009. С. 103-106.

0.30.отарев Д.В., Михайличенко A.B. Моделирование закономерностей фазообразования в системе V-0 // Сборник трудов молодых ученых. «Неделя науки» 2009. Сборник тезисов. С. 107-110.

1. Замбург Е.Г., Михайличенко A.B., Пташник В.В. Исследование режимов формирования пленок наноструктурирования оксидов металлов методом импульсного лазерного осаждения // VI ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. 2009. С. 200-201.

2. Замбург Е.Г., Михайличенко A.B., Пташник В.В. Формирование тонких пленок оксидов металлов и гетероструктур методом импульсного лазерного осаждения // Материалы X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». 2010. С. 15.

3.Агеев O.A., Замбург Е.Г., Михайличенко A.B., Пташник В.В. Исследование электрофизических свойств плёнок VOx, полученных методом импульсного лазерного осаждения // Сборник трудов Международной научно-технической конференции и молодежной школы-семинара «Нанотехнологии». 2010. Часть 2, С. 34-36.

4. Агеев O.A., Замбург Е.Г., Михайличенко A.B., Пташник В.В. Исследование влияния режимов импульсного лазерного осаждения на электрофизические свойства пленок ZnO // Сборник трудов Международной научно-технической конференции и молодежной школы-семинара «Нанотехнологии». 2010. Часть 2, С. 31-34.

5. Агеев O.A., Замбург Е.Г., Михайличенко A.B., Пташник В.В. Исследование электрофизических свойств гетероструктур ZnO/Si, полученных методом импульсного лазерного осаждения // Сборник трудов Международной научно-технической конференции и молодежной школы-семинара «Нанотехнологии». 2010. Часть 2, С. 55-57.

гатенты:

6. Агеев O.A., Джуплин В.Н., Коноплев Б.Г., Михайличенко A.B. Чувствительный элемент неохлаждаемого фотоприемника инфракрасного диапазона // Патент РФ на полезную модель № 87568, 2009.

7. Агеев O.A., Джуплин В.Н., Коноплев Б.Г., Михайличенко A.B. Чувствительный элемент неохлаждаемого фотоприемника инфракрасного диапазона // Патент РФ на полезную модель № 102847, 2010.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат: в [10, 4, 15] - разработка методики проведения экспериментальных исследований, 5работка результатов экспериментов; [2] - расчет энергии Гиббса химических еакций; [1-13] - проведение экспериментальных исследований влияния режимов [JIO на электрофизические свойства пленок VOx, анализ экспериментальных гвисимостей; [4-9, 11-13] — исследование экспериментальных образцов.

Тип. ТТИ ЮФУ Заказ № тир. Экз. 100

Издательство Технологического института Южного федерального университета в

г. Таганроге ГСП - 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44 Типография Технологического института Южного федерального университета в

г. Таганроге Таганрог, 28, ГСП 17А, Энгельса, 1

Поделиться с друзьями: