Синтез нанодисперсных пленок титаната свинца и карбида вольфрама методом импульсной фотонной обработки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ (ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ)

ГЛАВА 1. СИНТЕЗ И УПРАВЛЕНИЕ СУБСТРУКТУРОЙ ПЛЕНОК СОЕДИНЕНИЙ ПРИ АКТИВАЦИИ ПРОЦЕССОВ

ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПУЧКАМИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Общая характеристика видов импульсной обработки

1.1.1. Импульсная обработка заряженными частицами

1.1.2.Лазерная обработка материалов 13 1.1.3 .Импульсная обработка некогерентным светом 15 1.1 АКлассификация импульсных видов воздействия по термодинамическим режимам.

1.2. Взаимодействие концентрированных пучков излучения с материалами

1.2.1. Взаимодействие мощного фотонного излучения с полупроводниками

1.2.2. Взаимодействие мощного фотонного излучения с металлами

1.2.3. Облучение материалов электронным пучком

1.2.4. Облучение материалов ионными пучками

1.3. Эффект быстрого отжига в фазовых, структурных и субструктурных превращениях тонких пленок

1.3.1 .Рекристаллизация имплантированных слоев

1.3.2. Синтез соединений

1.3.3. Механизмы атермических эффектов при импульсном отжиге

Актуальность темы. В последнее десятилетие интенсивно ведутся исследования воздействия концентрированных потоков излучения на различные материалы с целью ускорения процессов формирования их фазового состава и структуры.

В ряде работ [1-5] показана эффективность импульсной фотонной обработки (ИФО) излучением ксеноновых ламп гетероструктур 81 -переходный металл в синтезе пленок силицидов при создании контактных металлизированных систем СБИС.

В то же время необходимы дальнейшие исследования, направленные на выявление эффекта ИФО в снижении термической нагрузки облучаемых гетероструктур по сравнению с классической термообработкой, раскрытие механизма фотонной активации процессов синтеза.

Необходимо расширение круга объектов для возможного практического использования метода ИФО. В частности, не были исследованы возможности ИФО в синтезе пленок сложных оксидов и карбидов металлов. Актуальность исследования процесса синтеза первых связана с созданием на основе сегнетоэлектрических пленок электронных устройств, в том числе элементов энергонезависимой памяти, вторых - с созданием упрочняющих, химически и термически стойких покрытий.

Работа выполнена при поддержке научной программы «Университеты России» (грант УР.06.01.009) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-03-06086).

Цель работы. Исследование эффекта ИФО в синтезе пленок титаната свинца и карбидов вольфрама.

Для этого решали следующие задачи:

1. Разработка методики оценки энергии излучения, поступающего на образец, и температуры образца.

2. Исследование фазового состава, структуры и субструктуры пленок, образующихся при ИФО и термообработке (ТО) аморфных гетероструктур Pb-Ti-ЗО.

3. Исследование фазового состава, структуры и субструктуры пленок, образующихся при ИФО и ТО гетероструктур W-C.

Объекты и методы исследования. Выбор в качестве объектов исследования пленочных систем Pb-Ti-ЗО и W-C обусловлен, с одной стороны, возможностью практической реализации синтезируемых структур, с другой - имеющимися данными по синтезу пленок этих соединений другими методами.

Исследования фазового состава, структуры и ориентации пленок проведены на электронных микроскопах 'ПРЭМ 200, ЭМВ-100АК, Н-800, рентгеновском дифрактометре ДРОН-4; элементного состава - на РЭМ Camscan S4 с системой рентгеновского энергодисперсионного анализа LINK AN 10/55, оже-спектрометре PHI-551. Морфологию поверхности исследовали на сканирующем микроскопе Solver 747.

Научная новизна. Новизна результатов состоит в следующем:

1. Установлен эффект ИФО в синтезе пленок РЬТЮз и WC, проявляющийся в том, что в эквивалентных термических условиях конечная фаза (РЬТЮз со структурой перовскита и WC соответственно) образуется при меньшей температуре гетероструктуры, чем при классической термообработке.

2. Установлена последовательность образования кристаллических фаз в зависимости от энергии поступающего на исходную гетероструктуру излучения при ИФО аморфной гетероструктуры состава, близкого к Pb-Ti-ЗО; синтезированы однофазные пленки PbTi03 со структурой перовскита на Si, Si02, Ag/Si.

Консультирования по электронно-микроскопическим исследованиям осуществлял доктор физ.-мат. наук, Кущев С.Б.

3. Установлена последовательность образования кристаллических фаз в зависимости от энергии поступающего на исходную гетероструктуру излучения при ИФО пленочных гетероструктур \У-С; синтезированы однофазные пленки карбида с размером кристаллитов около 300 нм.

Практическая значимость. Данные об энергетических режимах получения однофазных пленок РЬТЮз могут быть использованы при разработке технологического процесса изготовления электронных устройств на их основе. Результаты по синтезу пленок карбида вольфрама могут быть использованы для формирования упрочняющих и термостойких покрытий.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. При ИФО аморфных пленок состава, близкого к РЬ-ТьЗО, и многослойных гетероструктур возможен твердофазный синтез РЬТЮ3 со стуктурой перовскита и карбида

2. Эффект ИФО излучением ксеноновых ламп по сравнению с ТО проявляется в снижении пороговых значений температур начала синтеза конечной фазы соединения.

3. Последовательность образования кристаллических фаз при ИФО и ТО одинакова.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 12-м Международном симпозиуме "Тонкие пленки в электронике" (Харьков, 2001); 14-м Международном симпозиуме «Тонкие пленки в оптике и электронике» (Харьков, 2002); Международной школе-семинаре "Нелинейные процессы в дизайне материалов" (Воронеж, 2002); Международном симпозиуме "Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах" (Сочи, Лазаревское, 2002); Международной научной конференции "Кристаллизация в наносистемах" (Иваново, 2002); Международном семинаре "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" (Астрахань, 2002); 15-м Международном симпозиуме «Тонкие пленки в оптике и электронике» (Харьков, 2003); XIX

Всероссийском совещании по температуроустойчивым функциональным покрытиям (Санкт-Петербург, 2003).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей и тезисов докладов.

Личный вклад автора. Автором изготовлены исходные структуры пленок состава Pb-Ti-О совместно с Ю.А.Обвинцевым, изготовлены пленки гетероструктур W-C совместно с С.А. Солдатенко, проведены фотонная и термическая обработки гетероструктур, электронно-микроскопические исследования. Совместно с Е.К. Белоноговым проведены исследования морфологии поверхности методом АСМ. Совместно с В.Н.Саниным проведены тепловые расчеты. В совместных работах автору принадлежит проведение экспериментов, написание статей, обсуждение результатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, изложенных на 116 страницах; содержит 28 рисунков и 6 таблиц, список литературы из 161 наименования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе калориметрической методики сделана оценка значений удельной плотности энергии излучения (Еи), поступающего на образец для различных режимов импульсной фотонной обработки (ИФО) излучением ксеноновых ламп.

2. Методами ПЭМ, РЭМ и рентгеновской дифрактометрии проведено исследование фазовых и субструктурных изменений при термическом отжиге и импульсной фотонной обработке аморфных пленок состава, близкого к Pb-Ti-ЗО на подложках Si, Si02/Si и Ag/Si в атмосфере воздуха.

3. Установлено, что последовательность образования фаз титаната свинца при ИФО та же, что и при традиционном термическом отжиге.

4. Показана возможность синтеза однофазных пленок РЬТЮз со структурой перовскита при ИФО в атмосфере воздуха и определены режимы обработки.

5. Установлен эффект фотонной активации синтеза пленок PbTi03 при ИФО аморфных пленок одинакового состава, нанесенных на обе стороны кремниевой пластины, проявляющийся в образовании конечной фазы на облучаемой поверхности при меньших значениях Еи.

6. Методами ПЭМ и рентгеновской дифрактометрии проведено исследование фазовых и субструктурных изменений при ИФО и быстром термическом отжиге пленочных гетероструктур W-C на Si02 в вакууме. Методом АСМ исследована морфология поверхности пленки системы C-W-C на вольфрамовой фольге при различных режимах импульсной фотонной обработки.

7. Показана возможность синтеза однофазного нанокристаллического карбида WC с гексагональной решеткой и установлены пороговые значения энергии излучения (и температуры) начала образования карбидов вольфрама.

8. Установлено, что в эквивалентных термических режимах обработки гетероструктур С-\У-С ИФО эффективнее быстрого термического отжига. В синтезированных при ИФО пленках доля карбидной фазы выше и размер зерен больше на порядок величины.

9. Морфология поверхности исходных слоев С-\У-С характеризуется глобулярной структурой с размером глобул 20-50 нм. ИФО приводит к увеличению развитости поверхности за счет твердофазного синтеза кристаллической фазы \У2С и роста зерен в процессе рекристаллизации пленок.

1. Иевлев В.М., Кущев С.Б., Тонких H.H. и др. Применение импульсной термической обработки в технологии изготовления интегральных схем // ЭП. - 1986. -№1(Т). -С.32-35.

2. Иевлев В.М., Кущев С.Б., Тонких H.H. Применение импульсного фотонного отжига в технологии изготовления СБИС// Специальная электроника. Сер.З, Микроэлектроника. - 1987.- Вып.2 (51).- С.56-61.

3. Егоров В.В., Злобин В.П., Иевлев В.М. и др. Метод импульсного фотонного отжига в технологии изготовления интегральных схем с диэлектрической изоляцией // ЭП. 1989. - №9. - С.2-5.

4. Иевлев В.М., Кущев С.Б., Злобин В.П. и др. Получение силицидов палладия с помощью импульсного фотонного отжига // ЭП.- №2(Т) (33). 1987.-С. 65-69.

5. Крылов В.М., Прокопенко В.Т., Митрофанова A.C. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Л.: Машиностроение. - 1978. -336с.

6. Ф.Ф.Водоватов, А.А.Чельный, В.П.Вейко, М.Н.Либенсон Лазеры в технологии. М.: Энергия. - 1975. - 215 с.

7. Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. Л.: Машиностроение. - 1986. - 248 с.

8. Рыкалин H.H., Углов A.A., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов (справочник) М.: Машиностроение. - 1985. - 496 с.

9. Поут Дж.М., Фоти Г., Джекобсон Д.К. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. М.: Машиностроение. - 1987. - 424 с.

10. Майсселл Л., Глэнг Р. Технология тонких пленок (справочник).- М.: Советское радио. 1977.-Т.1.- 664 с.

11. Крапошин B.C. Обработка поверхности металлических материалов лазерным излучением// Поверхность. 1982. - №3 - С. 1-11.

12. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение.- 1975. 296 с.

13. Углов А.А., Орехов М.В., Кокора А.Н. Увеличение эффективности размерной обработки излучением ОКГ// Физика и химия обработки материалов 1976. - № 4 - С. 135-137.

14. Качурин Г.А., Нидаев Е.В. Лазерный отжиг точечных дефектов в кремнии и арсениде галлия// ФТП 1980. - Т. 14 - вып. 3. - С. 424 - 427.

15. Bertolotti М., Vitali G., Rimini Е., Foti G. Structure transitions in amorphous Si under laser irradiation. // J. Appl. Phys. 1979. - vol. 51. - № 1. - P. 259 -265.

16. Mariucci L., Carlucio R., Pecora A., Fogletti V., Fortunato G. A two-pass excimer laser annealing process to control amorphous silicon crystallization // Jap. J. Appl. Phys. Pt. 2. 1999. - №86 - P. L907-L910.

17. Watanabe Y., Seo Y., Tanamura M. et al.// J. Appl. Phys. 1995. - v. 78. - № 8.-P. 5126.

18. Lichtenwalner D.J., Auciello O., Dat R, Kingon A.I.// J. Appl. Phys. 1993. -v. 74-№ 12.-P. 7497.

19. Von Allmen M., Wittmer M. Dynamics of laser induced formation of palladium sillicide // Appl. Phys. Lartt. 1979. - vol 34. - № 1. - P. 68-70.

20. Wittmer M., von Allmen M. A study of sillicide formation by laser irradiation// J. Appl. Phys. 1979. - v. 50 - № 7 - p. 4786-4790.

21. Baeri P. Pulsed laser irradiation of nikel films on silicon// Journal de physique. 1983 - V.44.- P. 449-454

22. Lee H.S., Wolga G.J. Growth kinetics of Mo, W, Ti and Co silicides formed by Infrared laser heatin // J. Electrochem. Soc. 1990.- V.137.- №2.- P. 684-690.

23. Лабунов B.A., Борисенко B.E., Заровский Д.И. и др. Формирование силицидов импульсной термообработкой пленочных структур// Зарубежн. электрон, техника. 1985. - № 8. - С. 27-53.

24. Wu I. С., Chu J. J., Chen L.J. Local epitaxy of TiSi2 on (111) Si: Effects due to rapid thermal annealing and to the annealing atmosphere // J. Appl. Phys. -1986. v. 60 - № 9. - P. 3172 - 3175.

25. Wei C.S., Van der Spiegel J., Santiago J. Incoherent radiative processing of titanium silicides // Thin Solid Films. 1984. - vol. 118. - № 2. - P. 155 -162.

26. B.M. Иевлев, С.Б. Кущев Формирование пленок силицидов металлов методом импульсной фотонной обработки// Вестник ВГТУ. Сер. Материаловедение.- Воронеж, -1997.- Вып.1.2.- С. 8-13

27. Косарев И.И., Москаленко В.Ф., Степанов В.А. Применение газоразрядных лазеров в микроэлектронике // Электрон, пром-сть. -1981. -№5-6. С. 56-60.

28. Вейко В.П., Либенсон М.Н., Таипов Р.А. и др. Лазерная технология: обзоры по электронной технике. Л.: Электроника. 1970. - В. 68. -120 с.

29. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. М.: Мир 1986. -504 с.

30. Kirkpatrick А.К., Minnucci J.A., Greenwald А.С., Little R.G. Transient processing of implanted semiconductors by pulsed electron beams//Proc. 1st Conf. on Ion Beam Modification of Materials. Bp. 1980. - P. 629-652.

31. Hirsch E.H., Yarga I.K. Thin film annealing by ion bombardment// Thin Solid Films. 1980. - vol. 69. - № 1. - P. 99 - 105.

32. Лазеры/ Под ред. M.E. Жаботинского, Т.А. Шмаонова. М.: Сов. Радио. -1978.-Т.2-400 с.

33. Бирнбаум А. Оптические квантовые генераторы. М.: Сов. Радио. 1967. -250 с.

34. Рэди Дж. Действие лазерного излучения. М.: Мир 1974 - 465 с.

35. Коллинз Р., Нельсон Д., Шавлов А. И др. Когерентность, сужение, направленность и релаксационные колебания интенсивности светового излучения рубина. Лазеры. М.: Мир 1968. - 205 с.