Автореферат (1143287), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Для оценки влияниядефектов подложки на качество пленки объемные дефекты исходнойподложки типа «пустот», вскрытые шлифовкой и полировкой,декорировались пленкой кремния в виде полусферы диаметром единицымикрометров (5,4 мкм на риcунке 11) и высотой до 500 – 700 нм.Рисунок 11 – Морфология пленки Si на дефекте подложкиПроведено исследование лазерного отжига пленки оксида железа(Fe2O3) толщиной около 1 мкм на сапфировой подложке. Оксид железаFe2O3 является одним из газочувствительных материалов химическихсенсоров, предназначенных для обнаружения токсичных веществ в воздухе.Для решения нестационарных уравнений теплопроводности поддействием ЛИ на структуру пленка – сапфир, учитывая граничные условия,применялся численный метод, который заключался в аппроксимациичастныхпроизводныхначальныхдифференциальныхуравненийопределенными конечными разностями.На рисунке 12 приведено распределение температуры в образце присредней мощности ЛИ 90 Вт (длина волны лазера 1064 нм).Рисунок 12 – Распределение температуры в образце при среднеймощности ЛИ 90 Вт (длина волны лазера 1064 нм)22В результате проведенных расчетов определено, что на поверхностипленки Fe2O3 температура будет порядка 800 – 900 К при среднеймощности ЛИ 80 – 90 Вт, что является важным условием для формированияпленки на поверхности сапфировой подложки.
Время роста пленкидостаточно мало, так как поверхность сапфира обладает относительновысокой температурой в течение нескольких наносекунд после лазерногоимпульса.Показано, что при средней мощности ЛИ 70 – 80 Вт на поверхностипленки TiO2 температура будет порядка 650 – 700 К, что относится кнеобходимым условиям формирования пористой структуры пленки.Морфологию структуры пленок Fe2O3 и TiO2 можно изменять путемварьирования мощности ЛИ и температуры, что в результате позволяетперераспределить дефекты в структуре и улучшить качество пленок для ихприменения в тонкопленочной оптике и микроэлектронике.Для улучшения параметров пленки проведены также исследованияпроцессов лазерной обработки структуры пленка Fe2O3 – сапфир в системеANSYS, дающей возможность определять распределение температуры наповерхности образца для различных скоростей перемещения луча лазера.На рисунке 13, а приведена зависимость влияния скоростисканирования луча лазера на максимальную температуру на поверхностипленки оксида железа Fe2O3 на сапфировой подложке.
На рисунке 13, бпредставлена зависимость влияния средней мощности лазерного излученияна максимальную температуру на поверхности пленки Fe2O3 на сапфировойподложке при различной скорости сканирования луча лазера.a)б)Рисунок 13 – Влияние скорости сканирования луча лазера намаксимальную температуру на поверхности структуры пленка Fe2O3 –сапфир (а) и влияние средней мощности ЛИ на максимальную температуруна поверхности структуры пленка Fe2O3 – сапфир (б)Результаты расчетов позволили определить, что температураструктуры пленка Fe2O3 – сапфир нелинейно зависит от скорости23перемещения луча лазера и линейно зависит от средней мощности ЛИ. Врезультате исследований определено, что для средней мощности ЛИ70 – 90 Вт со скоростью луча лазера 5 – 10 мм/с температура наповерхности будет около 500 – 600 0C, что относится к важному условиюдля формирования пленки Fe2O3 на сапфире и обеспечивает максимальныйотжиг дефектов (удаление дислокаций и точечных дефектов).В данной главе диссертации проведено исследование абляциитвёрдого тела при лазерном облучении его границы раздела с жидкостью.Проведены опыты по воздействию лазером на границу раздела«твердое тело/жидкость».
Для выполнения опытов выбраны поглощающиерастворы KMnO4, FeCl3 с высокими коэффициентами поглощения на длиневолны ЛИ. Импульсное лазерное воздействие на границу раздела«прозрачное твердое тело/жидкость» позволило получить на егоповерхности пленки. Структура поверхности образцов исследовалась спомощью сканирующего электронного микроскопа Hitachi SU8000 вИнституте органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (г. Москва).Проведено EDX-SEM исследование образцов с помощью энергодисперсионного спектрометра Oxford Instruments X-max.
С помощьюуглеродного напылителя Cressington 208 для измерения образцыпокрывались тонкой пленкой палладия (толщиной 6 нм).На рисунке 14, а представлены изображения пленки Fe2O3, полученнойпри многократной обработке пластины сапфира (4 прохода) Nd:YAGлазером (мощность 96 Вт) в присутствии воды 3 % раствора FeCl 3.
Массспектры образца представлены на рисунке 14, б.а)б)Рисунок 14 – Изображения пленки Fe2O3 (а) и масс-спектры образца(б)Отмечено, что абляция ЛИ твердых материалов в жидкости относитсяк методам получения микроструктур с характерными размерами, свойства иперспективы применения которых требуют дальнейшего изучения.Эффективным методом модификации поверхности пленок являетсялазерная обработка (отжиг). Применение лазерного отжига позволяетсоздавать поликристаллические пленки, которые перспективны дляиспользования в жидкокристаллических дисплеях, тонкопленочныхтранзисторах, сенсорах и солнечных элементах.24Для создания на сапфировой подложке пленки Fe2O3 использовался3 % раствор хлорида железа FeCl3.
Раствор FeCl3 наносился в лабораторныхусловиях ракельным ножом через маску-трафарет.Исследования поверхности пленки Fe2O3 проводились методоматомно-силовой микроскопии (АСМ) на зондовой нанолаборатории«NTEGRA Vita» Центра коллективного пользования «Нанотехнологии»ИНЭП ЮФУ.АСМ-измерения показали, что образцы имеют зернистуюструктуру (рисунок 15, а-б).б)а)в)д)г)е)Рисунок 15 – АСМ-изображения (3D и 2D) пленки Fe2O3 примощности лазерного излучения 90 Вт (а, б), 70 Вт (в, г) и 50 Вт (д, е)25При обработке пленки лазерным излучением мощностью 90 Втформируется зернистая структура.
На рисунке 15, б диаметр зернасоставляет 654 ± 187 нм, шероховатость поверхности – 87 нм, высота пиков– 776 нм. При обработке пленки лазерным излучением мощностью 50-70 Втзернистая структура пленки практически отсутствует. Таким образом,мощности лазерного излучения порядка 90 Вт достаточно дляформирования кристаллических зерен, улучшения качества поверхностипленки, что позволяет модифицировать электрофизические и оптическиехарактеристики.Лазерным отжигом получены и исследованы различные оксидныепленки на сапфировой и стеклянной подложке, в частности пленкидиоксида титана, которые могут найти широкое применение в качествегазочувствительных материалов для сенсоров.ПроведенаоптимизацияТПлазерноготермораскалываниясапфировых подложек. На первом этапе на сапфировую пластину понаправлению реза наносился слой графита, который поглощаетсущественную часть ЛИ (порядка 50 %), обеспечивая локальный нагревповерхности подложкисапфира, что вызывает появлениеираспространение разделяющих трещин методом ЛУТ.
На подложку сграфитовым слоем воздействовали излучением Nd:YAG лазера (скоростьперемещения луча лазера по графитовому слою 1 мм/с, средняя мощностьлазера 90 Вт, время обработки порядка 300 – 350 с).а)б)Рисунок 16 – Фотографии линии реза пластины вдоль графитовогослоя ИК лазером26Рисунок 17 – Распределение температуры в сапфире при среднеймощности ЛИ 90 ВтВ результате расчетов определено, что при средней мощности ЛИ80 – 90 Вт значение температуры поверхности структуры графит – сапфир –графит будет около 600 – 700 К, чего достаточно для термическогораскалывания согласно проведенным экспериментальным исследованиям.Следует отметить, что значительное воздействие на лазерную резкусапфира при этом оказывают энергопоглощающие слои графита.На данный способ ЛУТ сапфира получен патент (№ 2582181, 2016 г.).В шестой главе представлена реализация разработанных технологийсоздания изделий из сапфира для микроэлектроники.В рамках выполнения ФЦП «Исследования и разработки поприоритетным направлениям развития научно-технического комплексаРоссии на 2014-2020 гг.» по теме № 14.587.21.0025 «Разработкаматематических моделей, алгоритмов и программного обеспечения (ПО)для оптимизации производства изделий из сапфира в микро- инаноэлектронике» на основе результатов исследования тепловых полей итермических напряжений в монокристаллах сапфира, получаемых израсплава, осуществлена оптимизация технологического процессаполучения и обработки сапфира.В диссертационной работе по отработанной технологии методом ГНКполучены монокристаллы сапфира с ориентацией (1102).
Параметрыкристаллов и уровень остаточных напряжений в полученных кристаллахприведены в таблице 1.Проведенные автором исследования позволили значительноусовершенствовать технологию обработки кристаллов сапфира дляполучения изделий электронной техники.27Таблица 1 – Режим получения кристаллов сапфира с малымсодержанием микрочастиц и малым уровнем остаточных напряженийПлоскостькристалласапфира(1102)Вакуум2 – 6·10-3 ПаСкоростьростакристалла6 – 8 мм/чЧисло порв кристаллесапфира104 см-3Остаточныенапряженияв сапфире≤ 3 МПаПроцентпримесей вшихте0,0001 %Проведены экспериментальные исследования формирования пленокFe2O3, ТiO2 и ряда других на сапфировой подложке с использованием ЛИ,разработанытехнологическиемаршрутыихполучениядлягазочувствительныхдатчиков,тонкопленочныхтранзисторов,жидкокристаллических дисплеев. Определено, что ЛИ позволяет повыситьпроизводительность при изготовлении газочувствительного элемента,модифицировать кристаллическую и дефектную структуру материалов,повысить качество окисла, воспроизводимость параметров пленки и ихстабильность.На рисунке 18 представлен один из предложенных в диссертациивариантов получения пленок на поверхности сапфира.Рисунок 18 – Технологический маршрут формирования пленки TiO2Разработанаконструкцияитехнологияизготовлениягазочувствительного датчика на основе диоксида титана (TiO 2) насапфировой подложке размером 20 × 20 × 0,5 мм.
На верхнюю сторонучувствительного элемента наносится тонкая (100-250 нм) пленка TiO2 сплатиновыми электродами (50-200 нм), а на нижней стороне формируется28пленочный резистивный нагреватель на основе никеля Ni (300-400 нм).Разработанная топология и 3D визуализация в системе T-FLEX верхнейстороны чувствительного элемента газового датчика представлены нарисунке 19.Рисунок 19 – Топология и 3D визуализация верхней сторонычувствительного элемента газового датчикаРазработанные автором диссертации технологии, позволяющиевыращивать кристаллы сапфира высокого качества (350×150×45 мм),открывают широкие возможности для получения защитных покрытийнового поколения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
