Диссертация (1090573), страница 9
Текст из файла (страница 9)
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 нелинейнооптическойex-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.52ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ2.1.
Описание образцовНа структуру и физические свойства тонких пленок PZT оказываютвлияние как нижний электрод, так и подложка. При формированиимногослойных тонкопленочных структур обычно принимается во вниманиефизико-химическаяподложки.совместимостьНаличиематериаловсегнетоэлектрическойотдельныхпленкивслоевимногослойныхструктурах существенно ограничивает число материалов, обеспечивающихтехнологическуюифизико-химическуюсовместимость.Основнымипричинами таких ограничений являются высокие температуры (выше500oС) формирования перовскитной фазы сегнетоэлектрической пленки вкислородсодержащей среде, а также их способность к восстановлению ввакууме при осаждении последующих слоев.При выборе материала подложки, в первую очередь, оцениваласьустойчивость физических и химических свойств в процессе температурнойобработки.
Поэтому ограничения при выборе подложек касаются восновном максимально допустимых температур, качества обработкиповерхности, а также адгезионных свойств электродного слоя, осаждаемогона подложку. Целесообразно также использовать подложки, которыеоказываюториентирующеевоздействиенаэлектродныйслойисегнетоэлектрическую пленку. В этом случае мы можем получатьразличную ориентацию пленок PZT, от которой зависят физическиесвойства исследуемых пленок.Таким образом, были к материалу подложки для пленки PZT былипредъявлены следующие требования в данном эксперименте, более этогоданныетребованияявляютсятакжеважнымидляцелогорядамногослойных структурах с сегнетоэлектрическими пленками:1.должнамаксимально допустимая температура материала подложкипревышатьтемпературу,необходимую53дляформированияперовскитной фазы пленки PZT;2.материалы подложки и формируемых слоев должны бытьблизки по структуре и параметрам кристаллической решетки;3.подложкитемпературный коэффициент линейного расширения материаладолженбытьблизокпозначениюктемпературномукоэффициенту линейного расширения материалов, наносимых на этуподложку;4.материал подложки должен иметь высокую химическуюстойкость;5.с прикладной точки зрения, желательно, чтобы подложкамислужили материалы, активно использующиеся в микроэлектронике.Пластиныкристаллическогокремния,которыеиспользовать в настоящей работе в качествепредполагаетсяподложки, отвечаетвышеперечисленным требованиям.В качестве нижнего электрода тонкопленочной сегнетоэлектрическойструктуры целесообразно использовать:1.химически максимально инертные проводящие материалы;2.проводящиематериалы,обладающиевысокойэлектропроводностью;3.проводящие материалы, кристаллическая структура которых (втом числе, параметры решетки) соответствовала бы кристаллическойструктуре пленок PZT.Такими свойствами обладают некоторые проводящие оксиды иметаллы платиновой группы, и в первую очередь, сама платина, которая ибыла выбрана в качестве материала электродов [20-26].Таким образом, для отжига изготавливались образцы, схема которыхпредставлена на рисунке 7.54PZTPtSiO2SiРисунок 7.
Структура слоев отжигаемых образцов. Толщины слоев:d(Si) = 300 мкм, d(SiO2) = 300 нм, d(Pt) = 80 нм, d (PZT) = 100 – 1000 нмКак говорилось выше, в системе твердых растворов PZT наиболееинтересной областью является диапазон концентраций Zr(Ti) вблизиморфотропной фазовой границы (МФГ), разделяющей ромбоэдрическую итетрагональную модификации егнетоэлектрической фазы (рис.3). В работебыли использованы мишени ромбоэдрического Pb(Zr0,54Ti0,46)О3 состава, атакже состава, содержащего дополнительно 10 мол% оксида свинца:Pb(Zr0,54Ti0,46)О3+10%PbO.Образцы изготавливались в фтзико-техническом институте им. ИоффеРАН, Санкт-Петербург, в лаборатории И.П. Пронина сотрудником этогоинститута С. Сенкевичем.Осаждение пленок PZT на подложки с предварительно нанесеннымнижнимэлектродомосуществлялосьввакуумнойустановкеВЧмагнетронного распыления типа «ОНИКС».После завершения процесса осаждения подложки охлаждались вместес установкой.
Пленки, осажденные по описанной выше технологии, имелиаморфную структуру. Их толщина составляла 0,1-1 мкм, в зависимости отвремени осаждения. Полученные пленки обладали высокой однородностью(менее 5%) по толщине на подложках площадью 400 мм2.Вкачествемишени,диаметркоторойсоставлял100мм,использовались керамические пластинки PZT, спеченные при температуре1200оС и притертые друг к другу. Применение составной керамической55мишени позволило предотвратить её растрескивание из-за сильногоразогрева в плазме.2.2.
Методика отжига фемтосекундным лазеромОтличие фемтосекундного отжига от всех других видов лазерногоотжига заключается в том, что при сверхбыстром воздействии возбуждениеи релаксация электронной и ионной подсистем описываются различнымидинамическими параметрами, что приводит к изменению результирующейкристаллической структуры. Особенность использования ИК - видимогодиапазона от УФ заключается в том, что в первом случае излучениепопадает в область прозрачности сегнетоэлектрической пленки, а во втором– в край полосы поглощения, в связи с чем механизмы кристаллизацииявляются различными.
В первом случае, скорее всего, воздействие напленку осуществляется опосредованно, через подложку, во втором –напрямую на пленку.Источником излучения для локальной кристаллизации пленок PZT вданной работе служили 2 видафемтосекундных лазеров (производствакомпании «Авеста-Проект», Россия).Таблица 1. Используемые в работе фемтосекундные лазерыИттербиевый лазерТитан-сапфировыйлазерДлина волны, нмЧастота1040800повторений, 70100МГцДлительность импульса, 100100фсСредняя мощность излучения и время воздействия варьировались.Данныепараметрысущественноразличались56сучетомжесткостифокусировки излучения на отжигаемой пленке.
Для фокусировки лазерногоизлучения на образце применялись собирающие линзы с различнымфокусным расстоянием и объектив конфокального микроскопа.2.2.1 Фокусировкафокусировка»)вобластьпорядкадесятимикрон(«мягкаяЛазерный луч при помощи фокусирующей системы фокусируется наобразце. Для фокусировки излучения использовались собирающие линзы сфокусным расстояние от 2 до 5 см. Установка линзы на механическуюмикрометрическую подвижку необходима для установления расстояния доотжигаемойповерхноститочноравногофокусному.Образецустанавливался под углом 45о к ходу луча. Таким образом, угол междупадающим лучом и отраженным (исходной частоты) и, соответственно,генерируемым в среде (удвоенной частоты) составляет 90о.
Построениетакой геометрии, в первую очередь, связано с удобством юстировки схемы.Схема установки представлена на рисунке 8. Для снижения мощностиизлучения на выходе из лазера установлен серый фильтр. Образецзакреплен на автоматизированной микрометрической платформе.Диаметр отожженных областей согласно изображениям, полученнымв растровом электронном микроскопе, составляет порядка 50 мкм (рисунок9).571237564Рисунок 8.
Схема экспериментальной установки для отжига тонких пленокPZT при условии «мягкой фокусировки» . 1- фемтосекундный лазер; 2 –нейтральный фильтр; 3 – собирающая линза на микрометрическойподвижке; 4- отжигаемый образец (на автоматизированной платформе) ; 5 –сине-зеленый фильтр; 6 – фотоэлектронный множитель; 7- счетчик фотоновРисунок 9 – СЭМ изображение области PZT, отожженной при «мягкой»фокусировке лазерного излучения собирающей линзой с фокуснымрасстоянием 5 см.582.2.2 Фокусировка в область порядка единиц микрон («жесткаяфокусировка»)Высокая пиковая мощность фемтосекундных лазеров в сочетании смалой дифракционной расходимостью пучка, позволяет достигать высокойинтенсивности излучения в малом объеме. Высокая пиковая мощностьполучается при достаточно низкой энергиив импульсе.
Это позволяетиспользовать для фокусировки стандартные объективы микроскопов. В товремя как излучение со значительно более высокой энергией в импульсе(например, эксимерных лазеров) повреждает объективы.Лазерное излучение средней мощностью до 400 мВт заводилось вконфокальный микроскоп Alpha S300+ производства компании WITeс(Германия) с помощью системы зеркал. Зеркала располагались намикрометрических подвижках, что необходимо для точной юстировкиэкспериментальнойустановки.Мощностьизлучениялазераплавнорегулировалась делителем пучка.Схема экспериментальной установки для отжига пленок PZT вконфокальном микроскопе представлена на рисунке 10.В микроскопе луч проходит через объектив и фокусируется наобразце.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
