CC BY
75
Клунникова Юлия Владимировна
E-mail: [email protected].
Кафедра конструирования электронных средств; аспирант.
Malyukov Serguei Pavlovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371603.
The Department of Electronic Apparatuses Design; the Department Head; Dr. of Eng. Sc., Professor.
Klunnikova Yulia Vladimirovna
E-mail: [email protected].
The Department of Electronic Apparatuses Design; Post-graduate Student.
УДК 621.382.81
СЛ. Авдеев, E.B. Луговой, П.В. Серба
О ВЛИЯНИИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ НА ПОВЕРХНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ Al2O3
Рассмотрены вопросы синтеза тонких монолитных пленок золь-гель технологией с рекристаллизацией электронным лучом. Пленкообразующей основой выбран изопропшат алюминия, который позволяет получить высокочистый ксерогель. Это неоднородное состояние пленки является исходным материалом для рекристаллизации электронным лучом в монолитную пленку Al2O3. Показано, что при электронно-лучевой обработке при низкой предварительной температуре подогрева образца, могут формироваться островковые
Al2O3.
предложен механизм формирования полученных пленок.
- ; Al2O3; - .
S.P. Avdeev, E.V. Lugovoy, P.V. Serba
ABOUT THE INFLUENCE OF ELECTRON-BEAM PROCESSING ON THE SURFACE OF DIELECTRIC FILMS ON THE BASIS OF Al2O3
In the work questions of synthesis thin monolith films by sol-gel technology with electron beam recrystallization is considered. Aluminiumisopropoxide was selected as a film-forming basis, which allows gaining high clean xerogel. This nonuniform state of a film is a starting substance for recrystallizing by electron beam in the monolithic film Al2O3. It is demonstrated that at elec-tron-beam processing at low preheating temperature of sample, insular monolithic films Al2O3 may be formed. The results of experimental researches are given and the mechanism of obtained films formation is offered.
Sol-gel technology; alumina (Al2O3); electron-beam processing.
В последние несколько лет пленки оксида алюминия широко используются в микроэлектронных приборах, в качестве подзатворного диэлектрика, оптоэлектронике, датчиках, в качестве просветляющего покрытия и пассивации поверхности . -тойчивость при высоких температурах, ширина запрещенной зоны и диэлектрическая проницаемость выше, чем у SiO2, хорошая диэлектрическая прочность, химическая и радиационная устойчивость, низкая плотность поверхностных состояний.
Обзор литературы по методам синтеза показал, что пленки на основе А1203 могут быть синтезированы различными методами: химическим осаждением из паровой фазы [1], химическим осаждением из паровой фазы методом разложения металлоорганических соединений [2], послойным атомным осаждением [3, 4], импульсным лазерным осаждением [5], золь-гель технологией [6, 7].
-
синтеза отличается высокой чистотой применяемых материалов, процесс не требует применения высокого вакуума, низкий по стоимости и легкоконтролируемый, про, .
В технологии микро- и наноэлектроники широко применяются тепловые методы формирования пленок [8], в том числе и пленок оксида алюминия. Наиболее перспективным методом формирования является электронно-лучевая обработка (ЭЛ О) как наиболее современный и изученный процесс. Одним из нежелатель-, - ,
, -
разца в момент облучения или к отслаиванию обработанного слоя через некоторое время. Развитие ЭЛО как метода обработки пленок требует физического обоснования и оптимизации режимов, при которых термонапряжения в диэлектрических А1203 .
Целью данной работы является выявление причин, вызывающих разрушение пленки, и выработка рекомендаций по режимам ЭЛО, при которых возможно сведение к минимуму возникающих термонапряжений.
Электронно-лучевое формирование проводилось на пленках, синтезированных на кремниевые (Б1) подложки по золь-гель технологии. Обзор литературы по рецептам приготовления гелей для синтеза диэлектрических пленок на основе А1203 , -
пилата алюминия (А1(0С3Н7)3) с точки зрения технологической целесообразности более благоприятно вследствие его высокой чистоты (99,999 %) и нейтральности для окружающей среды.
Гель готовился по рецепту, предложенному авторами статьи [7]: 22 г изопро-
99
и 0,22 мл концентрированной азотной кислоты при постоянном перемешивании. Реакция гидролиза протекала следующим образом:
2А1(0СзН7)з + (3 + п)Н20 ^ А120з-пН20 + 6(СНз)2СН0Н
Далее при постоянном перемешивании почти половина воды испаряется и добавляется еще 0,88 мл азотной кислоты с целью очистки раствора и увеличения концентрации алюминия в полученном геле. После остывания получается про.
для получения финишного раствора и контроля вязкости. Г ель наносился на кремниевые подложки методом центрифугирования.
После нанесения геля образцы были высушены при различных температурах ( . 1).
1
Режимы сушки образцов
№ Температура, °С Длительность, мин
1 30 180
2 80 40
3 90 40
4 100 60
Процесс сушки необходим для получения пленки ксерогеля и удаления остаточного растворителя. Далее проводилось электронно-лучевое формирование в специализированной вакуумной установке. Откачка выполнялась вакуумными насосами 2НВР-5Д и Н-250 до вакуума не хуже 10-2 Па. Электронно-лучевая обработка проводилась на установке с электронной пушкой, формирующей ленточный . . 2.
2
Режимы электронно-лучевого формирования
№ I, мА р QQ v, см/с Н ^ W, кВт/см2
1 100 3500 2 660 1,0
2 120 3500 5 700 1,3
3 160 3500 7 800 1,7
4 200 3500 9 900 2,1
Подложки кремния были очищены по следующей процедуре: а) чистка в КАРО и травление в H2O:HF =10:1;
) .
На сформированных электронным лучом пленках Al2O3 были обнаружены различного вида сформированные структуры. Фотографии сформированных электронным лучом поверхностей пленок, полученные с помощью оптического микроскопа и СЗМ Ntegra Vita, представлены на рис. 1 Физические процессы и явления, приводящие к появлению данных структур, требуют глубокого и де.
Рис. 1. Состояние пленки Al2O3 на кремниевой подложке после ЭЛО
,
термонапряжений под электронным лучом. Ранее авторы статьи [9] проводили анализ процесса разрушения образца после ЭЛО. Было показано, что процесс разрушения является кинетическим с характерным периодом, длительность которого зависит от действующих в стекле напряжений и температуры образца. Опираясь на кинетическую теорию прочности (КТП) твердых тел, ими показано, что разрушение поверхностного слоя образца происходит из-за обрывов химических связей, когда время действия растягивающих напряжений достаточно для накопления предельной концентрации обрывов.
,
зрения кинетической теории прочности, можно предполагать, что при ЭЛО диэлектрических пленок на основе Al2O3 по причине высокого перепада температуры между фоновой температурой подогрева и температурой под лучом (около 500 °С) происходит разрыв и накопление оборванных химических связей. При
достижении их критической концентрации как непосредственно под электронным лучом, так и после ЭЛО по истечении некоторого времени, происходит разрушение поверхности пленки в виде сегментного дробления ее на отдельные
.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ruppi S., Larsson A. Chemical vapour deposition of k-Al2O3 // Thin Solid Films. - 2001.
- № 388. - P. 50-61.
2. Siddhartha K. Pradhan, Philip J. Reucroft, Yeonkyu Ko Crystallinity of Al2O3 films deposited by metalorganic chemical vapor deposition // Surface and Coatings Technology. - 2004.
- № 176. - P. 382-384.
3. Nobuyuki Kawakami, Yoshihiro Yokota, Takeshi Tachibana, Kazushi Hayashi, Koji Kobashi Atomic layer deposition of Al2O3 thin films on diamond // Diamond & Related Materials.
- 2005. - № 14. - P. 2015-2018.
4. Yadong Zhang, Jacob A. Bertrand, Ronggui Yang, Steven M. George , Y. C. Lee. Electroplating to visualize defects in Al2O3 thin films grown using atomic layer deposition // Thin Solid Films. - 2009. - № 517. - P. 3269-3272.
5. Gottmann J., Kreutz E.W. Pulse laser deposition of alumina and zirconia thin films on polymers and glass as optical and protective coating // Surface and Coating Technology. - 1999.
- № 116-119. - P. 1189-1194.
6. Chengbin Jing, Xiujian Zhao, Yongheng Zhang Sol - gel fabrication of compact, crack-free alumina film // Materials Research Bulletin. - 2007. - № 42. - P. 600-608.
7. Masalski J., Gluszek J., Zabrzeski J., Nitsch K., Gluszek P. Improvement in corrosion resistance of the 316l stainless steel by means of Al2O3 coatings deposited by the sol-gel method // Thin Solid Films. - 1999. - № 349. - P. 186-190.
8. . ., . ., . ., . . электронно-лучевой обработки для модификации золь-гельных пленок легированного
// . - 1998. - 2. - C. 77-83.
9. . ., . ., . .
// . - 1990. - 6. - . 923-927.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. Е.А. Рындин
Авдеев Сергей Петрович
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, . , . , 2.
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; к.т.н.; доцент.
Луговой Евгений Владимирович
E-mail: [email protected].
Тел.: +79604695926; 88634371940.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Серба Павел Викторович
E-mail: [email protected].
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; д.ф.-м.н.; профессор. Avdeev Sergey Petrovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Associate Professor.
Lugovoy Evgeny Vladimirovich
E-mail: [email protected].
Phone: +79604695926; +78634371940.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Postgraduate Student.
Serba Pavel Victorovich
Phone: +78634371611.
E-mail: [email protected].
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Professor; Dr. of Phis.-Math. Sc.; Professor.
УДК 621.383+539.21
С.П. Малюков, A.B. Саенко ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА ПОГЛОЩЕНИЯ КРАСИТЕЛЯ ЭОЗИНА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ НА ОСНОВЕ TiO2
Исследован спектр поглощения органического красителя эозина с помощью спектрофотометра для применения в качестве сенсибилизатора в фотоэлектрохимических солнечных элементах на основе TiO2. Определён диапазон эффективного поглощения солнечного излучения данным красителем. В системе Matlab проведено моделирование струк-
TiO2, -
щению интенсивности солнечного излучения, на основе полученных коэффициентов погло-.
; ; TiO2.
S.P. Malyukov, A.V. Saenko RESEARCH THE ABSORPTION SPECTRUM OF EOSIN DYE FOR APPLICATION IN SOLAR CELLS BASED ON TiO2
The absorption spectra of organic eosin dye with the help of spectrophotometer for use as a sensitizer in photoelectrochemical solar cells based on TiO2 is investigated. The range of effective absorption of solar radiation the given dye is defined. In the system of Matlab to simulate the structure of the eosin sensitized TiO2 _ film, consistent with the effective absorption of solar radiation intensity, on the basis of the absorption coefficients of eosin.
Eosin dye; solar radiation absorption; nanostructured TiO2 film.
В последнее время большие усилия направлены на разработку и исследование фотоэлектрохимических сенсибилизированных красителем солнечных элементов (СКСЭ), которые способны непосредственно преобразовывать солнечное излучение в электричество и представляют собой техническую и экономическую альтернативу традиционным солнечным элементам на основе p-n-перехода. Основу СКСЭ составляет поглощающий солнечное излучение фотоэлектрод из нанопо-ристого диоксида титана (TiO2), покрытого монослоем органического красителя. Преимуществами использования TiO2 являются его высокая химическая стабильность в растворе электролита, низкая стоимость и отсутствие токсичности. Однако TiO2 может эффективно поглощать только ультрафиолетовую область, которая составляет менее 4 % солнечного спектра. Для расширения светочувствительности TiO2 ,
( ), -ствует значительному улучшению фотоэлектрических характеристик солнечного элемента [1-3].
