Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Островковые тонкие пленки и наноструктуры 14
1.1. Образование островковых тонких пленок 14
1.2. Актуальность применения островковых тонких пленок и наноструктур 17
1.3. Методы получения островковых тонких пленок и наноструктур 27
1.4. Выводы по главе 1 36
Глава 2. Физические и математические модели формирования и функционирования островковых тонких пленок 37
2.1. Существующие модели роста островковых тонких пленок 37
2.2. Расчет времени образования островков 39
2.3. Технологические режимы формирования островковых тонких пленок в вакууме
2.3.1. Формирование островковых тонких пленок термическим испарением 45
2.3.2. Формирование островковых тонких пленок магнетронным распылением 47
2.4. Туннельный эффект 48
2.4.1. Токоперенос в металлических тонких пленках 50 Стр.
2.4.2. Электропроводность в металлических островковых тонких пленках 52
2.5. Постановка задачи экспериментальных исследований 54
2.6. Выводы по главе 2 56
Глава 3. Технологическое и измерительное оборудование для формирования и контроля роста островковых тонких пленок 58
3.1. Обзор малогабаритного вакуумного оборудования модульного типа 58
3.2. Вакуумное технологическое оборудование 61
3.3. Аналитическое и измерительное оборудование
3.3.1. Сканирующий зондовый микроскоп 64
3.3.2. Сверхвысоковакуумный зондовый микроскоп 70
3.3.3. Акустооптический спектрофотометр 71
3.3.4. Измеритель иммитанса 73
3.3.5. Пикоамперметр 75
3.4. Выводы по главе 3 76
Глава 4. Проведение экспериментальных исследований и обработка полученных результатов . 78
4.1. Формирование островковых тонких пленок с контролем сопротивления 78
4.2. Формирование островковых тонких пленок с контролем тока и обработка экспериментальных результатов 83
4.3. Апробация разработанной методики формирования островковых тонких пленок 109 Стр.
4.3.1. Формирование островковых тонких пленок из меди на кремнии 109
4.3.2. Формирование островковых тонких пленок из олова на ситалле 111
4.3.3. Формирование островковых тонких пленок из алюминия на ситалле
4.4. Измерение оптических характеристик островковых тонких пленок 115
4.5. Выводы по главе 4 118
Глава 5. Получение островковых тонких пленок в режиме удаленного доступа 120
5.1. Назначение интерактивного учебно-научного аппаратно-программного комплекса для формирования наноструктурированных тонкопленочных покрытий 120
5.2. Проектирование учебно-научного аппаратно-программного комплекса 122
5.3. Практическая реализация учебно-научного аппаратно-программного комплекса 146
5.4. Порядок работы на учебно-научном аппаратно-программном комплексе 149
5.5. Выводы по главе 5 153
Общие выводы и результаты работы 155
Список вводимых сокращений 157
Список источников .
- Методы получения островковых тонких пленок и наноструктур
- Технологические режимы формирования островковых тонких пленок в вакууме
- Сканирующий зондовый микроскоп
- Формирование островковых тонких пленок из олова на ситалле
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Развитие электроники диктует основы перехода к совершенно новым принципам базовых элементов, которые включают использование одноэлектронных и спиновых эффектов, эффектов электронной интерференции, бестоковых переключающих устройств, а также к разработке квантовых технологий создания вычислительных устройств и защищенных систем связи. В России, несмотря на сложности, сопровождающие развитие электронной промышленности в рыночных условиях, имеется значительная база для развития электроники, включающая технологические линии ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН, ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова», ОАО «НИИМЭ и МИКРОН», ФГУП «НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина», ОАО НИИТМ, АО «НПП «Исток» им. Шокина», АО «ГЗ «Пульсар», АО «Ангстрем-Т» и др.
Бурное развитие полупроводниковой микро- и наноэлектроники характеризуется непрекращающимся уменьшением размеров базовых элементов интегральных схем, а также поиском новых возможностей для увеличения степени интеграции и быстродействия полупроводниковых устройств в рамках имеющихся технологий. Островковые тонкие пленки, образующиеся на подложке при гетероэпитаксии в режиме Странского-Крастанова, представляют собой пример структур, уникальные электронные и оптоэлектронные свойства которых делают перспективным их использование при изготовлении полупроводниковых устройств с улучшенными и качественно новыми функциональными свойствами.
Свойства ансамблей осажденных частиц сильно зависят от характера их распределения по подложке. Этому вопросу в последнее время уделяют большое внимание. Особый интерес вызывает возможность осаждения упорядоченных структур, построенных из наночастиц, которые могут служить миниатюрными электронными и/или оптоэлектронными устройствами: элементами памяти, светодиодами, транзисторами и др.
В монографиях Л. С. Палатника и его соавторов представлены механизмы образования и исследования структур тонких пленок, сконденсированных в вакууме. Особое внимание уделено тонким пленкам полупроводников. В
рассмотрены механизмы роста тонких пленок в вакууме. В работах Л. К. Ковалёва уделено внимание вариантам конструкции оборудования и технологической оснастки для управления энергомассопереносом в процессах вакуумного нанесения тонких пленок. В работе П. Г. Борзяка и Ю. А. Кулюпина рассмотрены электронные процессы в островковых металлических пленках. В работе Я. Е. Гегузина и Ю. С. Кагановского приведен обзор возможных моделей массопереноса в островковых пленках, формирующихся как на гладких, так и на шероховатых подложках.
Но в настоящее время остаются нерешенными вопросы обоснованных доказательств возможности получения островковых тонких пленок методом
термического испарения и другими методами нанесения тонких пленок в вакууме и возможных способов контроля роста островковых наноструктур.
Таким образом, возникла необходимость в создании научных основ выбора методов и режимов формирования островковых тонких пленок и измерения их электрических и оптических характеристик для выявления взаимосвязей между геометрическими параметрами полученных наноструктур, а также для определения граничных условий формирования островковых тонких пленок с необходимыми функциональными и геометрическими характеристиками.
Целью диссертационной работы является обоснование возможности и целесообразности получения островковых тонких пленок методами и средствами технологии нанесения тонких пленок в вакууме.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Выбор метода нанесения тонких пленок в вакууме и разработка специального технологического оборудования для формирования островковых тонких пленок в вакууме.
-
Анализ моделей начальной стадии процесса нанесения тонких пленок в вакууме и разработка методики расчета режимов формирования островковых
-
Разработка методики проведения экспериментальных исследований и изучение процесса формирования островковых тонких пленок в вакууме.
-
Создание функционирующего в режиме удаленного доступа специального вакуумного оборудования модульного типа для обучения и проведения лабораторных и производственных исследований формирования островковых тонких пленок.
Методы исследования
Для решения поставленных задач в работе использовались теории роста тонких пленок в вакууме, методы дисперсионного анализа и планирования
ЭКСПсиИМсНТЭ-.
Научная новизна
-
В результате моделирования начальной стадии образования на поверхности подложки тонкой пленки впервые получены феноменологические зависимости, объясняющие характер влияния скорости поступления на подложку и энергии пленкообразующих частиц, температуры подложки и геометрических параметров вакуумного технологического оборудования на процесс формирования островковых тонких пленок.
-
Проведенные экспериментальные исследования впервые позволили установить, что критерием появления на подложке островковой тонкой пленки является малый, наноамперный, ток, протекающий по островковой пленке и определяющий размеры и количество формируемых островков.
3. Впервые установлена взаимосвязь между характером изменения туннельного тока, протекающего по островковой пленке, увеличением размеров островков и их коалесценцией.
Практическая значимость
-
Методы расчета технологических режимов и выбор параметров оборудования для формирования островковых тонких пленок могут базироваться на полученных феноменологических зависимостях времени роста островковых пленок от скоростей осаждения в диапазоне от 10"4 до 10нм/с, энергии пленкообразующих частиц от 0,14 до 4 эВ и температуры подложки от 290 до 1275 К.
-
Создана экспериментальная установка для формирования островковых наноструктур с системой автоматического управления, позволяющей управлять количеством и размерами островков.
-
Разработаны метод интерактивного обучения операторов вакуумного технологического оборудования, студентов и аспирантов высших учебных заведений, проведения профориентации школьников, а также методика выполнения лабораторных и производственных исследований формирования тонкопленочных островковых наноструктур на созданной установке модульного типа с управлением технологическим процессом через глобальную сеть Интернет.
На защиту выносятся
-
Установленные феноменологические зависимости, объясняющие характер влияния скорости поступления на подложку и энергии пленкообразующих частиц, температуры подложки и геометрических параметров вакуумного технологического оборудования на процесс формирования островковых
-
Установленные закономерности между характером изменения туннельного тока, протекающего по островковой пленке, увеличением размеров островков и их коалесценцией.
-
Критерий оценки геометрических характеристик островковых наноструктур - малый, наноамперный, ток, протекающий по островковой
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на конференциях и выставках: VII, IX Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи (НТТМ). Москва, 2007, 2009; II, VI Всероссийская инновационная молодежная научно-инженерная выставка «Политехника». Москва, 2007, 2011; V, IX международная научно-техническая конференция «Вакуумная техника, материалы, технология». Москва, 2010, 2014; XVI, XVII международная научно-техническая конференция «Высокие технологии в промышленности России». Москва, 2010, 2012; XV, XVI, международная научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника». Сочи, 2008, 2009; XVII, XIX
международная научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника». Судак (Украина), 2010, 2012; III Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». Москва, 2010; II, III Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия». Москва, 2009, 2010; X международная научная конференция «Наноструктурные материалы» (NANO-2010). Рим (Италия), 2010; X, XI, XIII молодежная научно-техническая конференция «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы». Москва, 2008, 2009, 2011.
Положенные в основу диссертации разработки удостоены медали «За успехи в научно-техническом творчестве» (выставка НТТМ, 2007), Диплома лауреата I степени (Студенческая весна, 2008), Диплома I степени (выставка НТТМ, 2009), отмечены стипендией Президента РФ (2010) и Дипломом Министерства образования и науки РФ (2010).
Внедрение результатов работы
Материалы диссертационной работы и полученные результаты использованы в учебном процессе кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Результаты диссертационной работы реализованы в рамках Государственных контрактов №16.647.12.2018 от 25 ноября 2010 г. и №16.647.12.2034 от 16 июня 2011 г.
Предложенная методика контроля роста островковых тонких пленок в вакууме передана в ОАО НИИТМ.
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 23 работы общим объемом 2,7 п.л., в том числе, 8 работ в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ (1,1 п.л.); 15 тезисов докладов в сборниках трудов Всероссийских и международных научно-технических конференций (1,6 п.л.).
Достоверность полученных результатов
В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях технологии тонких пленок в вакууме и математического моделирования. Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью разработанных математических моделей по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами эксплуатации созданного технологического оборудования.
Личный вклад автора
Диссертация является законченной работой, в которой обобщены результаты исследований, полученные лично автором и в соавторстве. Основная роль в получении и обработке экспериментальных данных, анализе и
обобщении результатов принадлежит автору работы. Обсуждение и интерпретация полученных результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.
Структура и объем диссертации
Методы получения островковых тонких пленок и наноструктур
В итоге рассмотрения приведенной классификации групп методов с точки зрения возможности получения минимального размера островка (до 10 нм) для подробного аналитического обзора была выбрана группа методов самоорганизации (Рис. 1.11, Таблица 2).
В последние 8–10 лет возникло и бурно совершенствуется новое направление, которое основано на самоорганизации наноструктур. Суть этого направления иллюстрируется открытием Ж. И. Алферова самоорганизации наноразмерных островков арсенид-индиевых на подложке из арсенид-галлия [33, 48].
Метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) (Рис. 1.11, а) позволяет формировать совершенные монокристаллические слои различных материалов в условиях сверхвысокого вакуума [4, 34, 58–61]. По сравнению с другими технологиями для выращивания ОТП данный метод характеризуется в первую очередь малыми скоростями роста и низкой температурой роста. К достоинствам этого метода следует отнести возможность резкого прерывания процесса. К недостаткам данного метода можно назвать сложность и дороговизну технологии [20–23, 53].
Метод эпитаксии из газовой фазы (Рис. 1.11, б) обладает преимуществами: высокая скорость осаждения (до 1 мкм/мин) при сохранении высокого качества пленок, в том числе и островковых, а также возможность нанесения детали сложной конфигурации и большой площади. К недостаткам метода относится использование агрессивных сред и высоких температур, а выращенные этим методом эпитаксиальные слои более толстые по сравнению со слоями, полученными молекулярно-лучевой эпитаксией [4, 20–23, 53, 60–63].
Для метода дугового разряда (Рис. 1.11, в) характерна практически неограниченная электрическая мощность (что дает возможность распылять тугоплавкие материалы); высокий коэффициент ионизации испаряемых частиц (что ведет к увеличению энергии частиц). К недостаткам можно отнести нестабильность по лученных результатов и сложность управления потоком частиц [64]. Преимущества метода термического испарения (Рис. 1.11, г) в вакууме: удовлетворительная воспроизводимость свойств пленок за счет высокой чистоты при осаждении; хорошая адгезия к подложке, особенно при нагревании подложек. К недостаткам этого метода следует отнести проблему отвода тепла, необходимость охлаждения аппаратуры [64].
Одним из методов изготовления разнообразных наноструктур является импульсное лазерное напыление. К преимуществам данного метода относятся возможность управления размером наночастиц и получения их относительно однородного распределения на поверхности подложки [65]. Среди различных наночастиц большое внимание привлекают наночастицы меди из-за их быстрого и значительного оптического нелинейного отклика. К недостаткам метода относятся малый геометрический размер зоны однородного напыления при абляции в вакууме, обусловленный малым диаметром факела продуктов абляции, а также возможность загрязнения пленки твердыми частицами и каплями расплава материала мишени при высоких скоростях осаждения.
Использование магнетронного распыления (Рис. 1.11, д) позволяет проводить формирование ОТП с высокой скоростью осаждения. Недостатком метода является сложность конструкции магнетронов [11, 64, 66–68].
Ионно-лучевое травление (Рис. 1.11, е) позволяет получить островки высокой направленности, т. е. четкие границы, перпендикулярно подложке. А также существует возможность травления практически любых веществ – широкий спектр используемых материалов. Высокая равномерность получения ОТП – 2…5% [69]. Недостатками являются дорогостоящее оборудование для данного метода и низкая селективность травления, а также нестабильность работы ионных источников [4, 11, 64].
При применении метода формирования из пылевой плазмы островков размеров от 2 до 10 нм возникает сложность с получением самой плазмы с частичками такого размера, так как заряд частичек пропорционален их радиусам. Для частиц нанометрового размера необходимо применять другие методы наблюдения, так как в оптическом диапазоне их не видно. Расплавление пленки на поверхности подложки сопровождается непредсказуемостью форм и размеров островков. Из самого названия метода следует, что первоначально на поверхности подложки формируется тонкая пленка микрометровой толщины. Затем путем последовательного повышения температуры подложки происходит разрушение пленки, она начинает расплавляться и образуются «капли». Но процесс этот неустойчивый и трудно контролируемый. Получить узкий диапазон разброса размеров капель довольно сложно. В работах [70, 71] представлено и сследование режимов расплавления островковых пленок различных материалов.
Метод центрифугирования обладает недостатком – существенная неравномерность распределения наночастиц (и островков из них) по поверхности подложки. Ощутимым достоинством является простота реализации метода в случае наличия коллоидного раствора с частицами нужного размера.
Перечисленные выше методы проанализированы (Таблица 2) по следующим критериям: энергия частиц (эВ), скорость роста пленки (мкм/с), ориентировочное время образования островков (с). И в качестве приемлемых методов с точки зрения доступности технологии и высокой воспроизводимости структур выбраны следующие: термическое испарение и магнетронное распыление. По результатам проведенного аналитического обзора и представленной классификации можно отметить, что наиболее выгодным методом самоорганизации для формирования ОТП с точки зрения определяющего критерия (минимальный размер) является метод молекулярно-лучевой эпитаксии, обладающий кроме всего прочего высокой воспроизводимостью. Но данный метод не является промышленным, требуются большие временные затраты для его реализации.
Технологические режимы формирования островковых тонких пленок в вакууме
Возбуждающий сигнал формируется цифровым синтезатором с высокодобротным кварцевым генератором, обеспечивающим поддержание частоты сигнала с относительной точностью не хуже 10-5–10-6. Переменная компонента сигнала с четырехсекционного фотодиода, наличие которой вызвано колебаниями кантилевера, усиливается [101]. После усиления сигнал попадает на вход синхронного детектора, который позволяет формировать сигнал: пропорциональный амплитуде основной частоты или одной из гармоник; сдвига фазы (колебаний кантилевера относительно возбуждающего сигнала); произведения амплитуды или собственного сдвига фазы. В петлю обратной связи может быть включен каждый из указанных выше сигналов.
Вибрирующий с малой амплитудой вблизи поверхности образца кантилевер оказывается в неоднородном силовом поле. Градиент сил приводит к частотному сдвигу резонансного пика. Таким образом, амплитуда и фаза колебаний кантилевера в неоднородном поле меняется в случае возбуждения сигналом фиксированной частоты.
Если в процессе сканирования система ОС меняет положение зонда перпендикулярно поверхности образца, при этом поддерживая амплитуду, либо фазу колебаний кантилевера постоянной (режим топографии), то записанный в результате сканирования сигнал ОС будет представлять собой поверхность с постоянным градиентом силы.
Если при выполнении сканирования не менять расстояние между зондом и основанием образца, то можно регистрировать изменения амплитуды, либо фазы колебаний. Также можно использовать режим, в котором сначала в контактном или полуконтактном режиме выполняется предварительное сканирование поверхности, а затем тот же участок п овторно сканируется с поддержанием заданного удаления зонда от поверхности для регистрации либо фазы, либо амплитуды в каждой точке. В этом режиме можно отделить данные о магнитных и электрических свойствах поверхности от данных топологии поверхности благодаря тому, что при втором сканировании Ван-дер-Ваальсово притяжение кантилевера и поверхности практически не изменяется, так как расстояние между зондом и поверхностью поддерживается постоянным. Следовательно, все изменения амплитуды и фазы колебаний при повторном сканировании вызваны действием других сил – электрическими, либо магнитными [101].
Свойства иглы кантилевера и поверхности, а также жесткость балки кантилевера определяют м инимально возможное расстояние между иглой кантилевера и поверхностью образца в бесконтактном режиме. Если после достижения некоторого расстояния между кантилевером и поверхностью окажется, что градиент силы притяжения иглы к образцу превысил жесткость балки кантилевера, то игла «прилипнет» к поверхности. Следовательно минимальное рабочее расстояние должно превышать указанное минимальное расстояние. Наибольшее влияние на притяжение чаще всего оказывают капиллярные э ффекты, которые, к тому же, обладают большим собственным гистерезисом. Но и даже в случае применения несмачиваемых поверхностей при отсутствие капиллярных явлений, эффект «залипания» [100, 101] может возникать под действием электростатических, магнитных и даже Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения.
Поэтому для получения большего разрешения (удаления, соизмеримые или превышающие радиус кривизны кантилевера) необходимо применять кантилеверы более высокой жесткости, так как необходимо использовать меньшее рабочее расстояние [100]. Однако при этом возрастает и сила взаимодействия.
Также в озможна ситуация, при которой градиент сил притяжения не превышает жесткости кантилевера до самого касания иглы с поверхностью, т. е. до сближения крайних атомов зонда и образца. В этом случае рабочее расстояние может быть сколь угодно малым (несколько ангстрем). Такая ситуация является переходной между бесконтактным и полуконтактным режимом.
Полуконтактный режим В полуконтактном режиме большую часть периода колебаний кантилевер не касается поверхности и его взаимодействие с образцом относительно слабо. Но при приближении иглы к поверхности она попадает в область отталкивающего потенциала, ее взаимодействие с поверхностью резко усиливается, и она теряет избыток энергии, накопленной за предшествующую часть периода колебания. В зависимости от характера взаимодействия может меняться сдвиг фазы основной гармоники колебаний относительно возбуждающего сигнала, а также амплитуда и фаза высших гармоник.
Основным эффектом является ограничение амплитуды колебаний на уровне, приблизительно равном расстоянию от вершины иглы кантилевера в свободном состоянии до поверхности образца, т. е. кантилевер может раскачиваться только до касания поверхности образца и не больше [100].
В отличие от бесконтактного, в полуконтактном режиме жесткость кантилевера может быть меньше, чем максимальный градиент сил притяжения вблизи поверхности. Увеличение амплитуды колебаний позволяет избежать эффекта «залипания» иглы. При этом амплитуда должна быть увеличена до такого значения, чтобы сила со стороны балки кантилевера, отрывающая иглу от поверхности, превышала притяжение иглы к поверхности [100]. Такая работа в бесконтактном режиме невозможна, поскольку амплитуда должна быть мала (Таблица 4).
Сканирующий зондовый микроскоп
Вследствие появления новых возможностей в области обмена данными и глобализации образовательного процесса посредством сети Интернет появляется потребность в создании системы, позволяющей перейти к более высокому уровню передачи знаний, подкрепленных реальными экспериментами в настоящем масштабе времени.
Данная проблема является актуальной на сегодняшний день, так как созданные мировые стандарты (LOM, IMS QTI, SCORM) позволяют обмениваться различными видами знаний. При наличии подобной системы это позволяет получать их в виде учебных объектов и дистанционно проводить практическое обучение студентов, исследователей, разработчиков на комплексе экспериментального оборудования для нанесения наноструктурированных покрытий [98].
Актуальность этой задачи определяется, с одной стороны, высокой стоимостью технологического оборудования, а с другой – возрастающей, в связи с развитием нанотехнологии, потребностью в использовании этого оборудования как в научно-исследовательской деятельности, так и в производстве. Высокая стоимость технологического оборудования сужает круг организаций, имеющих возможность приобрести необходимое оборудование.
Решение задачи дистанционного доступа обеспечивает возможность в среднесрочной перспективе осуществлять подготовку и переподготовку высококвалифицированных кадров для наноиндустрии. С его использованием возможно увеличить количество научных, инновационно-технологических, внедренческих и коммерческих организаций, использующих уникальное нанотехнологичное оборудование.
Практическая значимость решения этой задачи состоит в том, что, благодаря удаленному доступу к уникальному технологическому оборудованию, можно существенно расширить круг потенциальных пользователей (в том числе задействовать удаленные субъекты) как с точки зрения образования, исследований, развития кадрового потенциала (прямых и косвенных специальностей), так и с точки зрения привлечения субъектов бизнеса к результатам исследований в области нанотехнологий. В ходе экспертного анализа ситуации по проектированию и использованию комплексов удаленного доступа к лабораторному оборудованию установлено, что в настоящее время такие работы являются «пионерскими». Наиболее развито направление, связанное с обеспечением удаленного доступа к измерительным средствам (различного рода микроскопы).
Особенностью обеспечения удаленного доступа к средствам измерения является интеграция разрабатываемого специализированного программного обеспечения с модулем обеспечения удаленного доступа через каналы локальных сетей и сети Интернет, а также взаимосвязь с учебно-методическими комплексами, позволяющими использовать их в образовательном процессе.
Удаленный доступ к другому исследовательскому оборудованию, в частности, к вакуумным технол огическим установкам, на данный момент не реализуется. Для реализации удаленного доступа к исследовательскому оборудованию необходимо учитывать некоторые особенности [98]: описание и проработка концепции и алгоритмов, реализуемых данным типом оборудования; выбор и создание универсальной лабораторной установки, конструкция которой обеспечивает максимальную наглядность проводимых процессов, и позволяет за минимальное количество времени проводить замену технологических источников; обеспечение возможности полного контроля и управления технологическим оборудованием, включая силовую электронику; создание учебно-методических комплексов, позволяющих эффективно использовать в режиме удаленного доступа возможности технологического оборудования для учебных и исследовательских целей. Один из пунктов практической значимости работы состоит в том, что удаленный доступ к уникальному оборудованию позволяет пользователю, не имеющему больших вычислительных мощностей и технических возможностей, проводить эксперименты по формированию наноструктурированных покрытий (в том числе и ОНС) непосредственно с любого компьютера, имеющего доступ в сеть Интернет.
Одной из задач работы являлось проектирование модульной вакуумной лабораторной установки [116], создание алгоритмов взаимодействия вакуумной установки модульного типа с пользователями, описание структуры и содержания методики обеспечения удаленного доступа и разработка учебно-методических материалов к лабораторным работам, реализуемым на установке модульного типа.
Формирование островковых тонких пленок из олова на ситалле
Полученные в ходе экспериментальных исследований режимы формирования островковых наноструктур из меди на ситалле были апробированы для формирования ОТП из алюминия на ситалле. Для проведения исследований применяли метод термического испарения в вакууме при давлении P = 10-5 Па, время нанесения варьировали в интервале от 20 до 40 с. Еще одним параметром при формировании ОТП являлось расстояние от подложки до источника – 40 или 80 мм.
В результате проведенных экспериментов получили серию из 10 образцов, которые исследовали на атомно-силовом микроскопе Солвер NEXT (NT-MDT) с целью оценки г еометрических параметров островковых тонкопленочных наноструктур (Таблица 8).
Пример АСМ-изображения одного из исследуемых образцов и характерный профиль островковой наноструктуры приведены на Рис. 4.24. Данный образец получен при нанесении алюминия на максимальном расстоянии от источника до подложки (80 мм) и максимальном времени проведения процесса (40 с).
Анализ топологии поверхности полученных образцов показал, что для получения островковых наноструктур из алюминия размером до 200 нм методом термовакуумного испарения необходимо соблюдать режимы формирования: время процесса 40 с, расстояние испаритель–подложка 80 мм. При этом высота ОТП будет находиться в пределах 10…20 нм.
В последние годы активно обсуждается зависимость нелинейного отклика наноструктурированных тонких пленок от размера и формы содержащихся в них наночастиц, а также возможность управления этими параметрами путем изменения условий нанесения пленок [65]. Наноструктурированные металлические пленки широко исследовались из -за их быстрого нелинейного отклика, а также бо льших величин нелинейных показателей преломления. Если дли- на волны излучения близка к длине волны пика плазмонного поглощения наночастиц, нелинейный показатель преломления металлических наноструктурированных пленок увеличивается вследствие усиления локального поля. Среди различных наночастиц большое внимание привлекают наночастицы меди из-за их быстрого и значительного оптического нелинейного отклика [65]. Поэтому кроме электрических характеристик ОТП интерес представляют их оптические характеристики (Гл. 1).
В настоящее время проводят исследования по созданию как отдельных слоев островковых пленок на различных подложках [40], так и островковых тонких пленок на подложках из развитых структур (например, синтетические опалы) и изучают оптические характеристики полученных образцов в разных диапазонах длин волн. Это актуально для таких областей науки и техники, как, например, фотоника и оптика.
В работе [115] приведены результаты исследований по выращиванию островковой кремниевой пленки на сапфире (Рис. 4.25).
Интерес представляет характер изменения кривых отражения растущей кремниевой пленки на сапфире. Авторами выделяются три участка кривых отражения: начальная стадия роста (A), период коалесценции (B) и рост сплошной пленки (C). В периоде коалесценции интенсивность отражения светового луча от поверхности растущего кремниевого слоя падает, что говорит об увеличении промежутков между островками кремния.
Таким образом, для полученных в ходе экспериментальных исследований образцов ОТП из меди на ситалле стало интересно исследовать коэффициент отражения. Поэтому после проведения процесса осаждения меди на ситалловую подложку полученные образцы были исследованы на акустооптическом спектрофотометре AOS-4SL с целью определения характера изменения коэффициента отражения от длины волны в видимом диапазоне длин волн (от 400 до 700 нм). Результаты измерений на акустооптическом спектрофотометре AOS-4SL представлены на Рис. 4.26.
Технологические режимы формирования медного наноструктурированного покрытия были следующие (Таблица 9): время нанесения 1,5 и 4 мин (90 и 240 с), температура подложки 20 и 80 С.
Максимальный коэффициент отражения, % 5 2,5 25 118 Анализ зависимостей (Рис. 4.26) показывает, что сплошное тонкопленочное покрытие имеет схожий коэффициент отражения (2,5 %) с ситаллом без покрытия в видимом диапазоне длин волн . Подогрев подложки способствует увеличению коэффициента отражения до 25…35 % в зависимости от времени осаждения. Металлические островковые наноструктуры, повышая развитость поверхности, увеличивают коэффициент отражения.