Дослідження фізико-технологічних процесів імпульсного лазерного напилення та модифікації властивостей тонких плівок багатокомпонентних металооксидів та телуридів кадмію-ртуті - Автореферат

Прогрес мікро-та оптоелектроніки, де в даний час тонкі плівки складають основу більшості мікроелектронних пристроїв, підвищення якості виготовлення електронних приладів вимагають випереджаючого розвитку фізичних досліджень в галузі фізики конденсованого стану, зокрема фізики тонких плівок та нових технологічних процесів. Кількість робіт з лазерного напилення плівок оксидних люмінофорів є досить обмеженою і стосується в основному вивчення процесів випаровування та конденсації в динамічному вакуумі без можливості суттєвого впливу, як на енергетичний стан паро-плазмового факелу, так і на стехіометрію плівок. Мета дисертаційної роботи полягала у розробці фізико-технологічних основ імпульсного лазерного осадження та модифікації властивостей тонких плівок ряду люмінесцентних оксидних матеріалів, високотемпературних над провідникових металооксидів Y-Ba-Cu-O та телуриду кадмію-ртуті, включаючи вивчення кінетики та встановлення механізмів імпульсного лазерного випаровування та конденсації парів вищезгаданих сполук на підкладці в квазізамкнутому реакційному просторі, а також дослідження кристалічної будови, основних світлотехнічних та електрофізичних характеристик отриманих структур. Уперше, з метою оптимізації термодинамічних умов імпульсного лазерного осадження тонких плівок багатокомпонентних металооксидів у квазізамкнутому реакційному просторі, розроблено та обгрунтовано метод керування енергетичним і зарядовим станом лазерної плазми оксидних сполук шляхом накладання зовнішнього магнітного поля в проміжку “мішень-підкладка”. Запропоновано методику осадження буферних шарів ZRO2 на Si-підкладках та формування плівок YBA2Cu3O7-х з лазерної ерозійної плазми в єдиному технологічному циклі, що забезпечило умову кристалізації надпровідної фази та насичення плівок киснем, не допускаючи при цьому взаємодифузію компонент в структуру “плівка - буферний шар - підкладка”.У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи; сформульовано мету та завдання досліджень; висвітлено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів;Проведено огляд та проаналізовано фізичні основи й технологічні процеси імпульсної лазерної термопроменевої обробки плівок, особливу увагу приділено питанням управління структурою, концентраційним і фазовим складом плівок за допомогою лазерного випромінювання. Процес переносу речовини мішені, випаруваної лазерним променем та сформованої у ППФ (8), на підкладку (15) здійснювався при звичайній конфігурації (взаємно паралельне розміщення поверхні мішені та підкладки на вісі ППФ). Наведено методику препарування мішеней для випаровування та методику приготування підкладок для осадження плівок, методику формування контактних площадок на отриманих плівках для проведення наступних вимірів їх електрофізичних характеристик.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Котлярчук Б.К., Попович Д.И., Савчук В.К., Флис А.А., Флис В.С. Лазерная эпитаксиальная кристаллизация и отжиг тонких слоев ВТСП // Изв. АН СССР. Сер.физич. - 1991. - Т. 55, № 7. - С. 1365-1368.

2. Котлярчук Б.К., Попович Д.І., Савицький В.Г., Савчук В.К. Особливості випаровування і конденсації халькогенідів ртуті з лазерної ерозійної плазми // УФЖ. - 1995. - Т. 40, № 9. - С. 991-994.

3. Котлярчук Б.К., Попович Д.И., Савицкий В.Г., Савчук В.К. Рост, структура и свойства тонких слоев теллуридов кадмия-ртути, полученных методом импульсного лазерного напыления // Неорг. материалы. - 1996. - Т. 32, № 8. - С. 945-948.

4. Kotlyarchuk B., Popovych D., Savchuk V., Savitsky V. Investigation of Vaporization and Condensation Processes of Thin Layers of CDHGTE from Laser Erosion Plasma in Hg Atmosphere // Applied Surface Science. - 1996. - V. 96-98.- P. 192-194.

5. Kotlyarchuk B., Popovych D., Savchuk V., Savitsky V. Spectral Diagnostics of Laser Erosion

Plasma of Mercury Chalcogenides Target // Proceedings SPIE. - 1995. - V. 2648. - P. 98-101.

6. Заявка № 99105439 на видачу патенту України на винахід “Спосіб одержання епітаксій них плівок високотемпературних надпровідних металооксидів” / Котлярчук Б.К., Попович Д.І., Савчук В.К. (Україна); ІППММ НАНУ. Заявл. 05.10.99.

7. Котлярчук Б.К., Пан В.М., Попович Д.І., Савчук В.К., Фліс А.О., Фліс В.С. Формування тонких шарів Y-Ba-Cu-O на кремнієвій підкладці імпульсним лазерним випромінюванням // Матер. IV Міжнарод. конф. “Фізика і технологія тонких плівок”. - Ів.-Франківськ (Україна). - 1993. - Ч. 1. - С. 197.

8. Kotlyarchuk B., Popovych D., Savchuk V., Savitsky V. Fabrication and properties of CDHGTE p-n multilayers // Proc. Intern. School-Conf. “Physical Problems in Material Science of Semiconductors”. - Chernivtsi (Ukraine).- 1995. - P. 16.

9. Котлярчук Б.К., Попович Д.І., Савицький В.Г., Савчук В.К. Особливості формування тонких шарів халькогенідів ртуті з лазерної ерозійної плазми в магнітному полі // Матер. V Міжнарод. конф. “Фізика і технологія тонких плівок”. - Ів.-Франківськ (Україна). - 1995. - Ч. 1. - С. 21.

10. Kotlyarchuk B., Popovych D., Savchuk V., Flis V. Investigation of processes of thin YBCO/MGO and YBCO/ZRO/Si films formation by laser pulse crystallisation and annealing // Proc. Intern. Workshop “Advanced Technologies of Multicomponent Solid Films and Structures and their Application in Photonics”. - Uzhgorod (Ukraine). - 1996. - P. 31.

11. Kotlyarchuk B., Popovych D., Savchuk V., Flis V. Mechanical Stresses in Thin YBACUO Films and Laser Annealing // Proc. Intern. Conf. “Micro Materials”. - Berlin (Germany). - 1997. - P. 516.

12. Котлярчук Б.К., Попович Д.І., Савицький В.Г., Савчук В.К. Формування фоторезисторів на основі багатошарових (р-n) переходів CDHGTE // Тез. доп. VI Міжнар. конф. “Фізика і технологія тонких плівок”. - Ів-Франківськ (Україна). -1997. - С. 61.

13. Gloskovsky A., Kotlyarchuk B., Popovych D., Savchuk V. Fabrication of Phosphor Material Thin Films by Laser Pulse Crystallization Into the Quasi-Closed Reaction Ambience // Abstracts of Intern. Conf. on Solid State Crystals “Materials Science and Applications”. - Zakopane (Poland). - 1998. - P. 103, (A-38).

14. Kotlyarchuk B., Popovych D., Savchuk V., Vasyltziv V. Thin Films of Phosphor Materials by the Pulse Laser Deposition Technique//Abstracts of Intern. Conf. on Solid State Crystals “Materials Science and Applications”. - Zakopane (Poland). - 1998. - P. 104, (A-39).

Савчук В.К. Дослідження фізико-технологічних процесів імпульсного лазерного напилення та модифікації властивостей тонких плівок багатокомпонентних металооксидів та телуридів кадмію-ртуті. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. - Державний університет “Львівська політехніка”. Львів, 2000.

Дисертацію присвячено розробці фізико-технологічних основ лазерного реакційного напилення та модифікації властивостей тонких плівок оксидних люмінофорів, над провідникових Y-Ba-Cu-O металооксидів та телуридів кадмію-ртуті; вивченню кінетики та встановленню механізмів імпульсного лазерного випаровування та конденсації парів вищезгаданих сполук на підкладці в квазізамкнутому хімічно активному (О2) реакційному середовищі.

Розроблено та фізично обгрунтовано метод керування енергетичним та зарядовим станом лазерної ерозійної плазми оксидних сполук шляхом накладання зовнішнього магнітного поля в проміжку “мішень - підкладка”. Досліджено кристалічну будову, основні електрофізичні та світлотехнічні характеристики одержаних тонких плівок багатокомпонентних оксидів. Встановлено закономірності взаємозвязку між технологічними режимами напилення плівок та їх характеристиками.

Розроблено технологію відпалу попередньо осаджених аморфних люмінофорних плівок імпульсним лазерним випромінюванням в квазізамкнутій реакційній камері.

Встановлено фізико-технологічні умови формування орторомбічної надпровідної фази при лазерному напиленні плівок Y1Ba2Cu3O7-х на кремнієвих підкладках з буферним шаром ZRO2.

Експериментально підтверджено можливість створення фоторезисторів з підвищеною чутливістю на основі тонких плівок телуриду кадмію-ртуті різного типу провідності, осаджених з лазерної ерозійної плазми в парах ртуті.

Ключові слова: імпульсне лазерне напилення, стехіометрія, тонка плівка, лазерна ерозійна плазма, люмінесценція, високотемпературна надпровідність.

Savchuk V. Investigation of physical-technological processes of pulse laser deposition and modification of properties thin films of multicomponent metallooxides and telluride of cadmium-mercury. - Manuscript.

The thesis for the degree of the candidate of technical science on a speciality 05.27.06 - Technology, equipment and manufacture of electronic engineering. - State university "Lviv Polytechnic". Lviv, 2000.

The thesis is dedicated to development of physical-technological bases of a laser reactionary deposition and modification of properties of oxide phosphor thin films, superconductor thin films Y-Ba-Cu-O metallooxides and cadmium-mercury telluride; to study of kinetics and installation of mechanisms of impulse laser evaporation and condensation of vapours of above-mentioned compound on a substrate in quasi-closed reactive (О2) reactionary medium. Developed a method of ruling of an energy and charge condition of laser erosive plasma of oxides also is physically justified by superposition of an external magnetic field in an interval “target - substrate”. The crystalline constitution, base electrophysical and lighting engineering characteristics of obtained thin films of multicomponent oxides are explored. Are established regularities of correlation between technological conditions of a evaporation of films and their characteristics. Designed an technology annealing of deposited films by an impulse laser radiation in quasi- closed reactivity camera.

It is establish physical-technological requirements of form of a superconducting phase at a laser evaporation of films Y1Ba2Cu3O7-x on silicon substrates with a buffer layers ZRO2. It is experimentally confirm an opportunity creation of photoreceptors with increase by responsively ground of thin films of telluride of cadmium-mercury of a different type of conductance, deposited from laser erosive plasma in vapour of mercury.

Key words: pulse laser deposition, stoichiometry, thin film, laser erosive plasma, luminescent, high-temperature superconductivity.

Савчук В.К. Исследование физико-технологических процессов импульсного лазерного напыления и модификации свойств тонких пленок многокомпонентных металлооксидов и теллуридов кадмия-ртути. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и производство электронной техники. - Государственный университет “Львовская политехника”. Львов, 2000.

Диссертация посвящена разработке физико-технологических основ лазерного реакционного напыления и модификации свойств тонких пленок оксидных люминофоров на основе соединений ZNO, ZNO:Zn, ZNGA2O, ZNGA2O:Mn, K2Ga2O4:Mn, Zn2SIO4:Ti, Zn2SIO4:Mn, Zn0,4Gd1,6O3:Eu, сверхпроводниковых Y-Ba-Cu-O металлооксидов, теллуридов кадмия-ртути; изучению кинетики и установлению механизмов импульсного лазерного испарения и конденсации паров вышеупомянутых соединений на подложке в квазизамкнутой химически активной (О2) реакционной среде. Установлены зависимости компонентного состава, энергетических и временных характеристик лазерной эрозионной плазмы оксидных материалов от технологических условий испарения. Показано, что увеличение давления кислорода в квазизамкнутой реакционной камере ведет к качественному и количественному изменению спектра эмиссии лазерной плазми.

Анализ полученных результатов свидетельствует о снижении температуры плазмы, в процессе ее расширения на значительные расстояния от поверхности мишени в результате столкновительно-рекомбинационных процессов, что способствует созданих условий для формирования окисных соединений в реакционной кислородной среде. На основе полученных результатов разработан и физически обоснован метод управления энергетическим и зарядовым состоянием лазерной эрозионной плазмы оксидных соединений путем наложения внешнего магнитного поля в промежутке “мишень-подложка”.

Разработана лабораторная технологическая установка для импульсного лазерного испарения и конденсации тонких пленок многокомпонентных люминофорных соединений с использованием квазизамкнутой реакционной камеры и внешнего магнитного поля. Исследовано кристаллическое строение, основные электрофизические и светотехнические характеристики тонких пленок многокомпонентных оксидных люминофоров полученных с использованием предложеной методики. Предложена физическая модель формирования кристаллического состояния пленок оксидных люминофоров при лазерном напылении в атмосфере кислорода и установлены закономерности взаимосвязи между технологическими режимами напыления пленок и их характеристиками. Установлено, что определяющими технологическими факторами формироваия свойств тонких пленок оскидных люминофоров являются температура подложки, давление кислорода в реакционной камере, растояние “мишень-подложка” и величина напряженности магнитного поля. Исследовано зависимость катодолюминесценции тонких пленок от типа и концентрации активатора. С целью оптимизации состава оксидных люминофоров исследовано зависимосвязь между технологическими режимами, условиями импульсного лазерного напыления и люминесцентними свойствами полученных пленок. Установлено, что существует ограниченный диапазон значений концентраций активатора, при котором пленки проявляют максимальную интенсивность катодолюминесценции.

Разработана технология светолучевого отжига предварительно осажденных аморфних пленок импульсным лазерным излучением в квазизамкнутой реакционной камере, обеспечивающая существенное (на порядок) повышение интенсивности свечения катодолюминесценции и целенаправленое изменение цвета свечения в границах оптического диапазона.

Для получения качественных пленок высокотемпературных сверхпроводников на кремниевых подложках разработана методика лазерного напылениия пленок YBA2Cu3O7-х на поверхности монокристаллов кремния через буферный слой ZRO2 в едином технологическом цикле. Установлены физико-технологические условия формирования сверхпроводниковой фазы при лазерном напылении пленок Y1Ba2Cu3O7-х на кремниевых подложках с буферным слоем ZRO2 и иссле-дованны основные параметры сформированных пленочных систем. Разработанная технология получения многослойных систем Y1Ba2Cu3O7-х/ZRO2/Si позволяет обезпечить условия формирования орторомбической фазы Y1Ba2Cu3O7-х и насыщения материала пленки кислородом, а также предотвратить взаимо-диффузию компонент структуры “пленка - буферный шар - подложка”.

Установлены физико-технологические закономерности влияния энергетических параметров и термодинамические условый напыления на электрофизические свойства эпитаксиальных пленок теллурида кадмия-ртути осажденнных из лазерной эрозионной плазмы в парах ртути. Показано, что в зависимости от термодинамических условий осаждения можно в едином технологическом цикле получать пленки теллурида кадмия-ртути различного типа проводимости.

Экспериментально подтверджена возможность создания фоторезисторов с повышенной чувствительностью на базе тонких пленок теллурида кадмия-ртути различного типа проводимости, осажденных из лазерной эрозионной плазмы.

Основные результаты работы нашли практическое применение при разработке промышленной технологии производства приборов электронной техники нового поколения и улучшения технических характеристик существующих приборов микроэлектроники.

Ключевые слова: импульсное лазерное напыление, стехиометрия, тонкая пленка, лазерная эрозионная плазма, люминесценция, высокотемпературная сверхпроводимость.

Размещено на .ru