Диссертация (1090573), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Величину V можно оценить как на основематериальных констант, так и из экспериментальных кривых.Будем считать, что кристаллизация происходит по всей толщинепленки, то есть распространяющаяся волна переброса является двумерной.Вектор распространения такой волны направлен вдоль радиуса лазерногопятна (рисунок 35).102ОбластьоблученияприотжигеВолнаперебросаперовскитr=VtАморфная фазаРисунок 35. Схематическое изображение распространения волны переброса,а также взаимное расположение области кристаллизованной к моменту tобласти и лазерного пятна, представленного в виде Гауссовой функции.Радиус области, кристаллизованной в перовскитную фазу меняется современем по закону r=Vt.Лазерное пятно остается неподвижным инеизменным при отжиге/диагностике, пространственное распределениеплотности мощности в нем описывается гауссовой функцией r2 A0I=exp − 2 , где w-полуширина гауссовой функции наw w полувысоте.Тогда интенсивность второй гармоники определяетсяинтегрированием свертки площади перовскитной фазы и пространственногораспределения плотности мощности падающего излучения: Vt A0 r2 Vt I (t ) ∝ ∫ exp − 2 dt = A02 π Erf w w 0 w2ω103(23)85I 2ω/WL2, arb.
unitsI 2ω/WL2, arb. units(a)6A = 1.3;V = 1.5;S=1142(b)432A = 1.1;V = 1;S=33100,00,20,40,60,801,00,0Time, s0,20,40,60,81,0Time, sРисунок 36. Аппроксимация временных зависимостей, соответствующих«быстрому» отжигу. Параметры аппроксимации указаны на рисунках.Начальныйучастоккривыхдляобоихслучаевописываетсядостаточно хорошо, хотя скорость нарастания кристаллической фазы приэтом различна: 1.5 мкм/с (а) и 1.0 мкм/с (б).5.2.2 «Медленная» кристаллизацияПосле выключения отжигающего излучения (при t=τA, Рис.20а),происходит резкое (на временах порядка или меньше 0.1 s) охлаждение (докомнатной температуры) пленки PZT включая и перовскитную фазу и слойPt и соответствующее резкое уменьшение их объема.
Благодаря большемукоэффициент PZT испытывает ударное сжимающее напряжение. Можнопредположить, что это ударное уменьшение энергии активации запускаетмедленную волну взрывной кристаллизации, распространяющуюся вобласть PZT от областей перовскитной фазы. В этих условиях волнакристаллизации (волна переброса фазы) может распространяться ваморфную область при комнатной температуре за счет выделения скрытойтеплоты кристаллизации на ее фронте.
Это объясняет наличие участкамедленного роста сигнала ВГ после выключения облучения. Описанный104эффектярковыражендляслучаякороткоговремениотжига,представленного на рис. 20 (а).Моделированиевэтомслучаеможнопроводить,используясоотношения (8)-(10), однако с уменьшенной энергией активации. Но в этомслучае неизвестной является также постоянная времени релаксации, котораятакже входит в показатель экспоненты, в связи с чем разделить этипараметры при подгонке невозможно.Поэтому аппроксимация в этом случае возможна с использованиемвыражения (10) без определения констант процесса, результат представленна рис.
37. Полученный коэффициент к=0.8 с-1.14(a)I 2ω/WL2, arb. units121086k=0.842τA00123456time (s)Рисунок37.Аппроксимациясоответствующей «медленному» отжигувременнойзависимости,5.3. Заключение по Главе 5Результаты моделирования, проведенного в пределах выбранноймодели методом конечных элементов в программном пакете COMSOLMultiphysics® Modeling Software, показывают, что перепад температур насубмикроннойтолщинепленкиприотжигемногоимпульснымфемтосекундным лазерным излучением составляет величину около 1000С.105Это распределение существенно более однородно по сравнению саналогичными результатами, полученными другими исследователями дляотжига эксимерным лазером с наносекундной длительностью импульса.Однако следует учесть, что нагрев фемтосекундным лазером приводит кнекоторому возрастанию температуры в центре отжигаемой области, атакже к избыточному, по сравнению со случаем эксимерного лазера,нагреву кремниевой подложки.
И, хотя такой нагрев не являетсякритическим для кремниевых элементов и не приводит к разрушениюструктуры или заметному искажению ее свойств, эта особенность требуетвключения в структуру термоизолирующего слоя.Приведенные выше данные соответствуют условиям применимостикристаллизационно-деформационно-тепловой модели В.И. Емельянова дляописания процесса кристаллизации сегнетоэлектрической пленки наметаллизированной подложке.
С использованием этой теории былопоказано, что при сверхмалых временах отжига (до 1 с) процесскристаллизации проходит двухстадийно. Первая стадия («быстрая»)соответствует взрывной кристаллизации в результате быстрого перегреваобразца в начале облучения. При этом в пленке возникает волна перебросатемпературы,распространяющаясявдольрадиусалазерногопятна,определяющая переход из аморфной фазы в кристаллическую.
Вторая(«медленная») стадия отжига, возникающая после прекращения облучения,может объясняться возникновением ударного сжимающего напряжения приостывании ха счет разных коэффициентов теплового расширения пленки иплатинового электрода. В этих условиях волна кристаллизации (волнапереброса фазы) может распространяться в аморфную область прикомнатной температуре за счет выделения скрытой теплоты кристаллизациина ее фронте.106ЗАКЛЮЧЕНИЕВ соответствии с поставленной целью и задачами исследования подиссертационной работе сделаны следующие выводы:1.Разработанаметодикалокальногоотжигаизлучениемфемтосекундного лазера ближнего инфракрасного диапазона микроструктурцирконата-титаната свинца в пленке, предварительно осажденной методомвысокочастотногомагнетронногоплатинизированнуюраспылениякремниевуюподложку,на«холодную»установленыпределыпараметров лазерного излучения, обеспечивающих кристаллизацию всегнетоэлектрическую фазу.2.Разработана методика мониторинга кинетики кристаллизацииin-situ в процессе лазерного отжига для формирования локальных областейперовскитной фазы в сегнетоэлектрических тонких пленках цирконататитаната свинца.3.Разработанаметодикадиагностикикачестваотожженныхмикроструктур на основе микроскопии генерации второй гармоники,показано соответствие областей с величиной нелинейной восприимчивости,совпадающей с аналогичной величиной для пленки, изотермическиотожженнойвпечи,сточностьюсобластямипереключаемойдиэлектрической поляризации; таким образом показана достаточностьнелинейно-оптическойдиагностикидляопределениякачествапараметровлазерногосегнетоэлектрической микроструктуры.4.Проведеныисследованиявлиянияизлучения (плотности мощности, длины волны) и времени отжига напроцесскристаллизации,структуруифункциональные(сегнетоэлектрические) свойства отожженных микроструктур.5.Определеныотожженныхвеличинымикроструктур,нелинейнойпостроенывосприимчивостикартынелинейнойвосприимчивости; проведено сравнение с пленками PZT, отожженнымиизотермически в печи.1076.Установленыкритериикачестваотожженныхсегнетоэлектрических микроструктур на основе нелинейно-оптическойдиагностики,сформулированныепространственномураспределениюследующим–гауссовобразом:профильпосеченияинтенсивности второй гармоники по площади отожженной области;величина нелинейной интенсивности в максимуме (в центре) отожженнойобласти составляет от 30 до 80 пм/В.7.Исследованывозможныемеханизмыкристаллизацииприотжиге микроструктур фемтосекундным лазерным излучением, установленасвязь между параметрами лазерного излучения и температурой платиновойподложки, являющейся источником тепла; установлено, что по мереувеличения плотность мощности лазерного излучения и температурыподложки вначале происходит двухстадийная кристаллизация (перваяпроисходит по взрывному типу и описывается в рамках модели CDT, втораяописываетсяврамкахмоделигомогеннойкристаллизации);затемпроисходит одностадийная взрывная кристаллизация, описываемая в рамкахмодели CDT, и, наконец, происходит «переотжиг», заключающийся впереходе от кристаллизации взрывного типа на краях к абляции в центрелазерного пятна.Предложенные методики существенно увеличивает контролируемостьпроцесса лазерного отжига и могут быть использованы не только длясегнетоэлектриков,ноидляширокогокругаматериалов,кристаллизующихся в нецентросимметричную фазу.
Результаты работы вцеломмогутбытьиспользованынапредприятияхэлектроннойпромышленности, занимающихся разработкой и изготовлением микросхемс использованием сегнетоэлектрических материалов.108СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ1.V.I. Emel'yanov, I.M. Panin, Heat "Superemission" and Nucleation-FrontPropagation Laser-Induced Crystallization of Thin Amorphous Films //Appl. Phys. 1993. V.A57. P.561-566.2.Емельянов В.И., Сумбатов A.A. Кристаллизационно-деформационнотепловая неустойчивость и образование упорядоченных структур прилазерной кристаллизации // Поверхность.
1988. №7. С.122-133.3.Лайнс М., Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы[Текст] / Москва: Мир, 1981. С.736.4.Paz de Araujio C.A., Taylor G. Integrated Ferroelectrics. // Ferroelectrics.1991. V.116. P.215-228.5.Scott J.F. Application of modern ferroelectrics.
// Science. 2007. V.315,P.954-961.6.Scott J. F., Paz de Araujo C.A. Ferroelectric Memories // Science. 1989. V.246. P.1400-1405.7.Setter N., Damjanovic D., Eng L., Fox G. et al. Ferroelectric thin filmsreview of materials, properties, and applications. // Journal of AppliedPhysics. 2006. V.100. 051606 (1-46).8.Izyumskaya N., Alivov Y.-I., Cho S.-J., Morkoç H., Lee H., Kang Y.-S.Processing, structure, properties, and applications of PZT thin films. //Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2007.
V.32. P. 111202.9.Watanabe H., Mihara T., Paz de Araujo C.A. Device effects of varios Zr/Tiratios of PZT thin-films prepared by sol-gel method // IntegratedFerroelectrics. 1992. V.1. P.293-304.10.Hren P.D., Rou S.H., Al-Shareef H.N., Ameen M.S., Auciello O., KingonA.I. Bottom electrodes for integrated Pb(Zr,Ti)O3 films // IntegratedFerroelectrics. 1992. V.2. P.311-325.11.Tagantsev A.K., Stolichnov I., Colla E. L., and Setter N. Polarizationfatigueinferroelectricthinfilms:109basicexperimentalfindings,phenomenological scenarios, and microscopic features // J. Appl.
Phys.2001. V. 90. P.1387-1402.12.Tagantsev A.K., Gerra G. Interface-induced phenomena in polarizationresponse of ferroelectric thin films // J.Appl.Phys. 2006. V.100. 051607.13.Rosenman G, Beker P, Koren I, Yevnin M, Bank-Srour B, Mishina E,Semin S. Bioinspired peptide nanotubes: deposition technology, basicphysics and nanotechnology applications. Journal of Peptide Science. 2011.V.17, I .2. P.75-87.14.Shirane B.G., Suzuki K., Takeda A. Phase transitions in solid solutions ofPbZrO3 and PbTiO3 (II). X - ray study. // Journal of Physic Society ofJapan.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
