Пленочные структуры оксидов переходных металлов: технология, контроль, оборудование

• Автор: Шаповалов, Виктор Иванович
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 226 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ОСАЖДЕНИЯ И КОНТРОЛЯ

ПЛЕНОЧНЫХ ОКСИДНЫХ СТРУКТУР обзор литературы.

1.1. Области применения.

1.2. Особенности технологии осаждения оксидных пленок методом

реактивного распыления

1.3. Модели процесса реактивного распыления.

1.3.1. Частные изотермические модели

1.3.2. Общая изотермическая модель

1.4. Оптические методы контроля оксидных пленок.
1.4.1. Спектры отражения и пропускания оксидных пленок
1.4.2. Аналитическое описание спектров
1.5. Электрические методы контроля оксидных пленок
Выводы и постановка задач диссертационного исследования
ГЛАВА 2. ОСАЖДЕНИЕ ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ
РЕАКТИВНОГО РАСПЫЛЕНИЯ
2.1. Изменение состава поверхностного слоя оксида при распылении
2.2. Анализ изотермической модели.
2.3. Неизотермическая модель, основанная на хемосорбции.
2.4. Неизотермическая модель, основанная на поверхностной химической реакции
2.4.1. Основные допущения модели
2.4.2. Кинетика формирования слоя соединения МтХ за счет поверхностной химической реакции
2.4.3. Уравнение стационарного состояния поверхности мишени.
2.4.4. Уравнения стационарного состояния поверхности подложки и стенки камеры
2.4.5. Газовые потоки при реактивном распылении.
2.4.6. Система уравнений
2.4.7. Анализ режимов работы мишени.
2.5. Технология осаждения пленки соединения.
2.5.1. Параметры процесса.
2.5.2. Устойчивость процесса осаждения
2.5.3. Диагностика плазмы разряда в реактивной газовой среде
Выводы.
ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР.
3.1. Оптические спектры пропускания и отражения в видимом диапазоне.
3.1.1. Матричный метод вычисления коэффициентов пропускания и отражения.
3.1.2. Пропускание и отражение для трехслойной и четырехслойной структуры.
3.1.3. Физическая форма выражений для спектров пропускания и отражения
3.1.4. Приборный эффект.
3.1.5. Анализ спектров отражения и пропускания
3.2. Спектры пропускания и отражения слабо поглощающих пленок.
3.2.1. Сильно поглощающая подложка
3.2.2. Прозрачная подложка
3.3. Метод определения оптических констант и толщины слабо поглощающей
пленки на прозрачной подложке по экспериментальному спектру пропускания
3.3.1. Система уравнений
3.3.2. Начальное приближение
3.3.3. Итерационная процедура
3.4. Особенности определения оптических констант и толщины слабо поглощающей пленки на прозрачной подложке по экспериментальным спектрам пропускания
и отражения
3.5. Особенности определения оптических констант и толщины слабо поглощающей пленки на сильно поглощающей подложке по экспериментальному спектру отражения .
Выводы.
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР
4.1 Поверхностный потенциал диэлектрической пленки с зарядом.
4.1.1. Потенциалы на границах пленки.
4.1.2. Потенциалы на электродах
4.1.3. Заряды, индуцированные на электродах
4.1.4. Динамический режим
4.1.5. Измерение заряда в пленке методом динамического конденсатора
с компенсацией
4.2. Изотермическая релаксация инжектированного заряда.
4.2.1. Постановка задачи и исходные уравнения
4.2.2. Аналитическое решение нестационарной граничной задачи.
4.2.3. Анализ поведения инжектированного заряда во времени.
4.2.4. Частные случаи анализа
4.2.5. Поверхностный потенциал пленки
4.3. Метод определения параметров диэлектрической пленки.
4.3.1. Основные уравнения и порядок расчета
4.3.2. Численные расчеты и анализ экспериментальных данных.
4.4. Метод оперативного определения подвижности электронов.
Выводы.
ГЛАВА 5. ОБОРУДОВАНИЕ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ОСАЖДЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПЛЕНОЧНЫХ ОКСИДНЫХ СТРУКТУР И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ.
5.1. Научноисследовательская лаборатория
5.1.1. Установки осаждения ПОС методом реактивного магнетронного распыления.
5.1.2. Установка намерения спектров отражения и пропускания
5.1.3. Установка измерения поверхностного потенциала пленки
5.1.4. Ионный источник с осцилляцией электронов
5.2. Пленка оксида титана в составе ПОС
5.2.1. Технология осаждения пленки.
5.2.2. Внутренний фотоэффект в пленке оксида титана
5.3. Пленка оксида тантала в составе ПОС.
5.3.1. Технология осаждения пленки.
5.3.2. Управление кристаллизацией аморфных пленок оксида тантала путем термического отжига
5.3.3. Влияние металла подложки на элсктретные свойства пленочной структуры
5.4. Рекомендации но разработке ультрафиолетовых фотоприемников
на основе ПОС для УФ дозиметров
5.4.1. Ультрафиолетовое излучение
5.4.2. Фотонриемпики УФ диапазона.
5.4.3. Дифференциальный фотоприемник на основе ПОС.
5.5. Рекомендации но разработке ПОС для репарации поврежденных тканей
5.6. Требования к технологическому комплексу для промышленного
производства ПОС.
Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ ПРИ РЕАКТИВНОМ РАСПЫЛЕНИИ.
П.1.1. Кинетика объемной химической реакции
П. 1.2. Кинетика неизотермической физической адсорбции.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ДОПОЛНЕНИЕ К МАТРИЧНОМУ МЕТОДУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПРОПУСКАНИЯ И ОТРАЖЕНИЯ
ЧЕТЫРЕХСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЫ.
П.2.1. Коэффициенты отражения и пропускания Френеля
.3.2. Элементы матриц связи
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЯ РЕЛАКСАЦИИ
ИНЖЕКТИРОВАННОГО ЗАРЯДА
ЛИТЕРАТУРА


За последние годы опубликовано большое число теоретических и экспериментальных работ, посвященных оксидным пленкам и пленочным структурам на их основе. Большинство авторов занимались исследованиями технологии осаждения пленок определенного состава и задачами измерения их физических параметров. В данной главе выполнен критический анализ современного состояния в этой области и выделены наиболее характерные результаты и задачи, требующие решения. Материалы этой главы опубликованы в обзорных статьях автора АГ АЗ и содержатся в работах А4А7. Пленки оксидов переходных металлов имеют широкий спектр электрических, оптических и других свойств, которые делают их перспективными для разных приложений в электронике. Для некоторых из оксидов НЮ2, Та5, ТЮ2 и др в пленочном состоянии характерны низкие токи утечки, высокая диэлектрическая проницаемость, относительно низкие диэлектрические потери, высокая электрическая прочность. Поэтому их рассматривают, как перспективную альтернативу пленке оксида кремния в МДП структурах и динамической памяти процессоров . Низкое поглощение в оптическом диапазоне, достаточно высокий показатель преломления 2. Благодаря высоким химической и тепловой стойкости, некоторые из них используют как жаростойкий резистор или газовый сенсор, например, для обнаружения двуокиси азота или кислорода . Следует отметить еще одно перспективное применение пленок оксидов переходных металлов. Фотокатализ основан на способности некоторых оксидов ТЮ2, , егОз и др. УФ освещении формировать на своей поверхности активную окисляющую среду. Такая среда способствует окислению и полной минерализации многих органических соединений, включая ароматические вещества, галоиднозамещенные углеводороды, инсектициды, пестициды, краски, гормоны и поверхностноактивные вещества. Многочисленные исследования показали, что с помощью фотокагализа можно эффективно проводить очистку воздуха, воды и создавать условия для самоподдержания чистых поверхностей , , ,. Не менее важным следует считать применение пленок оксидов в медицинских приложениях. К примеру, рутиловые пленки ТЮг могут стать важным биологически совместимым материалом, в особенности для совместимости с кровью. Повышение биосовместимости имплантатов из сплавов титана достигается за счет формирования на их поверхности слоя ТЮ2 или Та5 . Распыление металлических мишеней в плазме инертного газа обычно аргона известная и эффективная методика осаждения тонких пленок металлов. Добавление в среду Аг реактивного газа , К2, В2Нб и др. Для решения этих задач применяют достаточное разнообразие распылительных систем, указанных в табл. Разновидность метода . М в среде Аг Х2. МмХи в среде Аг Х2. М,Х в среде . Вследствие преимущественного распыления легкого компонента Х2 возникает редукция поверхностного слоя мишени от МтХя к МХх. М,Х на поверхности мишени из М, затем распыление этого слоя в среде . За последние лет внимание к реактивному распылению оставалось на очень высоком уровне. Установлены многообразные эффекты, сопровождающие этот процесс. В ранних работах было обнаружено значительное влияние концентрации реактивного газа в газовой смеси или его парциального давления на скорость роста пленки, напряжение разряда и состав пленки , , , , . Рис. Зависимость скорости осаждения пленки от парциального давления кислорода. Рис. Зависимость полного давления , от массового расхода кислорода 0 при распылении А1. В более поздних работах было установлено, что парциальное давление реактивного газа не является независимой переменной. В исследованиях с независимой переменной в виде массового расхода реактивного газа Оо ЗоеБ 4 обнаружил лавинообразное увеличение суммарного давления рхос при определенном критическом значении Оо рис. После скачка давление 7,0, нарастает пропорционально величине 0. Наблюдаемое и другими авторами , , 6 поведение процесса распыления при малом 2о связано с генерированием кислорода на стенках вакуумной камеры, где осаждаются распыленные с поверхности мишени атомы металла. В этом режиме скорость роста оксида на поверхности мишени меньше скорости его распыления ионами аргона, поэтому распыленный поток содержит только атомы металла.