Нелинейно-оптическая диагностика сегнетоэлектрических тонких пленок и наноструктур для микроэлектроники

• Автор: Шерстюк, Наталия Эдуардовна
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 196 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

, Глава 1. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Г МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Свойства сегнетоэлектриков вводные замечания

1.2. Методы получения сегнетоэлектрических пленок

1.2.1. Метод зольгель

1.2.2. Магнетронное напыление

1.2.3. Лазерная абляция

1.2.4. Метод химического осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений

1.3. Применение сегнетоэлектрических материалов в микроэлектронике

1.3.1. Сегнетоэлектрическая память состояние и перспективы

1.3.1.1. Материалы П1АМ
1.3.1.2. Структура ячеек
1.3.1.3. Перспективы развития технологии ШАМ
1.3.2. Другие области применения сегнетоэлектрических материалов
1.4. Краткий обзор существующих методик диагностики материалов
микроэлектроники
1.4.1. Неоптические методики
1.4.1.1. Рентгеноструктурный анализ
1.4.1.2. Методы электронной микроскопии
1.4.1.3.Методы сканирующей зондовой микроскопии
1.4.2. Оптические методики
1.4.2.1. Эллипсометрия
1.4.2.2. Рамановская спектроскопия
1.4.2.3. Люминесценция
Глава 2. Генерация второй оптической гармоники в тонких
сегнетоэлекгрических пленках базовый формализм и экспериментальные
методики
2.1. Феноменологическое описание нелинейнооптического отклика сред
2.1.1. Феноменологическое описание нелинейной поляризации и поля ВГ
2.1.2. Связь параметров оптической ВГ и сегнетоэлектрической
поляризации
2.1.2.1. Параэлекфичсская фаза
2.1.2.2. Сегнетоэлектрическая фаза
2.1.3. Анизотропия квадратичной нелинейной поляризации
2.1.4. Генерация второй гармоники в пространственнонеоднородных тонких пленках
2.1.5. Нелинейнооптический отклик многофункциональных сред
2.2. Экспериментальные установки для исследования нелинейнооптического отклика сред
2.2.1. Базовые схемы эксперимента и источники излучения
2.2.2. Системы регистрации
2.2.3. Структурные исследования схема эксперимента
2.2.4. Исследование рассеянного сигнала ВГ индикатрисы рассеяния
2.2.5. Экспериментальная схема микроскопии ВГ
2.2.5.1. Экспериментальная схема сканирующей микроскопии ВГ
2.2.5.2. Микроскопия изображения
2.2.6. Экспериментальная схема методики накачкапроба
2.3. Особенности изготовления образцов
2.3.1. Изготовление тонких пленок титаната бария стронция БСТ методом магнетронного напыления
2.3.2. Изготовление тонких пленок цирконататитаната свинца ЦТС и титаната бариястронция БСТ методом зольгель
2.3.2.1. Изготовление пленок ЦТС
2.3.2.2. Изготовление пленок БСТ
Глава 3. МЕТОДИКА НЕЛИНЕЙНООПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ТОНКИХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
3.1. Методика исследования субмикронной доменной структуры методом генерации ВГ
3.1.1. Модельная структура полидоменной пленки
3.1.2. Поляризационные зависимости интенсивности ВГ
3.1.2.1. Поляризационные диаграммы в МСД модели.
3.1.2.2. Поляризационные диаграммы в модели МОД
3.2. Экспериментальное исследование субмикронной доменной структуры тонких пленок БСТ
3.2.1. Изготовление образцов и исследование структуры методом атомносиловой микроскопии
3.2.2. Экспериментальное исследование субмикронной доменной структуры тонких нленок БСТ методом генерации второй оптической гармоники
3.2.2.1. Исследование рассеянного сигнала ВГ индикатрисы рассеяния
3.2.2.2. Исследование поляризационных зависимостей интенсивности ВГ экспериментальные данные и аппроксимация в рамках предложенных моделей
3.2.3 Размерные эффекты в свойствах тонких пленках БСТ
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ДОМЕННОЙ СТРТУКТУРЫ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ МИКРОСКОПИИ ВГ
4.1. Микроскопические исследования доменной структуры материалов обзор литературы
4.2. Экспериментальные исследования доменной структуры тонких сегнегоэлектричсских пленок методом сканирующей микроскопии ВГ
4.2.1. Сканирующая микроскопия ВГ для исследования доменной структуры тонких пленок ЦТС при приложении внешнего ПОЛЯ перпендикулярно поверхности пленки
4.2.1.1. Изготовление образцов и детали эксперимента
4.2.1.2. Исследования методом элекгросиловой микроскопии зависимости особенностей поляризации гонких пленок ЦТС .от состава пленки
4.2.1.3. Локальная диагностика картирование состояния поляризации в тонких пленках ЦТС
4.2.2. Сканирующая микроскопия ВГ для исследования состояния поляризации тонких пленок БСТ при приложении внешнего поля в плоскости пленки
4.2.2.1. Изготовление образцов и детали эксперимента
4.2.2.2. Экспериментальные исследования состояния поляризации тонких пленок БСТ при приложении внешнего поля в плоскости пленки
4.3. Диагностика состояния поляризации в тонких пленках ЦТС методом микроскопии ВГ
4.3.1. Изготовление образцов и детали эксперимента
4.3.2. Исследование динамики состояния поляризации
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ГВГ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В ТОНКИХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ
5.1. Процессы переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках обзор литературы
5.2. Экспериментальные исследования методом ГВГ наносекундного переключения
5.2.1. Изготовление образцов и детали эксперимента
5.2.2. Модель доменной структуры пленки
5.2.2.1. Схема изменения внешнего напряжения два типа импульсов
. Зависимость интенсивности ВГ от угла рассеяния индикатрисы рассеяния при приложении переменного электрического ПОЛЯ
5.2.2.3. Зависимость интенсивности ВГ от угла поворота поляризатора поляризационные диаграммы
5.2.3. Зависимость интенсивности ВГ от приложенного напряжения при наносекундном переключении
Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР
6.1. Методы изготовления, диагностика наноэлементов и перспективы развития устройств на их основе обзор литературы
6.1.1. Обзор существующих методик изготовления и диагностики наноструктур
6.1.2. Перспективы развития нанотехнологий
6.2. Сегнстоэлектрические наноструктуры на основе пористого оксида алюминия
6.2.1. Метод изготовления наноструктур и детали эксперимента
6.2.2. Исследования наноструктур методом растровой электронной микроскопии
6.2.3. Исследования наноструктур методом атомносиловой микроскопии АСМ
6.2.4. Сегнстоэлектрические свойства наноструктур
6.2.5. Исследования наноструктур БСТА0з методом микрорамановской спектроскопии
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


В четвертой главе предложена методика и представлены результаты экспериментального исследования доменной структуры тонких сегнетоэлектрических пленок цирконататитаната свинца ЦТС с использованием микроскопии ВГ. Рассматриваются две микроскопические методики микроскопия изображения с высоким вплоть до теоретического предела 0,4 мкм пространственным разрешением и сканирующая микроскопия ВГ. Исследуются особенности динамики доменной структуры при приложении переменного электрического поля в плоскости пленки и перпендикулярно плоскости пленки. Также приведены результаты исследований методом электросиловой микроскопии Щг особенностей поляризации тонких пленок ЦТС в зависимости от состава пленки. В пятой главе обсуждаются результаты исследования методом ГВГ процессов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках. Приводится краткий обзор литературы, посвященный современным требованиям, предъявляемым к параметрам переключения в сегнетоэлектрических пленках, а также существующим методам исследования скорости переключения. Обсуждаются экспериментальные результаты наблюдения особенностей нелинейнооптического отклика пленок в зависимости от параметров приложенного переменного напряжения, приводятся результаты исследований переключения поляризации в нано и пикосекундном временных диапазонах. Шестая глава посвящена исследованию свойств сегнетоэлектрических наноструктур. Приводятся результаты экспериментального исследования свойств сегнетоэлектрических наноструктур, изготовленных путем внедрения ссгнетоэлектрического материала в поры мембраныматрицы. Для исследования параметров структуры свойства поверхностного слоя, степень заполнения пор были использованы экспериментальные методики микрорамановской спекгроскопии, растровой и атомносиловой микроскопии. Для определения наличия сегнетоэлектрических свойств наноструктур использовалась методика генерации второй оптической гармоники. В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, а также проводится краткое рассмотрение перспектив развития предложенных в работе методик. Основное содержание диссертации опубликовано в статьях. Результаты работы были представлены на Международных и Всероссийских конференциях. Глава 1. Тбитсм2 и быстродействия 1 ГГц интегральных схем, то есть уменьшения размеров и времени срабатывания элементов. При этом, для расширения функциональных возможностей устройств привлекаются все новые материалы, интегрируемые с традиционными материалами на основе кремния ссгнетоэлектрики, органические пленки, наноструктуры на основе этих материалов . При использовании новых материалов, в первую очередь, возникают фундаментальные вопросы физики процессов, используемых в конкретных устройствах, а также задачи определения пределов изменения параметров размеров, времени срабатывания, при которых данные процессы надежно регистрируются. В то же время новые разработки сталкиваются с традиционными проблемами микроэлектроники, такими, например, как взаимовлияние ячеек элементов и соединений между ними. Большинство высокоэффективных устройств микроэлектроники создано с применением коммутационных матриц на основе структур типа металлоксидполупроводник МОП и приборов с зарядовой связью ПЗС, полностью интегрированных с элементами приема, хранения и обработки информации. Например, практически все микросхемы памяти основаны на использовании МОПкоммутаторов, а значительная часть твердотельных приемников изображения на ПЗС. Несмотря на то, что технология многослойных интегральных схем хорошо отработана, в современной микроэлектронике все чаще используются новые нетрадиционные материалы, которые позволяют значительно улучшить характеристики устройств на их основе. Как правило, такие материалы не вписываются в стандартную технологию, что заставляет прибегать к созданию сложных гибридных конструкций. В этой связи возрастает потребность поиска новых видов материалов, которые могут быть использованы в качестве носителей информации, и новых принципов обработки информации. Такие материалы должны обладать высоким качеством с воспроизводимыми свойствами.