автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка основ лазерно- и магнитостимулированной технологии электроосаждения Ni/Bi2Te3 контактов термоэлементов Пельтье

003458022

На правах рукописи

Веприков Владимир Иванович

РАЗРАБОТКА ОСНОВ ЛАЗЕРНО - И МАГНИТОСТИМУЛИРО-ВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ МВ12Тез КОНТАКТОВ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ ПЕЛЬТЬЕ

Специальность 05.27.01 - «твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

АВТОРЕФЕРАТ 'диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 5 ДЕК 2008

Таганрог 2008

003458022

Работа выполнена в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге

на кафедре "Технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры"

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор A.M. Светличный (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Червяков Георгий Георгиевич, ТТИ ЮФУ, г. Та-ганрогкандидат технических наук, с.н.с. Гусев Борис Алексеевич, ФГУГТ НИИ Связи, г. Таганрог

Ведущая организация - ОАО Завод полупроводниковых приборов, г.Нальчик

Защита состоится «29» декабря 2008 г. в 10 ч. 20 мин. на заседании •диссертационного совета Д212.208.23 Южного федерального университета в г. Таганроге по адресу: 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко,2, ауд. Е-306

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан «28» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор ^ Н.Н. Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Важнейшей задачей твердотельной электроники является обеспечение хороших адгезионных и электрофизических свойств контактных площадок на различных диэлектрических и полупроводниковых подложках.

Из многообразия методов получения плёночных контактов, наиболее простым и недорогим является электроосаждение. Этот метод используется при изготовлении контактов термоэлементов на основе эффекта Пельтье, которые нашли применение в качестве элементной базы устройств для термостабилизации технологических процессов в электрохимии, изготовлении компактных, экономичных охлаждающих и термогенерирующих устройств в автомобильной и авиационной технике, в компьютерной технике для охлаждения процессоров; утилизации тепловой энергии от любых источников в полевых условиях в электрическую энергию и энергию электромагнитного излучения. В сочетании с экономичными фотоэлектрическими модулями, использование термоэлементов на основе эффекта Пельтье позволяет расширить диапазон применения изделий от приборов бытового назначения до использования в качестве элементов космических технологий.

Однако стандартный технологический процесс электроосаждения контактов термоэлементов Пельтье не обеспечивает требуемую адгезию и паяемость, контактные площадки имеют высокую пористость и высокое переходное сопротивление. Поэтому для улучшения характеристик контактов необходимы альтернативные методы электроосаждения контактов с использованием лазерных технологий и магнитных полей, которые широко используются в микроэлектронике при изготовлении СБИС, на операциях отжига ионно-легированных слоев, формирования контактно-металлизационной системы, изготовления изоляции, геттерирования, рекристаллизации поликристаллических слоев и др.

В работе предлагается метод получения металлических плёнок с улучшенными функциональными свойствами, основанный на применении совместного, комплексного действия на процесс электроосаждения лазерного излучения и постоянного магнитного поля.

Элементы коммутации функциональных узлов приборов твердотельной электроники применяются во многих приборах твердотельной электроники, и методы, предлагаемые для решения частной задачи электроосаждения низкоомных №/ВьТе3 контактов, являются перспективными для повышения качества широкого класса элементов коммутации. Поэтому разработка перспективных методов на основе лазерных и магнитных потоков для создания приборов твердотельной электроники, отвечающих современным эксплуатационным требованиям, является актуальным.

Цель работы: разработка основ технологии электроосаждеши никелевых контактов на теллуриде висмута с использованием магнитного поля и лазерного излучения для термоэлементов на основе эффекта Пельтье.

Задачи диссертационной работы

1. Исследовать влияние лазерного излучения и постоянного магнитного поля на кинетику и закономерности электроосаждения никелевых контактов термоэлементов Пельтье.

2. Разработать математическую модель процесса электроосаждения ШВ12Те3 контактов при комплексном действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

3. Разработать' и изготовить установку для реализации технологии электроосаждения №/Ш2Тез контактов при комплексном действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

4. Провести структурные и морфологические исследования никелевых контактов термоэлементов Пельтье, осажденных при действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

5. Разработать технологический процесс электроосаждения М1/Ш2Тез контактов термоэлементов Пельтье, исследовать их характеристики при комплексном при действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

Научная новизна работы

1. Разработана математическая модель электроосаждения Ы1/Ш2Те3 контактов при комплексном действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

2. Установлено влияние индукции постоянного магнитного поля на увеличение токов обмена, величину предельного тока в процессах электроосаждения никелевых контактов из водных растворов электролитов.

3. Показано, ,что использование совместного комплексного действия постоянного магнитного поля позволяет получить оптимальные характеристики осаждаемой плёнки.

4. Закономерности влияния режимов индукции постоянного магнитного поля и лазерного излучения на структуру и морфологию осаждаемой никелевой плёнки.

Практическая значимость

1. Определены режимы катодного осаждения №/Ш2Те3 контактов сформированных комплексным методом под воздействием постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

2. Разработан технологический процесс электроосаждения ]Ч1/В12Те3 контактов под воздействием постоянного магнитного поля и лазерного излучения, который по своим параметрам превосходит стандартный технологический процесс.

3. Разработана программа "Электролиз" для расчёта влияния постоянного магнитного поля на скорость электроосаждения никелевых контактов.

4. Разработана установка лазерно - и магнитостимулированного электроосаждения плёнок, позволяющая получать воспроизводимые характеристики N№{2X63 контактов. -

5. Результаты работы были использованы в НПЦ "Элион" при изготовлении термоэлементов Пельтье, использованных в производстве полупроводниковых термогенераторов и холодильников различного назначения.

6. Установлены оптимальные температурные режимы термического отжига для увеличения коэффициента термо-ЭДС.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Метод аналитического исследования электроосаждения контактов стимулированного.

воздействием постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

2. Закономерности зависимости скорости электроосаждения от величины индукции постоянного магнитного поля и интенсивности лазерного излучения.

3. Метод ускорения электроосаждения контактов, основанный на стимулированном

воздействии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

4. Результаты морфологических исследований структуры плёнок контактов, полученных с помощью рентгеноструктурного анализа и атомно-силового сканирования.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на межвузовских научно-технических конференциях ВИ ЮРГТУ (НПИ) (г. Волгодонск 1998 -2001 годах); на Международной интернет-конференции «Информационные технологии в науке и образовании» (г. Шахты, 2002 г); IV, VI региональных конференциях с международным участием «Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах» ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск 2003, 2005 г); итоговых научных конференциях ЮРГУЭС г. Шахты и ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск 1998 - 2008 годах); Международной конференции НГУ (г. Днепропетровск, Украина 2003 г.); III Международной научно- практической конференции ЮРГТУ (НПИ (г. Новочеркасск 2004 г); на научном семинаре «Лаборатории прикладного нелинейного анализа» ИПМИ ВНЦ РАН (г. Шахты, 2007,2008 г.).

Автор выражает глубокую признательность доктору физико-математических наук, профессору Фетисову Валерию Георгиевичу за постоянную поддержку и внимание к работе. Публикации

По теме диссертации опубликованы 34 печатных работ. Из них 10 статей посвящены научно-технологическим вопросам электроосаждения, среди которых 7 в журналах, входящих в "Перечень ведущих научных журналов и изданий" ВАК Минобразования РФ, 3 в Международных сборниках, 2 статьи в материалах Всероссийской научно-практической конференции, 19 в Межвузовских сборниках.

Структура и объём диссертации Диссертационная работа состоит из введения. 5 глав, заключения, библиографического списка и приложения. Содержание диссертации изложено на 151 страницах, включает 71 рисунков, 54 таблицы и список использованных источников на 9 страницах, включающий 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и структуре диссертации.

В первой главе представлен обзор традиционных способов увеличения скорости электроосаждения металлических плёнок: механическое перемешивание раствора электролита, повышение температуры, применение ультразвука; рассмотрены основные принципы действия, достоинства и недостатки альтернативных методов: лазерного излучения и постоянного магнитного поля. Проведён анализ параметров, характеризующих качество термоэлемента, показано определяющее влияние переходного сопротивления на эффективность работы термоэлемента.

Рассмотрены физико-химические особенности воды как растворителя, особенности влияния структуры и полярного характера её молекул, на процессы электроосаждения из водного раствора электролита, на деформацию водородных связей, на гидратацию ионов электролита. Сделан вывод о перспективности методов с использованием лазерного излучения и постоянного магнитного поля для повышения однородности и воспроизводимости формирования контактно-металлизационных систем.

Во второй главе рассматриваются вопросы моделирования процессов-электроосаждения и анализа механизмов факторов внешнего воздействия на кинетические параметры электрохимического процесса: плотность тока обмена j0 и коэффициент переноса а. Показано, что представленная модель позволяет упростить контроль параметров реального процесса, произведя измерения масс и токов только в граничных точках и моделирование хода процесса в промежутках между ними.

Обозначим первоначальную массу вещества на аноде moo, а массу вещества, осаждённую на катоде m0k- Масса вещества на катоде вначале процесса электролиза равна Моо, в конце рассматриваемого периода равна М0к- Отсюда для 0 < t < tK итоговая теоретическая модель имеет вид:

( ™ ^ \ л Г к-1 Л

м(0=мо

1 +

т00 - т,

о к

мок~моо;

АЛ-

FZL{ t

-',->)+л ('-О

+

*-1

+1:

1=1 '

+ -

А,-

4-,,;

4£>|<

+ е

(2 ¿-»У

h h-\

4£>|(-г|

+ е

4£>|(-

+ е

(2L+xY 4£>|i-r|

(2L+x? 4D|/-r|

dr

dr

где: moo - начальная масса вещества на аноде, ш0к - масса вещества на аноде в конце процесса электролиза; М00 - масса вещества на катоде вначале процесса электролиза; М0|< - масса вещества на катоде в конце процесса электролиза;

к

j - плотность тока; 1-е слагаемое ./, (J, — ) - фарадеевский ток, возникаю-

/=1

щий за счёт градиента потенциала; 2-е, 3-е слагаемые - диффузионные составляющие тока за счёт градиента плотности; коэффициент ты ~тоt показывает

долю вещества перешедшего на электрод из раствора; ^ - характеризует коли-

FZL

чество вещества, выделившееся на катоде, из раствора на единицу длины электрохимической ячейки; i - номера замеров; п - номер обратной полуволны диффузии: 2L, и = 2; т - переменная интегрирования; ДМ, = М- - ml X, дд/( - количество вещества, которое должно выделиться на катоде (приращение массы на катоде), AlTlj - количество вещества, которое фактически выделилось на катоде, разница

между измеренными массами на катоде в моменты времени t j и j,; А ■ - массы вещества, ушедшие обратно в раствор в результате процесса диффузии,

Д. = АЛ/, — Дш(; —^—-скорость возврата, в раствор, нейтрализовавшихся dr

молекул вещества; _ - множитель характеризует поступившую в раствор

л/яD(t-r)

массу вещества;

(2L-xf (2L+xf

шим веществом.

- поле концентраций, созданное поступив-

Из выявленного протекания только одной электродной реакции определён характер лимитирующей стадии (разряд-ионизация). Это позволило аналитически рассчитать основные кинетические параметры процесса, применяя к поляризационным характеристикам уравнения теории замедленного разряда.

^^„{ехр^-ехрГ^1-^]} Ш.

КТ КГ

где: ] - плотность тока, определяющая скорость электродного процесса; -плотность тока обмена; Р - постоянная Фарадея, Р = 9,6487 • 104 Кл/моль; Я - молярная газовая постоянная, Я = 8,31 Дж / моль К; п - число носителей заряда; т) =

Ер - Е - перенапряжение, обусловленное замедленным протеканием стадии разряда-ионизации.

Анализ полученных результатов показывает: действие лазерного излучения увеличивает коэффициент переноса на 9,8 %, что означает уменьшение энергии активации прямой реакции и уменьшение фазового перенапряжения. Вторым механизмом влияния факторов внешнего воздействия на процесс электроосажде ния является возрастание плотности тока обмена j0 при увеличении индукции постоянного магнитного поля, что означает уменьшение диффузионного перенапряжения. Уменьшение диффузионного и фазового перенапряжения предполагает уменьшение вероятности восстановления, ионов водорода и других ионов, молекул раствора, восстанавливающихся при более высоком потенциале, что означает повышение качества, осаждаемой никелевой плёнки.

Выявленное наличие максимума плотности тока обмена показывает, что оптимизация процессов электроосаждения допустима только в некотором интервале значений индукции постоянного магнитного поля.

Третья глава посвящена планированию эксперимента и рассмотрению методов экспериментальных исследований.

Планирование производилось методом многофакторного эксперимента. На основании опытных данных была построена матрица планирования, разработана динамическая модель зависимости приращения массы никеля от времени при действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения:

Д m{t) = <7,(f) + a2{t)xl + a3{t)x2 + o4(/)x,2 + a 5(t)xl + a6(t)xix2,

Xj - кодированные значения управляющих параметров: xt - индукция магнитного поля х2 - интенсивность лазерного излучения, и получена полиномиальная формула:

Значения коэффициентов модели находятся методом наименьших квадратов с помощью прикладных математических пакетов Maple 9.5:

ЯГ6(г)= - 0,23125 t4 + 3,3689713 - 16,34983 t2 + 27,5651 t - 13,7815

Погрешность полученной модели относительно экспериментальных данных не превышает 5%.

Для определения скорости электроосаждения никеля получена модель: = &,(*)+ Ъ2 (*)х, + b3{t)x2 + b4(t)x* + b5{t)xl + b6(t)xix2

Таблица 1 - для коэффициентов Ь; (1); Ь|(Ч) = ёа^ /<11; 1 = 1, 2, 3, 4, 5, 6

Коэффициент Соответствующая полиномиальная формула

Ь1(0 -1,03767 Г1 +9,58665 ^ +28,23685 4 + 29,4083

Ь2(1) - 2,66758 Г1 + 2885574 ^ + 93,01019 4 + 86,9614

ЬЗО) -1,03967 ^ +10,96092 ^ + 35,11741 1 + 32,6197

Ь4(1) - 0,95792 + 10,97619 ^ + 36,61427 1 + 32.9429

Ь5(0 - 0,925 Г5 +10,10692 ? + 32,69967 1 + 27,5651

Таблица 2 - Сопоставление теоретических и экспериментальных масс осаждённого никеля в зависимости от времени для четырёх серий опытов

Вид воздействия г, мин 1 2 3 4 5 6

№ серии (кодированные значения факторов матрицы планирования эксперимента) Масса ш, мг

Контрольные значения: отсутств ует магнитное, поле и лазерное излучение (0;0) по теории 17,06 35,12 58,57 80,72 99,75 120,99

(0;0) по опытам 17,07 34,25 58,78 79,04 99,94 120,9

Магнитное поле (2;0) по теории 26,56 50,65 87,56 120,35 135,84 149,38

(2;0) по опытам 26,51 50,27 86,71 119,25 134,55 150,45

Лазерное излучение (0;2) по теории 26,28 56,54 79,85 115,54 134,87 146,18

(0;2) по опытам 26,81 56,91 79,45 118,61 133,14 146,48

Магн. поле + лазерное излучение (2;2) по теории 36,88 70,54 81,97 121,07 127,11 138,72

(2;2) по опытам 37,06 70,02 82,15 121,03 124,38 136,09

Графики сопоставлений теоретических и экспериментальных приращений масс электроосаждения никеля по сериям

1 серия 2 серия

ДгогШ1

Рис. 1 - Электроосаждение без действия постоянного магнитного поля и лазерного излучения

Ат,мг

3 серия

Рис. 2 - Электроосаждение при действии только постоянного магнитного поля

4 серия

41IПмип

Рис. 3 - Электроосаждение при действия только лазерного излучения

Рис. 4 - Электроосаждение при лазерного излучения и постоянного магнитного поля

Выявлен разный характер нелинейности, отражающий действие факторов постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

Сопоставление теоретических и экспериментальных значений приращения масс даёт погрешность в сериях 1-3 порядка не более 3%, в серии 4 погрешность не более 5%, что связано с ухудшением характеристик осаждаемой плёнки при значениях интенсивности лазерного излучения и индукции магнитного поля превышающих оптимальные.

В четвёртой главе рассматривается разработка и исследование технологии электроосаждения №/В12Те3 контактов представлены результаты исследований альтернативных методов электроосаждения.

Показано, что в эффект действия постоянного магнитного поля по ускорению транспорта ионов в объёме электролита определяется конструкцией установок, схемы которых приводятся.

Рис. 5 - Схемы установок для электроосаждения никелевых плёнок на полупроводниковую подложку (ЕН2Те3) с несимметричным (а) и симметричным (б) расположением постоянных магнитов

Элементы установки: 1 - источник постоянного напряжения; 2 - блок ; 3 - электролит 4,5 - электроды; ,7,8,9-электромагниты; 10 - теплопроводящая подложка; 11 -термомодуль Пельтье; 12 - радиатор 6; 13 - датчик контроля температуры; 14 - амперметр; 15 - источник постоянного тока.

Рис. 6 - Схема движения ионов в постоянном магнитном поле при симметричном расположении электромагнитов

В - вектор индукции магнитного поля; Е -вектор напряжённости электрического поля; Г - сила Лоренца; V - вектор скорости иона. Результаты воздействия симметричного и Е несимметричного постоянных магнитных полей приводятся на рис.7.

®>® О

о Он—в

,--•*<=) о о8

Рис. 7 - Зависимость приращения массы электроосаждённого никеля от времени электроосаждения при действии симметричного и несимметричного постоянных магнитных полей разной и интенсивности

I - несимметричное магнитное поле одного магнита;

II - симметричное, поле двух магнитов; К - контрольная зависимость без действия магнитного поля.

Для значений индукции, соответствующих графикам II и I имеет место соотношение В„ : В! равное 1,27 Тл : 0,63 Тл как 2 :1; К - зависимость без действия постоянного магнитного поля.

ST—i-5-rt-J-i-Г— t, мин

- Зависимости I никеля (рис. 7) для времени электроосаждения t = 6 мин. Соот ветствует меньший выход по массе электроосаждённого вещества: никель на 28 %, что объясняется существованием дополнительного торможения, при электрофоре-тическом эффекте.

- Зависимости II никеля (рис. 7), времени электроосаждения t = 6 мин. отвечает увеличение массы электроосаждённого вещества: никель на 9 %, объясняемые компенсацией электрофоретического и релаксационного торможения силой Ло-

Установлено, что результаты комплексного воздействия лазерного облучения и постоянного магнитного поля на приращение массы электроосаждённого вещества имеют нелинейный характер (рис. 8), что объясняется уменьшением диффузионного и фазового перенапряжений. Рис. 8 - Зависимость приращения массы электроосаждённого никеля от времени электролиза при совместном действии постоянного магнитного поля и лазерного облучения для разных интен-сивностей облучения

Для интенсивностей облучения, соответствующих графикам II и I имеет место отношение 1П : Ii (0,88: 0,44) Вт/см2 равное 2 : 1; В .= 1,3 Тл, В = const, время облучения 1 = 6 мин., х = const. К - контрольная зависимость без действия магнитного поля и лазерного излучения.

- Среднее приращение массы относительно контрольной для 1п , Лшп > Атк на 123% большее, чем для отдельно взятых факторов: 113% для магнитного поля и 28% для лазерного излучения отражает большую эффективность совместного действия магнитного поля и лазерного излучения.

А ш, мг

15» • > • ■

125 ----+ -1 •¿fu— 1к

1ПН -

75 50 ----+ --

И ---- "Г "1" 1

ренца парой симметричных электромагнитов.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния параметров постоянного магнитного поля и лазерных потоков на формирование структуры электроосаждённой никелевой плёнки. Исследования процессов электроосаждения проводилось на атомно-силовом микроскопе СЗМ Solver Р47 Pro с использованием поставляемого в комплекте программного обеспечения. Средние значений высоты наноразмерных структур рассчитаны при статистической обработке данных, полученных методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) изображений с использованием программного шкета Image Analysis 2.0. В результате морфологических исследований методом АСМ было установлено: комплексное действия магнитного поля и лазерного излучения (рис. 11), позволяет получить более плотную и однородную структуру, средняя площадь кристаллов составляет 200 мкм2, площадь пор составляет Snop= 1% поверхности образца (уменьшилась на 76 %), рельеф качественно отличается от рельефа контрольной поверхности, среднее значение микронеровностей 280 нм, адгезия, относительно контрольного образца (рис. 10), возросла на 6 %.

9-а 9-6

Рис. 9 - Структура плёнки никеля (9-а); рельеф поверхности плёнки (9-6) контрольного образца электроосаждённой без действия постоянного магнитного поля и лазерного излучения и = 3 В, j = 29 мА/см2.

И Комплексное действие магнитного поля

10-а 10-6

Рис. 10 - Структура плёнки никеля (10-а), рельеф поверхности плёнки (10-6) никеля при совместном действии лазерного излучения (X, = 808,8 нм, удельной

мощностью Р = 0.88 Вт/см2) и магнитного поля (В = 1,3 Тл) на процесс электроосаждения никелевой плёнки

Полученные результаты влияния режимов постоянного магнитного поля и лазерного облучения на качество осаждаемых никелевых контактов проверялись методом рентгеноструктурного анализа на аппарате ДРОН-2 в НИИ физики ЮФУ (РГУ). По данным рентгеноструктурного анализа результатов электроосаждения никелевых плёнок методом малоугловой дифракции установлено для комплексного действия лазерного излучения, магнитного поля образец № 2:

1. наличие более однородной структуры образца № 2 - меньшая полуширина рентгеновской линии: образца № 2 (Вср2 = 0,815 угл. град.), по сравнению с контрольным образцом № 1 (Bq,! = 0,935 угл. град.) на 12.8 %;

2. величина интегральной интенсивности J образца № 2, Jcp2 = 106,5 мм град., относительно контрольного образца №1 (Jcp!? = 91 мм град.) увеличилась на 17 %, что свидетельствует о большей интенсивности линии никеля, то есть о большей толщине плёнки.

J, relative units

Рис. 11 - Штрихдиаграмма сравнения интенсивностей эталонного, контрольного и экспериментального образца, полученного при совместном действии постоянного магнитного и лазерного излучения

d, А

Рис. 12 - Дифрактограммы линии никеля для угла в 52' в образце № 2: 12-а, и в контрольном образце № 1: 12-6

Исследование комплексного действия лазерного излучения, магнитного поля и температурных режимов термического отжига на термо-ЭДС элемента Пель-тье.

Из результатов исследований разных методов внешнего воздействия на процесс электроосаждения, представленных в таб лице 3, следует неоднозначность

раздельного воздействия: имеет место одновременное улучшение одних параметров и ухудшение других, то есть, получить требуемые характеристики плёнки применением только лазерного излучения или постоянного магнитного поля невозможно. Метод комплексного воздействия позволяет это противоречие разрешить.

Таблица 3 - Максимальные значения основных параметров осаждаемой плёнки для разных методов внешнего воздействия на процесс электроосаждения: лазерное излучение, постоянное магнитное поля, комплексное воздействие.

Качественная харак-

Вид Магн. теристика . осн. пара-

воздействия Контроль Лазер. Маг. поле + метров при комплекс-

излуче поле лазер- ном действии маг. по-

ное ние ное излучение ля и лазерного излучения

Полуширина 0 + + + Улучшение однород-

>ентген. линии 0,935 0,65 0,85 0,815 ности и структуры

BCD, угл. град. плёнки

Интенсивность 0 - - +

Jcp, мм град. 91 lí" í Í . - • 29,5 55,5 106,5 Увеличение толщины плёнки

Для описания закономерностей влияния режимов внешнего воздействия на определяющие параметры термоэлементов на основе массива экспериментальных данных с использованием программного пакета MathCAD, построены гистограммы плотности распределения параметров, позволяющие определить оптимальные значения режимов внешнего воздействия.

Рис. 13 - Зависимость увеличения выхода годных изделий от индукции постоянного магнитного поля и удельной мощности лазерного излучения, X = 808,8 нм

Л N %

Максимальный выход годных изделий получен при значениях индукции магнитного 1,3 Тл и удельной мощности лазерного излучения 0,88 Вт/см2, Д N = 8,2 %. длиной волны X = 808,8 им

R, Ом

1.1 0,9 0.74

11.1 <М ■!,.»

Р уд, Вт/см2"* ¿ ™

Рис. 14 - Зависимость переходного сопротивления контакта ермоэлемента от индукции постоянного магнитного поля и мощности лазерного излучения с Максимальное снижение переходного сопротивления термоэлемента достигается при значениях индукции магнитного поля 1,3 Тл и удельной мощности лазерного излучения 0,88 Вт/см2 R = 0,74 Ом.

Анализ, полученных данных, показывает, что оптимальные значения разных параметров: выхода годных изделий, переходного сопротивления контакта, зависимости приращения массы, осаждаемого никеля от удельной мощности лазерного излучения, зависимости выхода по массе осаждённого вещества от величины плотности тока достигаются при практически одинаковых значениях факторов внешнего воздействия, В = 1,3 Тл, Руд = 0,88 Вт/см2, X = 808,8 нм. Причиной этого эффекта является оптимальное соотношение, для данных значений параметров, скоростей транспорта ионов и электродного процесса. Влияние факторов постоянного магнитного поля и фотолитической стимуляции на коэффициент термо-ЭДС исследовалось для различных температурных режимов термического отжига.

В результате было установлено, что для образца, полученного при действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения в температурном интервале 150 - 234 °С коэффициент термо-ЭДС выше, чем у образцов сравнения. При t = 200° С, коэффициент термо-ЭДС возрастает в 1,1 раз, по сравнению с контрольным. Полученные результаты объясняются лучшей морфологией и структурой контакта, полученного при комплексном действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

В, Тл

Рис. 15 - Зависимость термо-ЭДС от температуры термического отжига для разных факторов внешнего воздействия на процесс электроосаждения металла

1 - контрольная кривая образца, полученного без действия внешних факторов;

II - образец, полученный при комплексном действии постоянного магнитного поле и лазерного излучения;

III - образец, полученный термо-плазменным напылением.

Эксперименты выполнены автором работы лично и под его руководством совместно с сотрудниками кафедры «Математика» ЮРГУЭС г. Шахты, кафедры «Технологии электрохимических производств» ЮРГТУ (НПИ) г. Новочеркасск, кафедры "Общепрофессиональных и естественнонаучных дисциплин" ВИС ЮРГУЭС г. Волгодонск, Научно-производственного центра «Элион» г. Волгодонск, «Лаборатории нанотехнологий» Южного научного центра'РАН, г. Таганрог, в Научно-исследовательском Институте физики ЮФУ (РГУ), г. Ростов-на-Дону. Основные результаты диссертационной работы

1. Проведён анализ влияния постоянного магнитного поля и лазерного излучения на процесс электроосаждения металлов на полупроводник. Показано, что реализация технологического процесса возможна без повышения температуры электролита фотохимическим методом в постоянном магнитном поле.

2. Разработана математическая модель процесса электроосаждения Ni/Bi2Te3 контактов, учитывающая влияние постоянного магнитного поля и лазерного излучения на скорость осаждения никеля.

3. Выявлены закономерности влияния лазерного излучения, постоянного магнитного поля и совместного воздействия постоянного магнитного поля и лазерного излучения 2,7 Вт/см2 наблюдается более однородная структура плёнок никеля и снижение скорости электроосаждения. При лазерном облучении (Руд = 0,88 Вт/см2) скорость осаждения никеля возрастает в 1,2 раза. Совместное воздействие лазерного излучения и постоянного магнитного поля приводит к снижению пористости плёнок по сравнению со стандартным в 1,76 раза и увеличение коэффициента термо-ЭДС термоэлемента в 1,1 раза.

4. Установлено влияние постоянного магнитного поля и лазерного излучения на кинетические параметры процесса электроосаждения. Показано, что при удельной мощности лазерного излучения Руя = 2,7 мВт/см2, длине волны X = 679,87 нм увеличивается коэффициент переноса ионов никеля в 1,1 раза. Слабое постоянное магнитное поле В = 21 мТл увеличивает ток обмена j0, в 1,5 раза и предельный ток в 1,9 раза.

5. Установлено влияние лазерного излучения и постоянного магнитного поля на морфологию осаждаемой никелевой плёнки. Установлено, что средние размеры микронеровностей 280 нм, адгезия возросло в 1,26 раза (0,42 до 0,53 Н/мм2), число пор уменьшилось от 3 до 2,7 пор/см2 (в 1,1 раз), размеры пор уменьшились в

2 раза, средние размеры кристаллов 200 мкм2.

6. Проведена оптимизация режимов электроосажденйя Ni/Bi2Te3 контактов. Показано, что совместное воздействие лазерного излучения и постоянного магнитного поля увеличивает термо-ЭДС в 1,1 раза при плотности лазерного излучения

I = 0.88 Вт/см2 и индукции постоянного магнитного поля В ~ 1,3 Тл. Наилучшие характеристики контактов получаются при температуре отжига 200°С.

7. Разработана и изготовлена установка, позволяющая реализовать технологический процесс комплексного электроосаждения, при действии лазерного излучения и постоянного магнитного поля №/В{2Те3 контактов.

8. Использование лазерного излучения и постоянного магнитного поля позволило разработать более эффективный технологический процесс электроосаждения ШВ12Те3 контактов термоэлементов Пельтье.

В приложениях приведены: список публикаций по теме диссертации, акт внедрения результатов диссертационной работы на промышленном предприятии, акт использования научных результатов в учебном процессе.

Цитируемая литература. 1. Краснов К. С., Воробьёв Н. К., Годнев И. Н. Физическая химия т.2 / Под редакцией К. С. Краснова. Электрохимия. Химическая кинетика и катализ. М.: Высшая школа 2001. 319 с.

Основные публикации по теме диссертационной работы Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Веприков В.И. Анализ влияния факторов внешнего воздействия на процесс кристаллизации. / В.И. Веприков// Известия вузов Северо-Кавказский регион. Естественные науки. Приложение. №7 - Ростов-на-Дону, 2003. - С. 28 - 32.

2. Веприков В.И. Постоянное магнитное поле как фактор управления процессом кристаллизации. / В.И. Веприков// Известия вузов Северо-Кавказский регион. Естественные науки. Приложение. №7 - Ростов-на-Дону, 2003. - С. 32 - 36.

3. Веприков В.И. Энергоинформационный обмен как элемент самоорганизации в кристаллических системах. / В.И. Веприков, Ю.В. Веприкова // Известия вузов Северо-Кавказский регион. Технические науки. Приложение №2 Новочеркасск, 2004.-С. 137- 139.

4. Веприков В.И. Влияние совместного воздействия постоянного магнитного и переменного электромагнитного полей на процессы кристаллизации из водных растворов электролитов. / В.И. Веприков, Ю.В. Веприкова // Известия вузов Северо-Кавказский регион. Технические науки. Приложение №2 Новочеркасск, 2004. - С. 139 - 142.

1. Веприков В.И. Математическое моделирование процессов кристаллизации из водного раствора электролита, под действием структурированного лазерного из-' лучения. / В.И. Веприков // Известия вузов Северо-Кавказский регион. Технические науки. Приложение №6 - Новочеркасск, 2004. - С. 58 -61.

2. Веприков В.И. Математическое моделирование процессов электрокристаллизации из водного раствора электролита, под действием постоянного магнитного поля. / В.И. Веприков // Известия вузов Северо-Кавказский регион. Технические науки. Приложение №6 - Новочеркасск, 2004. - С. 61-65.

3. Веприков В.И. Математическое моделирование управления процессом электрокристаллизации под действием постоянного магнитного поля при условии

непрерывного поступления вещества в раствор. / В.И. Веприков, Г.В., Филькин, В.Г.Фетисов // Известия вузов Северо-Кавказский регион. Технические науки. Приложение №3 - Новочеркасск, 2005. - С. 12- 74. Статьи и материалы конференций

4. Веприков В.И. Самосинхронизация как условие стабильности в мега- и микромире / В.И. Веприков, Ю.В. Веприкова // Информационные технологии в науке и образовании: сб. науч. тр. - Волгодонск, 2002. - С. 188 -191.

5. Веприков В.И. Кристаллизация как процесс энергоинформационного обмена.

/ В.И. Веприков, Ю.В. Веприкова // Информационные технологии в науке и образовании: сб. науч. тр.- Волгодонск, 2002. - С. 191 - 193.

6.Веприков В.И. Внешние воздействия на процесс кристаллизации. / В.И. Веприков, Ю.В. Веприкова // Информационные технологии в науке и образовании: сб. науч. тр. - Волгодонск,. 2002. - С. 193 - 195.

7. Веприков В.И. Комплексное воздействие магнитного поля на процесс кристаллизации из растворов. / В.И. Веприков // Информационные технологии в науке и образовании: сб. науч. тр. - Волгодонск, 2002. - С. 15-18.

8. Веприков В.И. Воздействие структурированного электромагнитного-излучения малой интенсивности на процессы кристаллизации в водных растворах / В.И. Веприков // Информационные технологии в науке и образовании: сб. науч. тр. - Волгодонск, 2003. - С. 10 - 13.

9. Веприков В.И. Исследование влияния комплексного воздействия электрического и магнитного полей на процесс кристаллизации в водных растворах / В.И. Веприков // Информационные технологии в науке и образовашш: сб. науч. тр. - Волгодонск, 2003. - С. 13 - 15.

10. Веприков В.И. Влияние степени структурированности информации на технологию внешнего воздействия на процесс кристаллизации. / В.И. Веприков // Информационные технологии в науке и образовании. Всероссийская научно-практическая интернет-конференция. - Шахты, 2003. - С. 22 - 27.

11. Веприков В.И. Энергоинформационный фактор в процессах кристаллизации из водных растворов. / В.И. Веприков// Информационные технологии в науке и образовашш Всероссийская научно-практическая интернет-конференция. - Шахты,

2003.-С. 65-70.

12. Веприков В.И. Влияние энергоинформационного фактора на процессы самоорганизации в кристаллических системах. / В.И. Веприков, Ю.В. Веприкова // Сб. тр. Национального горного университета, т. I - Днепропетровск. Украина,

2004.-С. 117-119.

13. Веприков В.И. Исследование механизма влияния слабых постоянных магнитных полей на процессы кристаллизации в водных растворах электролитов. / В.И. Веприков, Ю.В. Веприкова // Сб. тр. Национального горного университета, т. I - Днепропетровск. Украина, 2004. - С. 211 - 213.

14. Веприков В.И. Влияние магнитного поля на кинетику электрохимического восстановления никеля из водных растворов. / В.И. Веприков, М.С. Липкин,

Ю.В. Веприкова // Сборник материалов III Международной научно - практической конференций. Новочеркасск, 2004.-С. 42-47.

15. Веприков В.И. Управление дифференцированием внешнего воздействия на подсистемы водных растворов электролитов. / В.И. Веприков // Сборник материалов III Международной научно - практической конференции. Новочеркасск, 2004. -С. 50 - 52.

16. Веприков В.И. Влияние постоянного магнитного поля на процесс электрохимического осаждения. / В.И. Веприков // Сборник материалов III Международной научно-практической конференции. Новочеркасск, 2004,- С. 47 - 50.

17. Веприков В.И. Исследование влияния постоянного магнитного поля на процесс электродной поляризации. / В.И. Веприков, В.Г. Фетисов , Ю.В. Веприкова // Информационные технологии в науке и образовании: сб. науч. тр. -Волгодонск, 2004.-С. 83-85.

18. Веприков В.И. Методы расчёта магнитного поля. / В.И. Веприков, Ю.В. Веприкова, Я. А. Киселёв // Информационные технологии в науке и образовании: сб. науч. тр. - Волгодонск, 2004. - С. 85 - 89.

19. Веприков В.И. Методы получения магнитного поля. / В.И. Веприков, Ю.В. Веприкова, Я. А. Киселёв // Информационные технологии в науке и образовании: сб. науч. тр. - Волгодонск, 2004. - С. 89 - 93.

24. Веприков В.И.. Анализ концептуальных положений теории самоорганизации. / В.И. Веприков, О.М. Корепанова, Ю.В. Веприкова //Проблемы экономики, науки и образования в сервисе: сб. науч. тр. - Волгодонск, 2005. - С. 127 -128.

25. Веприков В.И. Применение ультрафиолетового и ультразвукового излучений для управления процессом электрокристаллизации. / В.И. Веприков, Н.В. Панкратова, Ю.В. Веприкова Проблемы экономики, науки и образования в сервисе: сб. науч. тр. - Волгодонск, 2005. - С. 128 - 129.

26. Веприков В.И. Самоорганизация в процессах электрокристаллизации./ В.И. Веприков, Н.И. Санников, Ю.В. Веприкова. // Проблемы экономики, науки и образования в сервисе: сб. науч. тр. - Волгодонск, 2005. - С. 129 - 132.

27. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2005610760 (Российская Федерация) Программное обеспечение оптимизации технологического процесса электрокристаллизации под действием магнитного поля при ограниченном объёме априорных данных / Веприков В.И., Веприкова Ю.В., Веприков Ю.В. - Заявл. 02.02.2005, № 2005610172, опубл. 31.03.2005.

28. Веприков В.И. Многообразие и уникальность свойств кристаллов. / В.И.'Ве-приков, Х.К. Алиева, Ю.В. Веприкова // Проблемы экономики, науки и образования в сервисе: сб. науч. тр. - изд. ЮРГУЭС, Шахты, 2006. - С. 53 - 54.

29. Веприков В.И., Веприкова Ю. В Применение структурированного лазерного излучения к процессам электролиза. / В.И. Веприков, Ю.В. Веприкова // Проблемы экономики, науки и образования в сервисе: сб. науч. тр. - изд. ЮРГУЭС, Шахты,2006.-С. 54-56.

30. Веприков В.И. Применение симметричного магнитного поля для увеличения скорости транспорта электроактивных частиц в процессах электролиза. / В.И. Веприков, Ю.В. Веприкова // Проблемы экономики, науки и образования в сервисе: сб. науч. тр. - изд. ЮРГУЭС, Шахты, 2006. - С. 56 - 58.

31. Веприков В.И. Исследование влияния трансформированного лазерного излучения на электропроводность раствора электролита.

/ В.И. Веприков, Ю.В. Веприков Ю.В. Веприкова// Проблемы экономики, науки и образования в'сервисе: сб. науч. тр. - изд. ЮРГУЭС, Шахты, 2007. - С. 62 - 65.

32. Веприков В. И. Наноструктуры в технологии полупроводниковых приборов.

/ В.И. Веприков, Ю.В. Белубекова, Ю.В. Веприков Ю.В. Веприкова // Проблемы экономики, науки и образования в сервисе: сб. науч. тр. - изд. ЮРГУЭС, Шахты, 2007.-С. 66-68.

33. Веприков В. И. Фотохимические процессы в электролизе.

/ В. И. Веприков, Ю. В. Веприков, Ю. В. Веприкова // Проблемы экономики, науки и образования в сервисе: сб. науч. тр. - изд. ЮРГУЭС, Шахты, 2007. - С. 78-80.

34. Веприков В. И. Жидкостная кинетика в поле лазерного излучения.

/ В. И. Веприков, Д. М. Яблоновский, Ю. В. Веприков, Ю. В. Веприкова. // Проблемы экономики, науки и образования в сервисе: сб. науч. тр. - изд. ЮРГУЭС, Шахты, 2007. - С. 80 - 82.

В совместных публикациях, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат: в [3,4,7 - 9] результаты теоретического анализа применения постоянного, магнитного поля и лазерного излучения; .[16 -18] - экспериментальные результаты по исследованию влияния параметров постоянного магнитного поля и лазерного излучения на скорость электроосаждения, [32 - 34] — теоретические анализ проблем нанотехнологии и фотохимических процессов, [21-34,] — экспериментальные результаты по исследованию влияния параметров постоянного магнитного поля и лазерного излучения на структуру и морфологию никелевых плёнок.

Тип. ТТИ ЮФУ Заказ К<Э?5гир. 100 экз.

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор.

1.1 Современное состояние проблемы. I ) '

1.2 Совокупный параметр качества термоэлемента.

Г.З Анализ применяемых способов улучшения технологии процесса электроосаждения металлов.

1.4 Физико-химические свойства воды как растворителя.

1.4 Выводы и постановка задачи.

Глава 2. Математическое моделирование процесса электроосаждения металлических плёнок.

2.1 Математическая модель процесса электроосаждения металлических плёнок из водного раствора электролита под действием постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

2.2 Расчёт влияния действия лазерного излучения и магнитного поля на кинетические коэффициенты электродного процесса.

2.2.1 Выбор метода расчёта кинетических параметров электрохимического процесса: плотности тока обмена j0 и коэффициента переноса а.

2.2.2 Расчёт влияния лазерного излучения на величину коэффициента переноса а в процессах электроосаждения никеля.

2.2.3 Расчёт влияния индукции постоянного магнитного поля на величину плотности тока обмена.

2.3 Расчётные данные распределение концентрации ионов Ni+B объёме раствора электролита и приращения массы никеля в процессе электролиза.

2.4 Выводы.

Глава 3. Методика экспериментальных исследований.

3.1 Планирование эксперимента.

3.1.1 Многофакторный эксперимент.

3.1.2 Построение математической модели.

3.1.3 Определение оптимальных параметров лазерного излучения и величины индукции магнитного поля для получения максимальной скорости электроосаждения.

3.1.4 Проверка значимости модельной зависимости для масс восстановленного вещества и ее коэффициентов.

3.1.5 Оценка погрешности теоретической формулы для массы восстановленного вещества относительно результатов эксперимента.

3.2 Методы экспериментальных исследований.

3.3 Определение физико-механических свойств осаждаемых плёнок.

3.4 Поляризационные измерения.

3.5 Рентгеноструктурный анализ: выбор метода исследования, описание объекта исследования и характеристика основных параметров.

3.6 Исследование влиянияпостоянного магнитного,поля.и лазерного излучения на структуру и рельеф поверхности образцов методом атомно-силовой микроскопии.

3.7 Определение длины волны с помощью дифракционнойрешётки.

3.8 Определение выхода подтоку.

3.9"Измерение коэффициента термо-ЭДС термоэлектрических материалов.

ЗЛО Определение электропроводности термоэлектрических материалов.

Глава-4. Разработка и исследование технологии электроосаждения Ni/Bi2Te

4.1 Разработка технологии электроосаждения низкоомных Ni/Bi2Te3 контактов термоэлементов Пельтье на основе использования лазерного излучения.

4.1.1 Описание экспериментальных установок.

4.1.2 Анализ факторов, влияющих на скорость электрохимической реакции.

4.1.3 Фотостимулирование электроосаждения металлических плёнок.

4.1.4 Лазерностимулированное электроосаждение металлических плёнок.

4.2 Обоснование выбора источника излучения.

4.2.1 Определение спектральных характеристик водного раствора хлорида никеля.

4.3 Исследование действия лазерного излучения на процесс электроосаждения.

414 Разработка технологии электроосаждения низкоомных Ni/Bi2Te3 контактов элементов Пельтье при действии постоянного магнитного поля.

4.4.1 Описание экспериментальных установок.

4.4.2 Применение постоянного магнитного поля для электроосаждения металлических плёнок.

4.4.3 Зависимость скорости электроосаждения от структуры постоянного магнитного поля.

4.4.4 Влияние индукции постоянного магнитного поля на токи обмена и предельные токи диффузии.

4.5 Разработка и исследование технологии электроосаждения Ni/Bi2Te3 контактов термоэлементов Пельтье при комплексном действии лазерного излучения и постоянного магнитного поля.

Глава 5. Результаты экспериментальных исследований.

5.1 Действие лазерного излучения на поля на характеристики контактов.

5.1.1 Результаты рентгеноструктурного анализа и атомно-силового сканирования никелевых плёнок, осаждённых при действии лазерного излучения.

5.2 Действие постоянного магнитного поля на характеристики контактов.

5.2.1 Результаты рентгеноструктурного анализа и атомно-силового сканирования никелевых плёнок, осаждённых при действии постоянного магнитного поля.

5.3 Результаты экспериментальных исследований влияния комплексного воздействия лазерного излучения и постоянного магнитного поля на характеристики контактов.

5.4 Определение оптимальных характеристик технологического процесса электроосаждения никеля.

5.4.1 Влияние постоянного магнитного поля и лазерного излучения на коэффициент термо — ЭДС термоэлектрических материалов.

5.4.2 Определение выхода по току.

5.4.3 Измерение удельной электропроводности образцов термоэлектрических материалов.

5.4.4 Влияние морфологии поверхности на коэффициент растекания.

5.4.5 Определение оптимальных значений водородного показателя рН.

5.4.6 Влияние индукции постоянного магнитного поля и плотности тока на приращение массы, осаждаемого никеля.

5.4.7 Влияние индукции постоянного магнитного поля и мощности-лазерного излучения на увеличение выхода годных изделий.

5:5 Описание термоэлемента Пельтье и технологические рекомендации к повышению качества контактов.

5.5.1 Технологический маршрут электроосаждения МЛ^Тез контактов термоэлементов Пельтье.

Основные результаты работы.

Список используемых источников.

Важнейшей задачей твердотельной электроники является обеспечение надёжных адгезионных и электрофизических свойств контактных площадок на различных диэлектрических и полупроводниковых подложках.

Из многообразия методов получения плёночных контактов наиболее простым и недорогим является электроосаждение. Этот метод используется при изготовлении контактов термоэлементов на основе эффекта Пельтье, которые нашли применение в качестве элементной базы устройств для термостабилизации технологических процессов в электрохимии, изготовления компактных, экономичных охлаждающих и термогенерирующих устройств в автомобильной и авиационной технике, в компьютерной технике для охлаждения процессоров; для утилизации тепловой энергии от любых источников в полевых условиях в электрическую энергию и энергию электромагнитного излучения. В сочетании с экономичными фотоэлектрическими модулями, использование термоэлементов на основе эффекта Пельтье позволяет расширить диапазон применения изделий от приборов бытового назначения до использования в качестве элементов космических технологий.

Однако стандартный технологический процесс электроосаждения контактов термоэлементов Пельтье не обеспечивает требуемую адгезию и паяе-мость, контактные площадки имеют высокую пористость и высокое переходное сопротивление [1-6]. Поэтому для улучшения характеристик контактов целесообразно использовать методы электроосаждения контактов с использованием лазерных технологий и магнитных полей, которые широко используются в микроэлектронике при изготовлении СБИС, на операциях отжига ионно-легированных слоёв, формировании контактно-металлизацион ной системы, изготовлении изоляции, геттерирования, рекристаллизации поликристаллических слоёв.

Для решения проблемы предлагается метод получения металлических плёнок с улучшенными функциональными свойствами, основанный на применении совместного, комплексного действия на процесс электроосаждения лазерного излучения и постоянного магнитного поля.

Элементы коммутации функциональных узлов применяются во многих приборах твердотельной электроники и методы, предлагаемые для решения частной задачи электроосаждения низкоомных Ni/Bi2Te3 контактов, являются перспективными для повышения качества широкого класса элементов коммутации. Поэтому разработка технологии осаждения контактов с использованием лазерных и магнитных полей является актуальной; Цель работы

Разработка основ технологии электроосаждения никелевых контактов на теллуриде висмута с использованием магнитного поля и лазерного излучения для термоэлементов на основе эффекта Пельтье.

Задачи диссертационной работы Для достижения с поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- провести исследование влияния лазерного излучения и. постоянного магнитного поля? на кинетику и закономерности электроосаждения никелевых контактов и улучшение характеристик электроосаждённых контактных площадок термоэлементов Пельтье;

- разработать технологический процесс электроосаждения при комплексном воздействии постоянного магнитного поля и лазерного излучения;

- провести структурные и морфологические исследования никелевых контактов, осаждённых при воздействии постоянного магнитного поля и лазерного излучения;

- разработать и изготовить установку для реализации технологии электроосаждения Ni/Bi2Te3 контактов при комплексном действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения;

- разработать математическую модель процесса электроосаждения Ni/Bi2Te3 контактов при комплексном действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

Объект исследования

Закономерности электроосаждения металлов при действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

Предмет исследования

Предметом исследования в диссертации являются вопросы совершенствования физико-технологических методов электроосаждения металлических плёнок, наиболее полно отвечающих требованиям современных приборов электронной техники.

Личный вклад автора заключается:

- в обобщении и анализе литературных данных по теме работы;

- в формулировке цели и постановке задачи исследования;

- в создании математической модели процесса электроосаждения металлических плёнок из водного раствора электролита под действием постоянного магнитного поля и лазерного излучения и разработке компьютерной программы «Электролиз»;

- в обработке и анализе результатов эксперимента;

- во внедрении результатов работы в производство и в учебный процесс.

Эксперименты выполнены автором работы лично и под руководством автора совместно с сотрудниками кафедры «Математика» ЮРГУЭС г. Шахты, кафедры «Технологии электрохимических производств» ЮРГТУ (НПИ) г. Новочеркасск, кафедры "Общепрофессиональных и естественнонаучных дисциплин" ВИС ЮРГУЭС г. Волгодонск, Научно-производственного центра «Элион» г. Волгодонск, «Лаборатории нанотехнологий» Южного научного центра РАН, г. Таганрог, в Научно-исследовательском Институте физики Ростовского гос. университета, г. Ростов-на-Дону.

Основные результаты диссертационной работы 1. Проведён анализ влияния постоянного магнитного поля и лазерного излучения на процесс электроосаждения никеля на теллурид висмута. Показано, что реализация технологического процесса возможна без повышения температуры электролита фотохимическим методом в постоянном магнитном поле.

2. Разработана математическая модель процесса электроосаждения Ni/Bi2Te3 контактов, учитывающая влияние постоянного магнитного поля и лазерного излучения на скорость осаждения никеля.

3. Выявлены закономерности влияния лазерного излучения, постоянного магнитного поля и совместного воздействия постоянного магнитного поля и лазерного излучения. При удельной мощности лазерного излучения 2,7 Вт/см2 наблюдается более однородная структура плёнок никеля и снижение скорости электроосаждения. При лазерном облучении (Руд = 0,88 Вт/см ) скорость осаждения никеля возрастает в 1,2 раза. Совместное воздействие лазерного излучения и постоянного магнитного поля приводит к снижению пористости плёнок по сравнению со стандартным в 1,76 раза и увеличение коэффициента термо-ЭДС термоэлемента в 1,1 раза.

4. Установлено влияние постоянного магнитного поля и лазерного излучения на кинетические параметры процесса электроосаждения. Показано, что при удельной мощности лазерного излучения Руд = 2,7 мВт/см , длине волны X = 679,87 нм увеличивается коэффициент переноса ионов никеля в 1,1 раза. Слабое постоянное магнитное поле В = 21 мТл увеличивает ток обмена jo, в 1,5 раза и предельный ток в 1,9 раза.

5. Установлено влияние лазерного излучения и постоянного магнитного поля на морфологию осаждаемой никелевой плёнки. Установлено, что при средних размерах микронеровностей 280 нм, адгезия возросла в 1,26 раза (0,42 до

2 2 0,53 Н/мм ), число пор уменьшилось с 3 до 2,7 пор/см (в 1,1 раза), размеры пор уменьшились в 4,2 раза, с 5 до 1,2 мкм.

6. Проведена оптимизация режимов электроосаждения Ni/Bi2Te3 контактов. Показано, что совместное воздействие лазерного излучения и постоянного магнитного поля увеличивает термо-ЭДС в 1,1 раза при плотности лазернол го излучения J = 0.88 Вт/см и индукции постоянного магнитного поля В =

1,3 Тл. Наилучшие характеристики контактов получаются при температуре отжига 200°С.

7. Разработана и изготовлена установка, позволяющая реализовать технологический процесс электроосаждения Ni/Bi2Te3, при воздействии лазерного излучения и постоянного магнитного поля.

8. Использование лазерного излучения и постоянного магнитного поля позволило разработать более эффективный технологический процесс электроосаждения Ni/Bi2Te3 контактов термоэлементов Пельтье.

1. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1984. 512 с.

2. Измайлов В.А. Электрохимия растворов М.: Высшая школа,1988. 419 с.

3. Краснов К. С., Воробьёв Н. К., Годнев И. Н. Физическая химия т.2 / Под редакцией К. С. Краснова Электрохимия. Химическая кинетика и катализ. М.: Высшая школа 2001. 319 с.

4. Гудман К. Теория роста и методы выращивания кристаллов. М.: Мир. 1981. 221 с.

5. Денисов Е.Т., Саркисов О.М., Лихтенштейн Г.И. Химическая кинетика М.: Высшая шк., 2000. 487 с.

6. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы, изд. АН СССР Ленинград, 1962, 185 с.

7. A. Krause, М. Uhlemann, A. Gebert, L. Schultz, The effect of magnetic fields on the electrodeposition of cobalt // Leibniz Institute for Solid State and Materials Research, Dresden, Germany, Electrochimica Acta 2004. P. 4127-4134.

8. N.D. Nikoli, J. Serb. Some aspects of nickel electrodeposition in the presence of a magnetic field// Chem. Soc. 2005. P. 1213-1217 (2005)

9. Chu Yanqiu, Huang Feng, Qin Qizong Изучение осажденных под действием импульсного лазера аморфных композитных пленок никель-У205 и их электрохимических свойств Niaxie wuli xuebao = Chin. J. Спет. Phys. 2002. 15, N 3, с. 193-197.

10. M.C. Hissao and C.C. Wan "The Investigations of Laser-Enhanced Copper Plating on a Good Heat Conducting Copper Foil". J. Elektrochem. So. Vol. 138, No. 8 August 1991 The Elektrochemikal Society, Inc.

11. Серянов Ю.В. и Аравина JI.В "Кинетика лазерно-стимулируемого электроосаждения никеля на плоскую цилиндрическую и сферическую поверхность меди". 1993-06 KR00 ВИНИТИ ISSN 1561-7165.

12. Ротинян A.JL, Зельдес В.Я. Гидратообразование в условиях электролиза никеля // Журнал прикладной химии. 1950 Т. 23, вып. 7.-С. 757-763.

13. Кудрявцев Н.Т. Электрические покрытия металлами. — М.: Химия, 1979, 1979.-365 с.

14. Жуховицкий А. А., Шварцман Л. А., Физическая химия М.: Металлургия 2001 -687с.

15. Бродский A.M., Гуревич Ю.Я. Основы теории магнитоэлектрохимиче-ских явлений // Электрохимия. 1973. - Т .9, № 10. — С. 1523 — 1527.

16. Гак Е.И., Рохинсон Э.Х., Бондаренко Н.Ф. Особенности изменения кинетики электродных процессов в электролитах в постоянных магнитных полях. // Электрохимия. 1975. - Т .11, № 4. - С. 528 - 534.

17. Гак Е.И., Рохинсон Э.Х. Применение магнитных полей для управления скоростью электродных процессов // Электронная обработка металлов. — 1973- №4. С. 75-77.

18. Железнов А.В. Магнитополярография. Полярографическое исследование поведения ионов в переменном магнитном поле // Журнал аналитической химии 1973. - Т . 28, № 7. С. 1403 - 1405.

19. Шваб Н.А. Электродные процессы в водных растворах //под ред. B.C. Кублановского, Наукова Думка. Сб. науч. тр. — Киев, 1979 — 215 с.

20. Зацепина Г. Н. Свойства и структура воды. М: изд. МГУ 1974, 48 с.

21. Классен В. И. Омагничивание водных систем Изд-во Химия, М., 1982. 295с.

22. Кублановский B.C. Сборник научных трудов Электродные процессы в водных растворах. Киев Наукова думка с. 215 1979 г.

23. Гукетлев Ю.Х., Васенков А.А., Гарицин А.Г., Федорченко В.В. Лазерная технология интегральных схем. М: Радио и связь. 1991 319 е.

24. Ямпольский A.M., Ильин В.А. Краткий справочник гальванотехника. — Л.: Машиностроение, 1981. 269 с.

25. ВеприковаЮ. В., Веприков В. И. Управление дифференцированием внешнего воздействия на подсистемы водных растворов электролитов. //Сборник материалов III Международной научно практической конференции Новочеркасск 2004. С. 50 - 52.

26. Веприков В.И., Веприкова Ю.В. Внешние воздействия на процесс кристаллизации. ЮРГУЭС. // Информационные технологии в науке и образовании. Сб. науч. трудов, г. Волгодонск 2002 С. 193 195.

27. Веприкова Ю. В., Веприков В. И. Влияние постоянного магнитного поля на процесс электрохимического осаждения. // Сборник материалов III Международной научно практической конференции Новочеркасск 2004.1. С. 47 50.

28. Мелик-Гайказаян И.В., Мелик-Гайказян М.В., Тарасенко В.Ф. Методология моделирования нелинейной динамики сложных систем. М.: Физматлит, 2001. - 272 с.

29. Чуличков А.И. Математические модели нелинейной динамики. -М.: Физматлит, 2000. 296 с.

30. Арсенин В.М. Математическая физика. Основные уравнения и специальные функции. — М: Наука, 1966, 368 с.

31. Фомин Г. П. Математические методы и модели в коммерческой деятельности. М.: Финансы и статистика 2001г., 544с.

32. Бахвалов Н.С., Кобельков Г.М. Численные методы., М.: Физмат лит. 2000, 622 с.

33. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. - 736 с.

34. Филькин Г.В. Методы расчета полей концентрации загрязняющих веществ, поступающих в водотоки со сточными водами. — Диссер. канд. техн. Наук. — Новочеркасск, 1986. 148 с.

35. Новицкий П.В., Зограф Э.Н. Оценка погрешностей измерений. — Л.: Энергия, 1983, 380с.

36. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов //К. Хартман, Э. Лецкий, В.Шефер и др.—М.: Мир, 1977, 552 с.

37. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.—М.: Наука, 1976, 279 с.

38. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. — М.: Наука, 1981.

39. Бурсиан Э.В. Физические приборы. — М.: Просвещение, 1984, 270 с.

40. Куликовский К.Р., Купер В.Я. Методы и средства измерений. -М.: Энергоатомиздат, 1986.

41. Аналоговые электроизмерительные приборы// Под ред. А.А.Преображенского.— М.: Высшая школа, 1979, 351с.

42. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебник для вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 543 с.

43. Антонов В.А. Технология производства электровакуумных и полупроводниковых приборов М. Высш. Шк. 1979, 367 с.

44. Овчинникова Т.М., Таран Л.А., Ротинян А.Л. Изменение кислотности в прикатодном слое при электролизе растворов хлористого никеля // Журнал физической химии. 1962. - Т. 36, вып. 9. - С. 19о9 - 1913. - Т. 6(37). -С. 36-41.

45. Назарова Е.М., Николов Ц. Влияние рН раствора на потенциал нулевого заряда олова, никеля и их сплава (65% Sn и 35% Ni) // Электрохимия. -1980.-Т. 16, вып. 8.-С. 1231-1233.

46. Бланк Т.В . Гольдберг Ю.А. Механизмы протекания тока в омических контактах металл-полупроводник // Физика и техника полупроводников, 2007, т. 41, вып. 11

47. Суржко О.А., Короленко В.А., Люедарский В.А. Кинетика некоторых контактных реакций в магнитном поле // Исследования в области прикладной электрохимии: Сб. науч. тр. — Новочеркасск, 1970 С. 75 - 77.

48. Кукоз Ф. И., Чернов Г. К., Скалозубов М. Ф. //Пром. энергетика 1955, №2, С. 34-35.

49. Бейдер Р. Атомы в молекулах. — М.: Мир. 2001. 532 с.

50. Анималуа А. Квантовая теория кристаллических твёрдых тел. М.: Мир 1991.571 с.

51. Веприков В.И., Дигун О.Г. Основы оптоэлектроники. Учебное пособие. г. Новочеркасск, НГТУ, 1995 103с.

52. Дигун О.Г., Веприков В. И. Сигналы, помехи, шумы. Учебное пособие, г. Новочеркасск, НГТУ, 1994 94 .

53. Мандель JL, Вольф Э. Оптическая когерентность и квантовая оптика: Пер. с англ./Под ред. В.В. Самарцева М.: Наука. Физматлит, 2000. - 896с.

54. Шен И. Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Наука 1989. 558 с.

55. Ханин Я. И. Основы динамики лазеров. М.: Наука. Физматлит, 1999. 386 с.

56. В. В. Карпухин, И. А. Соколов, Г. Д. Кузнецов Физико-химические основы технологии полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1982 г, 352 с.

57. Веприкова Ю. В., Липкин М. С., Веприков В. И. Влияние магнитного поля на кинетику электрохимического восстановления никеля из водных растворов. // Сборник материалов III Международной научно — практической конференции Новочеркасск 2004. С. 42 47.

58. Веприков В. И., Веприкова Ю. В., Киселёв Я.А. Методы расчёта магнитного поля. ЮРГУЭС. Информационные технологии в науке и образовании. Сб. науч. трудов, г. Волгодонск 2003 С. 85 89.

59. Веприков В. И., Веприкова Ю. В., Киселёв Я. А. Методы получения магнитного поля. ЮРГУЭС. // Информационные технологии в науке и образовании. Сб. науч. трудов, г. Волгодонск 2003 .С. 89 — 93.

60. Веприкова Ю. В., Липкин М. С., Веприков В. И. Влияние магнитного поля на кинетику электрохимического восстановления никеля из водных растворов. // Сборник материалов III Международной научно — практической конференции Новочеркасск 2004. С. 42 47.

61. Веприков В. И., Веприкова Ю. В., Киселёв Я.А. Методы расчёта магнитного поля. ЮРГУЭС. Информационные технологии в науке и образовании. Сб. науч. трудов, г. Волгодонск 2003 С. 85 89.

62. Веприков В. И., Веприкова Ю. В., Киселёв Я. А. Методы получения магнитного поля. ЮРГУЭС. // Информационные технологии в науке и образовании. Сб. науч. трудов, г. Волгодонск 2003 .С. 89-93.

63. Веприкова Ю. В., Веприков В. И. Управление дифференцированием внешнего воздействия на подсистемы водных растворов электролитов. //Сборник материалов III Международной научно — практической конференции Новочеркасск 2004. С. 50 52.

64. Веприков В. И. Анализ влияния факторов внешнего воздействияна процесс кристаллизации. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. Приложение №7. г. Ростов-на-Дону. 2003. С. 28 32.

65. Гак Е.И., Рохинсон Э.Х. Применение магнитных полей для управления скоростью электродных процессов // Электронная обработка металлов. — 1973-№4. С. 75-77.

66. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы . 3-е изд., испр. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000. - 352 с.

67. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. — М.: Металлургия, 1970. — 369 с.

68. Горелик С.С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю. А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М., «Металлургия» 1970. 366 е., прил. 106 с.

69. Миркин Л. И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. М., Физматгиз, 1961, 863 с.

70. Феттер К. Электрохимическая кинетика. Пер. с нем. М.: Химия, 1967.-856 с.

71. Ротинян А.Л., Козин Е.С. Внутренние напряжения в катодных нмке-левых осадках // Журнал прикладной химии. — 1958 Т. 31, вып. 3. — С. 424 -428.

72. Кудрявцев Н.Т. Электрические покрытия металлами. — М.: Химия, 1979, 1979.-365 с.

73. Хейфец В.Л., Грань Т.В. Электролиз никеля. М.: Металлургия. 1975. -334 с.

74. Рагаускас Р.А., Ляуксминас В.А. Выделение водорода при разряде ионов никеля из хлоридных растворов // Электрохимия. — 1987. — Т. 23, вып. 3-С. 321 -327.

75. Кудрявцева И.Д., Балакай В.И., Свицин Р.А. Исследование возможности применения гальванических покрытий никель — бор // Современные технологические процессы защиты металлов от коррозии: Тез. докл. к конф. Свердловск: СДТ НТО, 1988, - С. 43 - 44.

76. Грань Т.В., Хейфец B.JI. Пути интенсификации процесса электроосаждения никеля. Цветные металлы. - 1964. №4. — С. 22 - 26.

77. Балакай В.И., Кислякова JI.M. Возможности ускорения нанесения никелевых покрытий из разбавленного хлоридного электролита // Исследования в области электрохимии : Сб. науч. тр. Новочеркасск, гос. техн. унт. Новочеркасск: 1996. - С. 34 - 38.

78. Селиванов В.Н., Шестак С.Г., Манохина Н.А., Нотик Т.А. Особенности массопереноса в электролитах никелирования при высоких плотностях тока // Электрохимия. 1999. - Т. 36, вып. 8. - С. 959 - 962.

79. Кудрявцева И.Д., Балакай В.И. Возможность повышения скорости электроосаждения никелевых покрытий // Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванотехнике: Матер, конф. 21-22 сент. 1995. -Пенза: 1995.-С. 14-16.

80. Вайнер Я.В., Даосян М.А. Технология электрохимических покрытий. JL: Машиностроение, 1972. — 464 с.

81. ОСТ4 ГО. 054. 076 Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Типовые технологические процессы. Редакция 1 -73, 1973. УДК 621.357.7 Группа В06.

82. Селиванов В.Н. Электроосаждение металлов из малоконцентрированных электролитов-коллоидов // Южно-Российский гос. техн. ун-т. — Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. 85 с.

83. А.Ф. Иоффе, JI.C. Стильбанс, Е.К. Иорданашвили, Т.С. Ставицкая. Термоэлектрическое охлаждение. Изд. АН СССР М. JL, 1956.

84. A. Sagar, J.W. Fanst, J. Appl. Phys. 38, 3479 (1967)/

85. J.M. Schultz, J.P. Mchugh, W.A. Tiller, J. Appl. Phys. 33, 2443 (1962)