Введение к работе
Актуальность работы. Установление зависимостей между условиями синтеза, структурой, последовательностью межфазных границ и свойствами получаемых тонкопленочных оксидосодержащих гетероструктур - одна из современных задач физики конденсированного состояния. В данной работе в качестве объектов исследования были выбраны тонкопленочные гетерофазные структуры на основе металлов титана, ниобия, индия, олова и их оксидов на подложке из монокристаллического кремния. Наиболее значимым свойством подобных структур является то, что в зависимости от последовательности межфазных границ и условий синтеза на базе одних и тех же материалов возможно формирование материалов с различными диэлектрическими, полупроводниковыми и оптоэлектронными свойствами. Для формирования пленок с заданными свойствами необходимо установить связь их состава и структуры с условиями синтеза. Поэтому на первый план выдвигается изучение фазовых превращений, изменения кристаллической структуры и поверхностной морфологии тонкопленочных гетероструктур, происходящих при их термообработке. Варьируя условия синтеза, можно изменять в требуемом направлении состав и свойства получаемых пленок. Несмотря на весьма значимые перспективы использования тонкопленочных гетероструктур, полученных при оксидировании сложных композиций на основе металлических слоев и их оксидов, механизм их формирования далеко не всегда ясен.
Именно поэтому механизмы процессов формирования сложных гетероструктур интенсивно изучаются в последнее время в связи с высокой востребованностью и применением таких материалов. Тонко пленочные оксиды металлов и полупроводников широко используются в таких перспективных областях, как микро- и наноэлектроника; тонкие слои являются основой любой современной технологии в производстве интегральных схем. Особенность тонкопленочного состояния практически во всех известных случаях изменяет характеристики материала по сравнению с его обычными свойствами.
С этих точек зрения, актуальность предлагаемого исследования тонкопленочных оксидосодержащих гетероструктур является обоснованной.
Цель работы: синтез тонкопленочных гетероструктур сложного состава на основе Ті, Nb, In, Sn и их оксидов. Изучение механизмов формирования, фазового состава, субструктуры и электронных свойств синтезированных объектов.
Для достижения поставленных целей были сформулированы и решены следующие задачи:
S Формирование тонких металлических слоев магнетронным методом напыления. Синтез гетероструктур, содержащих сложные оксиды, с помощью термического, лазерно-термического отжигов в атмосфере кислорода и фотонного отжига в вакууме.
S Изучение кинетики формирования плоскослоистых оксидных гетероструктур с помощью рентгенофазового анализа и эллипсометрического метода.
S Установление влияния последовательности межфазных границ при формировании двухслойной гетероструктуры титан - ниобий на их фазовый состав.
S Синтез и изучение методом рентгенофазового анализа и
рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии плоскослоистой
гетероструктуры, содержащей In, Sn и их оксиды на подложке из монокристаллического кремния.
S Определение механизмов формирования сложных оксидов гетероструктур на основе Ti-Nb, In-Sn.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые с помощью магнетронного метода напыления сформированы сложные гетероструктуры, содержащие оксиды титана, ниобия, индия и олова, толщиной от 14 нм до 1 мкм, характеризующиеся высокой степенью однородности, на подложках Si(100) диаметром до 76 мм.
Впервые продемонстрирован эффект «лазерного ускорения» и «лазерного торможения» роста оксидной пленки титана при воздействии лазерного излучения среднего ИК - диапазона.
Впервые изучен процесс твердофазного взаимодействия металлического ниобия с оксидами титана и металлического титана с оксидами ниобия в ультратонких слоях в условиях высокого вакуума при фотонном воздействии.
Впервые синтезированы сложные гетероструктуры на основе оксидов титана и ниобия, содержащие сложный оксид ТіМЮф
Предложен механизм формирования TiNb04, заключающийся во взаимодействии металлического Nb с ультратонкой пленкой монооксида.
Впервые получены оксиды индия-олова (ITO) в тонкопленочном состоянии на подложке из монокристаллического кремния путем окисления послойно напыленных металлов в печи резистивного нагрева в атмосфере кислорода с последующим фотонным отжигом в вакууме.
Предложены доказательства механизма формирования ITO - структуры путем взаимодействия оксида индия ІП2О3 с оловом путем встраивания атомов Sn в решетку ІП2О3 с образованием мостиковых связей индий-кислород-олово (In-0-Sn) на основе химсдвигов РФЭС.
Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов определяется тем, что все синтезированные структуры могут быть использованы в качестве элементов структур функциональной электроники, в том числе при разработках технологий сенсоров различного назначения,
солнечных элементов, защитных покрытий, а также оптических элементов, просветляющих и оптически активных покрытий.
Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию при разработках современных технологий и изделий функциональной электроники на основе ультратонких оксидных покрытий на Воронежском заводе полупроводниковых приборов и Научно-исследовательском институте полупроводникового машиностроения. Результаты диссертационного исследования также могут быть использованы при подготовке и чтении специальных курсов по физике конденсированного состояния, современному материаловедению, физической электронике и нанондустрии.
На защиту выносятся следующие положения:
^ Лазерное излучение среднего ИК диапазона при средней плотности мощности 15 Вт/см приводит к росту скорости формирования оксидной пленки титана на начальной стадии окисления, что обусловлено стимулированием потока ионов титана к внешней границе раздела. При достижении определенной толщины оксидной пленки происходит снижение скорости роста, за счет десорбции кислорода с поверхности оксида.
^ Последовательность напыления металлических слоев при термическом отжиге и последующем фотонном облучении в вакууме двухслойной структуры на основе пары металлов титан - ниобий и их оксидов определяет механизм формирования и состав гетерофазной пленочной структуры за счет твердофазного взаимодействия металла с соответствующим оксидом: в случае структуры Nb/TiO/Si(100) пленка в основном состоит из сложного оксида TiNbO^ в случае структуры Ti/M^Os/SiQOO) пленка содержит только оксиды соответствующих металлов.
^ При фотонном отжиге в вакууме гетероструктуры, содержащей металлы In,Sn и их оксиды на подложке монокристаллического кремния, преобладающей фазой является ITO структура: (Ini 88Sn0ji2)O3. Механизм формирования определяется твердофазным взаимодействием олова с оксидом индия за счет внедрения атомов олова в решетку ІП2О3.
> Спектры рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии свидетельствуют о формировании ІТО структуры, в результате чего наблюдаются противоположные по знаку химсдвиги АЕ(Іп ЗСІ5/2) = - 0,7 эВ и AE(Sn3d5/2)=+l,4 3B.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены и обсуждены на следующих конференциях: II Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах «ФАГРАН-2004» (Воронеж, 2004 г.); XI Национальная конференция по росту кристаллов «НКРК-2004» (Москва, 2004 г.); VI Международной конференции «Рост монокристаллов и тепломассоперенос «ICSC-2005» (Обнинск, 2005 г.); III Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах «ФАГРАН-
2006» (Воронеж, 2006 г.); XIX Всероссийская научная школа-семинар Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь (Ижевск, 2007 г.).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 8 публикациях. В том числе 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень периодических изданий ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 76 наименований, 2 приложений. Работа изложена на 103 страницах основного текста, иллюстрирована 54 рисунками и содержит 11 таблиц.
