Формирование тонкопленочных и ионно-имплантированных газосенсорных структур на кристалле n-6H-SiC с применением импульсной лазерной плазмы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Демин, Максим Викторович

• Демин, Максим Викторович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Демин, Максим Викторович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ И ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ ГАЗО-СЕНСОРНЫХ УСТРОЙСТВ

1.1 Формирование тонкопленочных структур методами импульсного лазерного осаждения и ионной имплантации из лазерной плазмы

1.2 Физико-химические свойства карбида кремния, как перспективного материала для создания приборов силовой электроники

1.3 Механизмы регистрации газов полупроводниковыми тонкопленочными структурами

1.4 Особенности получения и функционирования МОП-структур на основе

карбида кремния в качестве газовых детекторов

1.7 Выводы к главе I. Постановка цели и задач исследования

ГЛАВА II ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ И ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СТРУКТУР НА КРИСТАЛЛАХ SIC

2.1 Методики импульсного лазерного осаждения металлических пленок

2.2 Методика ионной имплантации из импульсной лазерной плазмы

2.3 Методика измерения скоростного спектра атомов в лазерно-инициированном факеле

2.4 Методика измерения скоростных спектров ионов в импульсной лазерной плазме

2.5 Экспериментальная методика создания функциональных тонкопленочных и ионно-имплантированных структур на SiC подложках. Методика исследования их электрофизических свойств

2.6 Методика обработки результатов измерения электрофизических характеристик

2.7 Выводы к главе II:

ГЛАВА III ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОТИВОКАПЕЛЬНОГО ЭКРАНА

3.1 Структура и поверхностное распределение тонких пленок, формируемых импульсным лазерным осаждением с применением экрана

3.2 Математическое моделирование процессов осаиедения тонкопленочных металлических слоев из импульсного лазерного факела с применением экрана

3.3 Исследования твердофазных реакций лазерно-осанзденных металлических пленок с поверхностью 8КГ подложек

3.4 Выводы к Главе III:

ГЛАВА IV СТРУКТУРНОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СЛОЕВ РТ+/81С, ФОРМИРУЕМЫХ ИЗ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ

4.1 Экспериментальное исследование ионных пучков из импульсной лазерной плазмы

4.2 Математическое моделирование ионного потока из импульсной лазерной плазмы в импульсном электрическом поле

4.3 Структурное состояние и топография поверхности ионно-легированных слоев в монокристаллах бН-БЮ

4.4 Химическое состояние ионно-легированных слоев в монокристаллах бН^С

4.5 Механизмы формирования глубинного профиля платины при ионной имплантации из лазерной плазмы

4.6 Выводы к Главе IV

ГЛАВА V ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ГАЗОСЕНСОРНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ И ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СЛОЕВ НА КАРБИДЕ КРЕМНИЯ

5.1 Электрофизические свойства тонкопленочных структур Р^БЮ, полученных импульсным лазерным осаждением

5.2 Вольтамперные характеристики ионно-имплантированных структур Р^/БЮ в Нг-содержащей газовой среде

5.3 Электрофизические характеристики и газосенсорные свойства структур, полученных на карбиде кремния комбинированным методом имплантации и осаждения

5.4 Выводы к Главе V:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование тонкопленочных и ионно-имплантированных газосенсорных структур на кристалле n-6H-SiC с применением импульсной лазерной плазмы»

ВВЕДЕНИЕ

Разработка и получение новых материалов, в том числе тонкопленочных, качественно превосходящих существующие образцы по функциональным свойствам, является наиболее актуальной проблемой современного материаловедения. Особая потребность в таких материалах существует в высокотехнологических отраслях, таких как точное машиностроение (например, при создании микромеханических устройств), аэронавтика, микро- и наноэлектроника, спинтроника. Следует также выделить актуальную проблему мониторинга взрывоопасных и экологически вредных газов, которая также может решаться созданием новых тонкопленочных или ионно-легированных структур на основе новых полупроводниковых материалов, таких как карбид кремния. Водород и углеводороды активно используются и производятся в различных современных технологических процессах/аппаратах/топливных элементах. Мониторинг должен осуществляться при различных, в том числе повышенных температурах, а также в широком г .интервале концентраций регистрируемых газов.

Основной и доминирующий подход к решению проблемы получения альтернативных материалов заключается в формировании нового наноструктурированного состояния, т.е. создании наноразмерных многослойных и/или нанокомпозитных материалов с контролируемыми и регулируемыми на наноуровне структурно-фазовыми характеристиками. Эти характеристики должны обеспечивать требуемые механические, трибологические, электронные и другие функциональные свойства материалов. Для получения таких материалов в настоящее время широко используются традиционные методы физического и химического осаждения из паровой фазы, такие как электронно-лучевое испарение, ионно-плазменное (магнетронное) и плазмохимическое осаждение, атомное наслаивание и пр. Лазерные методы получения новых

наноматериалов используются в гораздо меньшей степени, хотя они обладают рядом принципиальных преимуществ по сравнению с более традиционными. Следует выделить:

1. Универсальность, с точки зрения широких возможностей получения/осаждения самых различных по химическому составу тонкопленочных материалов.

2. Высокая степень контролируемости и воспроизводимости требуемых (в том числе высоковакуумных) условий осаждения атомарных потоков при создании наноразмерных слоев.

3. Возможность гибкого и программируемого изменения технологических режимов получения новых материалов, оказывающих существенное влияние на их свойства.

4. Возможность получения многослойных и композитных наноструктурированных материалов, в том числе в сочетании с высокоэнергетической ионной имплантацией из импульсной лазерной плазмы.

5. Возможность комбинирования/объединения с другими методами осаждения и исследования тонкопленочных слоев.

Импульсное лазерное осаждение позволяет создавать самые различные по природе тонкопленочные материалы, что в комбинации с импульсным ускорением ионов из лазерной плазмы открывают интересные возможности в создании новых наноструктурированных и градиентных покрытий с улучшенными свойствами. С целью получения тонкопленочных структур с улучшенными свойствами и характеристиками специалисты применяют различные усовершенствования лазерных методов: реализация процессов осаждения и имплантации в буферном газе, подключение магнитных и электрических полей, последующий отжиг полученных структур и прочее.

Для эффективного использования лазерных методик при создании новых нано-структурированных и градиентных покрытий с заданными

свойствами представляется важным провести глубокие исследования физической картины процессов, протекающих в нестационарной импульсной лазерной плазме. Экспериментальные исследования должны охватывать как процессы в самой импульсной плазме, так и воздействие ускоренной полями плазмы (пучков) на поверхность покрытий.

Для формирования новых наноструктурированных и нанокомпозитных материалов достаточно эффективным инструментом является ионная имплантация из импульсной лазерной плазмы. Повышение интенсивности лазерного воздействия на мишень в вакуумных условиях вызывает образование плазмы вещества мишени, содержащей ионы различной зарядности, а затем ионная компонента лазерной плазмы ускоряется до высоких энергий импульсным электрическим полем, создаваемым между мишенью и подложкой.

Известно, что использование высокоэнергетического ионного облучения одновременно с осаждением плазменно-паровых потоков позволяет реализовать эффективные изменения в структурно-фазовом состоянии формируемых покрытий и межфазных границ. Для внедрения ионно-имплантационной обработки в реальные технологические процессы необходимо существенно упростить методы получения и формирования высокоэнергетических ионных пучков. Наиболее интенсивно в последнее время развивается методика иммерсионной ионной имплантации, позволяющая получать высокоэнергетические ионные пучки из газоразрядной или электродуговой плазмы.

Многие современные исследования направлены на совершенствование лазерных методов, обеспечивающих получение качественных функциональных слоев, а также ионно-легированных структур на карбиде кремния. Для расширения возможностей лазерной технологии необходимо постоянное совершенствование процессов импульсного лазерного осаждения в инертной и реактивной газовой среде, бескапельного осаждения рассеянным потоком атомов из лазерного

факела, процессов высокоэнергетической ионной имплантации из импульсной лазерной плазмы. Современная методология работы по развитию лазерных методов получения тонкопленочных слоев заключается в проведении экспериментальных и теоретических исследований направленных на выявление основных механизмов, позволяющих управлять важными характеристиками осаждаемого лазерно-инициированного потока атомов и ионов, на установлении важных корреляционных зависимостей реальных структурно-фазовых и функциональных свойств создаваемых материалов и слоев и режимов их получения.

Одним из перспективных способов контроля газосодержащей среды являются полупроводниковые датчики на основе тонких поверхностных слоев, электрофизические свойства которых зависят от состава окружающей газовой среды. К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт по разработке «архитектуры» полупроводниковых датчиков и имеются необходимые технологические методы для формирования функциональных слоев. Однако в большинстве случаев базовым элементом таких датчиков является кремний, что существенно ограничивает температурный диапазон их функционирования. В предлагаемой работе была поставлена задача разработки новой высокоэффективной лазерной технологии, позволяющей создавать различные полупроводниковые сенсорные устройства нового типа на основе карбида кремния. Использование монокристаллов карбида кремния раскрывает большие возможности создания детекторов нового поколения, обладающих такими функциональными характеристиками, которые невозможно реализовать на кремниевых подложках. Предполагается, что в случае решения проблемы разработки «архитектуры» датчика и технологии создания функциональных слоев сенсорные устройства на карбиде кремния позволят регистрировать водород и другие газы при

температуре до 1000°С, давлении до 20 МПа. При этом концентрация водорода в атмосфере может достигать несколько десятков процентов.

Газовые сенсоры на основе полупроводниковых материалов легко

интегрируются с другими электронными компонентами, что открывает

/

реальные возможности создания многофункциональных интеллектуальных сенсорных устройств. В проблеме детектирования водорода наибольший успех достигнут к настоящему времени в создании полупроводниковых сенсорных структур типа барьера Шоттки между каталитическим металлом и кремнием. Создаются также тонкопленочные МОП-структуры, состоящие из каталитического металла и диэлектрика на подложках кремния. Для мониторинга газовой среды при повышенных температурах разрабатываются полупроводниковые структуры такого же типа, но на основе карбида кремния. Одной из целью данной работы было исследование возможности формирования сенсорных структур на кристаллах карбида кремния лазерными методами в условиях прецизионного контроля важных параметров лазерно-инициированного потока атомов и ионов.

Карбид кремния является уникальным материалом электроники с точки зрения комплекса электрофизических, химических, механических и других свойств. Такое сочетание свойств обеспечивает возможность создания новых приборов силовой электроники, которые могут использоваться в авиационно-космической технике, в ядерной энергетике, в разведке и добыче полезных ископаемых, в экологическом мониторинге.

Первыми промышленно выпускаемыми приборами на основе Б1С были светодиоды. Большая ширина запрещенной зоны БЮ позволила получать на его основе светоизлучающие приборы практически на всю спектральную область видимого света. При этом один и тот же механизм излучательной рекомбинации (одна и та же технология изготовления светодиода) соответствует в различных политипах разным энергиям в максимуме излучения. Затем БЮ нашел свое место в приборах СВЧ-

диапазона. Они работают либо на основных носителях тока (диоды Шоттки, полевые транзисторы), либо для снижения паразитных емкостей имеют очень маленькие рабочие площади, диаметром около 100 микрон (pin-диоды, лавинно-пролетные диоды). Вторым промышленно выпускаемым SiC-прибором, оказался диод Шоттки. Фирма «Сименс» сейчас наладила производство таких приборов на прямые токи до 20 А и рабочие напряжения до 600В. В настоящее время высоковольтные (300-1200 В) 4H-SiC диоды Шоттки выпускаются на коммерческой основе несколькими западными фирмами под маркой „zero recovery diodes" (см., например, http://www.cree.com/products/power.asp). Они предназначаются для применения в схемах импульсных преобразователей напряжения для увеличения частоты коммутации, выходной мощности и повышения кпд устройств.

Одной из основных ветвей применения SiC является радиационная и химическая безопасность на предприятиях и атомных станциях.

Интерес к SiC в качестве исходного материала для детекторов ядерных излучений связан с его высокой радиационной стойкостью и возможностью работы приборов при повышенных температурах. Детекторы выполняются на основе (р+ - п) структур или диодов Шоттки и представляют по сути дела реализованную в твердом теле ионизационную камеру.

Реализация экологических требований, а также эффективное и безопасное функционирование различных энергетических установок, в том числе, атомных, во многом зависит от оперативности и точности контроля состава рабочих и вредных газов, образующихся в технологических процессах. Разработка газовых датчиков, функционирующих при достаточно высоких температурах и давлениях, а также способных регистрировать требуемые элементы в широком диапазоне концентраций, является важной задачей для энергетики и энергосбережения.

Тонкопленочные структуры на кремнии и карбиде кремния используют в принципе общий механизм детектирования водорода, который заключается в адсорбции молекул водорода на поверхности каталитической пленки, диссоциации молекул на атомы, диффузии атомов водорода к границам раздела металл-полупроводник и/или диэлектрик-полупроводник, формировании поляризованного слоя и изменении высоты потенциального барьера. Изменение барьерных характеристик в газовой среде должно обуславливать изменение электрофизических свойств тонкопленочных структур на кристаллах кремния и карбида кремния. Представляется интересным с научной точки зрения и важным для решения практических задач по созданию сенсорных структур нового типа проведение исследований по формированию структур, не имеющих резких фазовых границ, являющихся причиной разрушения, в том числе механического, многослойных структур в «жестких» условиях эксплуатации. Такие структуры, в принципе, могут быть созданы ионной имплантацией каталитического металла в кристаллы карбида кремния. Ионная имплантация может обеспечивать как формирование нанокомпозитных слоев типа каталитический металл/8Ю, так и монокристаллических 81С слоев с изменяющейся по глубине концентрацией легирующей примеси/носителей заряда. Условия формирования таких структур, возможности их получения с применением импульсной лазерной плазмы, электрические свойства в различных газовых средах к настоящему времени практически не изучены.

Для получения качественных сенсорных структур требуется решение проблемы осаждения металлических слоев каталитических металлов с развитой поверхностью, а также формирования ионно-имплантированных структур на кристаллах карбида кремния.

Успех развития карбидокремниевой технологии во многом зависит от глубины понимания физической картины тех процессов, которые применяются при создании функциональных тонкопленочных и ионно-

легированных слоев на монокристаллических 81С подложках. Важность и актуальность обозначенной выше практической задачи обуславливает необходимость проведения фундаментальных исследований физических процессов, а также разработки научных основ новых процессов, обеспечивающих формирование функциональных тонкопленочных структур на карбиде кремния с заданными свойствами.

Данная работа посвящена изучению закономерностей роста, структурных изменений и свойств многослойных и ионно-легированных структур, создаваемых лазерно-инициированными процессами на монокристаллах карбида кремния.

Цель работы заключалась в установлении механизмов формирования функциональных тонкопленочных и ионно-легированных структур из импульсной лазерной плазмы на монокристаллах карбида кремния и в определении зависимости их электрофизических свойств в водородосодержащей воздушной смеси от условий получения, структурного состояния и температуры мониторинга газовой среды.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработана комбинированная лазерная методика, обеспечивающая бескапельное нанесения тонкопленочных слоев и имплантацию высокоэнергетических ионов в контролируемых по энергетическим характеристикам атомарных и ионных потоков условиях.

2. Экспериментально исследована и смоделирована динамика лазерно-инициированного потока атомов платины при проведении процессов импульсного лазерного осаждения (ИЛО), в том числе в условиях применения противокапельного экрана (методика ИЛОЭ).

3. Экспериментально исследована и смоделирована динамика импульсной лазерной плазмы при ее разлете от мишени до подложки, определены энергетические характеристики имплантируемых ионов в

условиях регулируемого включения интенсивности импульсных электрических полей.

4. Созданы тонкопленочные и ионно-имплантированные слои на кристаллах и-6Н-81С и исследована зависимость их морфологии, структурного и химического состояния, а также электрофизических свойств от условий ИЛО, ИЛОЭ и ионной имплантации платины.

5. Выявлены условия получения лазерными методами структур Р1ЛЧ+/81С, проявляющих стабильные и качественные сенсорные свойства на водород при функционировании в осложненных условиях высоких температур (до 500°С) и концентрации водорода (до 8 %).

При проведении данной работы реализован экспериментально-расчетный метод, сочетающий физический опыт по созданию и исследованию поверхностных наноразмерных слоев на кристаллах карбида кремния, а также математическое моделирование исследуемых явлений атомарного осаждения и имплантации высокоэнергетических ионов из импульсной лазерной плазмы. Для выявления оптимальных условий формирования функциональных ионно-легированных структур на монокристаллах 6Н-8Ю проведен всесторонний анализ опубликованных в научной печати результатов по получению тонких пленок методом осаждения и по ионной имплантации, а также по постобработке/отжигу карбида кремния. В рамках поставленной задачи на получение газо-детектирующих слоев использовался каталитический элемент - платина. Математическое моделирование процессов импульсного лазерного осаждения проводилось по методу Монте Карло, а процессов ионной имплантации из лазерной плазмы - методом «частиц в ячейках». Характеристики импульсной лазерной плазмы, применяемой в модели, устанавливались экспериментальными методами в сочетании с математической обработкой полученных результатов.

В рамках работы были проведены всесторонние электрофизические исследования созданных тонкопленочных и ионно-легированных структур

на карбидокремниевых подложках. Свойства созданных структур исследовались в изменяемых по температуре и составу газовой среды внешних условиях, что позволило конкретизировать функциональные характеристики этих структур и оценить экономическую эффективность из практического применения.

Научная новизна:

1. Впервые экспериментальными методами определены скоростные распределения атомов и ионов в лазерном факеле из мишени на начальной стадии ее разлета в вакууме, которые определяли энергетические характеристики осаждаемых и имплантируемых частиц при проведении процессов ИЛО, ИЛОЭ и ионной имплантации.

2. Впервые установлены особенности формирования тонкопленочных металлических барьерных и контактных слоев на п-6Н-8Ю подложках при варьировании условий импульсного лазерного осаждения и постобработки структур металл-БЮ.

3. Впервые установлены механизмы формирования ионно-имплантированных слоев и глубинных профилей внедряемых элементов при реализации импульсной ионной имплантации из импульсной лазерной плазмы.

4. Впервые комбинированным лазерным методом получены структуры Р^Р^/БЮ и установлена зависимость их электрофизических свойств в водородосодержащей газовой среде от их химического состава, условий получения и температуры среды.

Практическая ценность:

1. Разработана лазерная методика, позволяющая получать качественные тонкопленочные металлические слои с регулируемой структурой на 81С подложках путем осаждения не содержащего капельной фракции лазерно-инициированного атомарного потока с

контролируемыми энергетическими характеристиками.

2. Разработаны лазерная методика формирования высокоэнергетических ионных пучков, которая легко комбинируется с традиционной методикой ИЛО и позволяет проводить регулируемую по скорости набора дозы и энергетическому распределению ионов ионно-имплантационную обработку подложек различной формы.

3. Созданы компьютерные модели импульсного лазерного осаждения с противокапельным экраном и ионной имплантации из лазерной плазмы, применение которых существенно упрощает решение проблем по прогнозированию и оптимизации технологических условий получения функциональных слоев с заданными свойствами.

4. Созданные и исследованные лабораторные образцы тонкопленочных и ионно-имплантированных датчиков водорода на карбидокремниевых подложках, иллюстрирующие как перспективность разработок в области полупроводниковых газовых сенсоров на БЮ кристаллах, так и возможности реального практического применения лазерной технологии для формирования функциональных слоев для этих датчиков.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования атомарных потоков платины, а также структурных исследований тонких пленок платины при реализации различных конфигураций методики импульсного лазерного осаждения, в том числе при использовании противокапельного экрана.

2. Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования лазерно-инициированных ионных потоков платины, образующихся при разлете импульсной лазерной плазмы от мишени до подложки во внешних импульсных электрических полях, при варьировании условий включения высоковольтных импульсов.

3. Результаты экспериментального исследования и модели формирования глубинных распределений платины при легировании

карбида кремния из импульсной лазерной плазмы в импульсном электрическом поле.

4. Результаты экспериментального исследования электрофизических свойств структур Р1ЛЧ+/п-6Н-81С, полученных лазерными методами, с выявлением условий и факторов, позволяющих формировать структуры с эффективной реакцией на водород в газовой смеси при повышенных температурах и взрывоопасных концентрациях водорода.

Достоверность полученных результатов

Полученные экспериментальные и теоретические результаты реализованы в рамках строгого технического контроля и могут быть подтверждены собственной воспроизводимостью. При выполнении работы применялись сертифицированные подложки 6Н-81С достаточно высокого структурного совершенства, позволяющего использовать высоко информативные аналитические методы для изучения ионно-инициированных структурных и химических изменений под воздействием импульсной лазерной плазмы. Реализован комплексный подход к исследованию создаваемых слоев с использованием независимых экспериментальных аналитических методик.

Достоверность результатов обеспечена использованием комплекса современных методик исследования функциональных структур, глубокой систематизацией результатов комплексного исследования и сопоставлением результатов экспериментальных и расчетных теоретических исследований; ясной трактовкой новых результатов, непротиворечивостью их известным (опубликованным) данным. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с применением современных математических моделей.

Личный вклад автора заключается в постановке задачи, проведении экспериментальных исследований по созданию новых тонкопленочных слоев и ионно-имплантированных структур на основе карбида кремния, обработке и интерпретации данных комплексных исследований процессов,

происходящих в нестационарной импульсной лазерной плазме и созданных структур.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на ежегодных научных сессиях НИЯУ МИФИ в 2010 - 2012 (г. Москва); International conference on lasers, applications, and technologies LAT-2010 (Kazan, 2010); Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (г. Минск, 2009); International conference «Fundamentals of laser assisted micro&nanotechnologies» (г. Санкт-Петербург, 2010); Курчатовской молодежной научной школе (г. Москва, 2010).

Публикации. По теме диссертации и полученным результатам было опубликовано 11 статей в научных журналах и сборниках трудов Международных и Российских конференций и симпозиумов, в том числе 3 статьи [1-3] в реферируемых журналах из перечня ВАК

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы. Материалы диссертации изложены на 161 странице, содержат 3 таблицы, 67 рисунков и список цитируемой литературы из 74 наименований.

ГЛАВА I Современные методы получения тонкопленочных и ионно-имплантированных структур на основе карбида кремния с целью создания газо-сенсорных устройств.

1.1 Формирование тонкопленочных структур методами импульсного лазерного осанодения и ионной имплантации из лазерной плазмы

Импульсное лазерное осаждение (ИЛО) является одним из наиболее универсальных среди физических методов формирования тонкопленочных покрытий различного функционального назначения [4-6]. Эти свойства ИЛО обусловлены широкими возможностями испарения самых различных твердотельных материалов воздействием на них интенсивного импульсного лазерного излучения. Энергетические и пространственно-временные характеристики лазерно-инициированного потока вещества во многом зависят от параметров лазерного воздействия на материал (энергия и плотность энергии в лазерном импульсе, площадь пятна фокусировки и др.). Как правило, осаждение покрытий реализуется в результате падения на поверхность основы высокоскоростного потока атомов и ионов, обладающих достаточно узкой диаграммой углового разлета. Такие свойства лазерно-инициированного потока вещества обуславливают высокую плотность покрытий и гладкую поверхность.

Особенностью лазерного метода является специфическое

энергетическое распределение частиц в осаждающемся потоке вещества и

возможность менять это распределение в широких пределах при

варьировании плотности энергии лазерного излучения на поверхности

мишени (флюенса - Б). Энергетические частицы, бомбардирующие

поверхность будут влиять на процесс роста пленок. Характерной

особенностью воздействия коротких наносекундных лазерных импульсов

на различные материалы является быстрый нагрев поверхностного слоя,

сопровождающийся его плавлением, испарением и частичной ионизацией

17

паровой фазы. Образующийся плазменно-паровой (эрозионный) факел расширяется (разлетается) в объеме технологической камеры, достигая подложку для осаждения. При взаимодействии факела с подложкой протекают процессы, обуславливающие конденсацию материала факела и образование тонкопленочного покрытия.

Импульсное лазерное осаждение позволяет создавать самые различные по природе тонкопленочные материалы [4], что в комбинации с импульсным ускорением ионов из лазерной плазмы [7] открывают интересные возможности в создании новых наноструктурированных и градиентных покрытий с улучшенными свойствами. Члены коллектива научной школы в 1994 году [8] предложили и реализовали простую с технической точки зрения схему ускорение ионной компоненты лазерно-инициированной плазмы до высокой энергии (несколько десятков кило-электрон-вольт). Для этого при разлете лазерной плазмы к обрабатываемой подложке подключались высоковольтные импульсы длительностью несколько микросекунд. Практическая ценность новой методики для осаждения тонкопленочных покрытий трибологического назначения была проиллюстрирована в статье [9]. В последнее время явно возрос интерес зарубежных исследователей к более широкому изучению возможностей новой методики [10].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Демин, Максим Викторович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Романов Р.И., Зуев В.В., Фоминский В.Ю., Демин М.В., Григорьев В.В. Электрофизические характеристики тонкопленочных структур, созданных импульсным лазерным осаждением металлов Au, Ag, Си, Pd, Pt, W, Zr на кристалл n-6H-SiC// ФТП. - 2010. - Т. 44. - С. 1229-1235.

[2] Фоминский В.Ю., Романов Р.И., Гнедовец А.Г., Зуев В.В., Демин М.В. Влияние энергетических параметров осаждаемого лазерно-инициированного потока атомов платины на характеристики тонкопленочной структуры Pt/n-6H-SiC// ФТП. - 2010. - Т. 44. - С. 556563.

[3] Фоминский В.Ю., Романов Р.И., Гнедовец А.Г., Зуев В.В., Демин М.В., Григорьев В.В. Ионная имплантация платины из импульсной лазерной плазмы для формирования детектора водорода на кристалле n-6H-SiC// ФТП. - 2011. - Т. 45. - С. 694-701.

[4] Chrisey D.B., Hubler G.K. Pulsed laser deposition of thin films. - New York: Wiley. - 1994. - 613 p.

[5] Fominski V.Yu.i Nevolin V.N., Romanov R.I. et al. Ion-assisted deposition of MoSx films from laser-generated plume under pulsed electric field// J. Appl. Phys. - 2001. - V. 89. - P. 1449-1457.

[6] Фоминский В.Ю., Романов Р.И., Лаврухин Д.В. и др. Особенности импульсного лазерного осаждения антифрикционных тонкопленочных покрытий MoSex в инертном газе// Упрочняющие технологии и покрытия. -2006. -Т. 7.-С. 20-26.

[7] Неволин В.Н., Фоминский В.Ю., Гнедовец А.Г., Кошманов В.Е. Экспериментальные исследования и моделирование имплантации ионов из импульсной лазерной плазмы в импульсных электрических полях // ЖТФ. -2005.-Т. 75.-С. 32-37.

[8] Труды 24 Межд. Симпозиума _ по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, МГУ, с.83

[9] Fominski V.Yu., Nevolin V.N. Romanov R.I., Smurov I. Ion-assisted deposition of MoSx films from laser-generated plume under pulsed electric field//J.Appl.Phys. -2001. -V.89. -P. 1449-1457.

[10] Qi В., Gilgenbach R.M., Jones M.C. et al. Diagnostic characterization of ablation plasma ion implantation// J. Appl. Phys. - 2003. - V. 93. - P. 88768883.

[11] Pereira L., Barquinha P., Fortunato E. et al. High к dielectrics for low temperature electronics// Thin Solid Films. - 2008. - V.516. - P. 1544-1548.

[12] Kim J.-H., Ignatova V., Kiicher P. et al. Physical and electrical characterization of high-k ZrC>2 metal-insulator-metal capacitor// Thin Solid Films. - 2008. - V. 516. - P. 8333-8336.

[13] Bethge O., Abermann S., Henkel C. et al. Low temperature atomic layer deposition of high-k dielectric stacks for scaled metal-oxide-semiconductor devices// Thin Solid Films. - 2009. - V. 517. - P. 5543-5547.

[14] Marcu A., Grigoriu K., Jiang W., Yatsui K. Pulsed laser deposition of YBCO thin films in a shadow mask configuration// Thin Solid Films. - 2000. -V.360.-P. 166-172.

[15] Kobayashi Т., Akiyoshi H., Tachiki M. Development of prominent PLD (Aurora method) suitable for high-quality and low-temperature film growth// Appl. Surf. Sci.-2002.-V. 197-198.-P. 294-303.

[16] Chen C., Ong P.P., Wang H. Fabrication of TiN thin film by shadow-masked pulsed laser deposition// Thin Solid Films. - 2001. - V. 382. - P. 275279.

[17] Жерихин A.H., Худобенко А.И., Вилльямс P.T. и др. Лазерное напыление пленок ZnO на кремниевые и сапфировые подложки// Квантовая электроника. - 2003. - Т. 33. - С. 975-980.

[18] Agostinelli Е., Kaciulis S., Vittori-Antisari М. Great reduction of particulates in pulsed laser deposition of Ag-Co films by using a shaded off-axis geometry// Appl. Surf. Sci. - 2000. - V. 156. - P. 143-148.

\

[19] Egerhazi L., Geretovszky Zs., Szorenyi T. Thickness distribution of carbon nitride films grown by inverse-pulsed laser deposition// Appl. Surf. Sci. - 2005. -V. 247.-P. 182-187.

[20] Lin J.J., Mahmood S., Zhang Т., Hassan S.M. et al. Synthesis of Fe304 nanostructures by backward plume deposition and influence of ambient gas pressure on their morphology// J. Phys. D: Appl. Phys. - 2007. - V. 40. - P. 2548-2554.

[21] Ozerov I., Bulgakov A.V., Nelson D.K., et al. Production of gas phase zinc oxide nanoclusters by pulsed laser ablation//Appl. Surf. Sci. - 2005. - V. 247. -P.l-7.

[22] Hurditch R. Electrochromism in hydrated tungsten-oxide films// Electron. Lett.-1975.-V. 11.-P. 142-144.

[23] Ito K., Ohgami T. Hydrogen detection based on coloration of anodic tungsten oxide film// Appl. Phys. Lett. - 1992. - V. 60. - P. 938-940.

[24] Быковский Ю.А., Неволин B.H., Фоминский В.Ю. Ионная и лазерная имплантация металлических материалов. - М.: Энергоатомиздат. - 1991. -240 с.

[25] Anders A. Handbook of plasma immersion ion implantation. - New York: Wiley. - 2000. - 760 p.

[26] Voevodin A.A., Jones J.G., Zabinski J.S. Structural modification of single-axis-oriented yttria-stabilized-zirconia films under zirconium ion bombardment// Appl. Phys. Lett. - 2001. - V.78. - P. 730-732.

[27] Voevodin A.A., Jones J.G., Zabinski J.S. Structure control of pulsed laser deposited Zr02/Y203 films// J. Vac. Sci. Technol. A. - 2001. - V. 19. - P.1320-1324.

[28] Zabinski J.S., Hu J.J., Bultman J.E., et al. Stoichiometry and characterization of aluminum oxynitride thin films grown by ion-beam-assisted pulsed laser deposition// Thin Solid Films. - 2008. - V. 516. - P. 6215-6219.

[29] Samman A., Gebremariam S., Rimai L., et al. Silicon-carbide MOS capacitors with laser-ablated Pt gate as combustible gas sensors// Sensors and Actuators B. - 2000. - V. 63. - P. 91-102.

[30] Fominski V.Yu., Nevolin V.N., Romanov R.I., Smurov I. Ion-assisted deposition of MoSx films from laser-generated plume under pulsed electric field// J. Appl. Phys. -2001.- V. 89.-P. 1449-1457.

[31] Velardi L., Lorusso A., Nassisi V., Congedo G. Generation of Si nanocrystals by ion implantation utilizing a LIS device// Radiation Effects and Defects in Solids. - 2008. - V. 163. - P. 491-496.

[32] Qi В., Gilgenbach R.M., Lau Y.Y., et al. Ablation plasma ion implantation experiments: Measurement of Fe implantation into Si// Appl. Phys. Lett. - 2001. -V. 78.-P. 3785-3787.

[33] Jones M.C., Gilgenbach R.M., Qi В., et al. Ablation plasma ion implantation using a dc power supply// Appl. Phys. A. - 2004. - V. 79. - P. 969971.

[34] Лебедев А.А. Вечнозеленый полупроводник// Химия и жизнь. - 1998. -Т. 4.-С. 14-19.

[35] Грехов И.В., Иванов П.А., Ильинская Н.Д. и др. Высоковольтные (900 В) 4H-SiC диоды Шоттки с охранным р-п-переходом, изготовленным имплантацией бора// Физика и техника полупроводников. - 2008. - Т. 42. -С. 211-214.

[36] Давыдов Д.В., Растегаева М.Г., Андреев А.Н., Березнякова Л.А. Исследование физико-химических процессов в системе Ti-Al/p-6H-SiC при формировании низкоомных омических контактов. Тез. докл. VI Международной научной^ конференции «Химия твердого тела и современные микро-,и нанотехнологии». - Кисловодск. Ставрополь: Изд. Северо-Кавказского государственного технического университета. - 2006.

[37] Каргин Н.И., Билалов Б.А., Рыжук Р.В. Исследование свойств имплантированного ионами бора карбида кремния политипа 6Н.// Тез. докл. VI Международной научной конференции «Химия твердого тела

и современные микро- и нанотехнологии». - Кисловодск. Ставрополь: Изд. Северо-Кавказского государственного технического университета. - 2006. -С. 428-430.

[38] Филиппов В .И., Васильев А.А., Терентьев А.А. и др. Сенсор на основе структуры Pt/LaF3/Si02/SiC для детектирования хлорофтороуглеродов// Журнал технической физики. - 1999. - Т. 69. - С. 80-85.

[39] Lundstrom I., Shivaraman M.S., Svensson C.M. A hydrogen-sensitive Pd-gate MOS transistor // J. Appl. Phys. - 1975. - V. 46. - P. 3876-3881.

[40] Sze S.M. Physics of Semiconductor Devices. - 2nd ed. -New York. USA: John Wiley & Sons. - 1981. - 868 p.

[41] Trinchi A., Kandasamy S., Wlodarski W. High temperature field effect hydrogen and hydrocarbon gas sensors based on SiC MOS devices// Sensors and Actuators В.-2008.-V. 133.-P. 705-716.

[42] Tobias P., Baranzahi A., Spetz A.L. et al. Fast chemical sensing with metal-insulator silicon carbide structures// IEEE Electron. Dev. Lett. - 1997. - V. 18. -P. 287-289.

[43] Arbab A., Spetz A., Wahab Q.U. et al. Chemical sensors for high temperatures based on silicon carbide // Sens. Mater. - 1993. -V. 4. - P. 173185.

[44] Lloyd Spetz A., Baranzahi A., Tobias P. et al. High temperature sensors based on metal-insulator-silicon carbide devices// Phys. Stat. Sol. (a). - 1997. -V. 162.-P. 493-511.

[45] Hunter G.W., Neudeck P.G., Jefferson G.D. et al. The development of hydrogen sensors technology at Nasa Lewis Research Centre// in Proc. 4th Ann. Space Syst. Health Manage. Technol. Conf., Cincinnati, USA, NASA Technical Memo.-1992.-P. 106141-106118.

[46] Bhatnagar M., Baliga B.J. Comparison of 6H-SiC, 3C-SiC, and Si for power devices// IEEE Transactions on Electron Devices. — 1993. - V. 40. — P. 645-655.

[47] Harris G.L. Properties of silicon carbide. - United Kingdom: IET. - 1995. -282 p.

[48] Sermon P.A., Bond G.C. Hydrogen spillover// Catal. Rev. -Sci. Eng. -1973.-V. 8.-P. 211-239.

[49] Nakagomi S., Okuda K., Kokubun Y. Electrical properties dependent on H2 gas for new structure diode of Pt-thin WC^-SiC// Sensor and Actuator B. -2003.-V. 96.-P. 364-371.

[50] Muntele C.I., Ila D., Williams E.K. et al Fabrication of SiC hydrogen sensor by Pd-implantation// Mater. Sci. Forum. - 2000. - V. 338-342. - P. 1443.

[51] Luongo K., Sine A., Bhansali S. Development of a highly sensitive porous Si-based hydrogen sensor using Pd nano-structures// Sensor and Actuator B. — 2005.-V. 111-112.-P. 125-129.

[52] Филиппов В.И., Иванов П.А., Синянский В.Ф. и др. Газочувствительность диодных структур на основе карбида кремния// ЖТФ. - 1999. - Т. 69. - С. 54-57. *

[53] Velardi L., Lorusso A., Nassisi V., Congedo G. Generation of Si nanocrystals by ion implantation utilizing a LIS device// Radiation effects and defects in solids. - 2008. - V. 163. - P. 491-496.

[54] Неволин B.H., Фоминский В.Ю., Гнедовец А.Г., Киселев Г.А. Особенности импульсной ионной имплантации из лазерной плазмы, содержащей многозарядные ионы// ЖТФ. - 2007. - Т. 77. - С. 88-95.

[55] Норр В., Krez N., Vass Cs. et al. Spatial separation of fast and slow components of pulsed laser plumes// Appl. Surf. Science. - 2002. -V. 186. - P. 298-302.

[56] Auciello O., Mantese L., Duarte J. et al. Synthesis and characterization of Pb(ZrxTirx)03 thin films produced by an automated laser ablation deposition technique// J. Appl. Phys. - 1993. -V. 73. - P. 5197-5207.

[57] Shtansky D.V., Lobova T.A., Fominski V.Yu. et al. Structure and wear behavior of WSex, WSex/TiN, WSex/TiCN and WSex/TiSiN coatings// Surface and Coatings Technology. - 2004. - V. 183. - P. 328-336.

[58] Fominski V.Yu., Nevolin V.N., Romanov R.I. et al. Tribological properties of pulsed laser deposited WSex(Ni)/DLC coatings// Tribology Letters. - 2004. -V. 17.-P. 289-294.

[59] Walck S.D., Zabinski J.S., Donley M.S., Bultman J.E. Evolution of surface topography in pulsed-laser-deposited thin film of MoS2// Surface and Coatings Technology. - 1993. -V. 62. - P. 412-416.

[60] Srivastava S.N., Sinha B.K., Rohr K. Energy transfer and expansion dynamics of a collisional laser plasma from planar, atomic and binary targets// J. Phys. D:Appl. Phys. - 2005. - V. 38. - P. 3643-3653.

[61] Bird G.A. Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows. -Oxford: Clarendon Press. - 1994. - 458 p.

[62] Батаева E.B., Батаев B.A. Общая химия. Ч. 1-2. - 4-е изд., с испр. - М.: отд-ние «Химия» OJIВЗМШ: МАКС Пресс. - 2004. 80 с.

[63] Yang S.J., Kim С.К., Noh I.H. et al. Study of Co- and Ni-based ohmic contacts to n-type 4H-SiC// Diamond and Related Materials. - 2004. - V. 13. -P. 1149-1153.

[64] Treu M., Rupp R., Blaschitz P., Hilsenbeck J. Commercial SiC device processing: Status and requirements with respect to SiC based power devices// Superlattices and Microstructures. - 2006. - V. 40. - P. 380-387.

[65] Растегаева М.Г., Андреев A.H., Давыдов Д.В. и др. Особенности физико-химических процессов при формировании омических контактов и поверхностно-барьерных структур в системе Ni/n-6H-SiC// В кн. «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. VI Международная конференция». - СевКавГТУ. - 2006. - 510 с.

[66] Tofimann В., Schou J., Hansen T.N., Lunney J.G. Angular distribution of electron temperature and density in a laser-ablation plume // Phys. Rev. Let. -2000. -V. 84. - P. 3998-4001.

[67] Shuang L., Zhiyong Z., Yonggong N. et al. Formation of ultra-thin PtSi film by vacuum annealing// Vacuum. - 2002. - V.65. - P. 133-136.

[68] Shalish I., С. E. M. de Oliveira, Shapira Y. et al. Thermal stability of Pt Schottky contacts to 4H-SiC// J. Appl. Phys. - 2000. - V. 88. - P. 5724-5728.

[69] Capano M.A. A modified oxidation procedure for ion-implanted silicon carbide devices annealed at low temperatures// Appl. Surf. Sci. - 2001. - V. 184.-P. 317-322.

[70] Gunnlaugsson H.P., Bharuth-Ram K., Dietrich M. et al. Identification of substitutional and interstitial Fe in 6H-SiC// Hyperfine Interact. - 2006. - V. 169.-P. 1319-1323.

[71] Pearton S J., Lee K.P., Overberg M.E. et al. Magnetism in SiC implanted with high doses of Fe and Mn// Journal of electronic materials. - 2002. - V. 31. -P. 336-341.

[72] Калинина E.B., Суворов A.B., Холуянов Г.Ф. Структура и свойства ионно-легированных р-n переходов в SiC // ФТП. — 1980. - Т. 14. - С. 10991105.

[73] Водаков Ю.А., Демаков К.Д., Калинина Е.В. и др. Электрические свойства структуры р-п-п+ в карбиде кремния, полученной ионным легированием алюминия// ФТП. - 1987. - Т. 21. - С. 1685-1693.

[74] Capano M.A. A modified oxidation procedure for ion-implanted silicon carbide devices annealed at low temperatures// Applied Surface Science. - 2001. -V. 184.-P. 317-322.