Структура и термостабильность пленок металлосодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов

Пресняков, Михаил Юрьевич

Структура и термостабильность пленок металлосодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Пресняков, Михаил Юрьевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Структура и термостабильность пленок металлосодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов»

Автореферат диссертации на тему "Структура и термостабильность пленок металлосодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов"

На правах рукописи

Пресняков Михаил Юрьевич

СТРУКТУРА И ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ ПЛЕНОК МЕТ АЛЛ ОСО ДЕРЖАЩИХ КРЕМНИЙ-УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ

01.04.10-физика полупроводников

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

1.с ИДП 2014

005549036

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук профессор кафедры ППЭ ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ» Попов Анатолий Игоревич

Официальные оппоненты: Шерченков Алексей Анатольевич,

доктор технических наук, профессор кафедры материалов функциональной электроники Национального исследовательского университета "МИЭТ"

Миловзоров Дмитрий Евгеньевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник кафедры биомедицинской и полупроводниковой электроники Рязанского государственного радиотехнического университета

Ведущая организация: Институт общей и неорганической

химии Российской академии наук

Защита состоится «19» июня 2014 г. в 15 ч. 00 мин. в ауд. К-102А на заседании диссертационного совета Д 212.157.06 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» [URL: http:Wwww.mpei.ru]

Автореферат разослан «/£» <g-"y^"-^2014 г.

Ученый се!фетарь диссертационного совета Д 212.157.06

Доктор технических наук, профессор ^^^^^Мирошникова Ирина Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Развитие цивилизации обуславливает постоянное усложнение различных электронных устройств при сохранении или уменьшении их размеров и потребляемой мощности. В связи с этим вопрос миниатюризации электронных приборов является одним из важнейших в современном мире. Скорость эволюции электронных устройств в плане их размеров и производительности впечатляет. Однако стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых изделий. Так стоимость производства интегральных схем по технологии 20-14 нм, на сегодняшний день, составляет порядка 9-10 млрд. долларов США, а компаний, которые в силах работать в этом сегменте всего7-8. По технологии 10 нм ситуация усугубляется: стоимость порядка 20 млрд.$ и всего 5 компаний. Таким образом совершенствование технологических процессов несет за собой огромнейшие затраты для изготовителей ИС. Кроме стоимостных характеристик простое уменьшение размеров активных областей приборов современной электроники приводит к принципиальным ограничениям, связанным с атомарной природой вещества и с квантово-размерными эффектами.

Однако, наряду с уменьшением размеров традиционных полупроводниковых приборов за счет совершенствования технологических приемов, позволяющих добиваться сверхвысокого разрешения при обработке поверхности, существует и другой путь решения рассматриваемой проблемы. Он заключается в использование физических закономерностей роста наноструктур из отдельных атомов благодаря эффекту самоорганизации. К числу подобных наноструктур относятся нанокомпозиционные материалы.

Одним из перспективных путей в этом направлении является создание композиционных наноструктур, состоящих из наночасгиц металла (или его соединеня), размещенных в матрице из иного, не взаимодействующего с наночастицами материала: металла, полупроводника или диэлектрика. Подобные структуры демонстрируют ряд физических свойств, которые резко отличают их от обычных материалов. Перспективными материалами этого класса являются металлосодержащие кремний углеродные нанокомпозиты, которые не уступают, а по ряду параметров превосходят алмазоподобные пленки аморфного углерода. Кроме того, в этих материалах открывается широкая возможность изменять величину удельного электрического сопротивления на 10 и более порядков величины.

Дальнейшим развитием данного направления является переход от нанокомпозиционных материалов (со случайным распределением наночасгиц) к наноструктурированным материалам, в которых наночастицы распределены определенным закономерным образом.

Успешное применение указанных выше материалов требует ответа на большое количество вопросов, касающихся формирования нанокомпозиционных и

наноструктурированных материалов, их стабильности, взаимосвязи структуры с физическими свойствами и ряда других. Поэтому поиск ответов на данные вопросы является актуальной задачей. Цель работы

Целью настоящей работы являлось создание нанокомлозиционных и наноструктурированных танталсодержащих пленок на основе кремний-углеродной матрицы, определение их структуры, фазового и химического составов, электрических свойств и термостабильности. Для достижения поставленных целей было необходимо решить несколько основных задач, а именно:

• изучить зависимости структуры, фазового и химического составов пленок от концентрации тантала и определить механизм вхождения металла в кремний-углеродную матрицу;

• разработать методы наноструктурирования, то есть методы создания закономерного распределения нанокристаллической фазы по толщине пленок танталсодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов;

• определить влияние термообработок в различных условиях (в вакууме, в атмосфере воздуха) на структуру, фазовой и химический состав пленок и определить механизмы этого влияния;

• определить механизмы переноса носителей заряда в исследуемых материалах в зависимости от концентрации тантала и влияние термообработок в различных условиях на электропроводность пленок;

• разработать методы повышения термостабильности исследуемых материалов.

Объект и предмет исследования

Объектами исследования являлись пленки танталсодержащихнанокомпозитов с кремний-углероной матрицей (МНККУМ) с различной концентрацией металла, нанесенные на подложки из кремния, №С1 и ситалла. Электронно-микроскопические исследования проводились на пленарных образцах пленок, отделенных от подложки из №С1, а также на поперечных срезах пленок на двух других типах подложек.

Предметом исследования являлись структура, фазовой и химический состав и электрофизические свойства пленок МНККУМ, а также их термостабильность. Научная новизна

• Разработан метод наноструктурирования пленок танталсодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов, заключающийся в создании закономерного распределения нанокристаллической фазы по толщине пленок.

• Показано, что в тонких пленках МНККУМ при концентрациях тантала около 40 вес. % возникают цилиндрические образования с внешним радиусом 13-25 нм и внутренним радиусом - около 8 нм. При этом концентрация тантала максимальна на поверхности цилиндров и минимальна в центре этих образований.

• Выявлено, что структура, фазовой и химический состав пленок МНККУМ остаются стабильными при термообработках в вакууме вплоть до 800 °С.

• Разработана и экспериментально подтверждена модель, объясняющая влияние термообработок в атмосфере воздуха на структуру, химический и фазовый состав пленок МНККУМ.

• Экспериментально доказано что при даже при длительной термообработке пленок в вакууме и атмосфере воздуха до 800 С в их структуре не происходит процесса графитизации (образования нанокристаллов графита).

• Экспериментально определен порог перколяции электропроводности для исследуемых материалов. Определены три участка на концентрационной зависимости электропроводности и механизмы переноса заряда на этих участках;

• Определены механизмы изменения электропроводности пленок при термообработках как в вакууме, так и в атмосфере воздуха.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• Разработан метод наноструктурирования пленок МНККУМ путем варьирования технологический параметров нанесения пленок.

• Выявлены концентрационные значения проводящей нанофазы, характерные для порога перколяции в танталсодержащих МНККУМ.

• Определены причины изменения структуры, фазового и химического состава и электропроводности пленок МНККУМ при термообработках материала в атмосфере воздуха. Предложена и опробирована технология повышения термостабильности пленок МНККУМ.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов определяется использованием современного высокоточного сертифицированного оборудования, использованием взаимно-дополняющих экспериментальных методик, согласием результатов, полученных различными экспериментальными методами, а также подтверждены воспроизводимостью параметров и соответствием полученных расчетных и экспериментальных данных. Основные положения, выносимые на защиту

• В танталсодержащих кремний-углеродных нанокомпозитах тантал неравномерно распределяется по объему образца и образует нанокристаллы карбида тантала ТаС. При этом размеры, форма и концентрация нанокристаллов определяется концентрацией тантала в образце.

• Метод наноструктурирования пленок танталсодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов, обеспечивающий закономерное распределение нанокристаллической фазы по толщине пленок.

• Модель, объясняющая влияние термообработок в атмосфере воздуха на структуру, химический и фазовый состав пленок МНККУМ.

• Метод повышения термостабильности пленок МНККУМ, заключающийся в создании барьерного слоя на поверхности пленки.

• Значения порога перколяции электропроводности исследуемых материалов и механизм изменения электропроводности пленок при термообработках. Реализация результатов работы

Результаты исследований использованы при выполнении проектов по грантам РФФИ: проект № 13-07-00173 А «Изучение зависимостей «состав-струюура-свойство» алмазоподобныхнанокомпозитов» 2013 - 2014 годы, проект № 12-0700706 «Метод мониторинга технологического процесса и повышение надежности микроэлектронных фотоэлектрических элементов "смотрящих" матриц» 2012 -2014 годы и проект № 12-05-31342 «Фазовые соотношения, структурные и спиновые состояния породообразующих мантийных MgjFe-силикатов переходной зоны и нижнего слоя мантии».

Результаты работы использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлениям «Электроника и микроэлектроника», «Электроника и наноэлектроника» и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника» в Национальном исследовательском университете «МЭИ». Подготовлено и издано учебно-методическое пособие «Электронно-микроскопические исследования пленок металлосодержащих кремний - углеродных нанокомпозитов».

В рамках выполнения работы по ГК№16.647.12.2026 разработан и создан (в соавторстве) интерактивный учебно-методический комплекс, функционирующий в режиме удаленного доступа для выполнения работ на элекгронно-зондовых приборах.

Личный вклад автора заключается в отработке методики и изготовлении мембран для исследовании методами просвечивающей электронной микроскопии, проведении экспериментальных исследований, описанных в работе, в анализе и обобщенииполученных экспериментальных результатов, создании и проверке адекватности моделей изучаемых процессов, разработке методов наноструктурирования образцов и повышения их термостабильности. Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Ш Nanotechnology international forum Rusnanotech, Moscow,l-3rd November 2010; П1 Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по направлению «Наноматериалы», Рязань, 27сентября - 2 октября 2010; Международный научно-методический семинар «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах»,Москва, 28-30 ноября 2011; Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел РЭМ-2011, Черноголовка, 31 мая — 02 июня 2011; XVIII Ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 1-2 марта 2012; The 15th European Microscopy Congress, Manchester, UK,16th - 21st

September 2012; VIII Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», С-П6, 2-5 июля 2012; XXIV российская конференция по электронной микроскопии, Черноголовка,29 мая-1 июня 2012; XVIII российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых, Черноголовка, 3-7 топя 2013 года, 2013; 18th Microscopy of Semiconducting Materials (MSMXVIII), St Catherine's College, Oxford, UK, 7-11 April 2013. Результаты работы были представлены на выставках: 3-я Международная выставка по нанотехнологиям Rosnanotech 2010, Москва, 1-3 ноября 2010; 14-Й Международный форум «Высокие Технологии XXI века», Москва, 24-27 апреля 2013

Публикации Основные результаты опубликованы в 15 печатных работах, из них 7 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 168 страниц, включая 84 рисунка, 12 таблиц, 1 приложения. Список цитируемой литературы включает 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы поставленные цели работы, решаемые для их достижения задачи, научная новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 «Материалы и методы их исследования» посвящена рассмотрению существующих композиционных материалов на основе алмазоподобных пленок, аморфного углерода (DLC), аморфных кремний-углеродные нанокомпозитов и металлосодержащие нанокомпозиты с кремний-углеродной матрицей (МНККУМ). Проводится их сравнительный анализ, выделены слабые и сильные стороны каждого материала. Основной упор делается на изучение металлосодержащих нанокомпозитов с кремний-углеродной матрицей. Представлены литературные сведения, касающиеся существующих моделей вхождения металлической нанофазы в структуру композита с кратким обзором исходных материалов, из которых получают исследуемые пленки. Представлены результаты анализа литературы на предмет исследования электрофизических особенностей и термостабильности систем на основе МНККУМ. Кроме того, в данной главе представлен обзор комплексных методик сканирующей зондовой и электроннолучевой микроскопии, применяемых для исследования материалов на наноуровне. Приведен перечень задач, решаемых каждой методикой. Анализ литературных источников показал, что рассмотренный класс пленок многокомпонентных материалов достаточно широко применяется в настоящее время и имеет значительные перспективы расширения областей применения в будущем. Вместе с тем существует ряд нерешенных фундаментальных проблем, ограничивающих успешное развитие устройств на основе этого материала. На основании этого сформулированы задачи исследования.

Глава 2 «Оборудование и методики экспериментальных исследований»

несет в себе информацию об измерительных системах и методиках исследования, которые применены в данной работе для достижения поставленных задач. В работе использовались зондовые и элекгронномикроскопические методики для харакгеризации фазово-струкгурных особенностей исследуемых материалов. К ним относятся просвечивающая (ПЭМ) и растровая просвечивающая (РПЭМ) электронная микроскопия с использованием высокоуглового кольцевого темнопольного детектора электронов, а также, приставок для энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДРС), спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ), растровая электронно-ионная микроскопия (РЭИМ) и сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) в режиме атомно-силового микроскопа (АСМ). Кроме того, в данной работе была использована методика ультрамягкой рентгеновской спектрометрии (УМРС) и установки для измерения электрофизических параметров. Все вышеперечисленные методики реализовывались на комплексе измерительно-аналитического оборудования, включавшего в себя: FEI Tecnai G20F (ПЭМ), FEI Titan 80-300S/TEM (ПЭМ/РПЭМ), FEI Helios NanoLab 600i (РЭИМ-СИП), NT-MDT Solver p47-pro (C3M-ACM), PCM-500 (УМРС).

Глава 3 «Изготовление пленок нанокомпозитов и подготовка образцов для электронномикроскопических исследований» описывает процесс получения пленок. Представлена схема используемого оборудования, проводится обоснование и выбор используемых в работе технологических режимов. Подробно описывается используемая в данной работе методика с использованием фокусированного ионного пучка на базе растрового электронно-ионного прибора Helios Nanolab 600i (FEI, США) с описанием последовательности шагов для приготовления ламелей с толщиной от Юнм, подлежащих комплексному исследованию посредством аналитической электронной микроскопии.

Глава 4 «Структура, фазовый и химический состав танталсодержащих пленок кремний - углеродных нанокомпозитов» посвящена результатам исследований тонких пленок МНККУМ зондовой и электронной микроскопии. Исследовались два типа пленок: тонкие (прозрачные для пучка электронов) пленки (толщина до 50 нм) на подложке из NaCl и толстые (толщиной от 450 нм) пленки на различных подложках. Показано, что при концентрациях тантала до 86 вес. %, кремний-углеродная матрица остается в аморфном состоянии, а тантал образует нанокристаллы, кристаллическая решетка которых принадлежит к кубической сингонии с пространственной группой Fm 3 m и параметром

элементарной ячейки a=4,457Á, что соответствует кристаллам карбида тантала ТаС (Рисунок 1).

Результаты картирования элементного состава с помощью приставки ЭДРМА выявили, что в тонких (толщиной до 50 нм) пленках МНККУМ при невысоких концентрациях тантала (40 вес. %) возникают цилиндрические образования с

Рисунок 1 Светлопольное ПЭМ-изображение поперечного среза пленки Та-МНККУМ (55 вес.%Та) с двумерными преобразованиями Фурье от областей с повышенной (сверху) и пониженной (снизу)

концентрацией Та (выделены рамкой) внешним радиусом 13-25 нм и внутренним радиусом - около 8 нм, не зависимо от внешнего. При этом концентрация тантала максимальна на поверхности цилиндров, существенно ниже в областях между цилиндрами и минимальна в центре этих образований.

В данной главе представлены данные о зависимости размеров, формы и распределения нанокристаллической фазы от концентрации введенного в пленку танатала, а также разработанный метод наноструктурирования пленок, то есть создания закономерного распределения нанокристаллической фазы по толщине пленки посредством варьирования параметров роста пленок.

Глава 5 «Влияние термообработок на структуру, фазовый и химический состав ганталсодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов» содержит описание результатов работ, направленных на прямые исследования влияния термообработок на фазовый и химический состав и на структуру танталсодержащего нанокомпозита с кремний-углеродной матрицей (Та-МНККУМ).

Для проведения исследований Та-МНККУМ методами просвечивающей электронной микроскопии, из исходных образцов с помощью установки со сфокусированным ионным пучком (СИП) ва+ были получены поперечные срезы образца в виде тонкой мембраны размерами Пх7мкм. Первым этапом работы было исследование влияния термообработок в условиях высокого вакуума. С этой целью был проведен нагрев подготовленного для электронно-микроскопических исследований образца (мембраны) "¡п-БЙи", внутри колонны ПРЭМ, при давлении в камере Р=10"8 мм. рт. ст. Содержание тантала в образце, по данным ЭДРМА, составляло 60 вес. %.

Помещенный в колонну электронного микроскопа образец последовательно нагревался до температур Т=200, 300, 500, 700 и 800°С с выдержками при каждой температуре от 5 до 40 мин. При достижении каждого температурного значения и соответствующей выдержке, делалась серия микрофотографий в светлопольном режиме ПЭМ для выявления возможных фазовых изменений, а также в режиме ПРЭМ с использованием ВУКТД для регистрации возможных флуктуаций плотности

распределения металлической нанофазы.. Полученные результаты ПЭМ и ПРЭМ говорят о том, что структура и фазовый состав пленок МНККУМ устойчивы к нагреву в условиях высокого вакуума вплоть до температуры 800°С.

Для выяснения возможного влияния глубины вакуума на полученные результаты был проведен эксперимент "ех-з1ш" по термообработке образца в низком вакууме. Наноструктурированный образец с тем же средним содержанием Та (60 вес. %), отжигался в вакуумном шкафу СНВС-2,5.2/4-И2В. Давление при отжиге составляло Р=5х10-3 мм.рт.ст. Исходя из того, что по литературным данным изменения спектров раммановского рассеяния и механических свойств кремний -углеродных пленок наблюдались при температурах термообработок от 300 °С и выше (при продолжительности 60 мин), то в настоящей работе температура термообработки была выбрана Т=395°С, а выдержка - 420 мин. После термообработки из образца вырезалась мембрана для исследований в просвечивающем электронном микроскопе размерами 14x8 мкм2 и толщиной порядка 20-30 нм (по данным СХПЭЭ). Однако, сравнение полученных с помощью РПЭМ и ЭДРС данных с данными исходных образцов и образцов, отожженных в высоком вакууме, не выявляет каких-либо серьезных отличий. Таким образом, сделано заключение, что пленки танталсодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов обладают высокой термостабильностью в условиях как высокого, так и низкого вакуума.

Устройства на основе пленок МНККУМ, в особенности терморезисторы, эксплуатируются в условиях атмосферы воздуха, в связи с чем был проведен ряд экспериментов, связанных с изучением влияния атмосферы воздуха на структуру пленок металлосодержащих нанокомпозитов. Термообработка на воздухе при атмосферном давлении проводилась при той же температуре (395°С) с использованием того же оборудования (СНВС-2,5.2/4-И2В) как и термообработка в условиях низкого вакуума. Исследовались образцы со средним содержанием Та от 10 до 76 вес. %, нанесенные на подложки кремния и ситалла.

Изображения поперечных срезов образца и профиль распределения химических элементов после термообработок различной продолжительности на воздухе при атмосферном давлении свидетельствуют о том, что термообработка в атмосфере воздуха приводит к существенным изменениям в образцах. У поверхности пленки формируется нарушенная область (рисунок 2).

Рисунок 2 (А) - ПРЭМ (ВУКТД) изображение нарушенного слоя; (Б) - ПЭМ-изображение границы раздела (обозначена штрихом) прореагировавшего (сверху) и непрореагировавшего (снизу) участка пленки МНККУМ после термообработки на воздухе

Имеющийся контраст однозначно свидетельствует об изменении химического состава материала. С увеличением времени термообработки толщина этой области растет практически линейно со скоростью 20 - 30 нм/час, достигая при термообработке в течение 18 часов величины 534 нм и составляя большую часть объема пленки. Следует отметить, что, несмотря на сохранение значительной концентрации тантала в этой области, просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения не регистрирует присутствия в ней нанокристаллов карбида тантала, которые присутствуют в образцах до отжига и сохраняются в оставшейся части образцов. Результаты энергодисперсионного микроанализа также свидетельствуют о существенном изменении химического состава материала в образующейся при термообработке приповерхностной области. Химический состав образцов внутри и вне приповерхностного нарушенного слоя при различных временах термообработки представлен в таблице 1,

Как видно из таблицы, в нарушенной области в несколько раз возрастает концентрация кислорода при пропорциональном или более сильном уменьшении концентрации углерода. При длительном отжиге концентрация углерода в нарушенном слое приближается к величине погрешности метода. Концентрация Та в образце, содержащим 68 вес. % Та, практически не меняется при отжиге в течение нескольких часов.

Таблица 1 Влияние отжига на химический состав пленки МНККУМ __(НС - нарушенный приповерхностный слой)

№ образца Конц. Та, Конц. С, Конц. О, Конц. Б!,

(время термо- Толщина вес.% вес.% вес.% вес.%

обработки) НС, нм НС не НС НС не НС НС не НС НС не НС

1(0ч) — ... 68 ... 8 ... 3 — 21

2 (0.5ч) 10-13 65 65 7 15 7 3 21 17

3 (1ч) 18-23 65 65 5 16 10 3 20 16

4 (2ч) 52 65 67 2 15 12 3 21 17

5 (4ч) 169 65 67 1 13 13 3 21 17

6 (18ч) 534 60 65 2 15 22 5 16 15

Исходя из полученных данных, в работе предложена следующую модель процессов, происходящих при термообработке МНККУМ в атмосфере воздуха при температурах выше 300 °С, включающую три этапа: 1ый этап. Взаимодействие кислорода с атомами углерода на поверхности пленки с образованием летучих соединений СО, СО2 и сублимация этих соединений углерода из приповерхностной области. 2ой этап. Взаимодействие кислорода с БЮх с образованием оксида кремния, близкого к БЮг. Зий этап. Взаимодействие кислорода с танталом с разрушением нанокристаллов карбида тантала и образованием оксида тантала. При этом, поскольку в приповерхностной области отсутствуют нанокристаллы, то необходимо предположить, что образующийся оксид тантала находится не в кристаллическом, а в аморфном состоянии. Последнее предположение выглядит достоверным, так как известно, что пленки Таг О 5 могут сохраняться в аморфном состоянии вплоть до температуры 700 °С.

Следует отметить, что в ряде опубликованных ранее работ, при исследовании влияния термообработок на кремний - углеродные пленки методом комбинационного рассеяния было сделано предположение о возникновении в материале в результате термообработки микро или нанокристаллов графита. Однако наши исследования с использованием просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения не обнаружили наличия кристаллов графита в образцах после термообработок вплоть до 800 °С (что выше диапазона термообработок, используемых в упомянутых выше трудах).

Для проверки и подтверждения данной модели в работе проведено исследование образцов до и после их отжига в атмосфере воздуха (400 °С, 395 мин) методом ультрамягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии (УМРЭС). Результаты говорят о следующем: до отжига концентрация атомов кремния в соединениях с кислородом составляет 40 - 45 %. При этом концентрация атомов кремния в соединениях близких к диоксиду кремния в приповерхностном слое равна

26 %, а с увеличением толщины анализируемой области она уменьшается в два раза. В противоположность этому концентрация атомов кремния в низших окислах (вЮи) в зависимости от толщины анализируемой области изменяется в противоположном направлении. Повышенное содержание диоксида в приповерхностной области может быть объяснено естественным окислением поверхности образцов атмосферным кислородом. Кроме того, для не отожженных пленок форма спектра в диапазоне энергий 84 - 88 эВ может быть обусловлена наличием небольшого количества связей кремний - углерод в этих образцах. После отжига на воздухе концентрация атомов кремния в соединениях с кислородом в приповерхностной области увеличивается до 67%, то есть в полтора раза. При этом все атомы кремния находятся в соединениях близких к диоксиду кремния, а концентрация атомов кремния в низших окислах (вЮ 1,3) спадает до нуля. Кроме того, в результате отжига на воздухе исчезают детали спектра (наплывы) при 84 - 88 эВ, что свидетельствует об отсутствии связей кремний-углерод.

Для дополнительной проверки результатов просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и для анализа изменений химических связей основных элементов, входящих в состав образцов, в результате отжига была проведена спектроскопия характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ). СХПЭЭ проводилась в образце, содержащим 67 вес.% тантала до и после термообработки на воздухе при температуре 395°С в области краев поглощения химических элементов, образующих кремний - углеродную матрицу: кислорода, углерода и кремния. Глубина приповерхностного нарушенного слоя после термообработки составляла, в зависимости от времени выдержки, от 10 до 534 нм.

Результаты этих исследований могут быть суммированы следующим образом. На спектре характеристических потерь энергии электронов вблизи края поглощения углерода (283эВ), на непрореагировавшем участке образца присутствуют пики (при 287 и 295 эВ), свидетельствующие о присутствии атомов углерода. После термообработки, на спектре, полученном от приповерхностного участка, эти пики отсутствуют, что свидетельствует об отсутствии углерода в исследуемой области, что согласуется с результатами энергодисперсионного микроанализа (таблица 1). Изменения при отжиге в приповерхностном слое обусловлены взаимодействием атомов образца с кислородом воздуха. При этом в толще образца, как показали результаты энергодисперсионного анализа (таблица 1), химический состав практически не меняется. Однако при этом может изменяться фазовый состав материала, что, в свою очередь, может вести к образованию нано и микрокристаллов графита. Для проверки этого предположения был проведен анализ СХПЭЭ-спектра у края поглощения углерода, на ламели, приготовленной из образца, подвергшегося термообработке в вакууме. Полученные результаты свидетельствуют, что после термообработки в непрореагировавшей с кислородом области образцов углерод остается в аморфной фазе. Таким образом, результаты СХПЭЭ подтверждают

наличие в не отожжённых образцах углерода в аморфном состоянии. В образцах после отжига в областях непрореагировавших с кислородом была обнаружена аналогичная фаза углерода, а в приповерхностных областях, прореагировавших с кислородом, углерод практически отсутствовал. Также, как и ПЭМ, исследования методом СХПЭЭ показали отсутствие кристаллического графита в исследуемых областях. Анализ спектров вблизи краев поглощения и О, дал результаты, подтверждающие, что в образце до термообработки присутствуют связи между атомами кремния и кислорода, однако структурная сетка диоксида кремния отсутствует. Однако после термообработки все пики СХПЭЭ-спектра практически полностью повторяют положения пиков на спектре 8102.

1! ] 1 1 : I ; у / \ ■/ 11 ■/ N \ J \ /' '' ••• ,,5 02 V "' ' '•' • до отжига V ''' М ч послеЧ^ отжига ИИ 3102 шт А_НТ : В_НТ

15 «0 .М • о »¿Е. 1йй -й:- ¿¡о ¿Ди г4в аго

Рисунок 3 СХПЭЭ- спектр вблизи края поглощения Эг До отжига (В_НТ), после отжига (А_НТ), 8102- характерный для диоксида кремния из литературных источников

Анализ формы спектра, полученного вблизи края поглощения кислорода (532эВ), в сравнении с полученными из литературных источников спектрами, характерными для различных оксидов тантала, свидетельствует о формировании в прореагировавшем приповерхностном слое пленки оксида тантала с химическим составом, близким к ТагОб.

С целью повышения термостабильности пленок металлосодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов был проведен эксперимент по созданию на поверхности пленки диффузионного барьера для кислорода атмосферы воздуха. В качестве такого барьера использовалась пленка нитрида кремния (Згз^). Нитрид наносился химическим методом. Толщина пленки нитрида кремния составляла около 50 нм. Далее образец отжигался в атмосфере воздуха при температуре Т=395 °С в течение 420 мин. Из исходного образца с нанесенной пленкой нитрида кремния и из образца после отжига были изготовлены мембраны и проведены их электронно-микроскопические исследования. ПРЭМ - изображения, полученные с Ъ- контрастом, и микроанализ приповерхностных слоев пленок композита вблизи слоя нитрида

кремния свидетельствуют о стабильности микроструктуры и состава и об отсутствии нарушенного слоя, обнаруженного при отжиге незащищенных пленок на воздухе. Таким образом, защитные покрытия на основе нитрида кремния повышают термостабильность композиционного материала.

Глава 6 «Электрофизические свойства таиталсодержащкх пленок кремний - углеродных нанокомпозитов» Для выяснения взаимосвязи структуры и электрофизических свойств материала (в первую очередь электропроводности) были проведены эксперименты, позволяющие проанализировать взаимосвязи между концентрацией вводимой нанофазы и электропроводностью пленок, а также влияние термообработок на их электропроводность и вопросы повышения электрофизической термостабильности пленок.

Зависимости удельной электропроводности материала от концентрации тантала при трех разных температурах приведены на рис. 4. Из рисунка видно, что зависимости имеют три ярко выраженных участка. Первый участок соответствует образцам с содержанием тантала от 4,5 до 14 ат. % Та. Учитывая химическую формулу нанокристаллов карбида тантала, этот диапазон концентраций тантала соответствует содержанию проводящей фазы в образцах от 9 до 28 ат. %. Электропроводность на этом участке монотонно возрастает с увеличением концентрации атомов проводящей фазы и при комнатной температуре находится в пределах (1 - 3) • 1СИ Ом"1 см"1. Затем следует участок с резкой зависимостью электропроводности от концентрации тантала. При увеличении концентрации тантала от 14 до 18 ат. % Та (или от 28 до 36 ат. % проводящей фазы) электропроводность возрастает на 3 порядка величины до (1 - 2) «10-1 Ом^см"1 при комнатной температуре. При этом зависимость электропроводности от температуры становится существенно менее выраженной. Наконец на третьем участке, при концентрациях тантала выше 18 ат. % Та (или выше 36 ат. % проводящей фазы) крутизна рассматриваемой зависимости существенно уменьшается.

Рисунок 4 Зависимость

электропроводности от

- содержания тантала при разных температурах

Приведенный характер зависимости свидетельствует о различных механизмах

транспорта носителей заряда в образцах с низкой и высокой концентрацией проводящей 20 фазы. При низких

концентрациях металла

_____ V"—'

; ] 400 к V У/

_____- г'' [ч 350 К

Г -I'1 -Ч-" 'V \ 30<

10 12 14 16 18

Концентрация тантала, ат.%

электропроводность определяется прыжковым механизмом переносом носителей заряда по локализованным состояниям в аморфной кремний - углеродной матрице (1-й участок). На 3-м участке при высоких концентрациях тантала возможно возникновение контактов между нанокристаллами проводящей фазы, в результате чего перенос носителей заряда осуществляется по каналам, образованным нанокристаллами карбида тантала. Наконец, 2-й участок соответствует порогу перколяции и является переходным от проводимости в аморфной матрице к перколяционной проводимости по нанокристаллам.

Оценка объема проводящей фазы в образцах с различным содержанием тантала показала, что переход к перколяционному механизму проводимости происходит при содержании проводящей фазы в размере 38 - 50 % от общего объема образца, а среднее расстояние между проводящими кластерами составляет 0,5 нм и менее. При таких расстояниях, наряду с прыжковой проводимостью в аморфной матрице, существенную роль начинает играть эффект туннелирования носителей заряда между кластерами проводящей нанофазы, что вызывает резкий рост электропроводности. При концентрациях тантала 19 и более ат. % (38 ат. % проводящей фазы) происходит перекрытие кластеров карбида тантала и формирование проводящих каналов.

При исследовании термостабильности электрических свойств было выявлено, что при термообработках образцов, как с защитным покрытием из нитрида кремния, так и без него происходит небольшое (до двух раз) увеличение электропроводности, которое не связано с воздействием кислорода воздуха и образованием нарушенного приповерхностного слоя, а обусловлено изменениями в объеме материала. В связи с отсутствием графитизации в исследуемых образцах, сделано предположение, что увеличение электропроводности вызвано изменением гибридизации электронных орбиталей у части атомов углерода с ер3 на ер2. Возникновение при Бр2 гибридизации я-связей с существенно меньшей энергией между связывающими и антисвязывающими орбиталями (по сравнению с атомами с ер3 гибридизацией) приводит к увеличению концентрации носителей заряда и электропроводности образцов.

Приведенные выше эксперименты дали возможность определить влияние термообработок на электропроводность той части образца, которая не прореагировала с кислородом. Для определения электропроводности поверхностного нарушенного слоя, прореагировавшего с кислородом был проведен эксперимент по выявлению зависимости электросопротивления пленки, подвергшейся отжигу в атосфере воздуха, от толщины непрореагировавшего слоя пленки. Были исследованы образцы одной и той же пленки с различными толщинами нарушенного слоя, которые показали, что изменения сопротивления образцов обусловлены изменением поперечного сечения непрореагировавшей с кислородом области.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы получены следующие основные результаты:

1. Выявлено что, при получении пленок танталсодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов методом совместного плазмохимического разложения полифенидметилсилоксана (ПФМС) и магнетронного распыления тантала при концентрациях тантала до 86 вес. %, кремний-углеродная матрица остается в аморфном состоянии, а тантал образует нанокристаллы, кристаллическая решетка которых принадлежит к кубической сингонии с пространственной группой РтЗщ и параметром элементарной ячейки а=4,457А, что соответствует кристаллам карбида тантала ТаС.

2. Показано, что в тонких (толщиной до 50 нм) пленках МНККУМ при невысоких концентрациях тантала (40 вес. %) возникают цилиндрические образования с внешним радиусом 13-25 нм и внутренним радиусом - около 8 нм, не зависимо от внешнего. При этом концентрация тантала максимальна на поверхности цилиндров, существенно ниже в областях между цилиндрами и минимальна в центре этих образований.

3. Разработан метод создания закономерного распределения нанокристаллической фазы по толщине пленок танталсодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов (нанострукгурирование пленок).

4. Получены данные о зависимости размеров, формы и распределения нанокристаллической фазы от концентрации введенного в пленку танатала.

5. Показана термостабильность структуры, химического и фазового состава исследуемых пленок при длительных (до 8 часов) термообработках в вакууме вплоть до 800 °С и отсутствие образования нанокристаллов графита (графитизации) образцов.

6. Изучено влияние термообработок в атмосфере воздуха на структуру, химический и фазовый состав пленок МНККУМ, предложена и экспериментально подтверждена модель, объясняющая это влияние. Показано, что имеются три механизма взаимодействия кислорода с танталсодержащим нанокомпозитом с кремний-углеродной матрицей: взаимодействие с атомами углерода на поверхности пленки с образованием летучих соединений; взаимодействие с ЯЮХ с образованием оксида кремния, близкого к БЮг; взаимодействие с танталом с разрушением нанокристаллов карбида тантала и образованием аморфного оксида Таг05. При этом образование нанокристаллов графита также не наблюдалось.

7. Разработан метод повышения термостабильности исследуемых пленок путем создания защитного покрытия из нитрида кремния, обеспечивающего диффузионный барьер для кислорода воздуха.

8. На зависимостях электропроводности пленок МНККУМ от содержания тантала выявлено наличие трех участков, отличающихся значениями энергии активации

электропроводности и соответствующих различным механизмам переноса носителей заряда. Определен порог перколяции проводимости.

9. Рассмотрено влияние термообработок в вакууме и в атмосфере воздуха на электропроводность исследуемых материалов. Термообработка в вакууме и в атмосфере воздуха при наличии защитного покрытия приводит к небольшому (до двух раз) увеличению электропроводности, а при длительной термообработки в атмосфере воздуха образцов без защитных покрытий происходит падение электропроводности на порядки величины.

10. Проведен анализ механизмов влияния термообработок при различных условиях на электропроводность материала. Незначительное повышение электропроводности при любых условиях термообработки может быть обусловлено переходом части атомов углерода из sp3 в sp2 гибридизацию. При этом атомы остаются в структурной сетке кремний-углеродной матрицы и не образуют нанокристаллов графита. Снижение электропроводности образцов без защитных покрытий при термообработках на воздухе обусловлено расширением области образца, прореагировавшего с кислородом воздуха и состоящей из оксидов кремния, и тантала, обладающих большим удельным сопротивлением.

Приведенные данные свидетельствуют о решении поставленных задач и достижении цели работы. Основные публикации по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Пресняков М. Ю., Попов А.И., Васильева Н. Д., Шупегин М. Л. Электронно-микроскопическое исследование распределения легирующего металла (Та) в пленках кремний-углеродных нанокомпозитов. Поверхность. Рентгеновские, Синхротронные и Нейтронные Исследования, 2013, № 6, с. 1-5. (Presnyakov М. Yu., Popov А. I., Vasil'eva N. D., Shupegin M. L. Electron-Microscopy of the Distribution of Dopants (Та) in Si - С Nanocomposite Films. Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2013, v. 7, N 4, P. 724 - 728).

2. Presniakov M., Popov A., Vasiliev A. Electron microscopy of the effect of heat treatment on the structure of metal containing nanocomposites with silicon- carbon matrix. Journal of Physics: Conference Series 471 (2013) 012036.

3. Lehtinen J. S., Sajavaara Т., Arutyunov K. Yu., Presnjakov M. Yu., and Vasiliev A. L. Evidence of quantum phase slip effect in titanium nanowires. PHYSICAL REVIEW, v. В 85, N9,094508(2012).

4. Попов А. И., Пресняков M. Ю., Шупегин М. Л. Влияние термообработок на структуру аморфных пленок металлосодержащих кремний - углеродных нанокомпозитов. Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета, вып. 4, часть 2, 2012, С. 56 - 59.

5. Лопатин С., Роддатис В.В., Пресняков М.Ю., Бондаренко В.И. Микроструктура границ раздела в гетеросистемах. Российские нанотехнологии, 2013, т. 8, № 5-6, с. 37-

46. (VasilievA. L., RoddatisV. V., PresnyakovM. Yu, OrekhovA. S., LopatinS., Bondarenko V. I, Koval'chuk M. V., Microstructure of Interfaces in Heterosystems. Nanotechnologies in Russia, 2013, Vol. 8, Nos. 5-6, P. 317-327).

6. Баринов А.Д., Бритов А.Д., Лебедев И.В., Мохамед Х.С.Х, Мирошников Б.Н., Мирошникова И.Н., Пресняков М.Ю. Использование современного оборудования для анализа тонкопленочных структур: успехи и проблемы. Вестник МЭИ, 2013, №5, С. 129- 133.

7. Попов А. И., Пресняков М. Ю., Шупегин М. JL, Васильев A.JI. Наноструктурирование пленок металлосодержащих кремний-углеродных композитов. Российские нанотехнологии, 2014. т. 9, № 5-6.

Материалы конференций:

8. Пресняков М.Ю. Изготовление сверхгонких мембран кремний-углеродных нанокомпозитов для просвечивающей электронной микроскопии. Тезисы докладов XVIII Ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Издательский дом МЭИ. Москва 2012.ТОМ 1. С. 277

9. Пресняков М.Ю., Попов А.И. Электронно-микроскопичекие исследования пленок металлосодержащих алмазоподобных кремний-углеродых нанокомпозитов системы Cx((Si02)i-x:H)yTai-y. Труды П1 Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы», Рязань, 2010, Том 2, С. 35

10. Васильева Н.Д., Зенова Е.В., Попов А.И., Пресняков М.Ю., Тягаченков А.М. Влияние электропроводности материала на результаты сканирующей зондовой микроскопии, Материалы Международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, 2011, С. 189-194

11. Пресняков М.Ю., Попов А.И., Васильева Н.Д., Шупегин МЛ. Электронно-микроскопичекие исследования пленок кремний-углеродных нанокомпозитов с включениями металла, Сборник тезисов докладов XVII Российского симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел РЭМ-2011, Черноголовка, 2011, С. 51

12. Presniakov M.Y., Popov A.I., Vasiliev A.L. EM of Si - С matrix based Та containing nanocomposites, Proceedings of The 15th European Microscopy Congress 16-21 of September 2012, Manchester UK, RMS, vol.1, Physical science, P.283

13. А.И. Попов, М.Ю. Пресняков, НЛО.Табачкова, МЛ. Шупегин, К.Б.Эйдельман. Структура и свойства аморфных пленок металлосодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов. Сборник трудов VIII Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», Санкт-Петербург, 2012, С. 126 -127.

14. М. Ю. Пресняков, А.И. Попов, Н.Д. Васильева. Распределение нанофазы тантала в пленках металлосодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов, Тезисы

докладов XXIV Российской конференции по электронной микроскопии, Черноголовка, 2012, С. 49

15. М.Ю. Пресняков, А.И. Попов, ПРЭМ исследования влияния термообработки на структуру пленок танталсодержащих нанокомпозитов с кремний-углеродной матрицей, Тезисы докладов XVIII Российского симпозиума по растровой электронной микросокпии и аналитическим методам исследования твердых, Черноголовка, 2013,

16. Пресняков М.Ю., Попов А.И., Васильева Н.Д. Электронно-микроскопические исследования пленок металлосодержащих кремний - углеродных нанокомпозитов. Описание лабораторной работы по курсу «Физика и технология некристаллических полупроводников» Изд-во МЭИ, М., 2012,16 С.

С.54

Учебно - методические работы:

Подписано в печать

Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Пресняков, Михаил Юрьевич, Москва

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

04201458521

Пресняков Михаил Юрьевич

СТРУКТУРА И ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ ПЛЕНОК М ЕТ АЛЛ ОСО ДЕРЖА IЦ И X КРЕМНИЙ-УГЛЕРОДНЫХ

НАНОКОМПОЗИТОВ

01.04.10-физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

Оглавление

Введение...........................................................................................................................5

1. Материалы и методы их исследования...................................................................13

1.1 Объект исследований..............................................................................................13

1.1.1 Алмазоподобные кремний-углеродные пленки (АЕСУП).................................13

1.1.2 Сравнительный анализ конкурентных материалов..........................................14

1.1.3. Металлосодержащие нанокомпозиты с кремний - углеродной матрицей (МНККУМ)....................................................................................................................15

1.1.4 Сферы применения Ме-АНК пленок.................................................................29

1.2. Методики исследования........................................................................................33

1.2.1. Методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).......................33

1.2.2. Основные принципы аналитической электронной микроскопии..................34

1.2.3. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения............38

1.2.4. Темнопольная просвечивающая растровая электронная микроскопия с регистрацией высокоугловых рассеянных электронов (ПРЭМ)..............................39

1.2.5. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (ЭДС).........................41

1.2.6. Электронная дифракция.....................................................................................45

1.2.7. Аналитическая электронная микроскопия и методы характеризации материалов.....................................................................................................................47

1.2.8. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ)...................................................50

1.2.9. Растровая электронная микроскопия (РЭМ)....................................................53

1.2.10. Сфокусированный ионный пучок (СИП).......................................................55

1.3 Постановка задачи...................................................................................................58

2. Оборудование и методики экспериментальных исследований............................59

2.1 Основные характеристики ПЭМ Tecnai G2 20 TWINh Б/ТЕМ Titan 80-300 (FEI,

США)..............................................................................................................................60

2.2. Установка Helios Nanolab 600i и ее технические характеристики....................63

2.3 Приставки к ПЭМ....................................................................................................66

2.3.1 Энергодисперсионный рентгеновский спектрометр EDAX............................66

2.3.2 STEM приставка: светло- и темнопольные изображения................................67

2.3.3 Темнопольная просвечивающая растровая электронная микроскопия с регистрацией высокоугловых рассеянных электронов (HAADF - детектор).........69

2.4 Возможности и характеристики сканирующего зондового микроскопа СОЛВЕР P47-PRO.........................................................................................................70

2.5 Электрофизические измерения образцов.............................................................72

3. Изготовление пленок нанокомпозитов и подготовка образцов для электронномикроскопических исследований............................................................77

3.1.Изготовление пленок МНККУМ...........................................................................77

3.2. Подготовка образцов для электронномикроскопических исследований.........82

3.3 Дополнительная очистка поверхностей мембраны.............................................88

4. Структура, фазовый и химический состав танталсодержащих пленок кремний -углеродных нанокомпозитов........................................................................................90

4.1. Исследование поверхности танталсодержащих пленок кремний - углеродных нанокомпозитов методами сканирующей зондовой и растровой электронной микроскопии..................................................................................................................90

4.2 Исследование тонких танталсодержащих пленок кремний-углеродных нанокомпозитов методами просвечивающей электронной микроскопии..............95

4.3. Создание наноструктурированных танталсодержащих кремний-углеродных пленок...........................................................................................................................104

4.4. Исследование наноструктурированных танталсодержащих кремний-углеродных пленок методами просвечивающей электронной микроскопии.......110

5. Влияние термообработок на структуру, фазовый и химический состав танталсодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов....................................115

5.1 Влияние термообработки в вакууме...................................................................116

5.2. Влияние термообработок в атмосфере воздуха................................................121

5.3. Анализ механизма воздействия термообработок на структуру, фазовый и химический состав МНККУМ...................................................................................124

5.4. Повышения термостабильности пленок танталсодержащих кремний-углеродных нанокомпозитов......................................................................................135

6. Электрофизические свойства танталсодержащих пленок кремний - углеродных нанокомпозитов...........................................................................................................138

6.1 Зависимость электропроводности пленок МНККУМ от концентрации легирующей примеси..................................................................................................138

6.2 Исследование влияния термообработок на электропроводность тонких пленок МНККУМ.....................................................................................................................148

Заключение..................................................................................................................156

Список цитируемой литературы................................................................................159

Приложение.................................................................................................................168

Введение

Развитие цивилизации обуславливает постоянное усложнение различных электронных устройств при сохранении или уменьшении их размеров и потребляемой мощности. В связи с этим вопрос миниатюризации электронных приборов является одним из важнейших в современном мире. Скорость эволюции электронных устройств в плане их размеров и производительности впечатляет. Достаточно наглядно этот процесс просматривается на примере развития транзистора. Первый транзистор, созданный в 1947 г. в лабораториях Bell, собирали вручную. Сегодня более 6 млн транзисторов Tri-Gate от Intel можно уместить в точке, напечатанной в конце этого предложения. Количественную характеристику слова «впечатляет», применительно к скорости эволюции функциональных устройств современной электроники дает закон Мура.

В 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) один из основателей Intel Гордон Мур обнаружил закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно год после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально. Это наблюдение получило название закона Мура [1]. В 1975 году Гордон Мур внёс в закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года (рисунок 1).

Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура», введённый в 1998 году Юджином Мейераном, гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем. Так, стоимость оборудования по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микрометровой технологии с 5,5 млн. транзисторов обошлось в $2 млрд. Стоимость же Fab32,

завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила $3 млрд. [2].

Microprocessor Transistor Counts 1971-2011 & Moore's Law

о о

О <л '<л

с £

2,600,000,000-1 1,000,000,000

100,000,000'

10,000,000

1,000,000-

100,000

10,000 2,300 J

StbConContr^ j

ОшК^шйтитг* * ЛМ0К16. ИЗТСЯв» -пвтмл г ям 9кв oadw* АМО

рояеи

- I1M ,

___' Hanum vutanta

гаХвтШмтшСХ . ^ShnCo™ 2«0

СепЩОжЩ

curve shows transistor count doubling »vefy two years

boo6»/7 «моем« «"/та

1971 1980 1990 2000

Date of introduction

2011

Рисунок 1 Зависимость числа транзисторов на кристалле микропроцессора от времени

На пресс - конференции компании Samsung в 2012 году были представлены цифры, говорящие о том, что стоимость производства по технологии 20-14 нм, на сегодняшний день, составляет порядка 9-10 млрд. долларов США, а компаний, которые в силах работать в этом сегменте всего7-8. По технологии 10 нм ситуация еще интереснее: стоимость порядка 20млрд.$ и всего 5 компаний. Таким образом совершенствование технологических процессов несет за собой огромнейшие затраты для изготовителей ИС. Кроме стоимостных характеристик простое уменьшение размеров активных областей приборов современной электроники приводит к принципиальным ограничениям, связанным с атомарной природой вещества и с квантово-размерными эффектами.

Наряду с уменьшением размеров полупроводниковых приборов за счет совершенствования технологических приемов и процессов изготовления, позволяющих получать сверхвысокое разрешение на этапе обработки поверхности, существует и альтернативный путь разрешения рассматриваемого вопроса. Он заключается в использование физических закономерностей роста наноструктур из отдельных атомов благодаря эффекту самоорганизации. К числу подобных наноструктур относятся нанокомпозиционные материалы [3]. Используя эти материалы уже удалось получить ряд замечательных в практическом отношении результатов, таких как гигантский магниторезистивный эффект. На основе этого эффекта ряд фирм уже разрабатывает магниторезистивные запоминающие устройства, проектирует спиновые процессоры, матричные сенсорные системы и др. элементы электронной техники.

Дальнейшим развитием данного направления является переход от нанокомпозиционных материалов (со случайным распределением наночастиц) к наноструктурированным материалам, в которых наночастицы распределены определенным закономерным образом.

Успешное применение указанных выше материалов требует ответа на большое количество вопросов, касающихся формирования нанокомпозиционных и наноструктурированных материалов, их стабильности, взаимосвязи структуры с физическими свойствами и ряда других. Поэтому поиск ответов на данные вопросы является актуальной задачей. Цель работы

Целью настоящей работы являлось создание нанокомпозиционных и наноструктурированных танталсодержащих пленок на основе кремний-углеродной матрицы, определение их структуры, фазового и химического составов, электрических свойств и термостабильности. Для достижения поставленных целей было необходимо решить несколько основных задач, а именно:

• разработать методы повышения термостабильности исследуемых материалов.

Объект и предмет исследования

Объектами исследования являлись пленки танталсодержащих нанокомпозитов с кремний-углероной матрицей (МНККУМ) с различной концентрацией металла, нанесенные на подложки из кремния, КаС1 и ситалла. Электронно-микроскопические исследования проводились на планарных образцах пленок, отделенных от подложки из КаС1, а также на поперечных срезах пленок на двух других типах подложек.

• Показано, что в тонких пленках МНККУМ при концентрациях тантала около 40 вес. % возникают цилиндрические образования с внешним радиусом 13-25

нм и внутренним радиусом - около 8 нм. При этом концентрация тантала максимальна на поверхности цилиндров и минимальна в центре этих образований.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• Определены причины изменения структуры, фазового и химического состава и электропроводности пленок МНККУМ при термообработках материала в атмосфере воздуха. Предложена и апробирована технология повышения термостабильности пленок МНККУМ.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов

определяется использованием современного высокоточного сертифицированного

оборудования, использованием взаимно-дополняющих экспериментальных методик, согласием результатов, полученных различными экспериментальными методами, а также подтверждены воспроизводимостью параметров и соответствием полученных расчетных и экспериментальных данных. Основные положения, выносимые на защиту

Результаты исследований использованы при выполнении проектов по грантам РФФИ: проект № 13-07-00173 А «Изучение зависимостей «состав-структура-свойство» алмазоподобных нанокомпозитов» 2013 - 2014 годы, проект № 12-07-00706 «Метод мониторинга технологического процесса и повышение надежности микроэлектронных фотоэлектрических элементов "смотрящих" матриц» 2012 -2014 годы и проект № 12-05-31342 «Фазовые соотношения, структурные и спиновые состояния породообразующих мантийных Mg,Ре-силикатов переходной зоны и нижнего слоя мантии».

Результаты работы использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлениям «Электроника и микроэлектроника», «Электроника и

наноэлектроника» и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника» в Национальном исследовательском университете «МЭИ». Подготовлено и издано учебно-методическое пособие «Электронно-микроскопические исследования пленок металлосодержащих кремний углеродных нанокомпозитов».

Результаты работ