Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние методов контроля и измерения параметров сверхтонких сегнетоэлектрических пленок
1.1 Применение наноразмерных сегнетоэлектрических пленок 15
1.2 Обзор методов получения сверхтонких сегнетоэлектрических пленок
1.3 Критический размер в сегнетоэлектрических наноструктурах
1.4 Обзор методов исследования сегнетоэлектрических пленок 34
Выводы к первой главе 50
Глава 2 Разработка теоретической модели, описывающей взаимосвязь структуры и свойств наноразмерных сегнетоэлектрических; материалов 51
2.1 Тензорное описание свойств:материалов 51
2.2 Эффективные упругие, пьезоэлектрические и диэлектрические характеристики нанополикристаллов
2.3 Модель расчета свойств нанополикристалла , 56
2.4 Характеристики нанополикристаллического Si02 59
2.5 Характеристики нанопьезокерамики системы ЦТС 63
2.6 Расчет пьезоэлектрических модулей пористой пьезокерамики
Выводы ко второй главе 73
Глава 3 Разработка инструментария и методов контроля интегральных параметров сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм 74
3.1 Разработка макета стенда для измерения электрофизических и температурозависимых свойств диэлектрических пленок толщиной менее 100 нм
3.2 Методика измерения электрофизических свойств сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм
3.3 Измерение температурозависимых свойств сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм
3.4 Исследование оптических свойств сверхтонких сегнетоэлектрических пленок
3:5 Исследование параметров сверхтонких сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм методами ОЖЕ, ВИМС 93
Выводы к третьей главе 95
Глава 4 Методы контроля в локальных областях параметров сверхтонких пленок сегнетоэлектриков с помощью СЗМ
4.1 Разработка технологии изготовления проводящих кантилеверов с покрытием на основе тугоплавких соединений для исследования сверхтонких пленок сегнетоэлектриков методами СЗМ
4.2 Изготовление тестовых структур на основе сверхтонких пленок сегнетоэлектриков
4.3 Разработка методики измерения в локальных областях характеристик сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм с использованием сканирующей зондовой микроскопии
Выводы к четвертой главе 121
Заключение 123
Список использованных источников 126
Приложение 1 135
- Обзор методов получения сверхтонких сегнетоэлектрических пленок
- Эффективные упругие, пьезоэлектрические и диэлектрические характеристики нанополикристаллов
- Методика измерения электрофизических свойств сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм
- Изготовление тестовых структур на основе сверхтонких пленок сегнетоэлектриков
Введение к работе
Актуальность работы
Методы формирования и методики исследования сверхтонких сегнетоэлектрических пленок занимают одно из важных мест в современной твердотельной электронике.
Несмотря на уникальность свойств сегнетоэлектрических пленок, только в последнее десятилетие удалось добиться удовлетворительной контролируемой совместимости тонких слоев сегнетоэлектриков с полупроводниковыми матрицами в планарной технологии. Устройства энергонезависимой памяти, динамической памяти с произвольной выборкой, микроактюаторов, приемников ИК излучения, оптических процессоров, волноводов - вот далеко не полный перечень возможного использования свойств сегнетоэлектрических материалов.
Основная трудность при получении тонкопленочных слоев состоит в контролируемом формировании сегнетофазы. Данный процесс, как правило, является высокотемпературным, а с учетом присутствия в материале легколетучих компонентов (барий, свинец) возникают существенные трудности при изготовлении пленок субмикронной толщины при сохранении концентрации и распределения компонентов. В последнее время в научной литературе появилось значительное число публикаций, посвященных получению, методам исследования свойств и применению сверхтонких пленок сегнетоэлектриков. Электрофизические свойства пленок зависят от ряда параметров, в частности, от стехиометрии входящих в нее элементов, размеров и ориентации кристаллитов, состояния границ раздела, вида и концентрации дефектов и примесей. Несмотря на очевидный прогресс в исследованиях в этом направлении, можно отметить известное отставание в развитии доступных методов исследования и контроля параметров сверхтонких сегнетоэлектрических пленок, необходимых для корректировки технологических режимов их получения.
В последние десятилетия разработаны и широко используются методы диагностики поверхности и приповерхностных слоев, объединенные понятием «сканирующая зондовая микроскопия» (СЗМ). Повышение аналитических возможностей физических методов диагностики, приближение размеров области взаимодействия зонда к характерным размерам атомов изучаемых объектов в определенной степени усложняет интерпретацию экспериментальных результатов. Специфические требования к исследованию параметров наноразмерных пленок в локальных областях предъявляются и к самому инструментарию,
в частности, к зондовым устройствам (кантилеверам): высокая разрешающая способность, хорошая омическая проводимость, износоустойчивость при работе в контактном режиме и т.п.
В этой связи для развития технологий получения сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм необходимы относительно недорогие и экспрессные приборы и методы контроля параметров данных покрытий, использующие комплексный подход, основанный на получении как интегральных характеристик пленок при исследовании тестовых структур, так и определении свойств пленок в локальных областях методами СЗМ.
Целью работы являлось развитие и адаптация существующих методов измерения и контроля параметров сегнетоэлектрических материалов применительно к пленкам толщиной менее 100 нм, а также разработка новых методик исследования диэлектрических характеристик наноразмерных покрытий с высокой диэлектрической проницаемостью.
Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:
Разработать методику и определить условия измерения характеристик сегнетоэлектрических пленок состава ЦТС толщиной менее 100 нм с использованием сканирующей зондовой микроскопии с проводящими кантилеверами.
Разработать инструментарий на основе типовых кремниевых кантилеверов для высокоразрешающих исследований сегнетоэлектрических пленок состава ЦТС с толщиной менее 100 нм, включающий формирование на зондовых иглах проводящих покрытий состава WXC толщиной до 5 нм.
Разработать методику и лабораторный стенд для комплексного измерения электрофизических, в том числе температурозависимых, параметров сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм.
Разработать математическую модель для расчета эффективных механических и диэлектрических свойств нанокристаллических сегнетоэлектрических материалов с учетом состава и структуры межкристаллитной границы.
Объект исследований - приборы и методы контроля параметров пленок сегнетоэлектрических материалов толщиной менее 100 нм.
Научная новизна работы представлена следующими положениями:
-
Разработана методика и определены условия измерения характеристик сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм с использованием сканирующей зондовой микроскопии с проводящими кантилеверами, основанная на определении временной зависимости релаксационных процессов в доменных областях сегнетоэлектрического материала.
-
На основе сформулированных требований к исследованию сегнетоэлектрических пленок методом сканирующей зондовой микроскопии предложены технологические подходы формирования проводящих и износоустойчивых покрытий состава WXC толщиной до 5 нм на типовых кремниевых кантилеверах, позволяющих с разрешением от 1 нм проводить анализ электрофизических свойств пленок, в том числе сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических, с толщиной менее 100 нм.
-
Разработана методика комплексного измерения электрофизических, в том числе температурозависимых, параметров сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм, основанная на выявлении зависимостей поляризационных процессов от состава материала и условий проведения измерений.
-
Предложена математическая модель, позволяющая рассчитывать эффективные механические и диэлектрические свойства нанокристаллических сегнетоэлектрических материалов, учитывающая состав и структуру межкристаллитной границы.
Практическая значимость работы
-
На способ формирования покрытий состава WXC при температуре не более 500С (заявка №2009135890) получено положительное решение о выдаче патента от 20.05.2010.
-
Разработана методика измерения свойств поверхностных нанообъектов и проведена ее аттестация в Государственной службе стандартных справочных данных (ГСССД) («Методика измерения свойств поверхностных нанообъектов при помощи функциональных кантилеверов с наноразмерными функциональными покрытиями». Методика ГСССД. Сертификат № 170 от 19 мая 2010 г.).
-
Разработана методика измерения характеристик сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм в локальных областях и проведена' ее, аттестация в Государственной службе стандартных справочных данных (ГСССД) («Методика измерения локальных свойств сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм». Методика ГСССД. Сертификат № 148 от 22 января 2009 г.).
4. Разработана методика измерения электрофизических, в том числе температурозависимых, параметров пленок сегнетоэлектрических материалов толщиной менее 100 нм и изготовлен макет лабораторного стенда на базе персонального компьютера.
Степень обоснованности научных положений, результатов и выводов
Результаты исследований и разработок, выводы и рекомендации, представленные в работе, получены автором с применением современных исследовательских и аналитических методов на сертифицированном оборудовании. Достоверность полученных в работе экспериментальных результатов подтверждается хорошей корреляцией с теоретическими расчетами в рамках предложенных моделей, а также с результатами исследований, выполненных другими авторами с использованием альтернативных методов и оборудования. При численной обработке экспериментальных результатов использовались лицензионные прикладные пакеты программ. Теоретические и экспериментальные результаты и положения работы не противоречат имеющимся в данной области общепринятым научным представлениям. Выводы и рекомендации, сделанные в работе, носят целостный характер и имеют тесную взаимосвязь с результатами работ, проведенными ранее в научной группе, в которую входит автор.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Методика измерения характеристик сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм с использованием сканирующей зондовой микроскопии с проводящими кантилеверами, основанная на определении временной зависимости релаксационных процессов в доменных областях сегнетоэлектрического материала.
-
Способ создания проводящих и износоустойчивых кантилеверов, включающий формирование покрытия состава WXC толщиной не более 5 нм на зондовой игле типового кантилевера, что позволяет с разрешением от 1 нм проводить анализ электрофизических свойств пленок, в том числе сегнетоэлектрических пленок состава ЦТС.
-
Методика комплексного измерения электрофизических параметров сегнетоэлектрических пленок, основанная на выявлении зависимостей поляризационных процессов от состава и структуры материала, а также от температуры и условий проведения измерений.
-
Математическая модель, связывающая эффективные механические и диэлектрические свойства нанокристаллических
сегнетоэлектрических материалов со структурой и свойствами границ раздела кристаллитов.
Конкретное личное участие автора в получении научных результатов
Автору принадлежит формулировка цели и задач исследований,
обоснование и выбор способов их осуществления, выполнение
теоретических и экспериментальных работ, а также обобщение
полученных результатов. Автором разработаны и реализованы методики
исследования локальных характеристик сверхтонких
сегнетоэлектрических пленок. В исследованиях комплексного характера автору принадлежит формулировка целей и задач исследований, вьшоды и обобщение полученных результатов.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:
The International Conference «Micro- and nanoelectronics - 2005, 2009» (ICMNE-2005,2009).
Всероссийских межвузовских конференцих студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, 2004 -2007 гг.).
IX и X Международных научных конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». Таганрог, Дивноморское, 2004 и 2006 гг.
Международной научно-технической школе-конференции. Москва. МИРЭА. 5-9 декабря 2006 г.
II Международном форуме по нанотехнологиям. Москва, 2009 г. (доклад отмечен дипломом 1 степени).
2010 MRS Spring Meeting. San Francisco. April 5-9,2010.
Международной научно-технической конференции и молодежной школе-семинаре «Нанотехнологии-2010». Таганрог, Дивноморское, 19-24 сентября 2010 г.
Внедрение и использование результатов работы
Технология создания высокоразрешающих износоустойчивых кантилеверов с проводящими покрытиями состава WXC толщиной не более 5 нм внедрена в ЗАО «НТ-МДТ».
Технология формирования функциональных покрытий толщиной 5-50 нм внедрена в НЛП «Технология».
Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.
Результаты диссертационной работы, касающиеся разработки и использования методов контроля параметров веществ, материалов и изделий, использованы в НИР:
«Исследование процессов импульсной конденсации электроэрозионной плазмы и разработка принципов формирования и синтеза сверхтонких диэлектрических покрытий». Г.Р.№ 01200954663. Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» Проект 2.1.2.1252.
«Исследование особенностей структуры и фазовых переходов в тонких некристаллических пленках углерода при энергетических воздействиях». Г.Р.№ 01200612546. Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)». Проект 2.1.2.3890.
«Исследование физико-химических принципов формирования сверхтонких пленок пьезоэлектрических материалов состава титанат-цирконат свинца». Г.Р.№ 01200806914. Задание Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану вуза (2008-2010 годы).
Результаты диссертационных исследований использованы в учебном процессе МИЭТ при модернизации курсов лекций и лабораторного практикума по дисциплинам «Технология материалов микро, опто и наноэлектроники», «Современные методы нанотехнологии», «Основы нанотехнологии».
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 30 научных трудов, включая 5 статей, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, получен 1 патент и 1 положительное решение о выдаче патента.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех основных глав с выводами, общих выводов, списка литературы из 91 наименования и трех приложений, включающих акты внедрения и использования результатов работы. Основное содержание диссертации изложено на 146 страницах и содержит 75 рисунков и 6 таблиц.
Обзор методов получения сверхтонких сегнетоэлектрических пленок
Методы получения сегнетоэлектрических пленок непрерывно развиваются и совершенствуются [32-35]. В настоящее время наиболее часто используемыми являются следующие методы: -метод разложения металлоорганических соединений (MOD) [32,33,37], - химическое осаждение из газовой фазы (CVD) [50-53], - золь-гель процесс [58-62], - термическое испарение в вакууме, - методы распыления в газовом разряде (катодное распыление, магнетронное распыление, ВЧ реактивное распыление и др.). Крайне редко для получения тонкопленочных сегнетоэлектриков. используется молекулярно-лучевая эпитаксия [36]. Одна из модификаций метода химического осаждения из раствора была развита в конце 80-х годов и получила название метода разложения металлоорганических соединений (MOD - metal-organic decomposition). Если синтез и последующее спекание объемных перовскитных твердых растворов ЦТС происходит при температурах 800-1200С [38,39], то синтез тонких пленок ЦТС со структурой перовскита происходит при температурах 500-700С. Более низкой температуре синтеза способствуют ориентирующее действие подложки и равномерное поступление осаждаемого на подложку материала [40,41]. Получение сверхтонких пленок ЦТС при более низких температурах синтеза представляет серьезную проблему. При ВЧ магнетронном распылении образование фазы перовскита может осуществляется либо непосредственно в ходе осаждения материала распыляемой мишени на горячую подложку [42,43], либо осаждение производится на холодную подложку, а образование перовскитной фазы происходит в результате последующего отжига пленок при высокой температуре в кислородсодержащей среде [44-46]. В ходе термообработки пленки претерпевают два фазовых перехода: сначала в промежуточную пирохлорную фазу (при температуре выше 300С), и при температурах выше 500С пленки перекристаллизуются в фазу перовскита [47-49].
Для способа ВЧ магнетронного распыления характерно получение эпитаксиальных пленок, однако при этом необходим постоянный контроль за поступлением свинца на поверхность подложки из-за его высокой летучести при температурах осаждения. Известно, что уменьшение количества атомов свинца на 2 мол.% от стехиометрического состава ведет к невозможности формирования перовскитной фазы. В случае вакуумных методов осаждения, при росте пленок «in-situ», компенсация потерь свинца и сохранение их стехиометрического состава осуществляется путем добавления в распыляемую мишень до нескольких десятков молярных процентов избыточного оксида свинца [43,44].
Второй способ напыления пленок на холодные подложки позволяет осуществлять перенос всех компонентов мишени практически без потерь. В ходе последующей термообработки испарение оксида свинца с поверхности пленок ЦТС зависит от того, насколько свинец будет однородно распределен по толщине пленки и химически связан. Потери свинца при высокотемпературном отжиге, тем не менее, происходят, но они могут быть минимизированы подбором оптимального режима отжига и значительно легче поддаются контролю. Один из главных недостатков двухстадийного способа проявляется в конкуренции процессов зародышеобразования перовскитной фазы, происходящих как на границе раздела пленка-подложка, так и в объеме самой пленки. Это приводит к тому, что совершенство кристаллической структуры и физические характеристики пленок снижаются.
Группа методов, объединенных названием "лазерная абляция", представляет собой инициированный лазером массоперенос вещества мишени на подложку [40-49]. Лазерный луч (обычно используют мощные лазеры с частотой следования импульсов от 10 до 100 Гц, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул, существующих только в электронно-возбужденных состояниях) фокусируется на мишени, испаряющиеся атомы которой переносятся на подложку, где и растет пленка. В сравнении с методами магнетронного распыления эти методы открывают возможность понизить температуру подложки, что обеспечивает возможность совместимости технологии нанесения сегнетоэлектрических пленок с полупроводниковым производством и дает возможность поддерживать условия стехиометрии пленки на всей поверхности осаждения. Основные трудности связаны с напылением однородных пленок на подложки большой площади и с защитой поверхности растущей пленки от повреждений осколками распадающейся мишени.
При химическом осаждении из газовой фазы металлоорганических соединений потоки газов, содержащих все необходимые компоненты сегнетоэлектрического соединения, фокусируются на поверхности нагретой подложки и вступают в химическую реакцию, в результате которой образуется твердая пленка сегнетоэлектрика [50-53].
Смесь исходных компонентов Ті, Zr, Pb с соотношением Pb/(Zr+Ti) = 1,003 и Ti/(Zr+Ti) = 0,587 подавалась со скоростью 0.42 мл/мин в испаритель при температуре 190С. Полученные пары смешивались с потоком Не (200 см /мин) и переносились в нагретую до 570С реакционную камеру, продуваемую смесью 02:N20 с соотношением 50:50 (расход 500 см /мин при давлении в камере 1 Торр), в которую помещались кремниевые подложки, металлизированные 1г, и полученные структуры отжигались в потоке азота в течение 30 минут при 650 С. Полученная пленка ЦТС представляла собой колоннообразную структуру зерен радиусом 70 - 100 нм. В основном, зерна имели ориентацию (100). С точностью до 1 ат.% состав пленок не зависел от их толщины [54-57]. Несмотря на трудности подбора необходимых исходных металлоорганических соединений (алкилов, алкоксидов и арилов) и сложность протекающих химических реакций, это направление обладает многими преимуществами, позволяя, в частности, снизить температуру подложки ( 600С), обеспечить высокое качество покрытия на значительной площади, большие скорости роста и т.д.
В последние годы активно развивается золь-гель метод получения пленок сегнетоэлектриков [58-62], который дает наибольшие преимущества. В основе метода лежат реакции гидролиза и поликонденсации металлоорганических соединений, ведущие к образованию металл-кислородного каркаса, постепенное разветвление которого вызывает последовательные структурные изменения по схеме «раствор — золь-гель— оксид».
Эффективные упругие, пьезоэлектрические и диэлектрические характеристики нанополикристаллов
Коэффициент вторичной ионной эмиссии SA , т.е. число (положительных или отрицательных) ионов на один падающий ион, для элемента А в матрице образца дается выражением SA =УА CAS, гДе ТА -отношение числа вторичных ионов (положительных или отрицательных) элемента А к полному числу нейтральных и заряженных распыленных частиц данного элемента, а СА - атомная концентрация данного элемента в образце. Множитель S - полный коэффициент распыления материала (число атомов на один первичный ион). В него входят все частицы, покидающие поверхность, как нейтральные, так и ионы. Величины ух и S сильно зависят от состава матрицы образца поскольку отношение ух связано с электронными свойствами поверхности, a S в большой степени!определяется элементарными энергиями? связи или теплотой атомизации твердого тела. Любой теоретический способ пересчета измеренного выхода вторичных ионов в атомные концентрации должен давать абсолютное значение отношения уд или набор его приведенных значений для любой матрицы.
Вторичный ионный ток /Л (число ИОНОВ В секунду), измеряемый-в приборе ВИМС, дается выражением /д ASA P, где /А - ионный ток для моноизотопного элемента (для данного компонента многоизотопного элемента ионный токфавет/а/А .где а - содержание изотопа а в элементе А). Величина ГА - эффективность регистрации ионов данного изотопа в используемом приборе ВИМС Она равна произведению эффективности переноса ионов; через масс-анализатор . на чувствительность ионного детектора: Множитель Г)А обычно? МОЖНОЇ рассматривать как константу, не зависящую от вида элемента- или? массы- изотопа; еслш энергетические-распределения? вторичных ионов? примерно» одинаковы и имеют максимум? при нескольких электрон-вольтах, так что зависящее от массы, изменение чувствительности детектора частиц мало. Наконец; 1р полный ток первичных ионов (число ионов в секунду), падающих на образец.
Конечно; величина 1Р связана с плотностью тока первичных ионов Dp (число ионов за секунду на 1 см2) и диаметром- пучка &. (см). Если для простоты принять, что сечение пучка круглое, а плотность Dp тока постоянна в пределах сечения, то Ip=(0,257r)DPd2. Ири существующих источниках первичных ионов, используемых в приборах ВИМС, плотность тока на образец, как правило, не превышает 100 мА/см (в случае однозарядных ионов ток 1 тА соответствует потоку 6,2 1015 ион/с). Распыление ионным пучком - разрушающий процесс. Но если требуется, чтобы поверхность оставалась, практически без изменения, то анализ методом ВИМС можно проводить при очень малых скоростях распыления образца (менее 10"4 монослоя в секунду). Чтобы при этом обеспечить достаточную чувствительность метода- («10 4 монослоя), как видно из рисунка 1.12, необходим первичный ионный пучок с током 10"1 А диаметром 1 мм. При низкой плотности тока первичных ионов (10" мА/см ) скорость поступления на поверхность образца атомов или молекул остаточных газов может превысить - скорость их распыления первичным пучком. Поэтому измерения методом ВИМС в таких условиях следует проводить в сверхвысоком или чистом (криогенном) вакууме.
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - недавнее изобретение, основанное на использовании механического зонда? для, получения увеличенных изображений поверхности. Этим методом можно, получать трехмерное изображение на воздухе, в жидкости и в вакууме с разрешением вплоть до долей ангстрема. В конструкцию СЗМ входят, зонд, пьезоэлектрические1 двигатели1 для? перемещения зонда, электронная цепь обратной связи( и компьютер для управления процессом сканирования, получения и обработки изображений.(рисунок 1.13).
Главной частью- микроскопа является сенсор с высоким пространственным разрешением. Эти сенсоры обычно позволяют измерять расстояния с точностью 0,01 нм. Основными видами сенсоров являются туннельный и атомно-силовой.
Основным элементом атомно-силового сенсора является кантилевер (консоль), представляющий собой балку с малой жесткостью (10-0,01 Н/м). Кантилеверы производятся из кремния (жесткие) или нитрида кремния (мягкие). На конце V- или I-образного кантилевера закрепляется пирамидальный зонд. Для контактного режима используют мягкие V-образные кантилеверы.
Принцип действия силового сенсора основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В атомно-силовом микроскопе (АСМ) такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие иглы. При изменении силы, действующей между поверхностью и острием иглы, балка, на котором оно закреплено, отклоняется от положения равновесия, и такое отклонение регистрируется датчиком положения кантилевера. Таким образом, атомно-силовой сенсор представляет собой механический зонд, аналогичный обычному механическому профилометру, однако его чувствительность настолько высока, что позволяет регистрировать силы взаимодействия между отдельным атомами. Соотношение между силой F, воздействующей на зонд, и отклонением кантилевера х определяется законом Гука F = -кх. Возможно изготовление кантилевера с упругой константой к порядка 1 Н/м. Под действием силы взаимодействия между двумя атомами порядка 0,1 нН величина отклонения таких кантилеверов составляет порядка 0,1 нм.
Условно методы получения информации о рельефе и свойствах поверхности с помощью АСМ можно разбить на две большие группы — контактные квазистатические и бесконтактные колебательные. В контактных квазистатических методиках острие зонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью, при этом силы притяжения и отталкивания, действующие со стороны образца, уравновешиваются силой упругости консоли. При работе АСМ в таких режимах используются кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости, что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец.
Методика измерения электрофизических свойств сегнетоэлектрических пленок толщиной менее 100 нм
Микропроцессорная система управления построена на 8 битном AVR-микроконтроллере Atmega 8535 фирмы ATMEL. Данный микроконтроллер является недорогим, но в то же время гибким и мощным инструментом для построения подобных приборов. Наличие 4 параллельных портов ввода/вывода позволяет легко стыковать микроконтроллер со всеми периферийными устройствами. Для отображения текущего состояния прибора, контроллером обслуживается 2-х строчный, 16-ти символьный жидкокристаллический индикатор. На котором в рабочем режиме отображается время с начала запуска в работу, заданная и текущая температура. Для управления служит 6-ти кнопочная клавиатура, при помощи которой устанавливается необходимый режим работы и задается стабилизируемая температура. Так же микропроцессор ведет измерение температуры в рабочей зоне системы. Применение современной элементной базы позволяет с высокой точностью измерять температуру рабочей зоны. В качестве датчика применена термопара К-типа. Микропроцессор ведет управление источником питания нагревательного элемента.
Система управления ячейки имеет связь с персональным компьютером (ПК). Наличие связи с ПК позволяет пользователю не только наблюдать за, температурой, но и управлять ей.
Питание всей системы осуществляется от встроенного импульсного источника постоянного тока мощностью 200 Вт. Он обеспечивает питание как нагревательного элемента, так и питание системы управления стабилизированным напряжением +5 В. Нагреватель потребляет значительный ток, его пиковые значения могут достигать 6А. Применение импульсного источника питания позволило значительно снизить массогабаритные показатели системы в целом и обеспечить его легкое сопряжение с микропроцессорной системой управления.
Разъемы задней панели по адресации контактов приведены в таблице 3.2. Разъем DB15 - подключение нагревателя и измерителя температуры. Таким образом, разработанный микропроцессорный регулятор температуры в составе измерительного комплекса, позволяет проводить температурные измерения с непрерывным контролем температуры во времени, выводом всех данных в оцифрованном виде на компьютер, позволяет стабилизировать температуру измерений, что является очень важным для проведения температурных измерений сверхтонких сегнетоэлектрических пленок. Для исследования пьезоэлектрических параметров были выбраны тестовые структуры РЬТі0)522го,480з с толщиной менее 100 нм. Отработка приемов и условий измерений осуществлялась на эталонных конденсаторных структурах, включающих пленки состава РЬТіо го Оз (золь-гель метод) толщиной 100 нм с известными свойствами, а также на экспериментальных образцах (толщина 90 нм) предположительно того же состава, полученных по технологии низкотемпературной окислительной диффузии оксида свинца в пленку сплава титан-цирконий с соотношением компонентов 52:48. Пьезоэлектрические свойства тестовых структур, исследовались с использованием лабораторного стенда. Для измерений тестовая структура закреплялась на нагревательном столике при помощи держателя, который позволяет перемещаться в 2-х координатных плоскостях, тонкой золотой проволокой осуществлялся контакт с верхними электродами. Нижний электрод пленки контактировал с неподвижной 2-ой проволокой. Для проведения исследований, при различных температурах использовался разработанный микропроцессорный регулятор температуры, описанный выше. При измерении электрофизических свойств сверхтонких пленок ЦТС частота синусоидального сигнала изменялась от 0,2 Гц до 1 МГц, а амплитуда напряжения - от 2 В до 60 В. Измерения петель гистерезиса проводилось в зависимости от приложенного напряжения (рисунок 3.4) и частоты синусоидального сигнала 50 и 100 Гц для пленок толщиной менее 100 нм (рисунок 3.5). По проведенным оценкам, величина коэрцитивного; поля; для пленок PbTio,52Zr0;4803 толщиной 90 нм близка к 20 кВ/см. Существенных различий по свойствам пленок РЬТі0,522г0,48Оз на подложках сапфира и кремния не выявлено: Следует отметить, что аналогичные свойства и формьи петель гистерезиса? для пленок PbTio,52Zro,483 были получены и на подложках кремния без нижнего электрода: в качестве последнего использовались проводящие свойства кремниевой пластины КЭФ-4,5 ориентации (100). Диэлектрические параметры пленок толщиной ниже . 100 нм существенно различаются. Петли диэлектрического гистерезиса для пленок толщиной более 100 нм, как правило, симметричны, (рисунок 3.56); в экспериментальных пленках толщиной 90 нм, по нашему мнению, нарушена стехиометрия состава, они сдвинуты в сторону отрицательных напряжений. Как следствие, наблюдается сильная асимметрия по оси ординат; величина остаточной поляризации (+Рг+-Рг)/2 заметно меньше, чем у образцов с толщиной 100 нм (рисунок 3;5а). Аналогичное смещение в область отрицательных напряжений наблюдается и при измерении вольт-емкостных (C-V) характеристик, пьезоэлектрических петель гистерезиса (рисунок 3.6).
Изготовление тестовых структур на основе сверхтонких пленок сегнетоэлектриков
Для исследования диффузионных процессов в пленках титана-циркония отжигу были подвергнуты двухслойные структуры Zr/Ti и восьмислойные структуры с чередованием- слоев Zr и Ті, нанесенные на кремниевую подложку. Суммарная толщина покрытия.для-двух типов структур составила. 60 нм при равной,толщине слоев титана,и циркония. Далее было проведено термические окисление на воздухе в замкнутом объеме в присутствии порошкообразного, оксида свинца при 673... 873 1С в течение«Ь часа. Пленки металловокислились. полностью с образованием качественного диэлектрика, что было подтверждено измерением, удельного сопротивления полученной. пленки. С целью выяснения» состава пленок и профилей1 распределения компонентов, был проведен анализ распределения элементов» по глубине методом ВИМС («GAMECA» IMS4F НИИФП). Для получения более объективной информации» поверхность образцов была покрыта пленкой алюминия- толщиной 30 нм. Типичные результаты исследований для двухслойной структуры Zr/Ti представлены на рисунке 3.14а и для восьмислойной структуры Zr/Ti на рисунке 3.146. Профиль распределения элементов структуры Zr/Ti/Si определялся также на , электронном сканирующем Ожэ-спектрометре РШ-660 фирмы «Perkin Elmer». Результаты представлены на рисунке 3.15. Не смотря на высокую скорость диффузии оксида свинца в окисляемую пленку металла, не наблюдалось перемешивания слоев титана и циркония. Обращает на себя внимание тот факт, что Оже-спектрометрией не идентифицируется присутствие свинца в пленке. Это обусловлено особенностью травления покрытия в процессе исследования профиля. Ионная бомбардировка обедняет поверхность легколетучим свинцом, что и регистрируется как его отсутствие, хотя образцы обрабатывались совместно и свинец присутствует в пленке.
Определение количественных соотношений титана, циркония и кислорода по данным Оже-спектрометрии подтверждает стехиометричность формируемых оксидов и их диэлектрический характер. Предварительное окисление как многослойных покрытий Zr/Ti, так и пленок сплава Tis2Zr48 показало, что профиль распределения свинца в покрытии после повторного отжига принципиально не отличается от вышеописанного.
На основе методов анализа состава и структуры (ЖЕ, ВИМЄ) сверхтонких, сегнетоэлектрических пленок, можно сделать выводш процессах протекающих в пленках, что позволяет проводить, корректировку синтеза данных пленок; ис получать образцы с максимальної эффективными? параметрами; Но данные методы не находят; широкого применения, для проведения экспресс анализа полученных структур;, из-заі длительности проведения, экспериментов;, больших-трудозатрат. Г. Разработан стенд для измерения электрофизических- и температурозависимых свойств диэлектрических пленок толщиной менее. 100 нм на базе персонального компьютера со встроенной платой двухканального осциллографа, генератором импульсов v произвольной; формы и нагревательного элемента с микропроцессорным регулятором температуры. 2: С использованием макета стенда- проведены измерения диэлектрических и пьезоэлектрических свойств пленок состава РЬТіо,522го 480з- Проведена оценка пьезоэлектрических величин для пленок состава PbTib,52Zr0)483 толщиной менее 100 нм. Для пленок толщиной 1 ОО нм; величина- є при частоте. 1 МЕц составила величину от 700-1000, толщиной 90 нм величина составила величину от 500-900: 3. Проведены измерения температурозависимых свойств диэлектрических пленок толщиной менее 100 нм. Построены температурные зависимости приведенной емкости от температуры, диэлектрический проницаемости от температуры от частоты синусоидального сигнала в пределах от 0,1 до 100 кГц. Из построенных зависимостей определена величина температуры Кюри, которая для тестовых структур составила величину 312±5 С. 4. Определено, что сверхтонкие сегнетоэлектрические пленки толщиной менее 100 нм оптически прозрачны, имеют нанокристаллическую структуру. Коэффициент преломления пленки составляет 2,01. Эти данные соответствуют результатам измерений массивных образцов прозрачной лантановой керамики, полученной методом горячего прессования, а также тонких пленок (от 0,5 мкм до 2 мкм), полученных химическим осаждением или по золь-гель технологии. Высокочастотная диэлектрическая проницаемость, полученных пленок близка к 4. 5. Показано что оксид свинца диффундирует как многослойную структуру Zr/Ti, так и в сплав T Zfyg при термообработке в замкнутом кислородосодержащем объеме при температуре от 673К, а профиль распределения близок к линейному, причем при термообработке до 873К не происходит диффузионного перемешивания слоев Zr и Ті; для получения твердых растворов титанатов-цирконатов необходимо использовать сплавные мишени требуемого состава Zri при нанесении сверхтонких пленок.
