Развитие ионно-пучковых методов для исследования нанокомпозитных гидрогенизированных алмазоподобных пленок и ультратонких многослойных структур

• Автор: Черных, Павел Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 103 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ DLC ПОКРЫТИЙ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Дифракционные методы

1.2. Рамановская спектрометрия

1.3. ИК-спектрометрия

1.4. Фотоэлектронная спектрометрия

1.5. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

1.6. Спектрометрия электронных потерь энергии (EELS)

1.7. Традиционные методики ионно-пучкового анализа: POP и ЯОР

1.8. Спектрометрия ЯО для анализа наноструктур

1.9. Спектрометрия рассеяния ионов средних энергий для анализа наноструктур
1.10. Выводы из обзора литературы и постановка задачи
ГЛАВА 2. СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТНЫХ (NC) АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПОКРЫТИЙ. МЕТОДИКИ ОСАЖДЕНИЯ DLC ПОКРЫТИЙ
2.1. Структура и свойства nc-DLC пленок
2.1.1. Основные типы углеродных структур
2.1.2. Оптические свойства
2.1.3. Электрофизические свойства
2.1.4. Внутренние напряжения в пленке
2.1.5. Адгезия
2.1.6. Трибологические свойства
2.2. Методики осаждения DLC покрытий
2.2.1. Методика магнетронного осаждения nc-DLC пленок типа nc-TiC/a-C:H
2.2.2. Методика импульсного лазерного осаждения структур наноэлектроники
2.2.3. Преимущества и недостатки рассмотренных методик осаждения
2.3. Выводы к Главе
ГЛАВА 3. УСКОРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС КГ-MEIS
3.1. Общая схема комплекса
3.2. Мониторирование пучка и позиционирование образцов

3.3. Тороидальный электростатический анализатор
3.4. Детектор
3.5. Электронный спектрометрический тракт
3.6. Выводы к Главе
ГЛАВА 4. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ИОННО-ПУЧКОВОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ
4.1. Определение концентрации компонентов пленки nc-TiC/a-C:H
4.2. Определение атомной и массовой плотности углеводородной матрицы
4.3. Влияние концентрации водорода на соотношение алмазоподобной и графитоподобной фаз в
исследуемых покрытиях
4.4. Исследование кинетики водорода методами ионно-пучкового анализа
4.5. Выводы к Главе
ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ИОННО-ПУЧКОВЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУР НАНОЭЛЕКТРОНИКИ И СПИНТРОНИКИ
5.1. Исследование перспективных МДП-структур типа AI(8HM)/NiSi(45HM)/RuO(3,5HM)/HfOz(3,8HNi)/Si и
перспективных структур полевого транзистора с металлическим затвором типа Ni/HfOJSiO/Si
5.2. Исследование перспективных структур магнитной памяти типа MgO(100)/Fes4Fes7(100)
5.3. Выводы к Главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РАЗРАБОТАННЫЕ ПРОГРАММЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ КОМПЛЕКСОМ КГ-MEIS
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
Актуальность проблемы
Эффективность разработок перспективных наноструктурированных материалов, наряду с развитием методов их синтеза, в значительной мере определяется набором методов диагностики свойств наноструктур. Данная работа направлена на развитие ионнопучковых методов исследования тонкопленочных и ультратонких многослойных наносистем. Работа включает: 1) развитие методики резерфордовского обратного рассеяния (POP), методики ядерного обратного рассеяния (ЯОР) и спектрометрии ядер отдачи (СЯО); 2) создание комплекса KF500-MEIS на базе ускорителя КГ500 и на его основе разработку метода спектрометрии рассеянных ионов средних энергий (СРИСЭ или MEIS-Medium Energy Ion Scattering); 3) применение этих методик для исследования структур спинтроники, алмазоподобных углеродных (DLC) нанокомпозитных покрытий.
Водородосодержащие аморфные углеродные нанокомпозиты с внедренными нанокристаллическими инородными зернами в настоящее время интенсивно исследуются, поскольку они позволяют в широких пределах варьировать их функциональные свойства: электрофизические параметры, антикоррозионную стойкость покрытий, их твердость, упругость, низкий коэффициент трения и т.д. Комбинация функциональных свойств как а-С:Н-матрицы, так и покрытия в целом, в значительной мере определяется соотношением алмазоподобной.чр3- и графитоподобной яр2-связей. Имеются указания на то, что водород в такой системе выполняет важную роль, стимулируя формирование алмазоподобных sp3-связей. И наоборот, потеря покрытием водорода, например, в результате отжига, приводит к перестройке яр3-связей в sp2-CBB3H. Вторая важная функция водорода - пассивация оборванных углеродных связей, концентрация которых на поверхности трущихся узлов достигает максимальных значений. Из этого следует, что количественное определение концентрации водорода и соотношение фракций свободного и связанного водорода в DLC пленке весьма критично для понимания его трибологического поведения и механических свойств (упругость, твердость и т.д.).
Проблема заключается в количественном определении концентрации водорода. Это препятствует созданию достоверных моделей, опирающихся на надежные экспериментальные данные. Для определения концентрации водорода в DLC-покрытии чаще всего - используются методы рамановской, ИК- спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии. Однако эти методы не являются прямыми, требуют калибровки. Методы ионно-пучкового анализа (ИПА или lon-Beam Analysis, IBA), развитые в НИИЯФ МГУ и получившие дальнейшее развитие в диссертации, в частности

- пленок уменьшается с увеличением £/„. Это объясняется изменением концентрации связанного водорода, которая сильно уменьшается при возрастании (/„ до 700В. Удельное сопротивление намного увеличивается при увеличении содержания водорода потому, что при этом увеличивается соотношение атомов с вр -гибридизацией,. Основным параметром, определяющим удельное сопротивление негидрогенизированных а-С -пленок, полученных из ионных источников, является энергия осаждающихся частиц, а при получении пленок путем распыления графитовой мишени - мощность разряда. Так, а-С - пленки, изготовленные при низкой мощности, обладают полуизоляционными свойствами (р~104 Ом-см). Увеличение мощности приводит к уменьшению удельного сопротивления. В большинстве случаев изменения электропроводности за счет структурных преобразований вполне достаточно для использования углеродных пленок в качестве различного вида пассивирующих и изолирующих покрытий. Однако с точки зрения создания углеродных тонкопленочных полупроводниковых элементов для микроэлектроники нельзя обойтись без легирования, поскольку оно является основным технологическим этапом при формировании полупроводниковых приборов.
2.1.4. Внутренние напряжения в пленке.
Внутренние напряжения во многом определяют стабильность системы пленка -подложка и, следовательно, срок службы этой системы 40,41'42’43. Пленка может треснуть, отслоиться и подвергнуться изгибу. Суммарное внутреннее напряжение в пленке складывается из следующих напряжений:
• тех, которые являются результатом различных значений постоянных решетки подложки и пленки;
• возникающих из-за структурных изменений в объеме растущей пленки;
• вызванных внедрением в пленку примесей, не входящих в структуру пространственной решетки (для углеродных пленок такими примесями являются несвязанный водород и молекулы инертного газа, используемого при осаждении);
• связанных с различием, коэффициентов теплового расширения пленки и подложки.
Общее напряжение в пленке, которое можно измерить по изгибу подложки, зависит от толщины пленки. Тонкие пленки, имеющие внутренние напряжения, могут держаться на подложке, если они имеют толщину, при которой их внутренние напряжения не превосходят либо силы когезии, либо адгезионные силы, связывающие пленки с