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

МИНОБРНАУКИ РОССИИФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования"Московский государственный технический университет радиотехники,электроники и автоматики"МГТУ МИРЭАНа 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 техникиДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель д.ф-м.н., проф. Е.Д.

МишинаМосква – 20141ОглавлениеВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 5ГЛАВА 1 ТОНКИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ ЦИРКОНАТАТИТАНАТА СВИНЦА (PZT): ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ .................................. 111.1. Тонкие сегнетоэлектрические пленки PZT ............................................ 111.1.1. Применение тонких пленок PZT в устройствах микроэлектроники......................................................................................................................... 121.1.2 Традиционные методики отжига........................................................

171.1.3 Микроволновый отжиг ........................................................................ 231.2. Лазерный отжиг......................................................................................... 271.2.1 Эксимерный лазер................................................................................ 281.2.2. CO2 лазер............................................................................................. 311.2.3 Полупроводниковый лазер ................................................................

321.3. Фемтосекундное лазерное излучение ..................................................... 341.3.1 Особенности взаимодействия фемтосекундного излучения свеществом ...................................................................................................... 351.4. Нелинейно-оптическая диагностика сегнетоэлектриков ...................... 381.4.1.

Общие вопросы генерация второй оптической гармоники ............ 381.4.2. Применение ГВГ для исследования фазовых переходов ............... 391.4.3. Определение абсолютных значений нелинейной восприимчивости......................................................................................................................... 431.5. Механизмы процессов отжига и их моделирование ............................. 461.6. Элементы электронной техники, для которых необходим локальныйотжиг сегнетоэлектрических микроструктур................................................ 491.7.

Заключение по Главе 1. Основные задачи диссертационной работы . 51ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ ..................................... 532.1. Описание образцов ................................................................................... 532.2. Методика отжига фемтосекундным лазером ......................................... 562.2.1 Фокусировка в область порядка десяти микрон («мягкаяфокусировка») ...............................................................................................

572.2.2 Фокусировка в область порядка единиц микрон («жесткаяфокусировка») ............................................................................................... 5922.3. Методика диагностики кинетики отжига методом ГВГ ....................... 622.3.1 Однолучевая схема .............................................................................. 622.3.2 Двулучевая схема .................................................................................

632.4. Методика исследования отожженных областей пленок ....................... 652.4.1. Оптическая микроскопия ................................................................... 652.4.2. Просвечивающая электронная микроскопия ...................................

672.4.3 Атомно-силовая микроскопия пьезоотклика .................................... 692.5. Заключение по Главе 2 ............................................................................. 70ГЛАВА 3 КИНЕТИКА ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПЛЕНОК PZTПРИ ФЕМТОСЕКУНДНОМ ЛАЗЕРНОМ ОТЖИГЕ ..................................... 723.1 Отжиг излучением с длиной волны 1040 нм........................................... 723.2Отжиг излучением с длиной волны 800 нм ......................................... 733.3 Заключение по Главе 3 ..............................................................................

76ГЛАВА 4 МИКРОСТРУКТУРА И СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕСВОЙСТВА ОТОЖЖЕННЫХ СТРУКТУР..................................................... 784.1 Топография поверхности пленок PZT, отожженных фемтосекунднымлазером .............................................................................................................. 784.2. Внутренняя микроструктура отожженных пленок ............................... 814.3 Результаты оптической микроскопии ......................................................

824.3.1 Линейно-оптические изображения .................................................... 844.3.2 Нелинейно-оптические изображения ............................................... 874.3.2 Сравнение линейно- и нелинейно-оптических изображенийотожженных областей .................................................................................. 894.4 Оценка величины нелинейно-оптической восприимчивости ............... 924.5 Пьезоотклик и переключаемость сегнетоэлектрической поляризацииперовскитных микрообластей отожженных пленок .................................... 934.6 Сопоставление результатов.

Критерий качества кристаллизациипленок PZT........................................................................................................ 964.7 Заключение по Главе 4 ..............................................................................

97ГЛАВА 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ПЛЕНКИ PZTВ ПРОЦЕССЕ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ОТЖИГА ................. 9935.1 Моделирование пространственного распределения температурногопрофиля ............................................................................................................. 995.2. Моделирование процесса отжига ....................................................... 1025.3. Заключение по Главе 5 ...........................................................................

105ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................. 107СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................................ 1094ВВЕДЕНИЕТонкоплёночные 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.Лазерныйотжигприменяетсядлялокальнойкристаллизацииаморфных пленок в сегнетоэлектрическую фазу с целью минимизироватьнагрев элементов, окружающих функциональную область. Для этоиспользуются эксимерные или CO2 лазеры. В обоих случаях поглощение, аследовательно 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 всеширеиспользуютсяфемтосекундногофемтосекундныелазерногоотжигалазеры.определяютсяПреимуществаособенностямивоздействия 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, окружающиеобласть облучения, не изменяют своих свойств.

Второй особенностьюиспользованияфемтосекундныхлазеровявляетсявысокаястепеньрадиальной однородности одномодового гауссова пучка, в связи с чемтемпературный профиль также является пространственно-однородным, и,следовательно,кристаллизации)областьтакжевоздействияпредставляетсимметричной формы.5(внашемсобойслучаеобластьобластьправильнойИспользование одномодового фемтосекундного лазера с длинойволны, попадающей в область прозрачности пленки и, в то же время, вобласть поглощения 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 отжигув печи, поскольку нагрев пленки осуществляется со стороны платины. Вовторых, 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.Цельюнастоящейзакономерностейработыпроцессаявляетсяисследованиеосновныхлокальныхобластейформированияперовскитной фазы в пленках сегнетоэлектрических материалов прифемтосекундном лазерном отжиге.Для достижения поставленной цели в работе сформулированыследующие задачи:1.

разработать методику исследования кинетики кристаллизации insitu в процессе лазерного отжига для формирования локальных областейперовскитной фазы в сегнетоэлектрических тонких пленках цирконататитаната свинца, предварительно осажденных методом высокочастотногомагнетронногораспыленияна«холодную»платинизированнуюкремниевую подложку;2. исследовать влияние параметров лазерного излучения (плотностимощности, длины волны) и времени отжига на процесс кристаллизации,структуру и функциональные (сегнетоэлектрические) свойства отожженныхмикроструктур с использованием в том числе методов нелинейно6оптическойex-situдиагностики,установитьпределыпараметров,обеспечивающих кристаллизацию в сегнетоэлектрическую фазу;4.

определить величину нелинейной восприимчивости отожженныхмикроструктур;5. установить критерии качества отожженных сегнетоэлектрическихмикроструктур на основе нелинейно-оптической диагностики;6. определить возможные механизмы кристаллизации.Всеключевыеисследованияметодомнелинейно-оптическоймикроскопии, электронной и конфокальной микроскопии, а также лазерныйотжиг сегнетоэлектрических наноструктур были выполнены автором лично.Осаждение пленок-прекурсоров PZT на подложки с предварительнонанесеннымнижнимплатиновымэлектродомсподслоемтитанапроводился методом магнетронного распыления в Физико-техническоминституте им.