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

«Утверждаю» вский 2014 г. ОТЗЫВ ведущей организации на диссертационную работу Фирсовой Натальи Юрьевны «Локальный отжиг излучением фемтосекундного лазера ближнего инфракрасного диапазона и нелинейно-оптическая диагностика микроструктур цирконата-титаната свинца на платинизированной подложке», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.0б — Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники.

В настоящее время исследование свойств гетероструктур, содержащих сегнетоэлектрические слои, является интенсивно развивающимся направлением. Особое место среди них занимают пленки цирконата титаната свинца (РЬ(Хг„Т11 „)Оз или РХТ), сформированные на кремниевьгх подложках для совмещения с основными устройствами микроэлектроники. Данные структуры объединяют в себе традиционные интегральные полупроводниковые схемы и функциональные сегнетоэлектричес кис элементы, такие как сенсоры, датчики, актюаторы и т.д. Одним из важнейших технологических параметров при приготовлении пленок РХТ является температура кристаллизации в фазу перовскита, которая достигает 600— 700'С.

Высокие температуры недопустимы для компонент микроэлектронных структур, изготовленных на кремниевой подложке. Поэтому важной задачей является снижение температуры кристаллизации перовскитной фазы пленок РХТ. Следовательно, проведенные в диссертационной работе исследования основных закономерностей процесса формирования локальных областей сегнетоэлектрической перовскитной фазы в пленках РУТ на платинированной кремниевой подложке являются актуальными. Диссертация состоит из введения, пяти глав с заключениями, общим заключением, списка литературы из 117 наименования.

Основное содержание диссертации изложено на 121 странице. Работа содержит 75 рисунков. В е обоснован выбор объекта исследования, пленочных гетероструктур на основе цирконата титаната свинца. Подробно описаны методы формирования первоскитной структуры в пленках РХТ (различные варианты отжига сегнетоэлектрического слоя после его нанесения на подложку). Рассмотрены особенности взаимодействия фемтосекундного излучения с веществом с целью его использования для локального отжига и одновременной диагностики сегнетоэлектрического состояния. В заключении первой главы определено состояние проблемы и сформулированы задачи исследования.

Во вто ой главе представлено описание объектов исследования, в качестве которых выбраны пленки РХТ состава РЬ(Хгр~дТ1к46)Оъ а также состава, содержащего дополнительно 10 мол ',4 оксида свинца РЬ(Хгс ~4Т1о ~)Оз + 10$'о РЬО. Изложена методика отжига фемтосекундным лазером при фокусировке в области порядка десяти микрон («мягкая» фокусировка) и единиц микрон («жесткая» фокусировка). Приведена методика диагностики кинетики отжига методом генерации второй гармоник (ГВГ) с использованием однолучевой и двулучевой схем.

Рассмотрены методики исследования отожженных областей пленок с помощью оптической, просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопий. В т етьей главе приведены и обсуждаются экспериментальные результаты исследований кинетики процесса кристаллизации пленок РХТ при фемтосекундном лазерном отжиге. В процессе отжига получены временные зависимости интенсивности ГВГ при различной плотности мощности излучения и длительности воздействия.

Определены пределы поверхностной плотности потока энергии излучения с длиной волны 800 нм и 1040 нм с длительностью импульса 100 фс, обеспечивающие недеструктивную кристаллизацию тонкопленочного пирохлорно го РУТ-прекурсора в сегнетоэлектрическую фазу. В четве той главе описаны результаты исследований микроструктуры и сегнетоэлектрических свойств пленок РХТ после завершения лазерного отжига. Получена топография поверхности методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

Внутренняя микроструктура пленок исследована просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ) на их поперечном разрезе, полученном сфокусированным ионным пучком. Приведен анализ результатов отжига, полученный методами линейной и нелинейной оптической микроскопии. Получен локальный пьезоэлектрический отклик и исследована переключаемость сегнетоэлектрической поляризации перовскитных микрообластей отожженных пленок, В пятой главе приведены результаты моделирования пространственного распределения температуры при отжиге фемтосекундным многоимпульсным лазерным излучением. С помощью программного пакета СОМЯ01.

Ми16рЬуз1сз® Моде11па эой~чаге получено двумерное сечение температурного профиля в структуре РХТ/Р~/Я02/Я и одномерное сечение температурного профиля в центре лазерного пятна в структуре РХТ/Р1/Я02/Я. Анализ диссертационной работы Фирсовой Н.Ю. показал, что соискателем проделана большая экспериментальная работа и проведено теоретическое обоснование полученных интересных данных по процессам локальной кристаллизации в пленках цирконата титаната свинца.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в работе хорошо апробированных методик, что позволило автору получить ряд новых данных и провести их анализ на основе современных представлений о физических процессах в пленочных структурах на основе РХТ. Среди наиболее значимых практических результатов диссертационной работы можно выделить следующие: 1. Предложена методика локального отжига излучением фемтосекундного лазера ближнего инфракрасного диапазона пленок цирконата титаната свинца, предварительно осажденных на «холодную» платинированную кремниевую подложку методом высокочастотного магнетронного распыления.

Пределы поверхностной плотности потока энергии излучения с длиной волны 800 нм и 1040 нм длительностью импульса 100 фс, обеспечивающие недеструктивную кристаллизацию тонкопленочного пирохлорного РХТ-прекурсора в сегнетоэлектрическую фазу, составляют 0,9 + 1,2 и 0,1 —: 0,2 МВт/см, 2 соответственно. 2. Исследования кинетики фемтосекундного отжига показали, что процесс кристаллизации перо в скитных областей может продолжаться и после прекращения воздействия лазерного излучения.

Однолучевая схема позволяет проводить исследования только в процессе отжига, поэтому для исследования кинетики предпочтительнее использовать двухлучевую схему, позволяющую проводить исследования на всех этапах отжига и последующей кристаллизации. 3. Разработана методика диагностики качества отожженных пленок РХТ на основе микроскопии генерации второй гармоники. Установлено соответствие нелинейной восприимчивости в локальных отожженных областях с аналогичной величиной для пленки, изотермически отожженной в печи.

Обнаружено, что данные локальные отожженные области обладают переключаемой поляризацией. Таким образом, показана достаточность нелинейно-оптической диагностики для определения качества сегнетоэлектрической микроструктуры. 4. Методом ПЭМ установлена чашеобразная геометрия отожженных областей. Ди фракционные картины от центра отожжен ной области свидетельствуют о присутствии только перовскитных зерен.

Обнаружено отслоение пленки от нижнего слоя платины на некотором расстоянии по обе стороны от области лазерного отжига, что указывает на появление значительных напряжений и термическом расширении пленки. 5. Проведены исследования влияния времени отжига на процесс кристаллизации, структуру и функциональные (сегнетоэлектрические) свойства отожженных микроструктур. Сравнение нелинейно-оптичеких изображений областей, отожженных за различное время, показало, что увеличение времени отжига приводит к образованию кольцевых перовскитных структур с дефектным центром. б. Исследованы возможные механизмы кристаллизации пленок РХТ при отжиге микроструктур фемто секундным лазерным ИК излучением.

Установлена связь между параметрами лазерного излучения и температурой платиновой подложки, нагреваемой излучением. Показано, что по мере увеличения плотности мощности лазерного излучения и температуры подложки вначале происходит двух стадийная кристаллизация, затем одностадийная взрывная кристаллизация и, наконец, происходит «переотжиг», заключающийся в переходе от кристаллизации взрывного типа на краях к абляции в центре лазерного пятна. Представленные в заключении выводы работы являются обоснованными и соответствуют защищаемым положениям.

Представленный автореферат соответствует содержанию диссертации. Однако по диссертационной работе Фирсовой НЛО. имеется ряд вопросов и замечаний. 1. Не вполне ясен выбор длины волны излучения для отжига пленок РУТ. В диссертации сказано, что излучением нагревается платина, которая в свою очередь передает тепло пленке. Хотя известно, что в ИК-области платина отражает 96',4 излучения, тогда как в видимом диапазоне — 70'.4.

Поэтому было бы логичнее осуществлять нагрев с использованием излучения видимого диапазона. 2. В диссертации указано, что использовались пленки толщиной 0,1 †: 1 мкм. Однако все результаты по кинетике кристаллизации пленок РУТ приведены без указания их толщины, а она может оказывать существенное влияние на протекание процесса кристаллизации. 3. Пределы поверхностной плотности потока энергии излучения с длиной волны 800 нм и 1040 нм длительностью импульса 100 фс, обеспечивающие недеструктивную кристаллизацию тонкопленочного пирохлорного РХТ- прекурсора в сегнетоэлектрическую фазу, составляют 0,9 + 1,2 и 0,1 + 0,2 МВт/см, соответственно.