Формирование в вакууме композиционного слоя с островковыми наноструктурами

Введение. В настоящее время тенденции развития электроники требуют от устройств увеличения производительности, повышения эффективности, миниатюризации, снижения себестоимости. Внедрение наноразмерных, в том числе и островковых, структур и слоев на их основе может стать перспективой развития многих отраслей электроники. Островковыми тонкими пленками и наноструктурами (ОНС) называются тонкопленочные структуры, формирование которых завершили на начальных стадиях. Размеры островков не превышают 100 нм в латеральном и вертикальном направлениях, благодаря чему в массивах ОНС проявляются размерные эффекты (электрические, магнитные, оптические, механические и т. д.). Интерес представляет формирование композиционного слоя диэлектрика и внедренных в него проводящих ОНС.
Цель работы. Разработка способа и отработка режимов формирования композиционного покрытия с ОНС.
Материалы и методы. Исследования проводятся на кафедре электронных технологий в машиностроении МГТУ им. Н. Э. Баумана. Материалы исследования – оксид алюминия и медь. Технологическое оборудование – вакуумная установка МВТУ-11-1МС, оснащенная магнетронным и ионным источниками. Исследования шероховатости поверхностей подложки и покрытий проводится на атомно-силовом микроскопе Solver NEXT; геометрических параметров композиционного слоя – на сканирующем электронном микроскопе Crossbeam 550.
Результаты. Средние абсолютные значения скорости осаждения для меди и оксида алюминия – 25.9 и 0.3 нм/мин соответственно. Для формирования композиционной структуры с ОНС диаметром 100 нм и расстоянием между островками 3...5 нм проводящая вставка имеет размеры: диаметр 25 мм, ширина 0.46 мм. Для получения однородной структуры и качественного сцепления композиционного слоя с подложкой требуется предварительная ионная обработка подложки в течение 120 с.
Заключение. Разработанный способ формирования композиционного покрытия с островковыми наноструктурами предполагает использование комбинированной мишени. Практическое применение результатов работы: возможность формирования методом магнетронного распыления в вакууме композиционных тонкопленочных покрытий из диэлектрика и проводящих наноразмерных структур.

1. Пат. RU 200183 U1. Островковый тонкопленочный конденсатор / О. Г. Андреасян, С. В. Сидорова; опубл. 08.10.2020. Бюл. № 28.

2. Application of Island Thin Films for Microelectronics Devices / S. V. Kiryanov, N. O. Yurkin, A. D. Kouptsov, S. V. Sidorova // Proc. of the 5 th Intern. Youth Conf. on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, Moscow, Russia, 16–18 March 2023. IEEE, 2023. P. 1–6. doi: 10.1109/REEPE57272.2023.10086877

3. An ultra-capacitor for frequency stability enhancement in small-isolated power systems: Models, simulation and field tests / I. Egido, L. Sigrist, E. Lobato, L. Rouco, A. Barrado //Applied Energy. 2015. Vol. 137. P. 670–676. doi: 10.1016/j.apenergy.2014.08.041

4. Nano-capacitor-like model using light trapping in plasmonic island embedded microring system / J. Ali, P. Youplao, N. Pornsuwancharoen, M. A. Jalil, S. Chiangga, I. S. Amiri, S. Punthawanunt, M. S. Aziz, G. Singh, P. Yupapin, K. T. V. Grattan //Results in Physics. 2018. Vol. 10. P. 727–730. doi: 10.1016/j.rinp.2018.07.013

5. Electron exchange between atomic particle and thin metal island films / E. R. Amanbaev, I. K. Gainullin, E. K. Zykova, I. F. Urazgildin // Thin Solid Films. 2011. Vol. 519, iss. 15. P. 4737–4741. doi: 10.1016/j.tsf.2011.01.026

6. Сидорова С. В. Методы формирования тонких пленок: начальная стадия формирования // Справочник. Инженерный журн. 2011. № 9. С. 13–17.

7. Design of a liquid-phase magnetron sputtering small-sized source for the vacuum coating system MVTU-11-1MS / A. D. Kouptsov, D. D. Vasilev, S. V. Sidorova, K. M. Moiseev // J. of Physics: Conf. Series. 2021. Vol. 1799, № 1. P. 012016. doi: 10.1088/1742-6596/1799/1/012016

8. Comparative study of plasma and ion-beam treatment to reduce the oxygen vacancies in TiO2 and recombination reactions in dye-sensitized solar cells / Md. Khaled Parvez, Gi Moon Yoo, Ju Ho Kim, Min Jae Ko, Sung Ryong Kim // Chemical Physics Letters. 2010. Vol. 495, iss. 1–3. P. 69–72. doi: 10.1016/j.cplett.2010.06.038

9. Donnelly V. M., Kornblit A. Plasma etching: Yesterday, today, and tomorrow // J. of Vacuum Science & Technology A. 2013. Vol. 31. P. 050825. doi: 10.1116/1.4819316

10. Комаровская В. М., Иващенко С. А. Оптимизация режимов ионной обработки поверхности неметаллических материалов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 3. С. 23–27.

11. Lin K. Y., Low G. H., Chuang I. L. Effects of electrode surface roughness on motional heating of trapped ions // Physical Review A. 2016. Vol. 94, № 1. P. 013418. doi: 10.1103/PhysRevA.94.013418

12. Kouptsov A., Maltsev V., Sidorova S. Reduction of Residual Stresses in Aluminum Oxide Films by Ion-Plasma Methods // 6th Intern. Youth Conf. on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, Moscow, Russia, 29 Feb.–02 March 2024. IEEE, 2024. P. 1–4. doi: 10.1109/REEPE60449.2024.10479846

13. Harrick N. J. Determination of refractive index and film thickness from interference fringes // Applied optics. 1971. Vol. 10, iss. 10. P. 2344–2349. doi: 10.1364/AO.10.002344

14. Синтез нанокристаллических пленок гидроксиапатита / В. М. Иевлев, Э. П. Домашевская, В. А. Терехов, В. М. Кашкаров, В. М. Вахтель, Ю. Д. Третьяков, В. И. Путляев, С. М. Баринов, В. В. Смирнов, Е. К. Белоногов, А. В. Костюченко // Конденсированные среды и межфазные границы. 2007. Т. 9, № 3. С. 209–215.

15. Дедкова А. А., Киреев В. Ю., Махиборода М. А. Возможности и ограничения метода контактной профилометрии при определении перепада высот для контроля топологических элементов и толщины слоев // Наноструктуры. Математическая физика и моделирование. 2020. Т. 20, № 2. С. 23–40. doi: 10.31145/2224-8412-2020-20—2-23-40