Введение к работе
Актуальность темы.
Необходимость исследований свойств материалов для информационно-измерительных приборов на микро- и наноразмсрном уровне обусловливается жесткими требованиями, предъявляемыми к изделиям приборостроения. Это относится к структурам иа основе многокомпонентных проводниковых материалов, которые применяются в датчиковом приборостроении. Актуальной задачей является установление факторов, влияющих иа параметры резиспшшх сгрукгур на низкоразмерном уровне, для разработки закономерностей: технологические режимы получения - морфологические свойства рези-стивных пленок — выходные параметры резистивных структур, обеспечивающих повышение воспроизводимости и стабильности их параметров за счет оптимизации технологии получения, включающей внешние воздействия.
Систематические исследования в области формирования микроэлск-тронных изделий начались еще в прошлом веке. Однако до сих нор возникают проблемы воспроизводимости параметров и надежности эксплуатации приборов, решения которых опираїшіся на результаты исследований в микро- и наномасштабпом диапазонах. Большой вклад в развитие основ технологии формирования тонких пленок внесли научные школы, руководимые такими учеными, как Л. С. Палатник, Ю. М. Таиров, Е. Л. Мокроп, P.M. Печерская, В. А. Гридчин, С. А. Кукушкин, а также зарубежные ученые L. Maissel, R. Glang, R. A. Sigsbee, S. Forrest и т. д.
Для существенного снижения деградации параметров резисгаи-ных структур при их производстве применяется импульсное токовое воздействие высокой плотности, что требует специального оборудования. В ряде работ стабилизация параметров резистивных структур достигается радиационным воздействием. Эффективным является повышение стабильности параметров резистивных структур за счет варьирования технологическими режимами и применения внешнего воздействия в виде отжига в атмосфере. Однако исследования на низкоразмерном уровне в этом направлении не носят системного характера, причем отсутствуют зависимости, связывающие тсхнолош-ческие режимы получения - морфологическую структуру -- внешние воздействия - выходные параметры резистивных структур для дат» чикового приборостроения. Кроме того, требуется разработка техно-
логической методики стабилизации и контролируемого изменения выходных параметров изделий приборостроения на основе развития теоретических положений с учетом ряда новых технических решений, оказывающих существенное влияние на процент выхода годных резистивных структур для информационно-измерительных приборов. Используемые сегодня резистивные структуры имеют недостатки в плане надежности, стабильности выходных параметров и точности достижения заданного номинального параметра, а изготовление пленочных резисторов на основе многокомпонентных материалов требует выделения значительных материальных и временных затрат на различных этапах их производства, что приводит к удорожанию информационно-измерительных приборов с использованием таких резисторов и снижению их конкурентоспособности на мировом рынке.
Цель работы.
Целью работы является развитие основ технологии получения резистивных структур со стабильными и воспроизводимыми выходными параметрами за счет контролируемого изменения состояния поверхности пленок на низкоразмерном уровне посредством выбора технологических режимов получения и отжига.
Задачи диссертационной работы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать методики получения и исследования параметров резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов при различных технологических режимах;
исследовать механизмы образования резистивных пленок на низкоразмерном уровне и деградацию их свойств;
разработать методику исследования морфологии поверхности пленок резистивных структур на низкоразмерном уровне и смоделировать их поверхность для различных технологических режимов получения;
установить физико-технологические закономерности формирования резистивных структур на иизкоразмерном уровне с заданными выходными параметрами;
разработать технологические методики на основе теории фракталов контролируемого изменения морфоструктуры пленок многокомпонентных материалов, электрических параметров резистивных
структур, обеспечивающие повышение воспроизводимости и стабильности изделий приборостроения.
Методы исследований.
Сформулированные задачи исследований резистивных структур решались с применением сканирующей зондовой микроскопии, численных и аналитических методов моделирования процессов средствами вычислительной техники.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена численным и аналитическим моделированием свойств многокомпонентных материалов; комплексными экспериментальными исследованиями параметров резистивных структур, выполненными с точностью, обеспечивающей получение достоверных сведений; совпадением рассчитанных значений с экспериментальными данными в пределах разработанных моделей и с известными литературными источниками. В процессе рабогы изготовлено и исследовано 120 партий образцов с 2500 пленочными элементами.
Научная новизна работы.
Определены физико-технологические закономерности формирования резистивных структур с контролируемыми изменениями морфо-структуры и выходных параметров, основанные на теории фракталов, кинетике испарения и конденсации материалов в неравновесных условиях синтеза.
На базе установленных физико-технологических закономерностей формирования резистивных структур с заданными морфострук-турой и выходными параметрами развита технология получения резистивных структур с воспроизводимыми и стабильными параметрами для датчикового приборостроения.
Разработана модель процесса временной стабилизации параметров резистивных структур с использованием хромоникелевых сплавов за счет выбора технологических режимов и отжига.
На основе теории фракталов разработан алгоритм расчега кинетики роста пленок, изменения электрофизических свойств, позволяющий прогнозировать электрические, морфологические характеристики многокомпонентных материалов и выходные параметры резистивных структур на их основе в процессе хранения для различных технологических режимов, что особенно актуально при разработке
эффективной технологии получения высокостабильных информационно-измерительных приборов.
Практический значимость.
Развиты основы технологии получения резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов с высокостабильными выходными параметрами для датчикового приборостроения.
Установлены технологические режимы получения и отжига резистивных структур, позволяющие контролируемо изменять морфост-руктуру пленок и их электрические свойства.
Разработана методика получения, и изготовлены резистивные структуры на основе многокомпонентных материалов с заданными выходными параметрами за счет контроля морфоструктуры резистивных пленок.
Разработана методика стабилизации выходных параметров резистивных структур хромоникелевых сплавов, обеспечивающая стабильные во времени параметры с уменьшенными значениями коэффициента старения сопротивлении, близкого к лучшим известным аналогам.
Диссертационная работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)», мероприятие № 3 «Проведение прикладных научных исследований в области образования, молодежной и социальной политики в области образования», проект «Учебно-исследовательский комплекс для исследования микро- и напосистем», мероприятие № 1 «Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов», проект «Исследование и разрабагка управляемого сит-еза гетерогенных систем», а также хоздоговорной работы «Исследование с помощью атомно-силового сканирующего микроскопа вариантов структур тензослоев, модифицированных термоотжигом (либо методом лазерной рекристаллизации) в целях создания высокотемпературных модулей для радиационно стойких датчиков» с предприятием ОАО «НИИ физических измерений» (г. Пенза). Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и научных исследованиях в ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» (ПГУ), ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», «Кузнецкий институт информационных и управленческих технологий» (филиал ПГУ), ГОУ ВПО «Пензенская шеударстаениая технологическая академия», ФГОУ СПО «Пен-
зенский государственный гфиборостроительный колледж», ГОУ ШЮ «Марийский государственный технический университет». На защиту выносятся:
Технологическая методика получения резистивных структур на основе многокомпонентных материалов с заданными и стабильными выходными параметрами, в которой за счет коягроля морфострукху-ры на низкоразмерном уровне обеспечивается повышение эффективности формирования и улучшение выходных параметров резистивных структур информационно-измерительных приборов.
Методика и результаты временной стабилизации выходных параметров резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов для датчикового приборостроения.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических режимов получения, отжига, контроля морфострук-туры и выходных параметров резистивных пленок, позволяющие разрабатывать резистивные датчики с улучшенными выходными параметрами.
Результаты моделирования выходных параметров резистивных структур на основе многокомпонентных материалов, позволяющие снизить трудоемкость разработки технологии их получения и повысигь :>ко-номичноегь производства резистивных структур для датчикостроении.
Апробация работы.
Основные научные и іфактические результаты исследований но теме диссертации опубликованы в периодических изданиях, докладывались и обсуждались на 15 научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах: «ВНКСФ-12» (Новосибирск, 2006 г.), «Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аснекш микроэлектроники» (Пенза, 2006 г., 2009 г.), «Молодые учсныс-2006» (Москва,
г.), «XLI Зимняя Школа, Петербургский институт ядерной фюики» (Санкт-Петербург, 2007 г.), «Уішверситетское образование» (Пенза, 2007 2009 гг.), «Физика и технология микро- и паносистем» (Санкт-Петербург,
г.), «Материалы, изделия и технологии пассивной электроники» (1Ієн-за, 2007 г.), «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2007 г.), «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007 г.), «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, элекгро-
техники и энергетаки» (Саранск, 2007 г.), «INTERMATIC-2007» (Москва, 2007 г.), «Надежность и качество» (Пенза, 2009 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 17 работ, включая статью из перечня ВАК. Без соавторов опубликована одна работа.
Структура и объем диссертации.
