Автореферат (Локальный отжиг излучением фемтосекундного лазера ближнего инфракрасного диапазона и нелинейно-оптическая диагностика микроструктур цирконата-титаната свинца на платинизированной подложке)

На правах рукописиФирсова Наталья ЮрьевнаЛОКАЛЬНЫЙ ОТЖИГ ИЗЛУЧЕНИЕМ ФЕМТОСЕКУНДНОГОЛАЗЕРА БЛИЖНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА ИНЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА МИКРОСТРУКТУРЦИРКОНАТА-ТИТАНАТА СВИНЦА НА ПЛАТИНИЗИРОВАННОЙПОДЛОЖКЕ05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников,материалов и приборов электронной техникиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 20141Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский государственный технический университет радиотехники,электроникии автоматики», на кафедре физики конденсированногосостоянияНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорМишина Елена ДмитриевнаОфициальные оппоненты:Сидоркин Александр Степанович, доктор физико-математических наук,профессор,федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образования «Воронежскийгосударственныйуниверситет»,физическийфакультет,кафедраэкспериментальной физики, профессор.Тимошенков Сергей Петрович, доктор технических наук, профессор,федеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшегопрофессиональногообразования«Национальныйисследовательский университет «МИЭТ», кафедра микроэлектроники,заведующий кафедрой.Ведущая организация:федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшегопрофессионального образования «Тверскойгосударственный университет»Защита состоится «» декабря 2015 г.

в 16 ч. 00 м. на заседаниидиссертационного совета Д212.131.02 в МГТУ МИРЭА по адресу: 119454, г.Москва, проспект Вернадского, 78.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ МИРЭА по адресу:119454, г. Москва, проспект Вернадского, 78. Автореферат диссертацииразмещен на сайте МГТУ МИРЭА www.mirea.ruАвтореферат разослан «_____» _______________2014 года.Ученый секретарьдиссертационного советаЮрасов Алексей Николаевич2Общая характеристика работыАктуальность темыТонкоплёночные сегнетоэлектрические структуры составляют основунового поколения устройств микро- и наноэлектроники и микросистемнойтехники. Для перехода аморфной или пирохлорной плёнки в перовскитную(сегнетоэлектрическую) фазу её подвергают отжигу.

В подавляющембольшинстве технологий используется термический отжиг в печи, в томчисле с программируемым быстрым изменением температуры.Лазерный отжиг применяется для локальной кристаллизацииаморфных пленок в сегнетоэлектрическую фазу с целью минимизироватьнагрев элементов, окружающих функциональную область. Для этогоиспользуются эксимерные или CO2 лазеры. В обоих случаях поглощение, а,следовательно, и отжиг, происходят в тонком приповерхностном слоепорядка десятка нанометров.

Кроме этого, модовая структура пятна этихлазеров не позволяет локализовать отжиг в субмикрометровой области.В последние годы для отжига материалов, прежде всего кремния всеширеиспользуютсяфемтосекундныелазеры.Преимуществафемтосекундноголазерногоотжигаопределяютсяособенностямивоздействия на твердое тело ультракоротких световых импульсов: процессынагрева, термализации и релаксации электронной и решеточных подсистемпроисходят с различными постоянными времени. Это приводит к тому, чтотепловое воздействие является более локализованным, чем при облучениилазерами с более длительным воздействием, и области, окружающие областьоблучения, не изменяют своих свойств.

Второй особенностью использованияфемтосекундных лазеров является высокая степень радиальнойоднородности одномодового гауссова пучка, в связи с чем температурныйпрофиль также является пространственно однородным, и, следовательно,область воздействия (в нашем случае область кристаллизации) такжепредставляет собой область правильной симметричной формы.Использование одномодового фемтосекундного лазера с длиной волны,попадающей в область прозрачности пленки и, в то же время, в областьпоглощения платины, для отжига сегнетоэлектрической пленки наплатинизированной подложке является совершенно новым подходом кпроблеме лазерного отжига. Такой метод позволяет одновременно решитьтри задачи. Во-первых, приблизить условия отжига к термическому отжигу впечи, поскольку нагрев пленки осуществляется со стороны платины.

Во3вторых, нагрев производится локально с гауссовым распределениемтемпературы по радиусу лазерного пятна. В третьих, использованиефемтосекундноголазерапозволяетдиагностироватьобразованиесегнетоэлектрической фазы в процессе отжига. В основе такой диагностикилежит метод генерации второй оптической гармоники (ГВГ), являющийсяэффективным методом исследования фазовых переходов, в том числекристаллизации в перовскитную фазу.Все вышеизложенное и определило цель и задачи диссертационнойработы.Цель и задачи исследованияЦелью настоящей работы является исследование основных закономерностейпроцесса формирования локальных областей перовскитной фазы в пленкахсегнетоэлектрических материалов при многоимпульсном фемтосекундномлазерном отжиге.Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующиезадачи:1.

Разработать методику исследования кинетики кристаллизации in-situ впроцессе многоимпульсного фемтосекундного лазерного отжига дляформированиялокальныхобластейперовскитнойфазывсегнетоэлектрических тонких пленках цирконата-титаната свинца,предварительно осажденных методом высокочастотного магнетронногораспыления на «холодную» платинизированную кремниевую подложку.2. Исследовать влияние параметров многоимпульсного фемтосекундноголазерного излучения (плотности мощности, длины волны) и времени отжиганапроцесскристаллизации,структуруифункциональные(сегнетоэлектрические)свойстваотожженныхмикроструктурсиспользованием, в том числе, методов нелинейно-оптической ex-situдиагностики,установитьпределыпараметров,обеспечивающихкристаллизацию в сегнетоэлектрическую фазу.4.

Определитьмикроструктур.величинунелинейнойвосприимчивостиотожженных5. Установить критерии качества отожженных сегнетоэлектрическихмикроструктур на основе нелинейно-оптической диагностики.6. Определить возможные механизмы кристаллизации.4Методы исследованияОсаждение пленок-прекурсоров PZT на подложки с предварительнонанесенным нижним платиновым электродом с подслоем титана проводилсяметодом магнетронного распыления (ФТИ им.

А.Ф. Иоффе РАН, СанктПетербург).Локальная кристаллизация микроструктур пленок PZT осуществляласьс использованием многоимпульсного излучения с длительностью импульса100 фс, и длиной волны 800 нм и 1040 нм со средней мощностью от 0.01 до 1Вт. Для получения микроструктур излучение фокусировалось сиспользованием оптической системы на изготовленном стенде (2-5 мкм) илис использованием конфокального микроскопа (1-0.5 мкм).

Нелинейнооптическая диагностика проводилась на длине волны второй гармоники insitu в процессе отжига либо в однолучевой, либо в двухлучевой схеме, ex-situ– в конфокальном микроскопе. Нелинейно-оптические измерениясопровождались стандартными структурными исследованиями: атомносиловая микроскопия, электронная растровая микроскопия, электроннаяпросвечивающая микроскопия (в ИК им. А.В.

Шубникова РАН),сканирующая оптическая (линейная) микроскопия. Кроме того, дляопределения функциональность полученных образцов исследоваласьпереключаемость диэлектрической поляризации отожженных областейметодом атомно-силовой микроскопии в пьезомоде (в МИСиС иУниверситете г. Авейро, Португалия).Моделирование лазерного нагрева проводилось с использованиемкоммерческого программного пакета COMSOL Multiphysics. Расчет кинетикипроцесса кристаллизации проводился с использованием кристаллизационнодеформационно-термической модели В.И. Емельянова (crystallizationdeformation-thermal (CDT)) [1,2].Научные положения, выносимые на защиту1.Пределы по плотности мощности излучения с длиной волны 800нм и длительностью импульса 100 фс, обеспечивающие недеструктивнуюкристаллизацию тонкопленочного пирохлорного PZT-прекурсора всегнетоэлектрическую фазу, составляют 0.9 МВт/см2<W<1.2 МВт/см2, то жес длиной волны 1040 нм – 0.1 МВт/см2<W<0.2 МВт/см2; меньшая плотностьмощности не обеспечивает кристаллизацию, большая приводит кдеструктивным изменениям платинизированной подложки;52.Пределы по времени отжига с использованием излучения сдлиной волны 800 нм и длительностью импульса 100 фс, обеспечивающиенедеструктивную кристаллизацию тонкопленочного пирохлорного PZTпрекурсора в сегнетоэлектрическую фазу, составляют 0.3 с <t<5 с, то же сдлиной волны 1040 нм – 5-20 мин.3.Установлена максимальная величина нелинейно-оптическойвосприимчивости отожженной микроструктуры 98±5 пм/В, что соответствуетэкспериментальным значениям для этой величины в пленке, отожженнойизотермически в печи 80±5 пм/В.4.Минимально достигнутый латеральный размер переключаемойперовскитной микроструктуры, полученной методом фемтосекундноголазерного отжига составляет 3 мкм; без переключения – 0.3 мкм; установлена«чашеобразная» геометрия отожженных областей.5.Наиболее вероятным механизмом является механизм взрывнойкристаллизации.

При сверхмалых временах отжига (до 1 с) процесскристаллизации проходит двухстадийно с переходом от взрывной всамоподдерживающуюся при прекращении облучения.Достоверность полученных результатов обусловлена использованием современных методов и оборудования для получения и анализаэкспериментальных материалов.

Результаты работы не противоречат идополняют ранее полученные данные других авторов.Научная новизна защищаемых положений и других результатов работыНовизна первого и второго защищаемых положений состоит вэкспериментальнойреализацииотжигамикроструктурыЦТСмногоимпульсным фемтосекундным лазерным излучением ближнего ИКдиапазона, определении параметров лазерного излучения (длины волны,плотности мощности) и длительности отжига, обеспечивающихнедеструктивную кристаллизацию в перовскитную фазу.Новизна третьего защищаемого положения состоит в определениилокального (с пространственным разрешением 0.4 мкм) значения нелинейнойвосприимчивости сегнетоэлектрических структур ЦТС, отожженныхфемтосекундным лазерным излучением.Новизна четвертого защищаемого положения состоит в получениилокальных сегнетоэлектрических областей в пирохлорной матрице с6латеральным размером, существенно меньшим, чем размер, определяемыйдифракционным пределом.Новизна пятого защищаемого положения заключается в выявлении наоснове кинетики второй гармоники механизмов кристаллизации, в частности,обнаружение самоподдерживающейся кристаллизации.Научная ценностьЭкспериментальная реализация двулучевой схемы фемтосекундноголазерного отжига с одновременной диагностикой процесса кристаллизациипо генерации второй гармоники демонстрирует возможность выявленияразличных типов кристаллизации на основе кинетики интенсивности второйгармоники.Предложенная модель взрывной кристаллизации при лазерном отжиге,обнаруженной ранее только в кремнии, качественно объясняет кинетикуобразования перовскитной фазы, что важно как для описания исследуемогопроцесса, так и для обобщения модели.Практическая значимостьрезультатов работызащищаемыхположенийидругих1.Показана возможность формирования субмикрометровыхсегнетоэлектрических структур на платинизированной подложке путем ихотжига фемтосекундным лазерным излучением ближнего ИК диапазона, чтопредставляет интерес для формирования многослойных интегральных схем,для которых нежелателен общий нагрев до температуры отжигасегнетоэлектрика, составляющей величину порядка 600-700 оС.