Дипломная (вкр): Исследование свойств многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических пленок в диапазоне СВЧ

1.3 Оборудование и методика технологического процесса

.3.1 Установка для формирования металлических пленок

В состав технологической установки входят следующие основные системы:

Вакуумная и газовая система: механический форвакуумный насос, турбомолекулярный насос, вентили и затворы, устройства для измерения вакуума, натекатели, бустерный объем, баллон.

Электрическая система: устройства, обеспечивающие электропривод насосов, гидропривод колпака, устройство, обеспечивающее нагрев подложки.

Высоковольтный источник.

Подколпачное устройство: два магнетрона, нагреватель подложки.

В качестве базовой технологической установки для получения пленок платины была выбрана вакуумная установка УВР-3М. Блок схема переоборудованной технологической установки приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Блок-схема вакуумной установки для напыления платины

Д1, Д2 - измерительные лампы; В1, В2, В3 - натекатели; ФВН - форвакуумный насос; БО - бустерный объем; ТМН - турбомолекулярный насос; ВК - вакуумная камера; МУ - магнетронное устройство; НП - нагреватель подложки; ВИ - высоковольтный источник.

Вакуумная система.

Форвакуумный насос обеспечивал предварительный вакуум, затем турбомолекулярным насосом достигался высокий вакуум (до 10 Па). Контроль вакуума и давление рабочего газа выполнялись термопарными датчиками ПМТ-6 (105…10 Па) и ПМТ-4 (10…0,1 Па). Система водяного охлаждения включала медную трубку для охлаждения рабочего объема (вакуумного колпака). Газовая система включала баллон аргона, точный натекатель газа в рабочий объем.

Электрическая система.

Все устройство питается от трехфазной сети с заземленной нейтралью и включается общим пускателем. Далее каждое устройство электрической системы запускается своим электромагнитным пускателем, кроме электромагнитного клапана гидропривода подъема колпака. Цепь нагревателя подложек состоит из мощного понижающего трансформатора, напряжение на первичной обмотке которого регулируется вручную с помощью автотрансформатора типа - 9 А, что позволяет подавать напряжение на нагреватель подложек от 0 до 20 В при токе 40 А. Все электрооборудование смонтировано внутри каркаса вакуумной установки, и управление электрической системы выведено на переднюю панель.

Магнетронный узел.

Магнетрон является основным технологическим узлом экспериментальной установки для выращивания пленок хрома, титана, меди, золота, платины. Его конструкция определяет диапазон возможного регулирования технологических факторов процесса формирования пленки. На рис. 1.4 представлен эскиз магнетрона.

Рис. 1.4. Устройство магнетрона.

- изолирующее кольцо; 2 - трубка охлаждающей системы; 3 - шайба; 4 - гайка; 5 - шпилька; 6 - трубка охлаждающей системы; 7 - шпилька; 8 - гайка; 9 - установочное кольцо; 10 - стакан; 11 - установочное кольцо; 12 - крепежный болт; 13 - установочное кольцо; 14 - уплотнительное кольцо; 15 - корпус магнетрона; 16 - уплотнительное кольцо; 17 - штуцер; 18 - штуцер; 19 - магнитопровод; 20 - кольцевые магниты; 21 - центральный магнит; 22 - мишень (Ti); 23 - уплотнительное кольцо; 24 - крепежный болт.

С помощью установочных колец 9, 11 и 13 магнетрон крепится в колпаке вакуумной установки. Установочное кольцо 13 выполненное из диэлектрического материала (органическое стекло) обеспечивает электрическую изоляцию корпуса магнетрона от стенок камеры. С помощью кольца 1, которое также служит изолятором, шайбы 3, гайки 4 и шпильки 5, которая выполняет функции токовода, стакан крепится к основному корпусу магнетрона. Установочное кольцо 9 имеет резьбовые отверстия со шпильками 7, которые позволяют регулировать расстояние мишень-подложка и фиксируют магнетрон в окне вакуумного колпака. Титановая мишень крепится к корпусу магнетрона болтами и уплотняется резиновым кольцом для поддержания вакуума, а платиновая, выполненная в виде фольги, устанавливается на латунной оправке. Охлаждение магнетрона производится с помощью медных трубок 2 и 6 впаянных в медные штуцера 17 и 18 корпуса магнетрона. Боковая поверхность магнетрона защищена пермалоевым экраном, экранирующим магнитное поле магнетрона. Рабочий режим магнетрона - ток до 1А, напряжение разряда 200-500В.

.3.2 Установка для напыления пленок BSTO

В состав технологической установки входят следующие основные системы:

вакуумная и газовая система, включающая механический форвакуумный насос, вентили, затворы; устройства для измерения вакуума; натекатели, смеситель газов, расходомеры, баллон;

электрическая система: устройства, обеспечивающие электропривод двигателей механического насоса, гидропривода колпака, устройства, обеспечивающие нагрев подложек;

ВЧ - генератор и приборы, обеспечивающие его согласование с распылительным устройством;

подколпачное устройство, включающее ВЧ - распылительное устройство, нагреватель подложек, термопару.

В качестве базовой технологической установки для выращивания сегнетоэлектрических пленок BSTO была выбрана вакуумная установка УРМ 3.279-014. Блок-схема переоборудованной технологической вакуумной установки приведена на рис. 1.5.

Рис.1.5. Блок схема технологической установки ВЧ ИПР.

ВК - вакуумная камера; ВН - вакуумный насос (механический); В1 - клапан коммутационный; В2 - натекатель атмосферы; В3 - натекатель рабочего газа; Д1 - датчик термопарный ПМТ - 6; Д2 - датчик термопарный ПМТ - 4; ВЧГ - высокочастотный генератор; КУ - катодный узел; НП - нагреватель подложек; ТР - трансформатор регулирующий

Вакуумная и газовая система.

Механический насос ВН обеспечивал необходимый вакуум (менее 1Па), потому паромасляный высоковакуумный насос, входящий в состав установки, не применяется. Контроль вакуума и давление рабочего газа выполнялись термопарными датчиками ПМТ- 6 (105...10Па) и ПМТ- 4 (10...0.1Па). Система водяного охлаждения включала медную трубку для охлаждения рабочего объема (вакуумного колпака) и коаксиальный ввод для охлаждения распылительного устройства (катодного узла). Газовая система включала баллоны аргона и кислорода высокой чистоты, устройство для смешивания газа, содержащее манометры и расходомеры, точный натекатель газа в рабочий объем.

Электрическая система.

Все устройство питается от трехфазной сети с заземленной нейтралью и включается общим пускателем. Далее каждое устройство электрической системы запускается своим электромагнитным пускателем, кроме электромагнитного клапана гидропривода подъема колпака. Цепь нагревателя подложек состоит из мощного понижающего трансформатора, напряжение на первичной обмотке которого регулируется вручную с помощью автотрансформатора типа - 9 А, что позволяет подавать напряжение на нагреватель подложек от 0 до 20 В при токе 40 А. Все электрооборудование смонтировано внутри каркаса вакуумной установки, и управление электрической системы выведено на переднюю панель.

Высокочастотный генератор ВЧД - 2.5/13 (СД-Л01) состоит из трех блоков: шкафа генератора, переключателя нагрузки с согласующей выходной индуктивностью, пульта управления. Рабочая частота - 13,56 МГц, максимальная мощность - 2,5 кВт, потребляемая мощность - 6 кВт, анодное напряжение 5 кВ.

Внутри шкафа генератора размещены: генераторная лампа с устройством воздушного охлаждения и трех-фазным электродвигателем; генераторный блок с элементами LC-контуров, анодный трансформатор, высоковольтный выпрямитель, пусковая аппаратура.

Согласующее устройство содержит переменные емкости и индуктивность нагрузочного контура и позволяет согласовать генератор с нагрузкой. Управление подстроечным согласующим конденсатором осуществляется электрически, с помощью реверсивных электродвигателей. При подстройке конденсатора происходит изменение зазоров между обкладками свободного конденсатора. На блоке согласования находится пульт управления с приборами контроля, сигнализации и пуска. Вакуумная установка присоединяется к генератору посредством коаксиального фидера из медных труб - наружная - диаметром 90 мм ; внутренняя - диаметром 30 мм. Общая длина фидера - 1,5 м; в месте перпендикулярного соединения труб имеется балластная емкость - 40пФ. Установка генератора полностью экранирована, благодаря чему уровень внешнего ВЧ-излучения не превышает действующих норм.

Характерной особенностью ВЧ - распыления является необходимость согласования ВЧ - генератора с распылительной системой, импеданс которой может меняться в широких пределах в зависимости от давления рабочего газа, размеров электродов, а также в результате запыления элементов конструкции. В согласованном режиме генератор должен иметь следующие показания приборов:

При режиме 100% мощности:

анодный ток при распылении - 0,3 ¸ 0,75 А

сеточный ток при распылении -0,1 ¸ 0,3 А

рабочая частота - 13,56 ± 0,14 МГц

Катодный узел ВЧ - распыляющего устройства и подложкодержатель.

Катодный узел (КУ) является основным технологическим узлом экспериментальной установки для выращивания СЭП. Его конструкция определяет диапазон возможного регулирования технологических факторов процесса формирования пленки. На рис. 1.6 представлен эскиз катодного узла ВЧ распыляющего устройства.

1. подложка на подложкодержателе;

2. подложкодержатль (цилиндр из кварца и пластины);

3. экран мишени катодного узла (Ti);

4. изоляторы (кварц);

5. ограничительное кольцо мишени (Ti);

. керамическая мишень;

7. держатель керамической мишени;

8. боковой экран катодного узла;

9. платформа катодного узла;

10. нижний экран;

11. трубка катодного узла;

12. верхняя втулка (фторопласт);

13. цилиндр - экран;

14. заземляющая гайка;

15. плита вакуумной установки;

16. нижняя втулка (фторопласт);

17. поджимающая гайка;

18. медная входная трубка;

19. резиновые уплотнители;

20. водяной штуцер;

21. ВЧ подвод;

22. держатель нагревателя;

23. нагреватель;

24. шайба.

Рис.1.6. Эскиз конструкции катодного узла ВЧ распыляющего устройства.

С помощью нижней и верхней фторопластовых втулок, которые одновременно служат изоляторами, а также нижней гайки, катодный узел крепится на плите вакуумного устройства. КУ содержит керамическую мишень, которая с помощью держателя устанавливается на платформе катодного узла. ВЧ - энергия подается с помощью ВЧ - подвода к трубке катодного узла, на которой крепится платформа КУ. Приведенная конструкция КУ позволяет прикладывать высокую мощность к поверхности мишени, соответствующую плотности ВЧ - разряда до 20вт/см2. “Нижнее” расположение КУ относительно подложкодержателя имеет свои преимущества, поскольку в этом случае существует возможность применения порошковых мишеней.

В данной работе была разработана новая, “порошковая” технология изготовления мишени, вместо керамической пластины, для проведения процесса ВЧ распыления. Специальная оправка, изготовленная из дюралюминия, имевшая форму тонкой дисковой пластины (толщиной ~ 3 мм) с верхними и нижними бортиками, закреплялась на поверхности охлаждаемой платформы КУ. Нижние бортики оправки позволяли применять метод плотной посадки оправки и обеспечивать хороший тепловой контакт. Верхние бортики высотой 1 - 1.5 мм позволяли равномерно распределять порошок на поверхности оправки. Порошковая смесь синтезированных составов BaxSr1-xTiO3 укладывалась на верхнюю поверхность, выравнивалась и прессовалась слабым давлением. После прогрева и предварительного распыления (в течение не менее 2 часов) мишень применялась для осаждения пленок.

Для устойчивого распыления мишени и устранения пробоев применяется система электрических экранов. Ближайший к боковой поверхности платформы КУ цилиндрический экран имел зазор 1 - 2 мм. Внешним экраном являлась кварцевая труба. На верхней торцевой поверхности трубы располагалась заслонка с наружным механическим управлением, что позволяло в каждом технологическом процессе проводить предварительное распыление и стабилизацию режимов перед началом осаждения пленки на подложки.

Подложки закреплялись на нижней поверхности кварцевой пластины подложкодержателя - нагревателя с помощью тонких поликоровых пластин. Нагревательный элемент, изготовленный из ленты высокотемпературного материала - "Сплав-2", размещался между пластинами из плавленного кварца, которые скреплялись держателем с верхним металлическим экраном, снижавшим постороннее тепловое излучение. Подложкодержатель подвешивался над поверхностью мишени на заданном расстоянии с помощью кронштейна. Температура подложкодержателя контролировалась по показаниям термопары и регулировалась посредством тока через нагревательный элемент.

1.4 Выбор технологических режимов получения BST пленок с наиболее высокими диэлектрическими характеристиками Выращивание пленок и рентгеновский дифракционный анализ

Среди известных сегнетоэлектрических материалов твердый раствор BaxSr1-xTiO3 (BSTO) наиболее соответствует требованиям СВЧ применений, поскольку данное соединение обеспечивает максимальное изменение диэлектрической проницаемости  под действием электрического поля, при минимальных диэлектрических потерях [2, 3, 4]. Фазовый переход из параэлектрической в сегнетоэлектрическую фазу происходит при температуре Кюри TС, соответствующей максимальному значению диэлектрической проницаемости. Для работы устройств при комнатной температуре величина x должна быть равна 0.5 - 0.6. Пленки BSTO, выращенные на различных подложках, отличаются структурными микродеформациями и напряжениями, которые оказывают влияние на температурную зависимость диэлектрической проницаемости. В реальных кристаллах и пленках фазовый температурный переход и диэлектрический отклик СЭП зависят от множества факторов, таких как качество кристаллической структуры, дефицит кислорода, размера зерна, величина микродеформаций, плотность заряженных состояний на интерфейсе и свойств подложек. Поэтому наблюдается отличие между TC и Tm -температуры, соответствующей максимуму зависимости e(T).

В данной работе для формирования СЭП были использованы следующие подложки: MgO; LаAlO3 (LAO), NdGaO3 (NGO); сапфир a-Al2O3 [1012] - (a) и поликор. Параметр рассогласования кристаллической структуры подложек и пленок определялся следующим образом:  = 2(aS - aF)/( aS + aF), где aS, aF - параметры решетки подложки и пленки, соответственно. Таким образом, для BaSrTiO3 пленки: a-Al2O3» ; MgO» ; LAO) » -3.7%; (NGO) » -1.5%. Ромбические структурные искажения на поверхности подложки сапфира увеличивают несоответствие с перовскитной пленкой. Температурный коэффициент расширения должен также учитываться в расчете. Коэффициент увеличивается в следующем ряду соединений: MgO; BSTO; NGO, LAO. Значения отношениий (BSTO)/ и (BSTO)/MgO) составляют около 1.5. Отношение коэффициентов для структуры BSTO/LAO в несколько раз больше по сравнению с другими композициями СЭП/подложка, которые применялись в данной работе, поэтому структура BSTO/LAO отличалась наличием высоких структурных напряжений на интерфейсе.

В процессе изготовления пленок (состав порошковой мишени BaxSr1-xTiO3 x = 0.50 ¸ 0.65) были использованы следующие технологические режимы: давление кислорода во время процесса распыления 5-20 Па; расстояние между пленкой и подложкой 15-50 мм; мощность ВЧ разряда 6 -10 Вт / см2; температура подложки 650 - 850 0С; скорость роста пленки составляла 1,5 - 2 нм / мин. Технологические карты образцов характеризующих проведенную работу приведены в Приложении. Исследование начальных стадий роста пленок BSTO показал, что эпитаксиальный рост может быть реализован только на подложках LAO и MgO. При температуре подложки больше, чем 700 0С и достаточно высоком давлении кислорода (более 20 Па) были получены высоко-ориентированные пленки на подложках обоих типов. Рентгено-дифракционные анализ (РДА) BSTO/MgO, BSTO/a и BSTO/LAO структур использовался для характеристики кристаллической ориентации, деформационного сдвига и микронапряжений (Da/a) (см. рис.1.6 ). Рентгеновские дифрактограммы содержат только (k00) пики, примесные фазы отсутствуют. Наименьший (Da/a) параметр (~ 10-4) был определен для структур BSTO/NGO и BSTO/LAO. На рис.1.7 (a, b, c) представлены рентгено-дифрактограммы BSTO пленок на различных монокристаллических подложках (сапфир, LAO, MgO, соответственно), выращенных в едином технологическом процессе .