Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Разработка технологии синтеза тонкопленочного оксида ванадия методом реактивного магнетронного распыления
НТТМ-2017-1270 | Категория I

Автор:

Лебедев Никита Кириллович

Научный руководитель:
Карзин Виталий Валерьевич
Организация:
ГБУ ДО ЦДЮТТ «Охта»,
Санкт-Петербург
Цель работы
Сегодня в мире значительно вырос интерес к исследованию тонкопленочных структур оксидов переходных металлов с целью поиска перспективных материалов для микроэлектроники и наноэлектроники, устройств медицинского назначения, энергетики, космической отрасли и т.д. Использование новых физических эффектов в электронике приводит к развитию таких альтернативных направлений как оптоэлектроника, терагерцовая электроника и квантовая наноэлектроника, которые интенсивно развиваются в последнее время.
Среди оксидов переходных металлов интерес представляет оксид ванадия, пленки которого обладают фазовым переходом первого рода металл – изолятор. Электрофизические свойства пленок оксида ванадия (температура Кюри 341К, резкое изменение сопротивления ~105 раз) позволяют считать этот материал перспективным для применения в электронике.
Спектр технологий осаждения пленок VOx достаточно широк. Наиболее стабильные электрофизические свойства пленок достигаются применением реактивного магнетронного распыления материалов. Но, несмотря на все достоинства, практическая реализация данного метода осложнена отсутствием универсальной методики, позволяющей выполнить разработку технологического процесса в рамках строгой теории. Для решения данной проблемы проводится исследование процесса реактивного магнетронного распыления металлической ванадиевой мишени на постоянном токе в среде аргона и кислорода. Так как оксид ванадия является перспективным материалом для нужд СВЧ и терагерцовой электроники, то разработка технологии его изготовления, несомненно, является актуальной задачей.
Обзор предметной области
При изучении технологии получения тонких пленок были выделены четыре наиболее распространенных: электрохимическое окисление [1]; золь-гель метод [2]; лазерная абляция[3]; осаждение методом реактивного магнетронного распыления[4].
Подавляющее большинство исследователей использует метод реактивного магнетронного распыления, как на постоянном токе, так и на переменном. Это связано с тем, что данный метод характеризуется простотой реализации, хорошей управляемостью процессов и позволяет получать оксидные пленки с хорошей воспроизводимостью при относительно низком уровне затрат. Так, например, в статье [2] описаны технологические параметры процесса. Тонкие пленки диоксида ванадия были получены на постоянном токе в среде Ar (91.2%) + O2 (8.8%) с использованием металлической ванадиевой мишени. Подложки, изготовленные из сапфира и Si (001) с удельным сопротивлением 0.002-0.005 Ом•см, нагревались до температуры 550 °C.
В другой работе [4] параметры роста пленки незначительно отличаются, но в результате получается аморфная структура с совершенно другой степенью окисления ванадия, а также устанавливается четкая зависимость степени окисления ванадия от давления кислорода. Пленки были изготовлены с использованием импульсного постоянного тока методом реактивного магнетронного распыления, частота импульсов составляла 20 кГц, а в качестве мишени использовался металлический ванадий. Мощность распыления находится на уровне 300 Вт. В качестве подложки использовалась структура, состоящая из кристаллической кремниевой пластины (подложки), покрытой 150 нм слоем термически выращенного SiO2. В процессе осаждения подложка не подогревалась. Для первой партии аморфных пленок общее давление было 5 мТорр. Давление кислорода изменялось в диапазоне 6.7% - 30%.
Ряду исследователей удалось получить качественную оксидную структуру методом прямого окисления тонкой пленки ванадия [4]. Тонкая металлическая ванадиевая пленка была изготовлена на подложке из сапфира, методом магнетронного распыления. Вакуумная камера была откачана до 5•10-5 Торр, а затем был введен аргон. Мощность магнетрона была выставлена на отметке 45 Вт. Металлическая ванадиевая пленка была нанесена на подложку при комнатной температуре. Диаметр мишени составлял 60 мм. Расстояние между мишенью и подложкой был зафиксирован на уровне 120 мм. При этом получались различные формы оксидов ванадия с соответствующими свойствами.
Мной была разработана технология получения плёнки оксида ванадия с наличием фазового перехода изолятор-металл, в которой использовался метод реактивного магнетронного распыления на постоянном токе.
Используемая литература:
1. Three-terminal field effect devices utilizing thin film vanadium oxide as the channel layer / D. Ruzmetov, G. Gopalakrishnan, C. Ko et al. // Journal of applied physics, 2011
2. Compositional and metal-insulator transition characteristics of sputtered vanadium oxide thin films on yttria-stabilizedz / G. Gopalakrishnan, S. Ramanathan // Journal Mater Sci, 2011
3. The third order nonlinear optical characteristics of amorphous vanadium oxide thin film / U. Kürüm, R.M. Oksüzogl, M. Yüksek H.G. et al. // Appl Phys, 2014
4. Electrical and optical properties of sputtered amorphous vanadium oxide thin films / N. J. Podraza, B. D. Gauntt, M. A. Motyka et al. // Journal of applied physics, 2015
Описание результатов проекта
Выполнены экспериментальные исследования по распылению ванадиевой мишени в реактивной газовой среде которые показали, что ОЭС позволяет детально изучать процесс реактивного распыления и определять режимы осаждения. Кроме этого, с помощью ОЭС по состоянию поверхности мишени возможен эффективный контроль самого процесса осаждения пленки. Для контроля необходимо вести наблюдение за интенсивностью линий атомов металла и реактивного газа. В результате были установлены значения основных параметров технологического процесса осаждения пленок оксида ванадия методом магнетронного реактивного распыления на постоянном токе. Установлены значения параметров газовых потоков для осаждения пленок оксида ванадия заданной стехиометрии (получены пленки оксида V2O5 и V3O5).
Был разработан и изготовлен лабораторный стенд, для измерения температурной зависимости проводимости пленок оксида ванадия.
На основе спектров отражения изготовленных образцов была рассчитана их толщина, значение которой совпало с результатами элипсометрии. Анализ спектров пропускания полученных образцов позволил рассчитать ширину запрещенной зоны оксида ванадия. Она составила Eg = 2.41 эВ, что полностью совпадает со справочными данными. Исследуя температурную зависимость проводимости пленок различных образцов был выявлен фазовый переход, характерный для оксида VO2.
Велика и научно-практическая значимость полученных результатов. Полученные параметры технологического процесса дадут возможность беспрепятственно получать высококачественные плёнки оксида ванадия с заданными параметрами. Результаты работы дают возможность провести дальнейшие, более глубокие и сложные исследования данного перспективного материала, а именно использование его в качестве активного элемента СВЧ-приборов, и устройств терагерцового диапазона.

Кратко о достигнутых результатах:
1.Проведен литературный обзор научных статей по технологиям изготовления и использования тонких пленок оксида ванадия.
2.Разработан технологический процесса осаждения пленок оксида ванадия с заданными параметрами(Наличие фазового перехода) методом магнетронного реактивного распыления на постоянном токе.
3.Разработан и изготовлен лабораторный стенд, для измерения температурной зависимости проводимости пенок оксида ванадия.
4.Рассчитаны значения параметров полученных в ходе работы пленок оксида ванадия, Eg = 2.4 эВ и Ea = 0.2 эВ
5.Получена пленка оксида ванадия, в которой выявлен фазовый переход МИП при температуре 170oC с резким изменением сопротивления в ~250 раз.
6.Получен оксид VO2, в котором выявлен фазовый переход МИП при температуре 68oC с резким изменением сопротивления в ~ 5000 раз.
Описание применимости
Анализ публикаций, посвященных исследованию оксида ванадия, свидетельствует тому, что интерес к этому материалу за последние тринадцать лет значительно вырос (от десятков публикаций в 2000 году до нескольких тысяч публикаций в 2016 году (по данным базы Scopus)), что вызвано невозможностью реализации некоторых новых, перспективных электронных и оптических приборов на оксидах других металлов переходной группы.
Стоит отметить тот факт, что за последние годы выросло число работ по использованию пленок оксидов в электронных устройствах, работающих в терагерцовом диапазоне частот (0.5 – 10 ТГц). В основном к этим приборам можно отнести различные модуляторы, переключающие устройства, фильтры и др. Работа в терагерцовом диапазоне имеет огромное количество преимуществ: повышение быстродействия электронно-вычислительных машин и элементов памяти; применение в разных областях народного хозяйства и медицины – терагерцовые сканирующие системы контроля качества и томографы.
Особый интерес проявляется к оксиду ванадия VO2, пленки которого в стандартных условиях являются хорошими диэлектриками и при частотах до 6.7 ТГц имеют достаточно высокую прозрачность и низкий уровень поглощения. При температуре около T=68°С, как отмечается во множестве научных публикаций, в оксиде ванадия происходит фазовый переход металл-изолятор, при котором происходит перестройка кристаллографической структуры материала: моноклинная преобразуется в тетрагональную. При этом скачкообразно увеличивается проводимость оксидной пленки. Эффект является обратимым, но имеется гистерезис, равный 6-16 °С.
Дальнейшее развитие проекта
В ближайшее время будет произведена попытка создания прибора СВЧ техники (фазовращатель) на базе оксида ванадия. Также планируется создание образцов высокочувствительных температурных датчиков на основе плёнок оксида ванадия. Интересно исследовать газосорбционные свойства полученного материала. Для создания вышеперечисленных приборов и устройств необходимо иметь доступные технологии микроэлектоники: фотолитография, магнетронное распыление, а также средства диагностики твердых тел. Коммерческий интерес представляет создание нового класса электронных приборов – тонкоплёночные термокоммутаторы, которые возможно реализовать при совмещении полупроводникового лазера и пленочных структур VO. Также планируется подготовка публикаций по свойствам и технологии получения пленок оксида ванадия.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ

E-mail: info@konkurs-nttm.ru