Введение к работе
Актуальность работы
Разработку новых материалов и технологий их получения и обработки в настоящее время общепризнанно относят к так называемым «ключевым» или «критическим» аспектам основы экономической мощи и обороноспособности государства. Одним из приоритетных направлений развития современного физического материаловедения являются наноматериалы и нанотехнологии.
В последнее десятилетие в электронике к активно изучаемым и разрабатываемым функциональным слоям добавились сегнетоэлектри-ческие. Сегнетоэлектрики - это вещества, кристаллическая структура которых допускает существование в некотором диапазоне температур и давлений спонтанной электрической поляризации (отличного от нуля результирующего дипольного момента единицы объема образца), модуль и пространственная ориентация которой могут быть изменены под действием внешнего электрического поля. Помимо электрически переключаемой спонтанной поляризации, сегнетоэлектрики обладают целым спектром полезных для приложений физических свойств, среди которых особенно выделяются высокая, резко анизотропная и зависящая от внешнего электрического поля диэлектрическая проницаемость, прямой и обратный пьезоэлектрический, а также пироэлектрический эффекты.
Эти свойства сегнетоэлектрических пленок находят применение при создании устройств энергонезависимой памяти, динамической памяти с произвольной выборкой, конденсаторов, микроактюаторов и микрореле, приемников инфракрасного излучения, оптических процессоров, волноводов и линий задержки, приборов на поверхностных акустических волнах, разнообразных акустооптических устройств, изменяющих заданным образом спектральный состав, амплитуду и направление распространения светового сигнала.
Современные технологии микрообработки позволяют изготовлять интегральные пьезокерамические преобразователи, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время пьезокерамические преобразователи в составе интегральных микросхем (ИМС) изготавливаются трех типов: пленочные, объемные и поверхностные.
Можно выделить пять основных направлений получения плёнок сегнетоэлектрических материалов: магнетронное напыление, лазерное распыление, химическое осаждение из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений (MOCVD), шелкография и золь-гель метод.
Золь-гель метод дает точное управление структурой вещества и низкую температуру подложки, однако очень чувствителен к составу
раствора и процесс обладает низкой повторяемостью, при этом имеет относительно низкую цену производства.
Наиболее подходящим процессом для производства сегнетоэлек-трических пленок является магнетронное осаждение, обладающее рядом преимуществ и хорошо отлажено технологически. Применение этого процесса позволит встроить формирование сегнетокерамических структур в стандартный технологический процесс изготовления различных микросхем.
Таким образом, исследование процессов формирования сегнетокерамических микроструктур с заданными свойствами на поверхности монокристаллического кремния методом магнетронного осаждения является актуальной научной задачей. Цель работы:
разработка математических моделей электроупругих структур на основе трехмерной краевой задачи, решаемой методом конечных элементов, и оценка физических характеристик необходимых при их применении в специализированных системах автоматизации производства (САПР) для микроэлектромеханических структур (МЭМС);
исследование влияния состава мишени на формирование сегнетоэлектрических осаждаемых пленок;
разработка физических и технологических основ процесса формирования сегнетокерамических пленок PZT на поверхности кремниевых пластин для МЭМС, интегрированных в технологию кремниевых приборов.
В соответствии с целью были поставлены следующие основные задачи:
разработка модели электроупругих гетерогенных структур изделий произвольной формы;
исследование процесса ионно-плазменного осаждения пленок сложных оксидов в зависимости от состава мишени, включая анализ процессов на поверхности мишени, транспорта распыленных частиц от мишени к подложке, процессов на растущей поверхности, состояния внутренних поверхностей напылительной камеры;
выбор, обоснование и разработка материалов и технологии изготовления мишеней для напыления ЦТС;
определение основных параметров режимов получения гетерострук-тур пленок типа PZT/Pt/Ti/Si02/Si;
получение и исследование гетероструктур пленок типа PZT/Pt/Ti/SKVSi; выбор и обоснование технологии напыления плёнок ЦТС на кремниевую подложку;
- разработка основ технологического процесса получения изделий
МЭМС с использованием пленок типа PZT/Pt/Ti/Si02/Si на примере
микрореле.
Научная новизна:
проведен теоретический анализ и экспериментальные исследования режимов ионно-плазменного осаждения пленок сложных оксидов цирконата-титаната свинца;
определены физические закономерности процессов на поверхности мишени, транспорта распыленных частиц и их связь с процессом формирования пленок;
разработана модель электроупругих гетерогенных структур изделий произвольной формы, экспериментально подтвержденная на изделиях МЭМС в виде «микрореле»;
разработан состав и технология изготовления мишеней для напыления пленок цирконата-титаната свинца с математическим обоснованием условий достижения однородности по составу.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в выработке и реализации технических решений:
разработка материала и новой технологии изготовления однородных по составу мишеней для распыления пленок цирконата-титаната свинца;
разработка основ технологии напыления пленок цирконата-титаната свинца и формирования гетерогенных структур на их основе на подложке из монокристаллического кремния;
разработка основ технологического процесса получения изделий МЭМС с использованием пленок типа PZT/Pt/Ti/Si02/Si на примере микрореле.
Положения выносимые на защиту:
1. Модель электроупругих гетерогенных структур изделий произвольной формы, экспериментально подтвержденная на изделиях МЭМС в виде «микрореле».
2. Результаты исследования физических процессов и
разработанная на их основе технология изготовления пленок типа
PZT/Pt/Ti/Si02/Si для получения изделий МЭМС.
3. Состав мишеней и оптимальные режимы напыления
однородных сегнетоэлектрических пленок на основе цирконата-титаната
свинца.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на российских и международных конференциях и симпозиумах: 16 конференция РЭМ-2009 (Черноголовка, Россия. 2009); The XXII International Conference on relaxation phenomena in solids. (Воронеж,
Россия. 2010); 19 Национальная конференция по физике сегнетоэлектриков BKC-XIX (Москва, Россия. 2011); Международный междисциплинарный симпозиум «Физика межфазных границ и фазовые переходы» (МФГФШ) (Ростов-на-Дону - пос. Лоо, Россия. 2011). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, включая две статьи в журналах списка ВАК. Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении опытно-конструкторских работ:
ОКР «Разработка базовых технологий изготовления пьезокерамиче-ских пленок и монолитных многослойных пьезокерамических элементов, совместимых с интегральной технологией микроэлектроники», 2007 - 2008 гг.
НИОКР «Разработка и внедрение промышленной технологии сегнето-электрических пленок для микро- и наносистемной техники и изделий на их основе», 2007 - 2009 гг.
ОКР «Разработка базовой технологии изготовления и конструкции радиочастотных микропереключателей, микрореле на тонких пьезоэлектрических пленках», 2008 - 2009 гг.
НИР «Создание многослойных композиционных керамических гетероструктур на основе магнито и пьезоактивных материалов для высокоэффективных магнитоэлектрических преобразователей», 2009 -2011 гг.
Личный вклад соискателя: Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Практическая реализация разработок осуществлена с участием сотрудников ОАО «НИИ «Элпа» (г. Зеленоград): Е.С. Горнев, В.А. Головний, В.Г. Никифоров, А.Г. Сегала, А.Г. Итальянцев, Ю.В. Шульга.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 142 страницы основного текста, 55 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 123 наименований и 2 приложения.
Похожие диссертации на Процессы формирования пьезокерамических микроструктур на поверхности монокристаллического кремния
