автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Технология получения резистивных структур на низкоразмерном уровне

На правах рукописи

0034843В6

АНОШКИН Юрий Владимирович

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ СТРУКТУР НА НИЗКОРАЗМЕРНОМ УРОВНЕ

Специальность 05.11.14-Технология приборостроения

6 JHOfí 2009

Автореферат диссертации на соискание ученой степени капдидата технических наук

ПЕНЗА 2009

003484366

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Аверин Игорь Александрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Панко Антонина Алексеевна; кандидат технических наук, доцент Шакурский Александр Васильевич.

Ведущая организация - ФГУП «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» (г. Пенза).

Защита диссертации состоится 16 декабря 2009 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», автореферат размещен на сайте www.pnzgu.ru

Автореферат разослан « i$ » ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Необходимость исследований свойств материалов для информа ционно-измерительных приборов на микро- и наноразмерном уровне обусловливается жесткими требованиями, предъявляемыми к изде лиям приборостроения. Это относится к структурам па основе мно гокомпонентных проводниковых материалов, которые применяются в датчиковом приборостроении. Актуальной задачей является установление факторов, влияющих на параметры резистивных струкгур на низкоразмерном уровне, для разработки закономерностей: техно логические режимы получения - морфологические свойства резистивных пленок — выходные параметры резистивных струкгур, обеспечивающих повышение воспроизводимости и стабильности их параметров за счет оптимизации технологии получения, включающей внешние воздействия.

Систематические исследования в облает формирования микро:>лек-тронных изделий начались еще в прошлом веке. Однако до сих нор шхши-кают проблемы воспроизводимости параметров и надежности эксплуатации приборов, решения которых опираются на результаты исследований в микро- и наномасштабпом диапазонах. Большой вклад в развитие основ технологии формирования тонких пленок внесли научные школы, руководимые такими учеными, как Л. С. Палатник, Ю. М. Таиров, Е. А. Мокроп, P.M. Печерская, В. А. Гридчин, С. А. Кукушкин, а также зарубежные ученые L. Maissel, R. Glang, R. A. Sigsbee, S. Forrest и т. д.

Для существенного снижения деградации параметров резистивных структур при их производстве применяется импульсное токовое воздействие высокой плотности, что требует специального оборудования. В ряде работ стабилизация параметров резистивных структур достигается радиационным воздействием. Эффективным является повышение стабильности параметров резистивных структур за счет варьирования технологическими режимами и применения внешнего воздействия в виде отжига в атмосфере. Однако исследования на низкоразмерном уровне в этом направлении не носят системного характера, причем отсутствуют зависимости, связывающие тсхнолош-ческие режимы получения - морфологическую структуру - внешние воздействия - выходные параметры резистивных структур для дат-чикового приборостроения. Кроме того, требуется разработка техно--

логической методики стабилизации и контролируемого изменения выходных параметров изделий приборостроения на основе развития теоретических положений с учетом ряда новых технических решений, оказывающих существенное влияние на процент выхода годных резистивных структур для информационно-измерительных приборов. Используемые сегодня резистивные структуры имеют недостатки в плане надежности, стабильности выходных параметров и точности достижения заданного номинального параметра, а изготовление пленочных резисторов на основе многокомпонентных материалов требует выделения значительных материальных и временных затрат на различных этапах их производства, что приводит к удорожанию информационно-измерительных приборов с использованием таких резисторов и снижению их конкурентоспособности на мировом рынке.

Цель работы.

Целью работы является развитие основ технологии получения ре зистивных структур со стабильными и воспроизводимыми выходными параметрами за счет контролируемого изменения состояния поверхности пленок на низкоразмерном уровне посредством выбора технологических режимов получения и отжига.

Задачи диссертационной работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать методики получения и исследования параметров резистивных структур на основе хромоникслевых сплавов при различных технологических режимах;

• исследовать механизмы образования резистивных пленок на низкоразмерном уровне и деградацию их свойств;

• разработать методику исследования морфологии поверхности пленок резистивных структур на низкоразмерном уровне и смоделировать их поверхность для различных технологических режимов получения;

• установить физико-технологические закономерности формирования резистивных структур на низкоразмерном уровне с заданными выходными параметрами;

• разработать технологические методики на основе теории фракталов контролируемого изменения морфосгруктуры пленок многокомпонентных материалов, электрических параметров резистивных

структур, обеспечивающие повышение воспроизводимости и стабильности изделий приборостроения.

Методы исследований.

Сформулированные задачи исследований резистивных структур решались с применением сканирующей зондовой микроскопии, численных и аналитических методов моделирования процессов средствами вычислительной техники.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена численным и аналитическим моделированием свойств многокомпонентных материалов; комплексными экспериментальными исследованиями параметров резистивных структур, выполненными с точностью, обеспечивающей получение достоверных сведений; совпадением рассчитанных значений с экспериментальными данными в пределах разработанных моделей и с известными литературными источниками. В процессе работы изготовлено и исследовано 120 партий образцов с 2500 пленочными элементами.

Научная новизна работы.

1. Определены физико-технологические закономерности формирования резистивных структур с кошролируемыми изменениями морфо-структуры и выходных параметров, основанные на теории фракталов, кинетике испарения и конденсации материалов в неравновесных условиях синтеза.

2. На базе установленных физико-технологических закономерностей формирования резистивных структур с заданными морфострук-турой и выходными параметрами развита технология получения резистивных структур с воспроизводимыми и стабильными параметрами для дагчикового приборостроения.

3. Разработана модель процесса временной стабилизации параметров резистивных структур с использованием хромоникелевых сплавов за счет выбора технологических режимов и отжига.

4. На основе теории фракталов разработан алгоритм расчета кинетики роста пленок, изменения электрофизических свойств, позволяющий прогнозировать электрические, морфологические характеристики многокомпонентных материалов и выходные параметры резистивных структур на их основе в процессе хранения для различных технологических режимов, что особенно актуально при разработке

эффективной технологии получения высокостабильных информационно-измерительных приборов.

¡Практическая значимость.

Развиты основы технологии получения резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов с высокостабильными выходными параме трами для датчикового приборостроения.

Установлены технологические режимы получения и отжига рези-стииных структур, позволяющие контролируемо изменять морфост-руктуру пленок и их электрические свойства.

Разработана методика получения, и изготовлены резистивные структуры па основе многокомпонентных материалов с заданными выходными параметрами за счет контроля морфоструктуры резистивных пленок.

Разрабогапа методика стабилизации выходных параметров резистивных структур хромоникелевых сплавов, обеспечивающая стабильные во времени параметры с уменьшенными значениями коэффициента старения сопротивлении, близкого к лучшим известным аналогам.

Диссертационная работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научною потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)», мероприятие № 3 «Проведение прикладных научных исследований в области образования, молодежной и социальной политики в области образования», проект «Учебно-исследовательский комплекс для исследования микро- и наносистем», мероприятие № 1 «Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов», проект «Исследование и разработка управляемого синтеза гетерогенных систем», а также хоздоговорной работы «Исследование с помощью атомно-сило-вого сканирующего микроскопа вариантов структур тензослоев, модифицированных термоотжигом (либо методом лазерной рекристаллизации) в целях создания высокотемпературных модулей для радиационно стойких датчиков» с предприятием ОАО «НИИ физических измерений» (г.Пенза). Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и научных исследованиях в ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» (ПГУ), ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», «Кузнецкий инеттут информационных и управленческих технологий» (филиал ПГУ), ГОУ ВПО «Пензенская государственная технологическая академия», ФГОУ СПО «Пен-

зенский государственный приборостроительный колледж», ГОУ ШЮ «Марийский государственный технический университет».

На защиту выносятся:

1. Технологическая методика получения резистивных структур на основе многокомпонентных материалов с заданными и стабильными выходными параметрами, в которой за счет контроля морфострукгу ры на низкоразмерном уровне обеспечивается повышение эффективности формирования и улучшение выходных параметров резистин-ных структур информационно-измерительных приборов.

2. Методика и результаты временной стабилизации выходных параметров резистивных структур на основе хромопикелевых сплавов для датчикового приборостроения.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических режимов получения, отжига, контроля морфострук-туры и выходных параметров резистивных пленок, позволяющие разрабатывать резистивные датчики с улучшенными выходными параметрами.

4. Результаты моделирования выходных параметров резистивных структур на основе многокомпонентных материалов, позволяющие снизить трудоемкость разработки технологии их получения и пошлешь эко-номичноегь производства резистивных структур для датчикостроения.

Апробация работы.

Основные научные и практические результаты исследований но теме диссертации опубликованы в периодических изданиях, докладывались и обсуждались на 15 научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах: «ВНКСФ-12» (Новосибирск, 2006 г.), «Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аснекхы микроэлектроники» (Пенза, 2006 г., 2009 г.), «Молодые ученые-2006» (Москва,

2006 г.), «ХЫ Зимняя Школа, Петербургский институт ядерной физики» (Санкт-Петербург, 2007 г.), «Университетское образование» (Пенза, 2007 2009 гг.), «Физика и технология микро- и паносистем» (Санкт-Петербург,

2007 г.), «Материалы, изделия и технологии пассивной электроники» (11еп-за, 2007 г.), «Аналитические и численные методы моделиропания есгесг-вешюнаучных и социальных проблем» (Пенза, 2007 г.), «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007 г.), «Проблемы и перспективы развитая отечественной светотехники, электро-

техники и энергетики» (Саранск, 2007 г.), «1№ГЕКМАТ1С-2007» (Москва, 2007 г.), «Надежность и качество» (Пенза, 2009 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 17 работ, включая статью из перечня ВАК. Без соавторов опубликована одна работа.

Струк тура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Основная часть изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 11 таблиц. Список литературы содержит 82 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, раскрыта практическая и научная значимость работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлены технологические аспекты получения многокомпонентных материалов, используемых для изготовления рези-стивных пленок с низким температурным коэффициентом сопротивления, хорошей адгезией пленки к под ложке и устойчивостью к длительному воздействию повышенных температур. Систематизированы свойства материалов, применяемых в тонкопленочной технологии" при изготовлении рези-ставных структур различного назначения. Показана роль подложки в кинетике испарения и конденсации материала исходной загрузки.

Представлены технологические методики получения резистивных структур методом термического испарения в вакууме. Проведен анализ технологических моделей формирования металлических пленок многокомпонентных материалов на различных подложках в зависимости от физической природы испаряемого материала и соответствующих технологических режимов. Из-за низкой воспроизводимости и стабильности параметров приборов во времени обоснована необходимость установления закономерностей на низкоразмерном уровне между морфострукгу-рой, электрофизическими свойствами пленок, материалами контактных площадок, подложек и технологическими режимами получения.

Втораи глава посвящена методикам получения и исследования свойств пленок и выходных параметров резистивных структур на их основе.

Разработаны технологические методики получения резистивных пленок с заданной морфологией поверхности и резистивных структур на основе

хромоникелевых сплавов с воспроизводимыми и стабильными выходными параметрами методом термического испарения в вакууме. Несмотря на простоту реализации, метод термического испарения в вакууме позволяет управлять электрофизическими свойствами материалов за счет варьирования технологическими режимами. В качестве подложек использовались слюда и ситалловые пластины, которые перед напылением помещались на поддожкодержатели из нержавеющей стали.

Температуры испарителя исходной загрузки и подложки измерялись методом компенсируемых термопар с линейной температурной зависимостью ЭДС в диапазоне температур, используемых для получения пленок хромоникелевых сплавов. Давление в вакуумной камере в процессе синтеза составляет 5-10Л..5-1(Г5Па. Температуры испарения исходной загрузки и подложки в процессе исследований задавались в интервалах от 1450 до 1680 К и от 350 до 700 К соответственно. Охлаждение полученных образцов до комнатной температуры проводилось в вакууме.

Разработана методика исследования свойств пленок на низкоразмерном уровне, которая обеспечила анализ морфоструктуры резистивных пленок на комплексе сканирующей зовдовой микроскопии (СЗМ) в составе атом-но-силового микроскопа (АСМ), сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и посредством оптической металлографической микроскопии.

Исследования морфологии поверхности резистивных структур проводились при различных режимах работы для АСМ с максимальной областью сканирования - 30*30 мкм2. В качестве зонда использованы стандартные кантилеверы фирмы «NT-MDT» из кремния пирамидальной формы с радиусом закругления кончика 20 нм и жесткостью от 0,08 до 1,7 Н/м. Сканирование поверхности выполнено при комнатной температуре в режимах как по постоянной высоте, так и при постоянной силе взаимодействия зоцд - подложка в контактном режиме (уровень сил 0,1-100 нН). С целью повышения точности измерений по осям координат было проведено от 5 до 10 сканирований выделенной области. Экспериментальные результаты обработаны с помощью специальных программ.

Разработана методика исследования морфоструктуры резистивных пленок, включающая анализ плотности кластеров на низкоразмерном уровне для экспериментальных образцов. Площадь 5фР, занимаемая кластерами, вычисляется как

где ptxф,, • - точка изображения, соответствующая цвету кластера на изображении; els - элементарная площадь изображения, определяемая облас тью сканирования АСМ.

Произведен количественный анализ поверхностных характеристик пленок, включающий выявление, фильтрацию шумов и вибраций в процессе исследования с помощью программы просмотра сканирующих изображений.

Исследование электрофизических свойств пленок и выходных параметров резистивных структур выполнено по автоматизированным методам, реализуемым на специализированном оборудовании, разработанном и изготовленном на кафедре нано- и микроэлектроники 1'ОУ ШЮ «Пензенский государственный университет».

Разработанные методики позволили провести комплексные исследования как морфологических, гак и электрических свойств резистивных пленок, полученных при различных технологических режимах.

II третьей главе представлены результаты исследований морфострук-чуры 2500 пленочных образцов, полученных методом термического испа-рспия в вакууме при различных технологических режимах. Сгруюурное совершенство пленок определяется скоростью конденсации, задаваемой в основном температурами испарения исходной загрузки и подложки. Важным фактором, влияющим на структуру и кристаллографическую ориентацию пленок, является подложка. В случае аморфных подложек, например из ситалла, используемых в настоящей работе, упорядочивающее дей-сп!ис отсуювует, а распределение зародышей новой фазы по поверхности подножки носит случайный характер. Поэтому кристаллизация происходит в направлении уменьшения свободной энергии.

Скорость конденсации пленок определяется пересыщением газовой фазы, которая для метода термического испарения в вакууме задается разносило icMnepaiyp испарения исходной загрузки и подложки. Так, например, при минимальной степени пересыщения газовой фазы, соответствующей низким скоростям конденсации гшенок, усиливается влияние остаточных газов вакуумной камеры и процессов реиспарения адсорбированных атомов, что приводит к ухудшению структурного совершенства кристаллической решетки, а при большой - нарушение структурного совершенства происходит из-за малого миграционного пути адсорбированных атомов по поверхности подложки.

На основе экспериментальных результатов получены закономерности, связывающие морфоструктуру поверхности пленок с техноло гическими режимами получения (рисунок 1). На основании усредненных экспериментальных результатов исследований образцов установлено существование трех областей для технологических режимов, когда пленки имеют характерную морфоструктуру:

* первой области отвечают высокие температуры испарения исходной загрузки (Гисп= 1650 К) и низкие температуры подложки (Т„ = 350 - 450 К). Морфоструктура поверхностей таких пленок неоднородна с ярко выраженными фигурами роста (кластерами) за счет образования зародышей сверхкритического размера (см. рисунок 1 ,а);

» второй области соответствуют оптимальные технологические режимы получения (Гисп= 1480-1600 К, Тп— 500 -600 К). Пленки характеризуются зеркально-гладкой поверхностью (см. рисунок 1,6);

® высокие температуры подложки (порядка 630 - 710 К) отвечают третьей области. Морфология поверхнрети таких пленок неоднородна из-за фигур роста в виде ямок травления. Это связано с реиспаро-нием зародышей с поверхности подложки (см. рисунок 1,в).

а - крупные фигуры роста; б - зеркапыю-гладкаи поверхность; в - фигуры роста в виде ямок травления Рисунок 1 - Морфоструктура пленок резистившлх структур

на основе хромоникелевых сплавов Физико-технологические закономерности формирования резистшшмх структур с заданными выходными параметрами основываются не только на экспериментальных результатах на низкоразмериом уровне в диапазоне линейных размеров кластеров от 100 до 900 нм и высот от 10 до 100 нм, но и на теоретических моделях, базирующихся на термодинамических, фрактальных аспектах кинетики конденсации и испарения пленок многокомпонентных материалов. В рамках модели формирования пленок на основе хромоникелевых сплавов на назкоразмерном уровне

размеры кластеров 7?кл для различных технологических режимов рассчитываются следующим образом:

ЗАа(Гп)ГНИ1

^кл (^исп'

1

Ор(7„с„7„

,(2)

Ц^исЛ)

6 (7исп) --^Ко (?исп)

где Да - разность поверхностных энергий, определяемая как

Да(Гп) = Да0ехр

г АЕал

кТ„

(3)

п /

где Да о - начальное значение поверхностной энергии при конденсации пленок, равное 0,137 Дж/м2; ДЕа - поверхностная энергия - 0,01 эВ; к - постоянная Больцмана; () - скрытая теплота фазового перехода, которая рассчитывается по выражению

б(Г«п) = 0>ех р

Д Е

б

кТа

(4)

исп /

где <2о = 2,44 кДж/кг - предэкспоненциальный множитель, характеризующий теплоту фазового перехода исходной загрузки для метода термического испарения в вакууме; АЕд = 0,04 эВ - энергия активации фазового перехода; Г-температура внешнего воздействия; Ка -функция, характеризующая плотность кластеров, определяется как

5 Д

(•'йен ) :

-+се,

(5)

т 2 т исп и...

где Ад, Во, Со - эмпирические постоянные для испаряемого материала, значения которых представлены в таблице; 8.у - количественный показатель плотности кластеров определяется по графику (рисунок 2); Вр - фрактальная размерность, определяется по формуле

Яр (гисп ,гп) = 4 ехр[л/^(7;сп,7;)], (б)

где = 0,88 - исходная фрактальная размерность для хромоникеле-

вых сплавов; Л/Зр = 9,0103 - эмпирический коэффициент для плотности кластеров фрактальной размерности.

Эмпирические коэффициенты, характеризующие резистивные пленки,

полученные из экспериментальных данных

А*, кг-К2/м3 Вд, кгК/м3 Cg, кг/м3

9,27-1010 - 1,2910й 4,50-104

«• - экспериментальные данные;

-----рассчитанные значения

Рисунок 2 - Количественный показатель плотности кластеров

Исследовано влияние отжига резистивных пленок в атмосфере в диапазоне температур 500... 800 К на их морфоструктуру.

а) б)

а - поверхность пленки до отжига; б - поверхность пленки после отжига (7*orat= 700 К, tom =10 мин)

Рисунок 3 - Изображения поверхностей пленок на основе хромоникелевых сплавов, полученные на АСМ. Режимы получения: ГИС11=1600 К, У'„ = 625 К

11а рисунке 3 представлены типичные изображения поверхностей пленки до и после отжига, полученные на атомно-силовом микроскопе. Видно, что морфоструктура поверхности пленок после отжига более однородная по высоте, что характеризуется средней высотой кластеров около 56 нм (см. рисунок 3,6), причем до отжига она составляла 70 нм (см. рисунок 3,а).

Размеры кластеров пленок после отжига в воздушной среде увеличиваются (рисунок 4). Это объясняется образованием стабильных кластерных групп при диффузии отдельных кластеров но поверхности подложки в процессе отжига. На основании проведенных исследований установлены экспериментальные зависимости на низкоразмерном уровне размеров кластеров оттехнологических режимов получения и отжига.

1 ИСП, К

ЛИ — до отжига; | | — после отжига Рисунок 4 - Зависимость размеров кластеров от условий получения до и после отжига (7,01Ж= 800 К)

Произведено моделирование морфостругауры резистивных пленок сп-влияния технологических режимов методом Монте-Карло и с применением разработанных аналитических закономерностей, учитывающих термодинамическую и фрактальную теорию. Результаты моделирования методом Моте-Карло приведены на рисунке 5. Наблюдается корреляция плотности кластеров между смоделированной (&= 14 %) и реальной поверхностями пленок (&у - 16 %).

Разработан алгоритм расчет кинетики роста пленок на основе теории фракталов, позволяющий прогнозировать морфологические характери-

стики многокомпонентных материалов и параметры резистивных структур для различных режимов получения. Контролируемое изменение морфологии поверхности пленок за счет технологических режимов получения и отжига позволяет закономерно влиять на деградационные процессы в резистивных структурах.

а) б)

а - изображения поверхности пленки, полученные на АСМ; б - смоделированная поверхность Рисунок 5 - Поверхность резистивной пленки

на основе хромоникелевых сплавов (размер 2,5х2,5мкм2, Гиси= 1450 К, Г„= 650 К)

На основе экспериментальных результатов исследования морфологических свойств пленок для различных технологических режимов и теоретических моделей разработаны физико-технологические закономерности формирования резистивных структур на низкоразмерном уровне, обеспечивающие разработку технологии получения резистивных структур с воспроизводимыми и стабильными во времени выходными параметрами.

В четвертой главе представлены результаты исследований временной зависимости электрического сопротивления резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов. Установлено, что их сопротивление увеличивается за счет окисления резистивной пленки. При этом оно зависит от материалов электрических контактов и морфологии поверхности пленок, играющих важную роль в определении параметров резистивных структур. Сопро тивление резисшвных структур представим в виде двух составляющих: постоянной Rnoer и переменной Д,е,» являющейся функцией времени /:

R(t) = Rii0CT+Rwp(t). (7)

Процессы окисления хромоникелевых пленок реализуются в два эгапа: на первом этапе происходит адсорбция кислорода на поверхности пленки, приводящая к образованию сплошной окисной пленки; на втором этапе осуществляется диффузия кислорода из окисной пленки в обьем пленочного резистора. В поликрисгаллических материалах кислород диффунди-

рус г но фаницам зерен, так как плотность пленок может составлять менее 90 % от плотности монокристалла, а затем в объем кристаллитов по вакансиям. Диффузия кислорода активизирует точечные дефекты в объеме пленки. С течением времени интенсивность диффузии атомов кислорода в пленке убывает за счет уменьшения концентрации вакансий в узлах кристаллической решетки, не занятых кислородом. Процесс диффузии кислорода закончится, когда все вакансии в кристаллической решетке заполнены. Это соответствует равновесному распределению кислорода по всему объему пленочпот резистора. Атомы кислорода, заполняющие вакансии в узлах кристаллической решетки, образуют энергетические уровни, которые исполняют роль ловушек захвата электронов. Процесс захвата атомами кислорода свободных электронов характеризуется следующим уравнением:

О + 2е—> О 2. (8)

Таким образом, по мере протекания диффузии концентрация свободных электронов уменьшается, а сопротивление резистивной плеши распет.

Процесс диффузии атомов кислорода с поверхности пленки в ее объем опишем с помощью модели диффузии для нолубесконечного твердого тела, так как диффузия кислорода в пленку происходит из атмосферы с постоянным содержанием кислорода. Концентрация N продиффупдировавшего кислорода в резистивную пленку в процессе эксплуатации определяется выражением

•^(^иир^и'О :

N.

-ег!с

с1

2 уЩт^Ъ)*

(9)

где Ыл постоянная Авогадро; а -0,131 Па-мб/моль2 - постоянная Нан-дср-Наальса для воздуха; рж - атмосферное давление; (Л - толщина пленки; 1) - коэффициент диффузии, определяется по формуле

АЕо(тжп)

¿Ч2ис>1Л) = А)ехР

кТ„

(10)

где к молярная газовая постоянная; £)0 = 1,91-Ю13 м2/с - предэкс-

ионепциальиый множитель; А Ер - энергия активации диффузии кислорода определяется выражением

№0(Т1Ш1) = Е*Г)ехр

АЕ

Ъ

кТ„г

(П)

где E*d -2,80 10 8эВ ~ энергия активации диффузии для температур, близких к абсолютному нулю для метода термического испарения в вакууме; AK'd ~ 0,22 эВ - энергия активации дня многокомпонентного ма териала. Постоянная составляющая сопротивления резистшшых структур определяется свойствами материала резистивной пленки и переходным сопротивлением электрический контакт - резистивиая пленка в виде

•^посг ( ^ИСП' ^п ) "

_ 1 [*Сг (Тт,гп)Ycr (^.сп■ Тп)Per + *Ni (?ясп.)YNi(Tm J,',)pNi] (<7ф,Л nTl

h-d ~ 'Чи'/

где /, b - длина и ширина резистивной структуры соответственно; Per. PNi ~ удельные сопротивления чистых Сг и Ni соответственно; q - абсолютная величина заряда электрона; срк - разность потенциалов на границе резистивная пленка-электрический контакт; xq, состав пленок по Сг и Ni соответственно, определяется как

*Сг(«:м>оьхр

Km 2k'Iu ЕаС[ J

при ти<'1' (13)

*Сг(Ттп,Тп):= 0,01ехр(5,87 _] при>^.(,4)

V иен К1п <1Сх «Сг )

где ГкрСг - критическая температура для хрома; ЕаСх, Ес1Сх -- энергии активации и диффузии атомов хрома, определены в монографии И. А. Аверина «Управляемый синтез гетерогенных систем: получение и свойства», 2006 I'.; уСг, уы - коэффициент активности Сг и № в пленках соответственно.

Переменная составляющая сопротивления резистикных структур, влияющая на процесс старения пленки, зависит от изменения концентрации и подвижности носителей заряда во времени. Основными факторами, влияющими на старение пленки, являются диффузия ки слорода и дефекты кристаллической решетки, вызывающие рассеяние носителей заряда. Поэтому переменную составляющую сопро тивления представим в виде

•^пср (Тиспд Х

л]2теи

*—-- (15)

,Тп){\Щ(Тпса,Та)) ' ^ [п0 - лг(гисп,г„, Г)]^ (ГП)К 6

где I/ - напряжение, приложенное к резистивной структуре; тг - масса электрона; щ - концентрация носителей заряда сразу после напыления; V - объем кластера; Вп - коэффициент, характеризующий подвижность носителей заряда, определяется из экспериментальных результатов исследований электрического сопротивления резистивных структур:

( АЕ

= й; ехр

ЬТа/

(16)

где В' == 4,33-106 м 2 - коэффициент, характеризующий рассеяние

л

носителей зарядов сразу после напыления; АЕЦ - 0,91 эВ - энергия

активации подвижности носителей заряда в пленках.

После подстановки уравнений (12) и (15) в (7) получим зависимость изменения сопротивления резистивных структур от времени в виде

п(т Т Л — ^[*Сг ')(^И"''Гп )Рсг + ('/;,сп (^ист' ^п ) Р№ ]

'Ч исп>*п> Ч ~ , , - X

Ь-й (17)

Г^ФкУ I

хехр +----*----;--г.

Укт) Ь-й Рр{т»тГп){1+Рр{ттп,т„))

qЗA[n0~N(Tmп,Ta,t)]Bц{Tп)V

На рисунке 6 показаны экспериментальные данные и рассчитанная зависимость изменения сопротивления резистивных структур в процессе эксплуатации. Наблюдается хорошая корреляция между теоретическими и экспериментальными результатами, которая оценивается по значению коэффициента Пирсона, равного 0,8-0,95. Полученная модель позволяет с высокой вероятностью определить сопротивления резистивных структур во времени.

Я,

• • • - экспериментальные данные; --расчет по выражению (17)

Рисунок 6 - Зависимость изменения сопротивления резистивных структур от времени (Гисв= 1480 К, Г„= 550 К)

Экспериментальные исследования показывают, что отжиг стабилизирует сопротивление резистивных структур (рисунок 7) за счет улучшения морфоструюуры пленок, что подтверждается значением фрактальной размерности до отжига, равным 2,23, а после отжига -2,29 (рисунок 8).

я

Ом

68.8

68.6 68.4 68.2 68 67.8 67.6

О 10 20 Ä? <10 50 во 70 80 ».сутки

• в в - эксперимен тальные данные; --расчет по выражению (17)

с учетом режима отжига

Рисунок 7 - Зависимость сопротивления отожженных резистивных структур от времени (Гиси= 1600 К, Тп= 520 К, Тогж- 500 К)

а) б) в) г)

а - -■ трехмерный вид поверхности пленки до отжига; б трехмерный вид поверхности пленки после отжига;

в - фрактальная размерность поверхности до отжига; г фрактальная размерность поверхности после отжига Рисунок 8 - Трехмерный вид поверхностей пленок и их фрактальные размерности

Для стабилизации выходных параметров резистивных структур на основе хромопикелсвых сплавов разработана методика, основанная па отжиге в воздушной атмосфере, обеспечивающая стабильные во времени параметры, что подтверждается значениями коэффициента старения сопротивления, близкого к лучшим известным аналогам.

Стабильность выходных параметров резистивных структур оценива-етея по значению коэффициента старения сопротивления резистивных структур, у не подвергавшихся отжигу он составляет 0.001- 0,009 % /ч, а для сножженпых - 0,0002 - 0,0005 %/ч. Таким образом, отжиг в воздушной среде стабилизирует сопротивление резисгивной пленки примерно в 10 раз и поэтому является обязательной технологической операцией при изготовлении. Следует отметить, что управление морфоструктурой не-отожженных резистивных структур за счес режимов синтеза позволяет уменьшить их коэффициент старения сопротивления на 20 30 %. Таким образом, разработана методика стабилизации, обеспечивающая формирование резистивных структур с выходными параметрами на уровне лучших известных аналогов за счет контролируемого изменения морфо-структуры пленок на низкоразмерном уровне.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе выполнения диссертационной работы развиты основы технологии получения резистивных структур на основе хромонике-левых сплавов с заранее заданными и высокостабильными выходными параметрами за счет контролируемого изменения морфострукту-ры на пизкоразмерпом уровне.

1. Разработана методика получения резиетивных пленок па основе хромоникелевых сплавов с заданной морфологией поверхности структур при различных технологических режимах, что обеспечило разработку технологии изготовления резиетивных структур для дагчикового приборостроения с контролируемыми выходными параметрами.

2. Разработаны методики и выполнены комплексные исследования морфологических характеристик на низкоразмерном уровне с помощью комплекса сканирующей зондовой микроскопии и электрических параметров резиетивных многокомпонентных структур, синтезированных >1 неравновесных условиях конденсации. Это позволило установить механизмы образования резиетивных пленок и деградации их свойств на ииз-коразмерном уровне, чго обеспечило установление физико-техпологичо-ских закономерностей формирования резие тивных структур с заданными выходными параметрами.

3. На основе экспериментальных результатов, теории фракталов, кинетики испарения и конденсации материалов в неравновесных условиях синтеза и результатов моделирования определены физико-технологические закономерности формирования резиетивных структур с контролируемыми изменениями морфоструктуры и выходных параметров в виде: технологические режимы получения ••■■ морфо-структура пленок - режимы отжига - свойства пленок - выходные параметры резиетивных структур для датчикового приборостроения, необходимые при разработке технологии получения информационно-измерительных приборов с заданными выходными параметрами.

4. На базе физико-технологических закономерностей формирования резиетивных структур с заданными морфоструктурой и выходными параметрами разработана технология получения резисшвпых структур с воспроизводимыми и стабильными параметрами для дагчикового приборостроения.

5. Разработаны модель и методика временной стабилизации параметров резиетивных структур с использованием хромоникелевых сплавов за счет выбора технологических режимов и отжиг а, обеспечивающие стабильные во времени параметры, сравнимые с лучшими известными аналогами.

6. Проведено моделирование кинетики роста пленок, их электрофизических свойств на основе теории фракталов, позволяющее прогнозировать электрические, морфологические характеристики многокомнопенг-

ных материалов и выходные параметры резистивных структур на их основе в процессе хранения для различных технологических режимов, что особенно важно при разработке эффективной технологии получения высокостабильных информационно-измерительных приборов.

7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы использовались в учебном процессе и научных исследованиях семи высших учебных заведений РФ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Аношкин, Ю. В. Влияния отжига на морфологию поверхности и выходные параметры резистивных структур /10. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.-2008.-Вып. З.-С. 104-109.

Публикации в других изданиях

2. Аношкин, Ю. В. Определение кинетических параметров роста пленок многокомпонентных систем / Ю. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // ВНКСФ-12: сб. тез. ХП Всерос. науч. конф. студентов-физиков и молодых ученых. - Новосибирск, 2006. - С. 258-259.

3. Аношкин, Ю. В. Влияния условия синтеза на коэффициент диффузии в процессе старения резистивных пленок ПО. В. Аношкин// Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аспекты микроэлектроники : Всерос. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - С. 44-46.

4. Аношкин, 10. В. Математическое моделирование процессов старения резистивных пленок хромоникелевых сплавов / Ю. В. Аношкин, И. А. Аверин // Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике: материалы Междунар. науч.-техн. школььконф. - М.: МИРЭА, 2006. - Ч. 2. - С. 80-83.

5. Аношкин, Ю. В. Модель деградации свойств резистивных пленок на основе хромоникелевых сплавов / Ю. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // ФКС-2007 : ХП Зимняя школа ПИЯФ. Секция. Физика конденсированных состояний. - СПб.: ПИЯФ, 2007. - С. 39-41.

6. Аношкин, Ю. В. Исследование морфологии поверхности пленок на основе хромоникелевых сплавов /10. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Университетское образование 2007 : Междунар. науч.-метод. конф. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. -С.466—467.

7. Аношкин, Ю. В. Исследование морфологии поверхности резистив-ных пленок многокомпонентных систем / Ю. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Физика и технология микро- и наносистем: 10-я науч. молодежная школа по твердотельной электронике. - СПб., 2007.—С. 16.

8. Аношкин, Ю. В. Влияние условия конденсации на морфологию по-верхносга резистивных пленок / Ю. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Материалы, изделия и технологии пассивной электроники : тр. Междунар. науч.-техн. конф.-Пенза, 2007.-С. 121-128.

9. Аношкин, 10. В. Моделирование процессов формирования пленок на основе соединения хрома и никеля / Ю. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем : II Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2007. - С. 90-91.

10. Аношкин, Ю. В. Моделирование морфологии поверхности тонких пленок на основе хромоникелевых сплавов /10. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Методы и средства управления технологическими процессами МСУТП-2007 : материалы IV Междунар. конф. - Саранск, 2007.-С. 158—161.

11. Аношкин, Ю. В. Влияние условия ковденсации на качество поверхности пленок твердых растворов на основе хрома и никеля / Ю. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - М.: МИРЭА, 2007. - Ч. 1. - С. 179-182.

12. Аношкин, Ю. В. Исследование процессов при формировании и эксплуатации чувствительных элементов на основе резистивных структур/ IO, В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: тр. Междунар. науч.-техн. конф.- Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. - С. 73-76.

13. Аношкин, Ю. В. Применение комплекса сканирующей зондовой микроскопии при изучении дисциплины физикохимия нанострукту-рированных материалов / Ю. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Университетское образование 2009 : материалы XII Междунар. метод, конф. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - С. 497-498.

14. Исследование свойств пористою оксида алюминия / 10. В. Аношкин, О. Д. Елистрагова, А. В. Савенков, В. А. Соловьев //Университетское образование 2009 : материалы XII Междунар. метод, конф.- Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - С. 494-495.

15. Апошкип, Ю. В. Исследование морфологии поверхности резиетивных структур на основе хромоникелевых сплавов / Ю. В. Аношкин, Л. С. Сигов, Р. М. Печерская //Методы создания, исследования микро-, наносисчем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники : тр. II на-уч.-техп. конф. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - С. 18-20.

16. Физико-математическая модель параметров резиетивных структур с учетом фрактальной теории /10. В. Аношкин, И. А. Аверин, И. В. Буйнов, Р. М. Печерская // Метода создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники : тр. II науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - С. 232-235.

17. Аношкин, 10. В. Физико-математическая модель прогнозирования параметров резиетивных структур /10. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Надежность и качество 2009 : тр. Междунар. симп. -11сиза : Изд-во 11енз. гос. ун-та, 2009. - Т. 2. - С. 371-372.

Научное издание

Лпошкин Юрий Владимирович

Технология получения резистивных структур на низкоразмерпом уровне

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

Редактор Т. Н. Судовчихииа Технический редактор II. Л. Вьялкова

Корректор Н. А. Спделъпикоаа Компьютерная верстка С. В. Денисовой

Сдано в производство 11.11.09. Формат 60x84^/16. Усл. нсч. л. 1,39. Заказ № 576. Тираж 100.

Издательство ИГУ. 440026, Пенза, Красная, 40.

Введение.

1 Технологические аспекты получения и стабилизации параметров резистивных структур.

1.1 Тонкопленочные технологии в микро- и наноэлектронике.

1.2 Применение метода термического испарения в вакууме для синтеза многокомпонентных материалов на основе хромоникелевых сплавов.

1.3 Модели формирования тонких пленок на основе хромоникелевых сплавов.

1.3.1 Капиллярная модель формирования пленок.

1.3.2 Атомная модель формирования пленок.

1.3.3 Термодинамическая модель кластерного образования пленок.

1.3.4 Фрактальная модель кластеров при образовании пленок.

1.4 Деградация свойств резистивных структур.

1.4.1 Удельное электрическое сопротивление резистивных структур.

1.4.2 Изменение удельного сопротивления многокомпонентных систем на основе хромоникелевых сплавов.

1.5 Дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиг резистивных структур.

1.5.1 Изменение структуры и свойств пленок в процессе старения.

1.5.2 Изменение структуры и свойств пленок в процессе отжига.

Выводы.

-32 Особенности технологии изготовления и исследования резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов.

2.1 Получения пленок на основе хромоникелевых сплавов.

2.2 Методика исследования морфологии поверхности пленок резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов.

2.2.1 Методика исследования морфоструктуры поверхности пленок при помощи сканирующей туннельной микроскопии.

2.2.2 Исследований поверхностей пленок с использованием атомно-силовой микроскопии.

2.2.3 Исследований пленок при помощи металлографической микроскопии.

2.3 Методика определения плотности кластеров на исследуемой поверхности пленок резистивных структур.

2.4 Методика исследования сканированных изображений при помощи программы Scanning Probe Image Processor фирмы

Image Metrology.

2.4.1 Корректировка цветового выбора масштаба для анализа морфологии поверхности пленок резистивных структур.

2.4.2 Исследования профиля поверхности пленок резистивных структур.

2.4.3 Гистограмма поверхности пленок резистивных структур.

2.4.4 Трехмерное моделирование поверхностей пленок резистивных структур.

2.4.5 Обработка латерального размера исследуемой поверхности пленок резистивных структур.

2.4.6 Распознавание и анализ фигур роста морфоструктуры пленок полученных с помощью СЗМ.

2.5 Методика исследований электрического сопротивления резистивных структур на основе хромоникелевого сплава.

-42.6 Методика отжига резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов.

Выводы.

3 Исследование морфологии поверхности резистивных структур на основе многокомпонентных материалов.

3.1 Влияние скорости конденсации на морфологию поверхности пленок резистивных структур.

3.2 Количественная оценка поверхности пленок резистивных структур на низкоразмерном уровне.

3.3 Физико-технологическая модель образования кластеров при формировании пленок резистивных структур.

3.4 Исследование влияние отжига на морфологию поверхности пленок резистивных структур.

3.5 Моделирование морфологии поверхности пленок методом

Монте-Карло.

Выводы.

4 Исследование деградации свойств резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов.

4.1 Модель изменения сопротивления резистивных структур.

4.2 Самоокисление резистивных структур на основе многокомпонентных материалов.

4.3 Модель постоянной составляющей сопротивления резистивных структур.

4.4 Влияние условий конденсации пленок многокомпонентных материалов на их состав.

4.5 Модель переменной составляющей сопротивления резистивных структур.

-54.6 Исследование влияние отжига на параметры резистивных структур.

Выводы.

Необходимость исследований свойств материалов для информационно-измерительных приборов на микро- и наноразмерном уровне обусловливается жесткими требованиями, предъявляемыми к изделиям приборостроения. Такая необходимость объясняется жесткими требованиями, предъявляемыми к изделиям приборостроения. Это относится к структурам на основе многокомпонентных проводниковых материалов, которые применяются в датчико-вом приборостроении. Актуальной задачей является установление факторов, влияющих на параметры резистивных структур на низкоразмерном уровне, для разработки закономерностей: технологические режимы получения — морфологические свойства резистивных пленок - выходные параметры резистивных структур, обеспечивающих повышение воспроизводимости и стабильности параметров за счет оптимизации технологии получения, включающей внешние воздействия.

Систематические исследования в области формирования микроэлектронных изделий начались еще в прошлом веке. Однако до сих пор возникают проблемы воспроизводимости параметров и надежности эксплуатации приборов, решения которых опираются на результаты исследований в микро-и наномасштабном диапазонах. На сегодняшней день исследования в области тонкопленочных технологий набирают новый виток. Возникают новые проблемы, и соответствующие решения их связаны с наноиндустрией. Исследование тонкопленочных изделий на низкоразмерном уровне необходимо для достижения стабильных и качественных результатов в производстве информационно-измерительных приборов. В настоящее время в России и зару-бежом накоплено достаточно информации о тонкопленочных технологиях [9-17]. Большой вклад в развитие основ технологии формирования тонких пленок внесли научные школы, руководимые такими учеными, как JI. С. Палатник, Ю. М. Таиров, Е. А. Мокров, Р. М. Печерская, В. А. Гридчин,

С. А. Кукушкин, а также зарубежные ученые L. Maissel, R. Glang, R. A. Sigsbee, S. Forrest и др. На сегодняшний день не систематизированы данные, связывающие в комплексе условия получения, морфологическую структуру, внешние воздействия и выходные параметры резистивных структур, объединенные в методику, обеспечивающую решение фундаментальных и технологических проблем в производстве информационно-измерительных приборов.

Вопросам повышения стабильности параметров тонкопленочных резистивных структур на основе многокомпонентных систем посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных авторов в самых различных направлениях. Так, в работе [9] автором рассмотрено влияние технологических режимов на выходные параметры резистивных структур твердых растворов. Работы авторов [12-17] посвящены определению параметров формирования пленок резистивных структур за счет конденсации испаряемого материала на подложку. Авторами, в частности, учитывались следующие факторы: критическая температура конденсации, коэффициент прилипания и т.д. [8] для материалов Bi, Pb, Sn и Sb [5-7].

Для существенного снижения деградации параметров резистивных структур при их производстве применяется импульсное токовое воздействие высокой плотности [18], что требует специального оборудования. В ряде работ стабилизация параметров резистивных структур достигается радиационным воздействием [9]. Эффективным является повышение стабильности параметров резистивных структур за счет варьирования технологических режимов и применения внешнего воздействия в виде отжига в атмосфере. Однако исследования на низкоразмерном уровне в этом направлении не носят системного характера, причем отсутствуют зависимости, связывающие технологические режимы получения - морфологическую структуру - внешние воздействия — выходные параметры резистивных структур для датчикового приборостроения. Кроме того, требуется разработка технологической методики стабилизации и контролируемого изменения выходных параметров изделий приборостроения на основе развития теоретических положений с учетом ряда новых технических решений, оказывающих существенное влияние на процент выхода годных резистивных структур для информационно-измерительных приборов [18]. Используемые сегодня резистивные структуры имеют недостатки в плане надежности, стабильности выходных параметров и точности достижения заданного номинального параметра, а изготовление пленочных резисторов на основе многокомпонентных материалов требует выделения значительных материальных и временных затрат на различных этапах их производства, что приводит к удорожанию информационно-измерительных приборов с использованием таких резисторов и снижению их конкурентоспособности на мировом рынке.

Целью диссертационной работы является развитие основ технологии получения резистивных структур со стабильными и воспроизводимыми выходными параметрами за счет контролируемого изменения состояния поверхности пленок на низкоразмерном уровне посредством выбора технологических режимов получения и отжига.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

• разработать методики получения и исследования параметров резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов при различных технологических режимах;

• исследовать механизмы образования резистивных пленок на низкоразмерном уровне и деградацию их свойств;

• разработать методику исследования морфологии поверхности пленок резистивных структур на низкоразмерном уровне и смоделировать их поверхность для различных технологических режимов получения;

• установить физико-технологические закономерности формирования резистивных структур на низкоразмерном уровне с заданными выходными параметрами;

• разработать технологические методики на основе теории фракталов контролируемого изменения морфоструктуры пленок многокомпонентных материалов, электрических параметров резистивных структур, обеспечивающие повышение воспроизводимости и стабильности изделий приборостроения.

Методы исследований. Сформулированные задачи исследований резистивных структур решались с применением сканирующей зондовой микроскопии, численных и аналитических методов моделирования процессов средствами вычислительной техники.

Достоверность результатов и выводов подтверждена численным и аналитическим моделированием свойств многокомпонентных материалов; комплексными экспериментальными исследованиями параметров резистивных структур, выполненными с точностью, обеспечивающей получение достоверных сведений; совпадением рассчитанных значений с экспериментальными данными в пределах разработанных моделей и в известных литературных источниках. В процессе работы изготовлено и исследовано 120 партий образцов с 2500 пленочными элементами.

Научная новизна работы

1. Определены физико-технологические закономерности формирования резистивных структур с контролируемыми изменениями морфоструктуры и выходных параметров, основанные на теории фракталов, кинетике испарения и конденсации материалов в неравновесных условиях синтеза.

2. На базе установленных физико-технологических закономерностей формирования резистивных структур с заданными морфоструктурой и выходными параметрами развиты технологии получения резистивных структур с воспроизводимыми и стабильными параметрами для датчикового приборостроения.

-103. Разработана модель процесса временной стабилизации параметров резистивных структур с использованием хромоникелевых сплавов за счет выбора технологических режимов и отжига.

4. На основе теории фракталов разработан алгоритм расчета кинетики роста пленок изменения электрофизических свойств, позволяющий прогнозировать электрические, морфологические характеристики многокомпонентных материалов и выходные параметры резистивных структур на их основе в процессе хранения для различных технологических режимов, что особенно актуально при разработке эффективной технологии получения высокостабильных информационно-измерительных приборов.

Практическая значимость

Развиты основы технологии получения резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов с высокостабильными выходными параметрами для датчикового приборостроения.

Установлены технологические режимы получения и отжига резистивных структур, позволяющие контролируемо изменять морфоструктуру пленок и их электрические параметры.

Разработана методика получения и изготовлены резистивные структуры на основе многокомпонентных материалов с заданными выходными параметрами за счет контроля морфоструктуры резистивных пленок.

Разработана методика стабилизации выходных параметров резистивных структур хромоникелевых сплавов, обеспечивающая стабильные во времени параметры с уменыпеными значениями коэффициента старения сопротивления, близкого к лучшим известным аналогам.

Диссертационная работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», мероприятие № 3 «Проведение прикладных научных исследований в области образования, молодежной и социальной политики в области образования», проект «Учебноисследовательский комплекс для исследования микро- и наносистем», мероприятие № 1 «Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов», проект «Исследование и разработка управляемого синтеза гетерогенных систем», а также хоздоговорной работы «Исследование с помощью атомно-силового сканирующего микроскопа вариантов структур тен-зослоев, модифицированных термоотжигом (либо методом лазерной рекристаллизации) в целях создания высокотемпературных модулей для радиаци-онностойких датчиков» с предприятием ОАО НИИ физических измерений (г. Пенза).

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и научных исследованиях в ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» (ПГУ); ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»; ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»; «Кузнецкий институт информационных и управленческих технологий», филиал ПГУ; ГОУ ВПО «Пензенская государственная технологическая академия»; ФГОУ СПО «Пензенский государственный приборостроительный колледж»; ГОУ ВПО «Марийский государственный технический университет» (приложение А).

На защиту выносятся

1. Технологическая методика получения резистивных структур на основе многокомпонентных материалов с заданными и стабильными выходными параметрами в которой за счет контроля морфоструктуры на низкоразмерном уровне, обеспечивается повышение эффективности формирования и улучшение выходных параметров резистивных структур информационно-измерительных приборов.

2. Методика и результаты временной стабилизации выходных параметров резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов для датчикового приборостроения.

-123. Результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических режимов получения, отжига, контроля морфоструктуры и выходных параметров резистивных пленок, позволяющие разрабатывать резистив-ные датчики с улучшенными выходными параметрами.

4. Результаты моделирования выходных параметров резистивных структур на основе многокомпонентных материалов, позволяющие снизить трудоемкость разработки технологии их получения и повысить экономичность производства резистивных структур для датчикового приборостроения.

Апробация работы Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации опубликованы в периодических изданиях, докладывались и обсуждались на 15 научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах: «ВНКСФ-12» (Новосибирск, 2006 г), «Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аспекты микроэлектроники» (Пенза, 2006, 2009 гг.), «Молодые ученые - 2006» (Москва, 2006 г.), «XLI Зимняя Школа Петербургский институт ядерной физики» (Санкт-Петербург, 2007 г.), «Университетское образование» (Пенза, 2007 — 2009 гг.), «Физика и технология микро- и наносистем» (Санкт-Петербург 2007 г.), «Материалы, изделия и технологии пассивной электроники» (Пенза, 2007 г.), «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2007 г.), «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007 г.), «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (Саранск, 2007 г.), «INTER-MATIC - 2007» (Москва, 2007 г.), «Надежность и качество» (Пенза, 2009 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 17 работ, включая статью из перечня ВАК. Без соавторов опубликована одна работа.

-138-Выводы

1. Разработана методика получения резистивных структур с заданной морфологией поверхности и выходными параметрами за счет технологических режимов получения и отжига.

2. Разработаны методики и выполнены комплексные исследования морфологических характеристик на низкоразмерном уровне с помощью комплекса сканирующей зондовой микроскопии и электрических параметров резистивных многокомпонентных структур, синтезированных в неравновесных условиях конденсации. Это позволило установить механизмы образования резистивных пленок и деградации их свойств на низкоразмерном уровне.

3. Проведены комплексные исследования морфоструктуры пленок на низкоразмерном уровне и электрических параметров резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов, что позволило установить процессы формирования многокомпонентных пленок и деградацию их свойств на низкоразмерном уровне.

4. На основе экспериментальных результатов , теоретических моделей и результатов моделирования разработана физико-технологическая закономерность формирования резистивных структур с заданной морфоструктурой и выходными параметрами в виде: технологические режимы получения - морфоструктура пленок — свойства пленок — выходные параметры резистивных структур.

5. На базе физико-технологических закономерностей формирования резистивных структур с заданными морфоструктурой и выходными параметрами разработана технология получения резистивных структур с воспроизводимыми и стабильными параметрами.

-139-Заюпочение

В процессе выполнения диссертационной работы развиты основы технологии получения резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов с заранее заданными и высокостабильными выходными параметрами за счет контролируемого изменения морфоструктуры на низкоразмерном уровне.

1. Разработана методика получения резистивных пленок на основе хромоникелевых сплавов с заданной морфологией поверхности структур при различных технологических режимах, что обеспечило разработку технологии изготовления резистивных структур для датчикового приборостроения с контролируемыми выходными параметрами.

2. Разработаны методики и выполнены комплексные исследования морфологических характеристик на низкоразмерном уровне с помощью комплекса сканирующей зондовой микроскопии и электрических параметров резистивных многокомпонентных структур, синтезированных в неравновесных условиях конденсации. Это позволило установить механизмы образования резистивных пленок и деградации их свойств на низкоразмерном уровне, что обеспечило установление физико-технологических закономерностей формирования резистивных структур с заданными выходными параметрами.

3. На основе экспериментальных результатов, теории фракталов, кинетики испарения и конденсации материалов в неравновесных условиях синтеза и результатов моделирования определены физико-технологические закономерности формирования резистивных структур с контролируемыми изменениями морфоструктуры и выходных параметров в виде: технологические режимы получения — морфоструктура пленок — режимы отжига - свойства пленок - выходные параметры резистивных структур для датчикового приборостроения, необходимые при разработке технологии получения информационно-измерительных приборов с заданными выходными параметрами.

-1404. На базе физико-технологических закономерностей формирования резистивных структур с заданными морфоструктурой и выходными параметрами разработана технология получения резистивных структур с воспроизводимыми и стабильными параметрами для датчикового приборостроения.

5. Разработаны модель и методика временной стабилизации параметров резистивных структур с использованием хромоникелевых сплавов за счет выбора технологических режимов и отжига, обеспечивающие стабильные во времени параметры, сравнимые с лучшими известными аналогами.

6. Проведено моделирование кинетики роста пленок, их электрофизических свойств на основе теории фракталов, позволяющее прогнозировать электрические, морфологические характеристики многокомпонентных материалов и выходные параметры резистивных структур на их основе в процессе хранения для различных технологических режимов, что особенно важно при разработке эффективной технологии получения высокостабильных информационно-измерительных приборов.

7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы использовались в учебном процессе и научных исследованиях семи высших учебных заведений РФ.

Автор благодарен всем сотрудникам кафедры «Нано- и микроэлектроники» Пензенского государственного университета за поддержку и помощь в выполнении диссертационной работе.

-141

1. Кукушкин, С. А. Процессы конденсации тонких пленок / С. А. Кукушкин, А. В. Осипов II Успехи физических наук. 1998. - Т. 168. - № 10. - С. 1083- 1115.

2. Купи, Ф. М. Теория гетерогенной нуклеации в условиях постепенного создания метастабильного состояния пара / Ф. М. Куни, А. К Щекин, А. П. Гринин II Успехи физических наук. 2000. - Т. 170 - №6 - С. 345 -363.

3. Becker, R. Selected problems of laser ablation theory / R. Becker, W. Doering И Ann. Physik 1935 - Vol. 24 - P.719 - 731.

4. Walton, D. Preferred orientations of evaporated Ni films on Mo and Si02 substrates / D. Walton II Vacuum 1962. - Vol. 49, P.257 - 263.

5. Sigsbee, R. A. Heterogeneous Nucleation from the films vapor / R. A. Sigsbee, G. M. Pound 11 Advan. Coll. Interf. Sci. 1967. - Vol.1 - P. 335 - 349.

6. Basic Problems in thin Film Physics / G. Zinsmeister II Proc. Intern. Symp., New York, 1965, p.33.

7. Modulation of residual current in a modulated Bayard-Alpert gauge / J. Courvoisier, L. Jansen, W. Haidinger //Trans. 9 Natl. Vacuum Symp., New York, 1962.-P. 14.

8. Технология тонких пленок / Под ред. Л. Майссел, Р. Глэнг. М. : Сов. Радио, 1977. - Т. 2. - 768 с.

9. Аверин, И. А. Управляемый синтез гетерогенных систем: получение и свойства: монография / И. А. Аверин. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006.-316 с.

10. Lewis, В. Activation energy and saturation density for In and Sn thin films on NaCl substrates / B. Lewis, D. Campbell I I Vacuum Sci. Technol. 1967 -Vol. 4, P.209 - 219.

11. Хирс, И. П. Испарение и конденсация / И. П. Хирс, Г. М. Паунд. М. : Металлургия, 1963. - 325 с.

12. The system was then isolated from the vacuum pumps and vapor from the chamber / T. Rhodin, D. Walton II Transactions of the Ninth Vacuum Symposium, New York, 1962. p.3.

13. Rhodin, T. N. Single Crystal Films / T. N. Rhodin, D. Walter, под ред. M. H. Francombe, Н. Sato. New York: Pergamon Press, 1964. - 337 p.

14. Salik, J Monte Carlo study of reversible growth of clusters on a surface / J. Salik // Phys. Rev. 1985 - Vol. 32 - P. 1824 - 1826.

15. Lewis, В., Thin Solid Films / B. Lewis 11 Phys. II 1967 - Vol.1 - №85 P. 1461 - 1477.

16. ВолоховИ.В. Технологические методы повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.11.14; защищена 26.06.08 / И. В. Волохов; ПензГУ. Пенза, 2008. - 18 с.

17. Пат. №1128694, СССР, МПК Н01С17/00. Способ изготовления высокотемпературного тензорезистивного элемента / Алексеева Э. А., Мокрое Е. А., Педоренко Н. П., Семенов В. А. Заявка 3509938/21, заявл. 05.11.1982; опубл. 27.03.1996.

18. Пат. № 2244969, РФ, МПК Н01С7/00. Тонкопленочный резистор и способ его изготовления / Спирин В. Г. — Заявка 2003121227/09; заявл. 08.07.2003; опубл. 20.01.2005.

19. Пат. № 2231150, РФ, МПК НО 1С17/00. Способы изготовления тонкопленочных резисторов / Спирин В. Г. — Заявка 2002114641/09; заявл. 04.06.2002; опубл. 20.06.2002.

20. Пат. №2207644, РФ, МПК Н01С17/00. Способ изготовления тонкопленочных резисторов / Смолин В. К. — Заявка 2000106952/09; заявл. 21.03.2000; опубл. 27.02.2003.

21. Гусев, А. И. Нанокристаллические материалы / А. И. Гусев, А. А. Ремпель М. : Физматлит, 2000 - 224 с.

22. Суздалев, И. П. Нанокластеры и нанокластерные системы. Организация, взаимодействие, свойства / И. П. Суздалев, П. И. Суздалев II Успехи Химии. 2001. - Т. 70. - С. 203 - 240.

23. Суздалев, И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И. П. Суздалев. М. : КомКнига, 2006. -592 с.

24. Черняев, В. Н. Физико-химические процессы в технологиях РЭА / В. Н. Черняев М. : Высш. шк., 1987. - 367 с.

25. Buffat, Ph. Discreteness of nanostructures and critical dimensions of nano-clusters / Ph. Buffat, I.P. Borel II Rhys. Rev. A. Gen. Phys. 1976. - Ser. 3. -Vol. 13.-P. 22.

26. Смирнов, Б. M. Физика фрактальных кластеров / Б. М. Смирнов — М. : Наука, 1991.-156 с.

27. Forrest, S. Nucleation Mechanism of Nanoparticles and Metal Clusters, their Structure and Chief Properties / S. Forrest, J. Witter II Metallopolymer Nano-composites 2005. - Vol. 81. - P. 25 - 63.

28. Thomas, G. Precipitation of Vacancies in Metals / G. Thomas, J. Washburn II Rev. Mod. Phys. 1963 - Vol.35 -P. 992 - 1011.

29. Физика тонких пленок / Под общей ред. Г. Хасса, Р. Э.Туна. — М. : Мир, 1967.- Т. 2.-396 с.

30. Маргулис, M. А. Современное состояние теории локальной электризации кавитационных пузырьков / М. А. Маргулис, И. М. Маргулис // Физическая химия- 2007. Т. 81 -№ 1 -С. 136- 147.

31. Van Itterbeck, A. Nickel films used as thermometers at low temperatures and superconductivity of lead films / A. Van Itterbeck, L. De Greve, R. Lambeir, R. Cells И Physica 1949. - Vol. 15 - №11-12 - P. 962 - 970.

32. Semiconductor Materials / N. Mostovetch, B. Vodar // Proc. Conf. Univ. Reading, New York, 1951 P. 260

33. Blank-Lapierre, A. Electrical conduction and current noise mechanism in discontinuous metal films. I. Theoretical / A. Blank-Lapierre, N. Nifontoff I I Phys. Radium 1956 - Vol.17 - P.2553 - 2563.

34. Minn, S. S. Critical Pressure for the Metal-Semiconductor Transition in V2O3 / S. S. Minn II Phys. Rev. Lett. 1969. - Vol.22 - P. 887 - 890.

35. Neugebauer, C. A. Magnetic and electron transport properties / C. A. Neugebauer, M. B. Webb II Appl. Phys. 1962. - Vol.33 - P.74.

36. Минайчев, В. E. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Нанесение пленок в вакууме / В. Е. Минайчев — М. : Высш. шк., 1989.- 110 с.

37. Ковенский, И. М. Отжиг электроосажденных металлов и сплавов / И. М. Ковенский Тюмень: ТюмГНГУ, 1995. — 92 с.

38. Ковенский, И. М. Термическая обработка металлических и композиционных покрытий: учебное пособие / И. М. Ковенский, И. Д. Моргун,

39. B. В. Поветкин — Тюмень: ТюмИИ, 1991. 96 с.

40. Аношкин, Ю. В. Модель деградации свойств резистивных пленок на основе хромоникелевых сплавов / Ю. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская II XLI Зимняя Школа ПИЯФ. Секция Физика конденсированных состояний ФКС-2007 Репино, 2007. - С. 39 - 41.

41. Аношкин, Ю. В. Физико-математическая модель прогнозирования параметров резистивных структур / Ю. В. Аношкин, И. А. Аверин, Р. М. Печерская II Надежность и качество 2009: тр. Междунар. симп. -Пенза,2009. С. 371 - 372.

42. Ковенский, И. М. Об изменении структуры электроосажденных металлов при отжиге / И. М. Ковенский, В. В. Поветкин, Н. И. Матвеев II Известия АН СССР. Металлы. 1989. - №2. - С. 97 - 103.

43. Katz, J. D. Low-temperature recrystallization kinetic In nickel electrodeposits / J. D. Katz, H. W. Pickering, W. R. Bltler II Plating and Surface Finishing -1980. Vol.67 -№11.- P.45 - 49.

44. Поветкин, В. В. Структура электролитических покрытий / В. В, Поветкин, И. М. Ковенский М. : Металлургия, 1989. - 130 с.

45. Миронов, В.Л. Основы зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений / В. Л. Миронов — Нижний Новгород: Институт физики микроструктур РАН, 2004. 114 с.

46. Jan F. Jirgense, The Scanning Probe Image Processor, SPIP™ Copyright, Электронный ресурс., CEO Image Metrology A/S, 1998-2004, Режим доступа: http://www.imagemet.com, свободный.

47. Морозов, Ф. Д. Введение в теорию фракталов / Ф. Д. Морозов. Москва; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. - 160 с.

48. Кроновер Р. М. Фракталы и хаос в динамических системах. Основы теории / Р. М. Кроновер. — М. : Постмаркет, 2000. — 352 с.

49. Божокин, С. В. Фракталы и мультифракталы / С. В. Боэ/сокин, Д. А. Паршин. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001.-128 с.

50. Золь-гель-технология: учеб. пособие / В. А. Жабрее, В. А. Мошников, Ю. М. Таиров, А. А. Федотов, О. А. Шилов. СПб. : Изд-во СпбГЭТУ «ДЭТИ», 2005. - 156 с.

51. Золотухин, И. В. Фрактальная структура и некоторые физические свойства углеродного депозита, полученного распылением графита в электрической дуге / И. В. Золотухин, Ю. В. Соколов II Письма в ЖТФ. — 1997. Т.23 - №13. - С.71 - 75.

52. Энциклопедии, словари и справочники. Химическая энциклопедия, Поверхностная энергия, Режим доступа: http://www.cnshb.ru свободный.

53. Палатник, Я. С. Основы пленочного полупроводникового материаловедения / Л. С. Палатник, В. К. Сорокин — М. : Энергия, 1973. — 296 с.

54. An, /. Real time spectroellipsometry study of the interaction of hydrogen with ZnO during ZnO/a Si(l - x)C(x)H interface formation //. An, Y. Lu, C.R.

55. Ормонт, Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников / Б. Ф. Ормонт — М. : Высш. шк., 1973. — 655 с.

56. Савельев, И. В. Курс общей физики. Молекулярная физика и термодинамика I Савельев И. В.- М. : Астрель ACT, 2005. 208 с.

57. Франк-Каменецкий, Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике /Д. А. Франк-Каменецкий — М. : Наука, 1987. — 492 с.

58. Kaur, I. Fundamentals of Grain and Interphase Boundary Diffusion /1. Kaur, W.Gust. Stuttgart: Ziegler Press, 1989. - 447 c.

59. Шалимова, К. В. Физика полупроводников / К. В. Шалимова — М. : Энергоатомиздат, 1985. 392 с.