Введение к работе
Актуальность темы
Развитие современной электронной техники тесно связано с поиском новых материалов и технологий. В последние годы резко повысился интерес к структурам "полупроводник на диэлектрике", которые имеют целый ряд преимуществ перед структурами "полупроводник на полупроводнике" и позволяют, в частности, повысить быстродействие и надежность работы интегральных схем, особенно в экстремальных условиях эксплуатации.
Монокристаллы твердых растворов на основе диоксида циркония (Zr02 - R2O3, где R- Y, Sc, Gd, ..., Lu), обладая уникальным сочетанием свойств (высокий коэффициент преломления, большая твердость, тугоплавкость, ионная проводимость), относятся к числу наиболее перспективных диэлектрических материалов не только современной микро- и оптоэлектроники, но и таких важных областей науки и техники как точное приборостроение, авиакосмическая, химическая и электротехническая промышленность, энергетика, медицина и т.д.
В конце 60-х годов XX века в Физическом институте им. П.Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) были разработаны основы нового метода получения высокотемпературных материалов - метод направленной кристаллизации расплава в холодном контейнере с использованием прямого высокочастотного нагрева [1, 2]. Отсутствие ограничений по температурам плавления позволяет использовать этот метод для синтеза монокристаллов на основе диоксида циркония в широком диапазоне составов (tra -2700 С). Метод позволяет получать кристаллы как полностью стабилизированного диоксида циркония (фианиты), так и частично стабилизированного (ЧСЦ). Успешная разработка технологии фианитов и создание промышленных серийных установок для их производства привели к широкому внедрению этой технологии не только в России, но и за рубежом.
Имеется большое число работ по исследованию структуры и физико-химических свойств фианитов [3-5]. Показаны преимущества использования фианита перед другими диэлектриками в качестве подложечного материала и буферного слоя для эпитаксии Si и соединений AmBv [6-8]. Известны работы, посвященные получению и использованию тонких пленок фианита в качестве материала изолирующих слоев (альтернативных Si02, SiC, Si3N4) при создании многослойных структур "полупроводник-диэлектрик". Благодаря высокому значению диэлектрической постоянной (25.0-29.7) [4] весьма перспективным является использование фианита в качестве подзатворного диэлектрика, это обеспечивает снижение токов утечки на 2-3 порядка в приборных структурах [9]. Высокая химическая инертность позволяет использовать пленки из 2г02-материалов в качестве защитных покрытий.
Использование кристаллов ЧСЦ - твердых растворов новых составов на основе диоксида циркония, позволяет расширить возможности согласования структурных параметров решеток подложки и полупроводниковых пленок. Высокие прочностные характеристики этих материалов способствуют повышению надежности работы приборов на основе гетероструктур "полупроводник на диэлектрике". Проведение исследования кристаллов ЧСЦ в этих перспективных направлениях является чрезвычайно актуальным, поскольку способствует широкому практическому применению этих материалов.
Таким образом, твердые растворы на основе ZrCb являются чрезвычайно перспективным многофункциональным материалом новых электронных технологий.
Использование в электронике кристаллов твердых растворов Zr02 -У20з с низким содержанием стабилизирующего оксида (2-5 мол.%) сдерживается из-за недостатка экспериментальных данных по их структурным и физико-химическим свойствам. Имеются данные по исследованию опытных образцов кристаллов ЧСЦ единичных составов. Показано, что структура и свойства кристаллов ЧСЦ зависят от технологических условий синтеза, вида
и концентрации стабилизирующего оксида, дополнительных примесей. Од-
нако детально исследование этих зависимостей не проводилось до настоящего времени. Кроме того, для расширения областей практического применения кристаллов ЧСЦ актуальными являются исследования, направленные на выявление корреляции "состав - условия синтеза - структура - свойства", определение оптимальных технологических режимов синтеза для получения крупных кристаллов ЧСЦ с заданными характеристиками и обеспечения стабильности этих характеристик в широком интервале температур.
Цель работы Целью настоящей диссертационной работы является оптимизация технологии кристаллов ЧСЦ, основанной на методе направленной кристаллизации расплава в холодном контейнере с использованием прямого высокочастотного нагрева, по результатам исследования зависимости фазового состава, структуры и физико-химических свойств кристаллов от химического состава и условий синтеза.
Научная новизна работы
Синтезированы серии кристаллов ЧСЦ составов Zr02 - (0; 2; 2.5; 2.8; 3; 3.2; 3.5; 3.7; 4; 5) мол.% Y203 в различных технологических условиях (варьировались объем расплава, скорость кристаллизации, тепловые условия выращивания и режимы термообработки после роста).
Определена зависимость фазового состава, микро- и наноструктуры кристаллов ЧСЦ от технологических условий роста и последующей термообработки.
Установлено влияние химического состава и условий синтеза на ряд физико-химических свойств кристаллов ЧСЦ: количество и изотопный состав кислорода, плотность, прочностные характеристики.
Показано влияние примесей редкоземельных и переходных элементов на процесс роста кристаллов ЧСЦ, их фазовый состав, структуру и свойства.
На основе установленных зависимостей размеров, качества и физико-химических свойств кристаллов ЧСЦ от состава исходной шихты и техно-
логических условий оптимизирована технология, обеспечивающая получение кристаллов ЧСЦ с требуемым сочетанием физико-химических свойств. Практическая значимость работы
На основании полученных экспериментальных данных выявлена корреляция "состав - условия синтеза - структура - свойства", что позволило оптимизировать технологию кристаллов ЧСЦ с заданными свойствами для конкретного практического применения.
По результатам исследования микро- и наноструктуры кристаллов ЧСЦ существенно расширены представления о природе процессов формирования структурированных материалов на основе Zr02 в результате фазовых превращений, что имеет большое практическое значение для исследования и синтеза новых пленочных и кристаллических технических ZrCv содержащих материалов, в том числе нанокерамики.
На количественном и изотопном уровнях определены изменения подвижности кислорода при росте и послеростовой термообработке кристаллов ЧСЦ в зависимости от химического состава, температуры и окислительно-восстановительной среды отжига, что может быть использовано при выборе оптимального состава подложек и условий их отжига, а также при оптимизации температурных режимов эпитаксии предотвращающих диффузию кислорода из подложки в пленку.
На основе исследования физико-химических свойств предложены практические применения кристаллов ЧСЦ в электронике и некоторых других областях науки, техники и медицины: подложки для микроэлектроники, детали триботехнического назначения (втулки, фильеры для протяжки проволоки), медицинский инструмент.
Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях, на научных школах: Всероссийская конференция с элементами молодежной научной школы "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и примене-
ниє" (5-я, Саранск, 2006; 6-я, Саранск, 2007; 7-я, Саранск, 2008); Национальная конференция по росту кристаллов (XII НКРК, Москва, 2006; XIII НКРК, Москва, 2008); Первая международная научная школа-семинар "Современные методы анализа дифракционных данных (топография, дифрактометрия, электронная микроскопия)" (Великий Новгород, 2007); VI Всероссийская научная конференция "Керамика и композиционные материалы" (Сыктывкар, 2007); IX Российско-китайский симпозиум "Новые материалы и технологии" (Астрахань, 2007); Научно-техническая конференция "Инновации в кабельной промышленности - ключ к прогрессу в важнейших отраслях народного хозяйства" (Москва, 2007); 9-ое Международное совещание "Фундаментальные проблемы ионики твердого тела" (Черноголовка, 2008); Six International Conference on Inorganic Materials, (Dresden, Germany, 2008); Научно-практическая конференция "Инновации PAH-2008" (Нижний Новгород, 2008); Международный симпозиум "Перспективные материалы и технологии" (Витебск, Беларусь, 2009).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы представлены в 19 публикациях, указанных в списке литературы. В их числе 14 тезисов докладов и 5 статей, 4 из которых опубликованы в рецензируемых периодических научных журналах.
