Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Савчук Віктор Костянтинович
УДК 621.373.826
ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
ІМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО НАПИЛЕННЯ ТА МОДИФІКАЦІЇ ВЛАСТИВОСТЕЙ
ТОНКИХ ПЛІВОК
БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ МЕТАЛООКСИДІВ
ТА ТЕЛУРИДІВ КАДМІЮ-РТУТІ
05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів – 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті прикладних проблем механіки і математики
ім. Я.С.Підстригача НАН України.
Науковий керівник - кандидат фіз.-мат. наук, ст. наук. співроб.
Котлярчук Богдан Костянтинович,
Інститут прикладних проблем механіки і математики
ім. Я.С.Підстригача НАН України,
провідний науковий співробітник
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор
Фекешгазі Іштван Вінцейович,
Інститут фізики напівпровідників НАН України,
завідівач відділу
доктор технічних наук, доцент
Ціж Богдан Романович,
Львівська державна академія ветеринарної медицини
ім. С.З. Гжицького, завідувач кафедри
Провідна установа - Чернівецький державний університет ім.Ю.Федьковича,
кафедра напівпровідникової мікроелектроніки
Захист відбудеться 16 червня 2000 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д
35.052.14 при Державному університеті “Львівська політехніка” (79646, Львів-13, вул. С.Бандери,
12).
З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Державного університету “Львівська
політехніка” (вул. Професорська, 1).
Автореферат розісланий “ 11 ” травня 2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради _________________ Байцар Р.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. 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. Однією з
найбільш сучасних та перспективних технологій плівкового матеріалознавства є імпульсне
лазерне напилення тонких плівок і багатошарових структур на їх основі.
Метод лазерного випаровування та конденсації речовини на підкладці дає можливість в
широких межах просто та ефективно керувати механізмами і кінетикою процесів росту плівок
різних сполук. Імпульсне лазерне напилення є ефективним і перспективним методом також і для
поглиблення фізичних уявлень про природу кристалізації епітаксійних шарів в екстремальних
умовах по швидкості осадження, тепловому режиму і складу парової фази.
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. Роботи з лазерної кристалізації та модифікації властивостей оксидних
люмінесцентних плівок практично відсутні.
Одним з найбільш перспективних методів отримання тонких плівок високотемпературних
надпровідників (ВТНП) на основі металооксидної кераміки Y-Ba-Cu-O є лазерні методи
напилення, відпалу та модифікації їх властивостей. Однак, суть фізичних явищ, що впливають на
процес напилення, а в кінцевому результаті визначають надпровідні параметри осаджених ВТНП-
плівок залишається ще не досить зрозумілою. Для отримання плівок системи Y-Ba-Cu-O з
якісними надпровідними характеристиками існує також ряд проблем технологічного характеру, які
потребують вирішення.
Пошук матеріалів і технологічних процесів, необхідних для задоволення потреб
інфрачервоної фотоелектроніки діапазону 2?14 мкм, призводить до модернізації вже відомих та
створення нових методів отримання монокристалів та плівкових систем на основі CdxHg1-xTe.
Однак, технологічні проблеми синтезу цього матеріалу вимагають додаткових досліджень в галузі
виготовлення епітаксійних плівок CdxHg1-xTe і багатошарових структур на їх основі.
Усі вищезгадані матеріали являють собою багатокомпонентні сполуки з суттєво різною
пружністю парів компонент, тому розробка імпульсних лазерних методів напилення тонких
плівок цих матеріалів є перспективною та актуальною. Однак, недостатнє розуміння природи
процесів, що протікають на стадіях випаровування матеріалу мішені та утворення паро-
плазмового факелу (ППФ), його інерційного розльоту та конденсації парів на поверхні підкладки
потребує проведення комплексу експериментальних робіт з поглибленого дослідження фізичних
явищ, що відбуваються на кожному з цих етапів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких
представлені в дисертації, виконані у відповідності до бюджетних науково-дослідних тем
лабораторії “Лазерні технології в матеріалознавстві” відділу фізико-механічного моделювання
Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С.Підстригача НАН України; у рамках
проекту “Розробка фізичних основ лазерної технології отримання тонкоплівкових структур на
основі ВТНП” (проект № 365, 1989-1992 рр.) Державної науково-технічної програми
“Високотемпературна надпровідність”, проекту “Розробка фізико-технологічних основ
нерівноважної лазерної епітаксії і відпалу тонких плівок складних напівпровідникових та
надпровідникових сполук” (завдання № 5.44.06.031, 1992-1996 рр.) за програмою ДКНТ, проекту
“Фотоелектричні процеси в складних бар’єрних структурах на основі тонких шарів вузькозонних
напівпровідників” (реєстраційний № 2.4/72, 1997-1998 рр.) Державного фонду фундаментальних
досліджень Міністерства України у справах науки і технологій та проекту “Створення і
дослідження властивостей тонко-плівкових люмінофорів для плоских дисплеїв” (проект № 613,
1998-1999 рр.) Міжурядового фонду УНТЦ.
Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягала у роз-робці фізико-
технологічних основ імпульсного лазерного осадження та модифі-кації властивостей тонких
плівок ряду люмінесцентних оксидних матеріалів, ви-сокотемпературних надпровідникових
металооксидів Y-Ba-Cu-O та телуриду кад-мію-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.
Для досягнення цієї мети:
1. Проведено експериментальні дослідження елементного складу, зарядових та енергетичних
параметрів паро-плазмового факелу при імпульсному лазерному випаровуванні
багатокомпонентних оксидних сполук у вакуумі та в реакційній газовій атмосфері, у тому
числі при накладанні магнітного поля.
2. Досліджено основні закономірності взаємозв’язку між структурою та електрофізичними
параметрами плівок згаданих вище сполук, з одного боку, та термодинамічними умовами
конденсації й технологічними режимами випаровування, з іншого боку.
3. Проведено експериментальні дослідження технологічних можливостей модифікації
властивостей тонких плівок оксидних сполук імпульсами лазерного випромінювання в
квазізамкнутому реакційному просторі.
Наукова новизна одержаних результатів:
1. Встановлено закономірності формування елементного складу та енергетичного стану
компонент паро-плазмового факелу, утвореного при взаємодії лазерних імпульсів (q = 107 ? 108
Вт/см2, * = 1,06 мкм, * = 15 нс) з матеріалом мішені оксидних сполук, в залежності від
технологічних режимів випаровування.
2. 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”.
3. Встановлено закономірності взаємозв’язку між технологічними режимами імпульсного
лазерного осадження тонких плівок багатокомпонентних оксидних люмінофорів та їх
світлотехнічними характеристиками, що призвело до визначення оптимальних значень
термодинамічних параметрів, у реакційній камері під час конденсації, для формування
монокристалічних плівок з кристалічною граткою типу вюрциту.
4. 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”. Досліджено основні
кристало-хімічні параметри та електрофізичні характеристики плівок Y-Ba-Cu-O, осаджених з
лазерної плазми на кремнієві підкладки з буферним шаром.
5. Встановлено механізм і технологічні можливості імпульсного лазерного відпалу та
кристалізації аморфних плівок оксидних люмінофорів та характеру трансформації
електрофізичних і світлотехнічних характеристик плівок в залежності від технологічних режимів
та термодинамічних умов лазерної обробки.
Практична цінність роботи. Одержані результати покладено в основу розробки нових
прогресивних технологій тонкоплівкового матеріалознавства з використанням лазерної техніки:
- розроблено методику та визначено оптимальні технологічні режими і термодинамічні умови
реакційного лазерного напилення тонких плівок багатокомпонентних сполук оксидних
люмінофорів. На основі проведених експериментальних досліджень електрофізичних та
люмінесцентних властивостей синтезованих плівок оксидних люмінофорів показано принципову
можливість створення на їх основі плоскопанельних дисплеїв, що працюють у видимій області
спектру;
- запропоновано спосіб виготовлення в єдиному технологічному циклі тонких плівок на основі
металооксидної кераміки Y-Ba-Cu-O на Si-підкладках із буферним шаром ZrO2 та досліджено їх
основні надпровідні характеристики;
- запропоновано спосіб формування багатошарових фоторезисторів на основі тонких плівок
CdхHg1-хTe різного типу провідності та обгрунтовано механізм підвищення їх фоточутливості в
спектральному діапазоні 8 ? 12 мкм.
Практичну цінність розроблених методів характеризує також їх відносна простота і надійність;
можливість оперативного контролю та ефективного управління процесом; відтворюваність
параметрів осаджених плівок завдяки мінімальній кількості технологічних факторів, що
впливають на їх параметри; сумісність з іншими, допоміжними технологічними процесами
(відпал, легування, нанесення контактів і т.п.) .
Апробація результатів роботи. Основні наукові результати та положення дисертаційної
роботи доповідалися та обговорювалися на регіональних і міжнародних наукових, науково-
технічних конференціях та школах-семінарах, в тому числі на: VIII Всесоюзній конференції
“Взаимодействие оптического излучения с веществом” (Ленінград, Росія, 1990); Робочій нараді по
ВТНП “Основы сверхпроводниковой электроники: разработка электронных устройств на основе
ВТСП” (Н.Новгород, Росія, 1990); V Українській конференції “Фізика і технологія тонких плівок
складних напівпровідників” (Ужгород, Україна, 1992); IV Міжнародній конференції “Фізика і
технологія тонких плівок” (Ів.-Франківськ, Україна, 1993); International Workshop “Advanced
Technologies of Multicomponent Solid Films and Structures” (Uzhgorod, Ukraine, 1994); “The First
International Conference on Material Science of Chalcogenide and Diamond Structure Semiconductors”
(Chernivtsi, Ukraine, 1994); International Conference “Optical Diagnostics of Materials and Devices for
Opto-, Micro- and Quantum Electronics (OPTDIM'95)” (Kiev, Ukraine, 1995); Міжнародній науковій
конференції присвяченій 150-річчю від дня народження І.Пулюя (Львів, Україна, 1995); “E-MRS
1995, Spring Meeting” (Strasbourg, France, 1995); International .School-Conference “Physical Problems
in Material Science of Semiconductors (PPMSS’95)” (Chernivtsi, Ukraine, 1995); V Міжнародній
конференції “Фізика і технологія тонких плівок” (Ів.-Франківськ, Україна, 1995); “E-MRS 1996,
Spring Meeting” (Strasbourg, France, 1996); 1996 Summer Meeting “Advanced applications of laser in
materials and processing” (Keystone, Colorado, USA, 1996); VI Міжнародній конференції “Фізика і
технологія тонких плівок” (Ів.-Франківськ, Україна, 1997); International Conference “Micro
Materials” (Berlin, Germany, 1997); International Conference “Mechanics of Laser Ablation”
(Novosibirsk, Russia, 1997); “E-MRS’98, Spring Meeting”, (Strasbourg, France, 1998); International
Conference Solid State Crystals “Materials Science and Applications” (Zakopane, Poland, 1998); “E-
MRS’99, Spring Meeting” (Strasbourg, France, 1999).
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 14 друкованих працях,
серед яких: 5 статей у фахових наукових виданнях, одна заявка на патент України на винахід, а
також 8 матеріалів та тез конференцій. Список публікацій, що відображають основний зміст
досліджень, наведено в кінці автореферату.
Особистий внесок здобувача. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві
належать: розробка основного лабораторного обладнання для напилення тонких плівок складних
металооксидів з використанням лазерної техніки та відпрацювання технології отримання тонких
плівок складних металооксидів багатокомпонентних сполук шляхом імпульсного лазерного
випаровування та конденсації речовини на підкладці з використанням автономного
квазізамкнутого реакційного простору [1, 3, 4, 6, 9]; результати досліджень енергетичного стану та
газодинамічних характеристик лазерної плазми складних металооксидів і телуриду кадмію-ртуті
[2-5, 13]; результати проведеного комплексу досліджень електрофізичних параметрів отриманих
плівок [3, 9]; методика та результати оптимізації технологічних умов імпульсної лазерної
кристалізації та відпалу тонких плівок [1, 7, 11, 14], спосіб виготовлення багатошарових
тонкоплівкових структур та результати досліджень їх основних характеристик [8, 10, 12].
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів,
висновків і основних результатів, списку цитованої літератури (195 найменувань). Зміст роботи
викладено на 156 сторінках тексту, включаючи 48 малюнків і 5 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи; сформульовано мету та
завдання досліджень; висвітлено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів;
вказано конкретний особистий внесок здобувача у розробку та отримання наукових результатів;
наведено дані про апробацію роботи.
Перший розділ присвячений огляду теоретичних та експериментальних робіт по вивченню
взаємодії потужного лазерного випромінювання з поверхнею твердого тіла, еволюції теплових
полів в опроміненому матеріалі.
Розглянуто основні закономірності процесів випаровування та осадження плівок при
імпульсному лазерному напиленні та механізми формування структури плівок на підкладці,
розглянуто якісну діаграму механізмів росту лазерних конденсатів та їх структурних станів.
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.
Опис розробленої лабораторної технологічної установки для імпульсного лазерного
випаровування та осадження тонких плівок багатокомпонентних сполук із використанням
квазізамкнутої реакційної камери (КРК) та накладанні зовнішніх магнітних полів наведено в
другому розділі. Структурна схема технологічної установки напилення (рис.1) містить:
лазерний модуль (ЛГ-52, ЛТИ-205); оптичну систему формування світлового променя (1-5);
технологічний вакуумний блок (6); КРК (7); контрольно-вимірювальний комплекс (С8-14, ФМ-Н).
Процес конденсації випаровуваної речовини на поверхні підкладки відбувається у вакуумному
технологічному блоці, який змонтовано на базі установки ВУП-5, у вакуумній камері (6) якої
розміщено КРК (7). Додатково КРК обладнано вакуумними оптичними вводами для лазерного
променя та вакуумними електричними вводами, системою відкачки (9, 17), системою напуску
реакційного газу та індикації його тиску в КРК (10, 11), системою сканування мішені (12),
системою нагріву та контролю температури підкладки (13, 14) та системою магнітів (18). 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).
Така схема давала можливість оперативно здійснювати корекцію енергетичних і часових
характеристик лазерного випромінювання. Система управління лазерним променем дозволяла
регулювати густину потоку випромінювання на поверхні мішені до значень q = 109 Вт/cм2, що
забезпечувало розпилення матеріалу мішені з твердої фази, обминаючи фазу розплаву зі
збереженням стехіометрії складу.
Описано методику якісного визначення елементного складу ППФ, утвореного при взаємодії
потужних лазерних імпульсів (q > 107 Вт/см2) наносекундної тривалості (?= 15 нс) з поверхнею
складної мішені, та кількісного визначення енергетичних характеристик ППФ залежно від
енергетично-часових параметрів лазерного випромінювання та умов випаровування.
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.
У третьому розділі наведено та проаналізовано отримані результати досліджень
газодинамічних процесів формування та розвитку ППФ мішеней ZnO, Y2O3, Gd2O3, ZnO:Zn,
ZnGa2O4, ZnGa2O4:Mn, K2Ga2O4:Mn, Zn2SiO4:Ti, Zn2SiO4:Mn, Zn0,4Gd1,6O3:Eu при випаровуванні
імпульсами лазерного випромінювання (q ~ 108 Вт/см2, ? = 1,06 мкм, * = 15 нс) у вакуумі (Р = 10-4
Па) та в атмосфері кисню (PO2 = 10-2 ? 102 Па). Результати досліджень емісійних спектрів ППФ в
проміжку “мішень-підкладка” свідчать про те, що при випаровуванні у вакуумі він складається зі
збуджених, одно- та двократно іонізованих атомів матеріалу мішені. Дослідження інтегрального
спектру випромінювання лазерної плазми в залежності від величини тиску кисню в КРК та енергії
імпульсу лазерного випромінювання показують, що при низьких значеннях тиску кисню в КРК
(РO2 * 10-2 Па) в спектрі випромінювання лазерної плазми наявні лінії збуджених та однократно
іонізованих атомів матеріалу мішені. Збільшення тиску кисню до РO2 ~ 1 Па призводить до якісної
зміни спектру випромінювання лазерної плазми, в якому з’являються додаткові лінії та смуги, що
відповідають оксидним молекулам та молекулярним кисневим утворенням. Аналіз одержаних
даних свідчить про зниження температури плазми в процесі її поширення на значні відстані (d ~
35 мм) в результаті зіткнувально-рекомбінаційних процесів, внаслідок чого створюються умови
для формування окисних молекулярних комплексів на основі випаруваних компонент мішені та
оточуючого кисневого середовища.
Встановлено, що для відстані “мішень-підкладка” в діапазоні 10 ? 35 мм і при густині
потужності лазерного випромінювання q ~ 108 Вт/см2 найбільш ймовірна середня швидкість
інерційного розльоту іонів та збуджених атомів випаруваного матеріалу мішеней становить 103 ?
104 м/с. При збільшенні тиску кисню в реакційній камері відбувається монотонне зменшення
швидкості руху всіх компонент плазми та суттєва зміна спектру емісії плазми. Про зіткнувальний
характер розльоту випаруваної речовини мішені свідчить і більш плавний ріст інтенсивності емісії
при тиску кисню PО2 ~ 10 Па ніж при PО2 ~ 10-2 Па.
Встановлено, що характер процесу переносу розпиленого матеріалу від мішені до поверхні
підкладки під час конденсації залежить від середніх енергій розпилених частинок, тиску кисню в
хімічно активному середовищі, відстані “мішень-підкладка”, кутового розподілу розпилених
частинок, а також від наявності зовнішного магнітного поля, що визначає рух іонізованих атомів
розпиленого матеріалу. Взаємодія компонент паро-плазмового факелу з магнітним полем,
прикладеним перпендикулярно до поверхні мішені, призводить до збільшення довжини вільного
пробігу іонної компоненти. В цьому випадку при достатньо високих тисках кисню (PО2 ? 5 Па),
ріст тонких плівок здійснюється значною мірою з гомогенізованого потоку, який складається з
дрібнодисперсної фази матеріалу мішені та окислів і не містить значної кількості кластерів та
високоенергетичних частинок. І хоча середня швидкість росту плівок при цьому знижується від (2
? 5) * 106 нм/c до (0,2 ? 0,5) * 106 нм/с, зате суттєво покращується гладкість їх поверхні,
однорідність та кристалографічні параметри.
Четвертий розділ присвячено вивченню закономірностей формування кристалічної
структури та світлотехнічних характеристик тонких плівок оксидних люмінофорів, вирощених на
орієнтуючих підкладках з лазерної ерозійної плазми. Аналізуються технологічні можливості
цілеcпрямованої модифікації синтезованих плівок шляхом їх додаткового світло-променевого
відпалу.
Встановлено, що визначальними технологічними факторами формування кристалічної будови
та орієнтації синтезованих тонких плівок є температура підкладки, тиск кисню в КРК та відстань
“мішень-підкладка”. Ступінь досконалості кристалічної структури плівок покращується з ростом
температури підкладки.
Аналіз отриманих спектрів катодолюмінесценції (КЛ) тонких плівок ZnO:Zn, вирощених при
різних значеннях температури підкладки показав, що оптимальною температурою підкладки для
вирощування тонких люмінесцентних плівок ZnO:Zn при тиску кисню в КРК PО2 = 5 Па є
температура підкладки Ts = 450 0С. У цьому випадку, завдяки впорядкуванню кристалічної будови
плівок, спостерігається досить вузький пік КЛ. Подальше підвищення температури підкладки
понад Ts = 550 0С призводить до порушення стехіометрії синтезованих плівок аж до повної втрати
люмінесцентних властивостей внаслідок порушення кисневої стехіометрії.
Проведені дослідження свідчать, що при оптимальних значеннях тиску кисню (PО2 = 5 Па) в
КРК для забезпечення росту кристалічної фази та отримання стехіометричного складу плівок
ZnGa2O4 необхідно підтримувати температуру підкладки на рівні Ts = 350 ? 380 0С. Параметри КЛ
плівок ZnGa2O4, синтезованих при оптимальних значеннях Ts та тиску кисню в КРК,
характеризується досить вузькою ділянкою спектру свічення люмінесценції (?? = 25 нм).
Зниження температури підкладки від оптимальної до Ts = 260 0С призводить до значного
розширення (?? = 80 ? 100 нм) спектру свічення отриманих плівок та зменшення енергетичної
ефективності КЛ від ? = 0,3 % до ? = 0,12 %.
Досліджено вплив типу та концентрації активатора на ефективність КЛ тонких плівок на
основі багатокомпонентних оксидних сполук. З метою вибору найбільш ефективного оксидного
люмінофору активованого марганцем, проведено дослідження взаємозв’язку між фізико-
технологічними режимами імпульсного реакційного лазерного напилення плівок ряду оксидних
люмінофорів та їх люмінесцентними характеристиками. Встановлено, що одними із визначальних
параметрів, які впливають на інтенсивність КЛ плівок на основі сполуки ZnGa2O4:Mn, є
температура підкладки та тиск кисню під час напилення. Люмінесцентні плівки K2Ga2O4:Mn,
осаджені при температурі підкладки Ts = 420 ? 430 0С, характеризувалися інтенсивним піком КЛ в
досить вузькому діапазоні (?? = 15 нм) зеленої ділянки спектру свічення. При зменшенні
температури підкладки спостерігається розширення та суттєве зменшення інтенсивності вказаного
піку КЛ, що є результатом погіршення рівня кристалічної досконалості плівок.
Полікристалічна структура плівок Zn2SiO4:Mn проявлялася при підвищенні температури
осадження до Ts = 480 0C і вище. Плівки, осаджені в такому температурному режимі та
оптимальних значеннях тиску кисню в КРК (РО2 = 5 ? 7 Па), характеризувалися досить вузьким
піком КЛ (?? ? 40 нм). Проведено цикл робіт по оптимізації складу сполуки Zn2SiO4:Mn для
одержання тонких плівок з високими та стабільними люмінесцентними характеристиками.
Встановлено, що для забезпечення високої ефективності люмінесценції особливо привабливим є
легування плівок Zn2SiO4 марганцем, оскільки цей елемент сам по собі може слугувати
активатором, а також може використовуватися в високих концентраціях (1 ? 5 %), що дозволяє
знизити вимоги до чистоти матеріалу. Крім цього, він мало чутливий до недосконалості
кристалічної структури плівок, оскільки люмінесценція відбувається при переході між рівнями Mn
центру, а не при переході з зони провідності на рівні домішки. Отримані результати дають
підстави стверджувати, що оптимальною концентрацією марганцю в сполуці Zn2SiO4:Mn для
отримання плівок з найкращою ефективністю КЛ є склад з молярним вмістом Mn (2,5 ? 4,5) %.
Для забезпечення всієї кольорової гами свічення люмінофорів, придатних для створення
плоскопанельних дисплеїв, встановлено взаємозв’язок між фізико-технологічними
закономірностями напилення та параметрами КЛ тонких плівок на основі сполук, що
забезпечують голубе (Zn2SiO4:Ti) та червоне (Zn0,4Gd1,6O3:Eu) свічення у певних спектральних
інтервалах. Виявлено, що для одержання полікристалічних тонких плівок Zn2SiO4:Ti методом
імпульсного лазерного реакційного напилення температуру підкладки слід вибирати не нижче ніж
Ts = 500 0C, що становить третину значення температури плавлення цієї сполуки. Досліджено
залежність між параметрами КЛ плівок Zn2SiO4:Ti та родом підкладки.
Встановлено, що значення тиску кисню в КРК на рівні РО2 ~ 5 Па забезпечує стехіометричний
склад за киснем в конденсованих плівках Zn0,4Gd1,6O3:Eu. Визначено оптимальні технологічні
параметри напилення, що забезпечують отримання плівок з яскраво вираженою КЛ у вузькому
спектральному діапазоні (?? = 15 нм). Оптимальні фізико-технологічні параметри отримання
тонких плівок багатокомпонентних оксидних люмінофорів та їх КЛ параметри подано в табл. 1.
На рис.2 наведено спектральні залежності КЛ тонких плівок оксидних люмінофорів,
придатних для створення плоскопанельних дисплеїв.
Тривалий термічний вплив під час напилення плівок або наступного їх відпалу для отримання
полікристалічних (текстурованих) люмінесцентних плівок з високою енергетичною ефективністю
КЛ призводить до виникнення в матеріалі плівок небажаних і важко контрольованих процесів.
Зокрема, спостерігається формування додаткових оксидних фаз, що зумовлює необхідність
проведення додаткового безкисневого відпалу з метою створення максимальної концентрації
центрів ефективної люмінесценції тощо. Для подолання вказаних проблем та з метою модифікації
параметрів КЛ розроблено методику та встановлено основні фізико-технологічні закономірності
імпульсного світло-променевого відпалу та рекристалізації тонких багатокомпонентних оксидних
люмінесцентних плівок. Встановлено, що в результаті обробки в квазізамкнутому реакційному
просторі імпульсами лазерного випромінювання (? =1,06 мкм, ? = 100 нс) аморфних плівок
ZnO:Zn товщиною 0,05 ? 1,0 мкм, попередньо синтезованих на монокристалічних підкладках при
Ts = 100 ? 120 0С, у певному діапазоні густини енергії відбувається модифікація плівок, що
супроводжується зміною їх кристалічного стану, електричних (питомий опір), оптичних
(прозорість) та КЛ властивостей. Для формування стехіометричної плівки ZnO:Zn необхідно
забезпечити в процесі променевого відпалу умови інтенсивного протікання реакцій окислення. Ці
умови вико-нуються при високій температу-
рі опроміненої плівки (коли досягається розплав матеріалу плівки). З іншого боку, для запобігання
втілення в плівку сторонніх елементів, які можуть служити центрами гасіння КЛ, необхідно
забезпечити значні швидкості процесу нагріву-охолодження та короткий час перебування плівки
при високій температурі.
Згідно з теоретичними розрахунками, швидкість плавлення є тим вищою, чим менший
градієнт температури в зразку. Такі технологічні умови можна забезпечити при обробці плівок зі
сторони підкладки SiO2, яка є прозорою для лазерного випромінювання з довжиною хвилі * = 1,06
мкм. При такому режимі обробки температурні градієнти в плівці практично відсутні, оскільки
границею розплаву та зародження кристалічної фази є границя розділу “підкладка - аморфна
плівка”. Рекристалізовані плівки ZnO:Zn володіли досить високою ефективністю КЛ (?max = 519
нм, *? = 40 нм, * * 0,5 %). При лазерній імпульсній рекристалізації аморфних плівок, опромінених
з боку прозорої підкладки при відсутності значних градієнтів температури, процеси росту
кристалічних плівок є настільки ефективними, що утворення конкуруючих центрів безвипроміню-
вальної рекомбінації практично не відбувається.
На основі одержаних результатів, оптимальними режимами для відпалу аморфних плівок
ZnO:Zn товщини h = 0,2 ? 1 мкм в атмосфері кисню слід визнати інтервал густини енергії
лазерного імпульсу Е = 0,2 ? 1,2 Дж/см2 та тиск кисневої атмосфери на рівні РО2 = 105 ? 106 Па.
Вивченню фізико-технологічних особливостей та оптимізації імпульсної лазерної технології
отримання якісних ВТНП-плівок на основі сполуки Y-Ba-Cu-O присвячений п’ятий розділ.
Проведено комплекс робіт по дослідженню впливу основних технологічних параметрів -
температури підкладки, тиску кисню в реакційній камері та відстані “мішень-підкладка” на
хімічний склад, структуру та електрофізичні властивості конденсованих плівок. Встановлено
оптимальні режими імпульсного лазерного реакційного напилення тонких плівок YBa2Cu3O7-х на
свіжі сколи (100) монокристалу MgO та їх взаємозв’язок з надпровідними характеристиками
одержаних плівок. Одночасне забезпечення високих температур конденсації (Ts = 750 ? 800 0С) та
високих тисків кисню (РО2 = 5 ? 7 Па) дозволило підвищити температуру переходу в надпровідний
стан (Тc) осаджених плівок до Тc ? 89 К. Отримані результати показують, що збільшення
температури підкладки призводить до послідовного звуження ширини надпровідного переходу (*
Tc) плівок і зміщення Тc в область більш високих температур. При цьому залежність питомого
електроопору ?(Т) змінюється від перколяційної при Ts = 700 0С до металічної при більш високих
Ts. Оптимальним значенням температури осадження є температура Ts = 800 0С, при якій отримано
плівки YBa2Cu3O7-х з температурою переходу в надпровідний стан Тc = 89,5 К та шириною
переходу *Tc ~ 1 К.
З точки зору практичного застосування ВТНП-плівок в мікроелектроніці, найбільш
важливими матеріалами для використання в ролі підкладок при напиленні тонких плівок
YВa2Cu3O7-х є Sі та SіO. Проведено експериментальні роботи по отриманню плівок YВa2Cu3O7-х на
підкладках Sі. Встановлено, що висока температура підкладки (Ts = 750 0C) стимулює дифузійні
процеси, які супроводжується найчастіше хімічною взаємодією на границі розділу “плівка-
підкладка” та втратою монофазності плівки YВa2Cu3O7-х, а це в свою чергу, призводить до
деградації надпровідних властивостей структури.
Найкращі перспективи для одержання плівок YВa2Cu3O7-х на монокристалічному Sі з
хорошими надпровідними параметрами має використання двоокису цирконію ZrO2 як буферного
шару. На підкладках з полікристалічним буферним шаром ZrO2 отримано неорієнтовані
полікристалічні плівки YBa2Cu3O7-х з наступними параметрами: Тс < 77 K, *Tс = 10 ? 15 K. В той же
час плівки YBa2Cu3O7-х, вирощені на Sі-підкладках з монокристалічним буферним шаром ZrO2,
володіли досить вузьким переходом у надпровідний стан при Тс = 89 K з *Tс = 1 К (рис.3). На
основі вище наведених результатів розроблено технологію отримання плівок таким чином, щоб з
одного боку забезпечити умови формування орторомбічної фази YВa2Cu3O7-х та насичення плівки
киснем, а з другого - відвернути взаємодифузію компонент структури “плівка - буферний шар –
підкладка”.
Основні результати досліджень процесів формування багатошарових структур на основі
тонких плівок телуриду кадмію-ртуті шляхом лазерного напилення наведено у шостому розділі.
Встановлено, що при лазерному реакційному напиленні плівок CdxHg1-хTe в атмосфері ртуті
PHg ~ 10-1 Па та при температурі підкладки Ts * 220 0C, коли ревипаровування ртуті не відіг-рає
суттєвої ролі, визначальний вплив на електрофізичні па-раметри осаджених плівок CdxHg1-хTe
відіграють процеси, які протікають в поверхневих шарах конденсованого матеріа-лу. У цьому
випадку енергія, необхідна для виникнення де-фекту Hgi-VHg, забезпечується за рахунок зіткнень
збуджених та іонізованих атомів ртуті з повер-хнею плівки, що росте. Оскільки на малих відстанях
від поверхні мішені (lst ? 30 мм) атоми та іони розпиленої речовини мішені володіють високою
кінетичною енергією (Еі ~ 10 ? 200 еВ), то в результаті конденсовані на поверхні підкладки атоми
ртуті втілюються в міжвузля кристалічної гратки плівки. Це призводить до того, що атоми
міжвузлової ртуті досить швидко дифундують по об’єму плівки та інтенсивно заповнюють ртутні
вакансії і матеріал плівки набуває n-тип провідності. Досить висока концентрація електронів (ne ~
1017 ? 1018 см-3) в плівках, отриманих при малих відстанях “мішень-підкладка” (lst * 10 мм),
пов’язана із високою концентрацією міжвузлової ртуті та високою швидкістю дифузії їх в
матеріалі плівки. При розміщенні підкладки на відстанях від поверхні мішені (lst ~ 50 мм)
концентрація електронів в осаджених плівках зменшується до значень ne ~ 1016 см-3, оскільки
процес генерації пари Hgi-VHg сповільнюється за рахунок зменшення кінетичної енергії компонент
ППФ. Таке зменшення концентрації електронів виникає внаслідок зменшення швидкості
заповнення вакансій ртуті, що пов’язане зі зменшенням швидкості генерації пар “міжвузлова
ртуть - вакансія ртуті”.
З метою керування електрофізичними характеристиками конденсованих плівок шляхом
управління зарядовим та енергетичними станом компонент ППФ було проведено дослідження
технологічних особливостей лазерного імпульсного реакційного випаровування та конденсації
плівок CdxHg1-хTe в магнітному полі. Накладанням сильних магнітних полів (В = 0,1 ? 1 Тл) в
проміжку “мішень-підкладка”, нам вдалося досягти зниження кінетичних енергій осаджуваних
атомів та іонів і стимулювати утворення молекулярних комплексів в реакційному просторі КРК
внаслідок збільшення траєкторії руху компонент ППФ та їх кількості зіткнень із атомами ртутної
атмосфери. Отримані результати показали, що накладання магнітного поля в проміжку “мішень-
підкладка” при лазерному імпульсному напиленні плівок CdxHg1-хTe (х = 0,2) зумовлює ріст
концентрації електронів в осаджених плівках аж до ne ~ 1018 ? 1019 см-3, що є значно більше від
термодинамічно рівноважних значень. Можна припустити, що при використанні магнітних полів
напруженістю В = 0,1 Тл, енергії, переданої частинками ППФ поверхні плівки, що росте, є
недостатньо для інтенсивної генерації пар Hgi-VHg, однак її цілком вистачає для стимулювання
швидкої дифузії міжвузлових атомів ртуті.
Обгрунтовано можливість підвищення чутливості фоторезисторів на основі багатошарових
(Cd,Hg)Te тонкоплів-кових систем, сформованих імпульсним лазерним напиленням тонких плівок
Cd0.2Hg0.8Te різного типу провідності в єдиному технологічному циклі (рис.4). Встановлено
залежність концентрації носіїв заряду в досліджуваних тонких плівках Cd0.2Hg0.8Te, осаджених при
температурі підкладки Ts = 220 0C, від тиску парів ртуті в КРК. Досліджено спектральний розподіл
фоточутливості одержаних структур.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ
1. Досліджено інтегральні спектри свічення та газодинамічні характеристики лазерної ерозійної
плазми оксидних люмінофорів ZnO, Y2O3, Gd2O3, ZnO:Zn, ZnGa2O, ZnGa2O:Mn, K2Ga2O4:Mn,
Zn2SiO4:Ti, Zn2SiO4:Mn, Zn0,4Gd1,6O3:Eu. Встановлено залежність зарядового та енергетичного
стану компонент плазми від густини потужності лазерного випромінювання, тиску кисню в
реакційній камері та величини зовнішнього магнітного поля. Визначено умови утворення
стійких стехіометричних оксидних сполук в проміжку “мішень-підкладка”.
2. Розроблено методику та встановлено оптимальні фізико-технологічні параметри напилення
тонких плівок багатокомпонентних оксидних люмінофорів з лазерної ерозійної плазми в
квазізамкнутому реакційному просторі при надлишковому тиску кисню.
3. Одержано кристалічні плівки оксидних люмінофорів, осаджені з лазерної ерозійної плазми;
запропоновано фізичну модель формування кристалічного стану плівок при лазерному
напиленні в атмосфері кисню.
4. Дослідження структурних, електрофізичних та люмінесцентних характеристик тонких плівок
оксидних люмінофорів, отриманих методом імпульсного лазерного реакційного напилення,
дозволили встановити оптимальні технологічні умови синтезу і кристалізації, при яких
формуються монокристалічні плівки з кристалічною будовою гратки типу вюрциту.
Встановлено, що визначальним фактором структурної досконалості плівок є температура
підкладки і тиск кисню в реакційній камері під час осадження. Енергетичний вихід і спектри
катодолюмінесценції отриманих плівок визначаються їх стехіометрією, рівнем структурної
досконалості та типом активатора.
5. Встановлено, що в результаті обробки аморфних плівок ZnO, ZnO:Zn імпульсами лазерного
випромінювання у діапазоні густини енергії (0,1 < q < 1,2 Дж/см2) відбувається структурна
модифікація плівок, що супроводжується зміною їх електричних (питомий опір), оптичних
(прозорість) і катодолюмінесцентних властивостей. Визначено технологічні режими і
термодинамічні умови імпульсного лазерного відпалу та кристалізації тонких плівок ZnO,
ZnO:Zn, які дозволяють формувати в аморфній матриці локальні кристалічні ділянки з високим
енергетичним виходом катодолюмінесценції.
6. Розроблено спосіб напилення тонких плівок Y-Ba-Cu-O на кремнієвих підкладках з буферним
шаром ZrO2, який забезпечує умови кристалізації надпровідної фази YBa2Cu3O7-x та насичення
плівки киснем, не допускаючи при цьому взаємодифузії компонент в структур “плівка -
буферний шар - підкладка”.
7. Досліджено електрофізичні властивості отриманих ВТНП-структур. Плівки Y1Ba2Cu3O7-х,
вирощені на Sі-підкладках з монокристалічним буферним шаром ZrO2 володіли досить
вузьким переходом у надпровідний стан з *Tс = 1 К при температурі переходу Tс = 89 К.
8. Запропоновано та фізично обгрунтовано спосіб виготовлення багатошарових тонкоплівкових
фоторезистивних структур на основі тонких плівок Cd0,2Hg0,8Te різного типу провідності,
отриманих з лазерної ерозійної плазми в парах ртуті в єдиному технологічному циклі.
Досліджено спектральні характеристики фоточутливості сформованих структур.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1. Котлярчук Б.К., Попович Д.И., Савчук В.К., Флис А.А., Флис В.С. Лазерная эпитаксиальная
кристаллизация и отжиг тонких слоёв 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 слоёв 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 епітаксійних
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, надпровідникових
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 взаємозв’язку 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 плёнок 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 плёнок 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 путём 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 плёнок
многокомпонентных оксидных люминофоров полученных с использованием предложеной
методики. Предложена физическая модель формирования кристаллического состояния плёнок
оксидных люминофоров при лазерном напылении в атмосфере кислорода и установлены
закономерности взаимосвязи между технологическими режимами напыления плёнок 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 свето-лучевого отжига предварительно осажденных аморфних
плёнок 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 плёнок Y1Ba2Cu3O7-х на кремниевых подложках с буферным слоём 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 плёнок 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 плёнка, лазерная
эрозионная плазма, люминесценция, высокотемпературная сверхпроводимость.