Введение к работе
Актуальность темы
Интеграция сложных оксидов на кремнии открывает возможности для развития кремниевой технологии с новыми электронными и фотонными свойствами. Интеграция сложного оптического функционала с высокой производительностью в тонких плёнках является сложной задачей и требует развития новых технологий производства. Есть потребность в развитии методик, с помощью которых можно получать активные элементы микро- и оптоэлектроники, которые позволят минимизировать дополнительные этапы обработки, такие как травление, проявка резиста и т.п.
Локальный лазерный отжиг импульсами фемтосекундной длительности
является подходящим методом создания различных структур на одной
подложке с минимальным тепловым воздействием на соседние структуры и на
подложку в целом. Основным преимуществом использования
фемтосекундного лазера является нелинейный характер мульти-фотонного поглощения [1], благодаря чему возможно получение наноструктур с размерами порядка ста нанометров [2]. К настоящему времени показана возможность с помощью лазерного отжига создания волоконного лазера [3], оптического волноводного делителя [4]. С помощью автоматизированных механических платформ, двигающих образец во время отжига, возможно получение структуры со сложной 3D геометрией [5]. С помощью лазерного воздействия можно получить структуры различных форм [6], а также получить множество идентичных структур одновременно [7]. Для активных оптических элементов, таких как оптические конверторы частот, необходимы материалы, обладающие нелинейно-оптическими свойствами. Поэтому нелинейно-оптическая диагностика является одной из ключевых методик подобных исследований [8].
Нелинейно-оптическая диагностика также может использоваться для определения изменений кристаллографической структуры (фазовые переходы
с появлением или исчезновением нецентросимметричной фазы) как непосредственно во время фазового перехода (in-situ метод), так и после него (ex-situ метод).
Метод получения локальных областей сегнетоэлектрика с помощью локального лазерного отжига достаточно прост и дёшев, по сравнению, например, с методом термохимической нанолитографии.
Сегнетоэлектрики используются в микро- и оптоэлектронике в качестве активных элементов, то есть элементов, свойства которых (электрические и оптические) могут изменяться (управляться) внешним воздействием. К таким элементам относятся элементы памяти, МЭМС, оптические конверторы частот, электрооптические модуляторы, сенсоры, волноводные устройства.
Одной из современных тенденций в электронике является интеграция сложных мультифункциональных устройств на одной подложке, но недостатком популярного метода получения плёнок сегнетоэлектрика (молекулярно-лучевая эпитаксия, золь-гель осаждение из газовой фазы) является сильный нагрев всей структуры в целом (обычно более 900 К [9]), что делает невозможным его использование в случаях, когда на одной подложке интегрированы микроструктуры, чувствительные к нагреву.
Цель работы – разработка физических основ метода создания
сегнетоэлектрических микроструктур различной геометрии при помощи
фемтосекундного лазера из перкурсорного несегнетоэлектрического
материала.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Исследование условий кристаллизации в перовскитную фазу аморфной плёнки прекурсора сегнетоэлектрика лазерным импульсом, в частности, влияния следующих параметров: времени воздействия, плотности мощности лазерного импульса, режимов отжига (одностадийный, двухстадийный), толщины плёнки.
-
Получение локальных сегнетоэлектрических микроструктур, в том числе микроволноводов в планарной структуре и определение их характеристик.
-
Расчёт численными методами физических характеристик (3D распределения температуры и термических напряжений) структуры PZT/Pt/SiO2/Si, подвергшейся воздействию лазерного излучения.
-
Построение теоретической аналитической модели процесса лазерного отжига с учётом термических напряжений.
Личный вклад автора
Отжиг сегнетоэлектрических структур, поиск оптимальных параметров их получения, ex-situ и in-situ нелинейно-оптическая диагностика, настройка экспериментальной установки, обработка результатов измерений были получены лично автором.
Численное моделирование в программном пакете COMSOL Multiphysics было проведено лично автором.
Пьезо-силовые измерения были проведены в лаборатории
национального исследовательского технологического университета
«МИСиС» при участии соискателя.
Теоретический расчёт был основан на модели В.И. Емельянова и получен соискателем под руководством В.И. Емельянова и научного руководителя Е.Д. Мишиной.
Исследования полученных автором сегнетоэлектрических структур с помощью просвечивающей электронной микроскопии выполнены при участии соискателя в Институте кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН.
Апробация работы
Результаты работы прошли апробацию на следующих международных
конференциях: Международная научно-практическая конференция
«Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения»
(INTERMATIC), 2014, 2017, Россия; Всероссийская выставка научно-технического творчества молодёжи (НТТМ) 2014, Россия; Международная конференция «Европейский симпозиум по сегнетоэлектрикам» (EMF) 2015, Португалия; Международная конференция по физике материалов и физике конденсированного состояния (MSCMP) 2014, 2016, 2018, Молдова; Научно-техническая конференция МИРЭА 2014, 2015, 2016, Россия; Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» 2015, 2017, Россия; Международная молодежная конференция (ФизикА.СПб), 2014, Россия; Международный симпозиум «Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий» (FLAMN) 2016, Россия; Всероссийская конференция по сегнетоэлектрикам, (ВКС) 2017, Россия.
Защищаемые положения
1. Двухстадийная методика лазерного отжига с этапом быстрого
мощного нагрева (0,1 с, 1 МВт/см2) и последующим дополнительным этапом
медленного умеренного нагрева (1 минута, 100 КВт/см2), позволяющая
снизить термическое воздействие и увеличить нелинейно-оптический отклик
микроструктур на два порядка с сохранением гауссовой формы распределения
интенсивности второй гармоники, свидетельствующей о недеструктивном
воздействии (без образования дефектного центра) и образовании
кристаллической области осесимметричной формы; при этом одностадиный
отжиг, а также использование неоптимальных параметров приводит к
неоднородному распределению сегнетоэлектрической фазы в области отжига.
-
Экспериментальная демонстрация инициирования кристаллизации на поверхности плёнки PZT несмотря на то, что источник локального нагрева находится на интерфейсе PZT/Pt. Кристаллизованные области имеют формы полусфер с центром на поверхности плёнки, их радиус растёт с ростом длительности лазерного воздействия.
-
Численное моделирование, показавшее:
а) требуемые плотности мощности лазера для достижения необходимой температуры существенно зависят от толщины оксидного слоя. Для оксида
толщиной 10, 100, 500 нм необходимая плотность мощности составляла соответственно 5, 2.35 и 1.45 МВт/см2
б) эти мощности приводят к нагреву пленки до максимальной
температуры 900 К, что обеспечивает переход в сегнетоэлектрическую фазу;
в) в плёнке прекурсора (в плоскости плёнки) на расстоянии 1 мкм от
центра кристаллизации температура спадает до 600 К, а в подложке
непосредственно под местом нагрева температура составляет от 350 К при
слое оксида толщиной 500 нм, до 640 К при толщине оксида 10 нм, чем
обеспечивается существенное уменьшение температуры нагрева кристалла по
сравнению со стандартным отжигом;
г) в плёнке PZT присутствуют термо-индуцированные механические
напряжения, которые максимальны на интерфейсе PZT/Pt.
д) импульсным характером нагрева можно пренебречь;
4. Теоретическое обоснование инициирования кристаллизации на
поверхности плёнки PZT с использованием модели взрывной кристаллизации
из твёрдой фазы с учётом термически индуцированных напряжений на
интерфейсе PZT/Pt. Критические температуры кристаллизации на
поверхности PZT и на интерфейсе PZT/Pt составляют соответственно 843 К и
1024 К, что объясняет несовпадение места инициации кристаллизации с
источником нагрева. Модель позволяет предсказать радиус
кристаллизованной области в зависимости от условий отжига.
5. Экспериментальный волновод в планарной структуре PZT,
полученный с помощью фемтосекундного лазерного отжига. Наблюдаемое
расстояние передачи оптического сигнала составило до 10 мкм.
Рекомендуемые параметры получения: скорость сканирования 1 – 10 мкм/с,
плотность мощности излучения 1 МВт/см2. Оценка максимально возможных
потерь составила 1dB/10 мкм.
Научная новизна
Впервые получены новые режимы лазерно-индуцированной
кристаллизации, которые позволяют получать качественные
сегнетоэлектрические микро- и наноструктуры в тонких плёнках с воспроизводимыми нелинейно-оптическими характеристиками.
Впервые экспериментально обнаружено, что место инициации кристаллизации при облучении тонкой пленки прекурсора сегнетоэлектрика лазерным излучением с длиной волны 800 нм находится не в области максимального нагрева, а на поверхности пленки.
Предложена новая модифицированная аналитическая модель процесса
локальной лазерной кристаллизации с учётом влияния термически
индуцированных механических напряжений в плёнке PZT, которая
подтверждена также численным моделированием термических и
механических процессов, которые подтверждают наличие сильных механических напряжений в пленке.
Впервые получен оптический микроволновод в тонкой пленке цирконата-титаната свинца методом лазерного отжига фемтосекундным лазером и произведена оценка его характеристик.
Новизна работы в целом состоит в разработке альтернативной методики получения локальных сегнетоэлектрических областей в тонких плёнках, а также в развитии и применении теоретической модели для описания экспериментальных результатов.
Практическая значимость защищаемых положений и других результатов работы может быть сформулирована следующим образом:
Развита методика локального получения сегнетоэлектрических структур в тонких плёнках с помощью лазерного нагрева с минимальным термическим воздействием на окружающие области и подложку.
Предложена двухстадийная методика лазерного нагрева, которая позволяет уменьшить термическое воздействие на плёнку и увеличить нелинейно-оптические свойства микроструктур.
Получены образцы волноводов в планарной структуре, по которым можно передавать свет. Показаны оптимальные условия для их получения.
Предложена теоретическая модель, которая объясняет
экспериментально обнаруженный характер кристаллизации, а также позволяет рассчитать свойства структур в зависимости от условий их получения.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 статьях (7 ВАК) в рецензируемых отечественных и международных научных журналах. Получен один патент на полезную модель и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 189 библиографических ссылок. Общий объём диссертации составляет 134 страницы. Работа содержит 55 рисунков.