WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Плазменная обработка анодных пленок ОПМ проводилась в планарном реакторе емкостного типа с проточной схемой напуска газа. Стеклянный цилиндр с внутренним диаметром D = 5 см и высотой L = 2 см фиксировал разрядный объем между плоскими алюминиевыми электродами, разделенными тем же расстоянием L. Использовался плоский симметричный разряд в аргоне на частоте 13.56 МГц при рабочем давление газа в камере – 10-2 Тор. Мощность ВЧ разряда варьировалась в диапазоне 10 – 150 Вт. Образец помещался на нагруженный электрод, время обработки – 1 или 5 минут.

Величина ионной дозы Dи (ион/см2) рассчитывалась по известной формуле:

,

где J – плотность ионного тока на поверхности мишени (А/см2), t – время облучения (с), e – заряд электрона (Кл), z – кратность заряда иона.

Для лазерной модификации аморфных пленок использовался KrF эксимерный лазер (COMPEX-102), имеющий следующие характеристики: – 248 нм, длительность импульса 20 нс, площадь пятна: 8·24 мм. Энергии варьировались от 100 мДж/импульс до 200 мДж/импульс. Экспозиция производилась в одно- или двух импульсном режиме. Для электронно-лучевого экспонирования использовался электронный сканирующий микроскоп «Zeiss DSM – 942» с техническими характеристиками, позволяющими варьировать ускоряющие напряжения от 10 до 50 кВ, электронные токи от 10 до 5000 пА.

Эксперименты по ИЛТ в аргоне были выполнены с помощью стандартного ионного источника типа Кауфмана (Veeco Microetch) с давлением аргона в разрядной камере 10-4 Тор. Давление остаточных газов в рабочей камере составляло 2·10-6 Тор. Для эффективного охлаждения образцы с помощью теплопроводной пасты соединялись с водоохлаждаемым держателем, который вращался в течение всего процесса, обеспечивая однородность травления. Глубина травления измерялась с помощью профилометра (Tencor P10).

Исследования свойств и структуры ОПМ проводили методами оптической и электроннолучевой спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и электрофизических измерений.

Глава 3 содержит результаты исследований модификации физических и химических свойств оксидов переходных металлов при плазменном, лазерном и электронно-лучевом воздействиях.

Для изучения модификации свойств ОПМ под действием плазмы (Ar) высокочастотного разряда использовались анодные пленки оксидов Ta, Nb и V.

Структурные исследования модифицированных оксидов показали, что с ростом мощности разряда (ионной дозы) наблюдается кристаллизация исходно аморфных пленок. На дифрактограмме модифицированного оксида ванадия, на фоне диффузного пика, соответствующего аморфной фазе, появляются линии поликристаллического V2O5: (001) – =20.280, (101) – =21.680, (400) – =30.960.

Проведенные электронно-микроскопические исследования поверхности Nb2O5 и Ta2O5 пленок после плазменной обработки так же обнаруживают кристаллообразование, но требуется бльшая, по сравнению с V2O5, мощность разряда (ионная доза) для иницирования процесса кристаллизации.

Теоретический расчет показал, что при ИПО с мощностью разряда выше порогового (20 Вт, 40 Вт, 60 Вт для V2O5, Nb2O5, Ta2O5, соответственно) происходить существенный нагрев образцов и температура превышает температуру кристаллизации для каждого из соответствующих оксидов [2].

Таким образом, механизм модификации структуры АОП исследуемых металлов при ИПО связан с процессом термостимулированной кристаллизации изначально аморфных пленок.

В результате ИПО АОП наблюдалась существенная модификация их оптических свойств, представленная на рисунке 1. Существенной модификации при ИПО анодного оксида ванадия подвергается спектральная область в интервале 3 эВ < h < 5 эВ. Последовательное увеличение мощности разряда (ионной дозы) приводит к увеличению пропускания в коротковолновой области и уменьшению интенсивности пиков поглощения в этой области.

Из работ [4, 5] следует, что положения пиков на рисунке 1 при ~ 3.5 эВ и ~5 эВ обусловлены 2pO3 3dV и 2pO1,2 3dV (O1 – ванадиевый кислород, O2 – мостиковый кислород, O3 – оставшиеся атомы кислорода в октаэдре) электронными переходами, соответственно. Причем их интенсивность [6] определяется вкладом от наиболее удаленных от ванадия атомов кислорода. Расчет электронной структуры кислородного кластера, выполненное в [6], показало, что ослабление влияния удаленных атомов кислорода на ванадий в октаэдре ведет к снижению силы осцилляторов (уменьшение оптической плотности) в рассматриваемой спектральной области.

Наблюдаемое в эксперименте сглаживание указанных пиков обусловлено уменьшением гибридизации pd – связи, образованной p-электронами ванадиевого кислорода и d-электронами ванадия, что ведет к размытию плотности состояний в зоне проводимости (уменьшение величины расщепления ).

Рисунок 1 – Спектральная зависимость оптической плотности исходной V2O5 пенки и после плазменной обработки в ВЧ разряде различной мощности:1 – исходная пленка, 2 – 10 Вт (Dи = 3.31·1014 ион/см2), 3 – 20 Вт (Dи = 5.025·1014 ион/см2). На вставке та же зависимость для Nb2O5 пленки: 1 – исходная пленка, 2 – 20 Вт (Dи = 5.025·1014 ион/см2), 3 – 40 Вт (Dи = 7.63·1014 ион/см2).

Таким образом, внедрение ионов аргона в матрицу оксида при ИПО ведет к уменьшению оптической плотности (поглощения) выше оптического края и размытию плотности состояний в зоне проводимости.

Процесс модификации оптических свойств оксидов ниобия (см. вставку к рис. 1) и тантала при ИПО качественно подобен модификации оптических свойств оксида ванадия.

В результате плазменного воздействия изменяется электрическая проводимость исследуемых АОП. С ростом мощности разряда и ионной дозы в области средних полей ВАХ АОП наблюдается увеличение проводимости (участок с омической ВАХ не меняется). Здесь протекание тока может быть объяснено прыжковым механизмом проводимости
с переменой длиной прыжка.

Согласно [7], полевая зависимость прыжковой проводимости выражается в общем виде как:

,

где, e – абсолютная величина элементарного заряда, rh – средняя длина прыжка, С – численный коэффициент порядка единицы.

Аппроксимация экспериментальных кривых неомической части ВАХ представленным выше выражением показала, что средняя длина прыжка rh практически не изменяется (=const). Тогда зафиксированный в эксперименте рост (E) при ИПО обусловлен изменением предэкспоненциального множителя прыжковой проводимости 0М.

Как известно [8], в аморфных полупроводниках локализованные состояния вблизи уровня Ферми, связаны с мелкомасштабными структурными дефектами. По этой причине асимптотика их волновых функций, имеет вид, характерный для короткодействующих потенциалов. В этом случае для аморфного полупроводника предэкспоненциальный множитель обратно пропорционален величине характеристической температуры T0 [8]:

,

где ij=|i–j| – разность энергий локализованных состояний. С учетом того, что средняя длина прыжка rh не меняется, уменьшение величины предэкспоненциального множителя 0М прыжковой проводимости обусловлено снижением ij.

Таким образом, из выше сказанного можно заключить, что плазменная обработка оксидов ведет к перераспределению по энергиям локализованных состояний, при котором они концентрируются в основном вблизи квазиуровня Ферми (с меньшим разбросом по энергии), что ведет к увеличению проводимости.

Далее представлены результаты модификации свойств и структуры тонких пленок аморфного пентаоксида ванадия, полученного методом импульсного лазерного испарения, в результате взаимодействия с лазерным ультрафиолетовым излучением высокой интенсивности.

Сразу после экспозиции поверхность пленки темнела, изменяя цвет с желтого на темно коричневый. Величина собственного края поглощения материала остается постоянной в процессе модификации и составляет ~ 2.6 эВ. Следовательно, стехиометрия исследуемого оксида близка к V2O5, величина оптического края собственного поглощения которого лежит в области энергий 2.2 - 2.5 эВ. Исследования поверхности пленки методами электронной и атомно-силовой спектроскопии показали, что после модификации (один импульс с энергией 150 мДж) морфология поверхности пленки изменяется (среднеквадратичная шероховатость поверхности после лазерного импульса увеличивается).

Проведенный анализ структуры тонких пленок оксида ванадия показал, что до и после ультрафиолетовой лазерной обработки, исследуемые V2O5 пленки аморфны, восстановление оксида не происходит. Облучение исходной пленки пентаоксида ванадия ведет к уменьшению размеров областей упорядоченного расположения атомов с 2.4 нм до 1.2 нм. Минимальной структурной единицей аморфных оксидных пленок является сильно искаженный кислородный октаэдр. Рассчитанные значения радиусов первых трех координационных V – O сфер и число атомов на них позволил заключить, что характер искажения октаэдров в исходной и модифицированной пленке различен и отличается от такового для кристаллической фазы. Следовательно, при облучении происходит изменение топологической разупорядоченности и нарушение координации атомов металла и кислорода в структуре оксида. Кроме того, наблюдается дефицит по кислороду в первом координационном многограннике (тетрагональной пирамиде), т.е. небольшая часть пирамид в исследуемых пленках пентаоксида ванадия не достроена (оксид нестехиометричный).

Далее рассматривается механизм трансформации свойств пленок аморфного пентаоксида ванадия, полученного вакуумным методом, под действием лазерного ультрафиолетового излучения высокой интенсивности.

Лазерная модификация индуцирует рост физической стойкости (уменьшение скорости распыления) материала в процессах ионно-лучевого травления. Процесс физического распыления материалов характеризуется коэффициентом распыления (КР), который определяется как число атомов, выбиваемых из материала мишени одним падающим ионом.

Согласно теории физического распыления аморфных и поликристаллических материалов [9], разработанной Зигмундом, если энергия падающих под прямым углом к поверхности ионов Еи меньше некоторой величины E*, КР выражается формулой:

,

где – безразмерный параметр, зависящий от ma/mи, Есуб – энергия сублимации материала мишени. В области энергий Еи > Е*:

,

где величина представляет собой ядерное тормозное сечение ионов.

Как видно из представленных выше выражений, КР обратно пропорционален энергии сублимации Есуб материала мишени. При сублимации происходит удалении атомов с поверхности, где действует только половина связей [9]. Следовательно, чтобы удалить атом из объема материала, необходима энергия 2Eсуб. При столкновении с ионом атом не только выбивается из занимаемого им положения, но и внедряется в решетку, смещая другие атомы. Для осуществления такого процесса необходима энергия не менее 4Eсуб.

Таким образом, уменьшение скорости травления, а, следовательно, и коэффициента распыления пентаоксида ванадия вследствие лазерной обработки можно объяснить увеличением энергии сублимации распыляемого материала.

С другой стороны, рентгеноструктурный анализ пленок выявил лазерно-индуцированную модификацию атомной структуры V2O5, т.е. наблюдаются изменения топологической разупорядоченности (разупорядоченность ближнего порядка) и нарушения координации атомов металла и кислорода. Подобные трансформации структуры ближнего порядка допускают локальные флуктуации углов и, возможно, длин связи V–О–V, двугранных углов кислородных полиэдров и взаимных расположений последних в сетке оксида. Энергия связи V–О зависит от величины угла V–О–V в кислородном полиэдре [10]. Следовательно, лазерное воздействие индуцирует такое структурное состояние вещества, в котором энергия связи атомов материала увеличится (увеличится энергия сублимации). Что подтверждается в экспериментах по физическому травлению V2O5.

Таким образом, механизм лазерно-индуцированного роста стабильности V2O5 к ионно-лучевым воздействиям заключается в изменении топологической разупорядоченности и нарушении координации атомов металла и кислорода с образованием нового (по сравнению с исходным) структурного состояния вещества, в котором материал обладает большей энергией сублимации.

Далее представлены результаты исследований поведения тонких пленок исследуемого пентаоксида ванадия в процессах ионно-лучевого травления.

После воздействия лазерного излучения высокой интенсивности на аморфные V2O5 пленки происходит изменение их физико-химических свойств, заключающееся, в частности, в росте плазменной и химической стабильности, что делает его перспективным материалом для применения в микроэлектронике в качестве неорганического резиста, аналогичного резисту на основе анодных оксидных пленок ванадия.

Следует отметить, что главное преимущество оксидно-ванадиевого резиста, полученного с использованием вакуумных методов нанесения (например, термовакуумное распыление, метод лазерной абляции и др.) – это отсутствие в резисте подслоя металлического ванадия и его низших кислородных соединений. Таким образом, рассматриваемое соединение представляет собой однослойный материал, не требующий применения многоступенчатой процедуры проявления.

На рисунке 2 представлена скорость травления для модифицированного (доза ~ 150 мДж/см2) и исходного оксидов как функция энергии ионного луча (300 – 700 эВ). Как видно, экспонированные области оксида травятся медленнее. Среднее значение селективности ИЛТ составляет 2.8±0.4. В табл. 1 приведены значения скоростей ИЛТ различных материалов в аргоне [11], пересчитанные к плотности мощности ионного тока w = 0.5 Вт/см2 при вертикальном падении ионов и давлении паров воды и кислорода в камере менее 10-4 Па.

Рисунок 2 – Зависимость скоростей ИЛТ модифицированного и немодифицированного оксида ванадия от энергии бомбардирующих ионов Ar. Средняя величина селективности ИЛТ – 2.8±0.4.

Из таблицы видно, что скорость травления для экспонированного оксида в 3 – 4 раза меньше скорости травления большинства материалов, применяемых в микроэлектронной промышленности. Особенно высокая селективность проявляется по отношению к A3B3 полупроводникам, типа GaAs, InAs, InSb, имеющих много потенциальных приложений в оптоэлектронных устройствах.

Теоретические исследования процессов теплопередачи и теплоотвода показывают, что при импульсах с энергией более 50 мДж/см2, температура поверхности оксида превышает температуру плавления. В таких условиях существенное изменение морфологии поверхности пленки можно объяснить с точки зрения процесса вытеснения расплава вследствие влияния мелкомасштабных неоднородностей давления паров испарившегося материала на поверхность. Кроме того, возможно испарение вещества с поверхности пленки и переосаждение его в другие области поверхности оксида.

Таблица 1. Скорости ИЛТ различных материалов в аргоне, пересчитанные к плотности мощности ионного тока w = 0.5 Вт/cм2.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»