ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. Литературный обзор 7

1.1 Структура материала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1.1 Доменная структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1.2 Структура кристаллической ячейки . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1.3 Фазовые переходы I и II рода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2 Подложки для BSTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.1 Подложка 𝑆𝑟𝑇 𝑖𝑂3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.2 Подложка 𝐿𝑎𝐴𝑙𝑂3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2.3 Подложка MgO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2.4 Подложка 𝐴𝑙2𝑂3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3 Методы получения сегнетоэлектрических пленок . . . . . . . . . . . 21

1.3.1 Метод химического осаждения из раствора . . . . . . . . . . . . . . 24

1.3.2 Метод sol-gel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.3.3 Испарение в вакууме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.3.4 ВЧ-магнетронное распыление в газовом разряде . . . . . . . . . . . 28

1.4 Начальные стадии роста пленки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.4.1 Адсорбционные процессы на поверхности твердых тел . . . . . . . 33

1.4.2 Факторы, влияющие на адгезию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

ГЛАВА 2. Эксперементальная часть 36

2.1 Описание установки для нанесения пленок . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2 Описание методики измерения параметров . . . . . . . . . . . . . . . 38

ГЛАВА 3. Основная часть 40

3.1 Теоретические исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2 Описание эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3

3.3 Результаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

ГЛАВА 4. Безопасность жизнедеятельности 47

4.1 Анализ опасных и вредных факторов в процессе работы . . . . . . . 47

4.2 Защита от О и ВПФ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3 Электробезопасность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.4 Пожаробезопасность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.5 Защита от вредных факторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.5.1 Параметры микроклимата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.5.2 Освещение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.5.3 Шум и вибрации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.5.4 Электромагнитное и ионизирующее излучения . . . . . . . . . . . . 58

4.6 Эргономические требования к рабочему месту . . . . . . . . . . . . . 60

4.7 Заключение по главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

ГЛАВА 5. Охрана окружающей среды 63

5.1 Экологические аспекты актуальности работы . . . . . . . . . . . . . . 63

5.2 Влияние на окружающую среду отдельных элементов, входящих в

состав мишени и синтезированной из нее пленки . . . . . . . . . . . . 64

5.2.1 Стронций и его соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.3 Вывод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4

Введение

Сегнетоэлектрические тонкие пленки широко применяются в настоящее

время для разработок целого ряда новых приборов микроэлектроники. Приме-

рами служат устройства энергонезависимой памяти, матрицы инфракрасных

приемников излучения, микроэлектромеханические датчики положений, аку-

стические датчики и анализаторы спектра. Использование сегнетоэлектриче-

ских пленок позволяет улучшить такие характеристики приборов, как быстро-

действие, рабочая мощность, снизить СВЧ-потери и мощность управления. По

ряду параметров такие устройства являются конкурентоспособными по срав-

нению с традиционными устройствами на основе полупроводниковых и ферри-

товых материалов. Немаловажным фактором является простота конструкции

и возможность использования интегральной технологии сегнетоэлектрических

устройств, что определяет их низкую стоимость.

Главным фактором, стимулирующим получение структур с тонкими се-

гнетоэлектрическими пленками, является общая тенденция к миниатюризации

микроэлектронных приборов. Однако, элементы и устройства электронной тех-

ники на объемных монокристаллических сегнетоэлектриках не могут удовле-

творить требованиям к микроминиатюризации, снижению энергоемкости, по-

вышению чувствительности и быстродействия, при одновременном уменьшении

управляющих напряжений. Поэтому естественным направлением дальнейшего

развития явилось использование тонких сегнетоэлектрических пленок в составе

многослойных композиций.

Сразу после открытия инженеры проявили интерес к этому классу ве-

ществ, но практическое использование в микроэлектронике оказалось невозмож-

ным из за отсутствия технологии получения тонкопленочных сегнетоэлектриче-

ских материалов высокого качества с воспроизводимыми свойствами. И лишь в

последнее время удалось добиться контролируемой совместимости тонких слоев

5

сегнетоэлектриков с полупроводниковыми коммутационными матрицами в рам-

ках планарной технологии полупроводниковых приборов. Такая интеграция, с

одной стороны, открывает возможность создания целого ряда новых устройств,

а с другой - позволяет избежать дорогих и ненадежных гибридных конструкций.

Сейчас основной проблемой, мешающей интеграции сегнетоэлектрических пле-

нок в современные микротехнологии, является необходимость высокотемпера-

турной обработки для формирования кристаллической структуры, обладающей

сегнетоэлектрическими свойствами. Из за этого приходится использовать пла-

тиновые электроды, которые дороги и сложны в обработке. Так же представляет

трудность наличие в их составе химически активных и летучих компонентов.

Для того, чтобы успешно использовать тонкие пленки BSTО для пере-

страиваемых устройств, их свойства должны удовлетворять нескольким важ-

нейшим требованиям:

- Низкий уровень потерь, а именно tan 𝛿 ≤ 0.02 на частоте 1 ГГц

- Стабильность диэлектрических и изоляционных свойств в широком

диапазоне температур

- Большие изменения диэлектрической постоянной с приложением по-

стоянного напряжения

- Пленка должна иметь низкий ток утечки

- Пленка должна иметь долговременную стабильность свойств и повто-

ряемость, относительно приложенного напряжения.

Задача данной дипломной работы - определить как технологические па-

раметры влияют на структуру пленки. А получение пленки определенной струк-

туры необходимо, что бы получить прибор с заданными электрофизическими

характеристиками. А структура пленки в свою очередь определяется началь-

ными стадиями роста, зародышеобразования.

6

ГЛАВА 1

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Интерес к сегнетоэлектрическим материалам не случаен. Во многом он

определяется тем особым положением, которое занимают сегнетоэлектрики сре-

ди других диэлектрических кристаллов. Среди 32 кристаллических классов есть

20 классов (полярные и полярно-нейтральные кристаллы), которые поляризу-

ются под действием механических напряжений, то есть являются пьезоэлек-

триками. Из этих 20 классов кристаллов, без центра симметрии и имеющих

полярные оси, можно выделить 10 классов, обладающих особенными поляр-

ными направлениями – пироэлектрические кристаллы. Сегнетоэлектрики – это

подгруппа пироэлектриков с переключаемой внешним электрическим полем по-

ляризацией. Таким образом, сегнетоэлектрики обязательно обладают пироэлек-

трическими и пьезоэлектрическими свойствами.

Сегнетоэлектрики имеют преимущества по сравнению с приборами на

основе полупроводниковых материалов и ферритов. Сегнетоэлектрики техноло-

гически более просты, обладают большей электрической и радиационной стой-

костью, значительно более экономичны по энергопотреблению чем ферриты.

Сегнетоэлектрики позволяют создавать приборы для систем мобильной и ста-

ционарной телекоммуникаций, радарных системах.

Самое интересное свойство сегнетоэлектриков - зависимость величины

диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, ди-

электрическая нелинейность. Так же сегнетоэлектрические элементы имеют

преимущества по сравнению с существующими по параметрам: низкий тангенс

угла диэлектрических потерь, высокое быстродействие, низкая стоимость и вы-

сокие рабочие мощности.

Сегнетоэлектрические пленки 𝐵𝑎𝑆𝑟𝑇 𝑖𝑂3 (BSTO)являются многообеща-

ющим материалом для использования в различных микроволновых устройствах

7

при комнатных температурах благодаря сильной диэлектрической нелинейно-

сти, чрезвычайно малому времени релаксации и сравнительно низким поте-

рям. На таких тонких сегнетоэлектрических пленках как 𝐵𝑎𝑆𝑟𝑇 𝑖𝑂3 могут быть

структурно реализованы частотные фильтры, потенциально управляемые гене-

раторы, вариконды, фазовращатели и регулируемые линии задержки.

Высокий уровень управляющих напряжений сегнетоэлектрических эле-

ментов (сегодня это сотни вольт для сегнетоэлектрических СВЧ приборов и

единицы – десятки вольт для полупроводниковых) является основным препят-

ствием на пути широкого промышленного использования сегнетоэлектриков на

СВЧ.

При повышении температуры сегнетоэлектрики испытывают фазовый

переход, сопровождающийся исчезновением спонтанной поляризации и измене-

нием симметрии кристаллической решетки. Температуру 𝑇𝑐, при которой про-

исходит фазовый переход, называют температурой Кюри, независимо от того,

I или II рода этот переход. Вблизи фазового перехода II рода или близкого к

нему перехода I рода обычно наблюдается большая чувствительность свойств

сегнетоэлектриков к различным воздействиям (температуре, механическим на-

пряжениям, электрическому полю).

1.1 Структура материала

1.1.1 Доменная структура

Спонтанно поляризованное состояние реализуется в сегнетоэлектриках

в виде доменной структуры. Доменом называется макроскопическая область

в кристалле, в пределах которой все элементарные ячейки в сегнетоэлектри-

ке поляризованы одинаково. Направление спонтанной поляризации в соседних

доменах составляет определенные углы друг с другом. Отдельные домены отде-

8

лены друг от друга доменными границами или доменными стенками. Совокуп-

ность доменов различной ориентации и называют доменной структурой. Боль-

шинство отличительных признаков сегнетоэлектриков взаимосвязаны, и ока-

зывается, что в большой степени и нелинейные свойства, и целиком процессы

переключении этих материалов, и другие их свойства определяются доменной

структурой. И значит, если мы хотим понять природу этих явлений и применить

свойства данных материалов на практике, мы должны выяснить закономерно-

сти, которые управляют процессами возникновения и изменением во времени

доменной структуры.

В кристаллофизике известен так называемый принцип Кюри, устанавли-

вающий связь между начальной симметрией объекта, симметрией воздействия

и результирующей симметрией объекта. Согласно этому принципу симметрия

конечного состояния равна произведению симметрии исходного состояния на

симметрию воздействия. Термин "произведение"понимается здесь в обобщен-

ном смысле, в данном случае под указанным произведением понимается сово-

купность тех элементов симметрии исходной фазы, которые сохраняются под

влиянием внешнего воздействия. С помощью этого принципа можно найти сим-

метрию полярной фазы на основе знания симметрии исходной фазы и симмет-

рии параметра порядка. Но это еще не все. Оказывается, что указанный принцип

позволяет найти и геометрию доменной структуры, возникающей при соответ-

ствующем фазовом переходе. Это делается на основе следующих рассуждений.

Обычно фазовый переход в кристалле вызван изменением температуры образца.

Но ведь температура — это скалярное воздействие и, значит, согласно принци-

пу Кюри, ее изменение не должно (по крайней мере макроскопически) изменить

симметрию образца. А если в какой-либо его части (домене) она все-таки изме-

нилась, это означает, что указанные домены должны сдвойниковаться (сгруп-

пироваться) таким образом, чтобы в среднем для этой группы (пары) доменов

симметрия осталась такой же, как и в исходной фазе. При этом ориентация гра-

9

ниц между доменами, реализуемая в кристалле данной симметрии, не может

быть произвольной. Она определяется теми элементами симметрии, которые ис-

чезают при фазовом переходе, а именно домены группируются таким образом,

чтобы макроскопически (то есть для группы доменов) восстановить те элемен-

ты симметрии, которые исчезли при фазовом переходе в однородную полярную

фазу.

1.1.2 Структура кристаллической ячейки

Титанат бария-стронция (𝐵𝑎𝑥𝑆𝑟1−𝑥𝑇𝑖𝑂3) - типичный сегнетоэлектриче-

ский материал с высокой диэлектрической постоянной и простой кристалличе-

ской структурой типа перовскита.

Тонкие сегнетоэлектрические пленки используются для разработки сле-

дующего поколения быстродействующих микроволновых, управляемых компо-

нентов. Частотные фильтры, потенциально управляемые генераторы, варикон-

ды, фазовращатели и регулируемые линии задержки могут быть структур-

но реализованы на таких тонких сегнетоэлектрических пленках как титанат

стронция-бария 𝐵𝑎𝑆𝑟𝑇 𝑖𝑂3 (BST).

Важной особенностью сегнетоэлектриков типа BST является то, что ди-

электрическая константа может меняться почти в два раза более при прило-

жении сравнительно небольшого электрического поля (0 ÷ 200 кВ/см2). Такие

поля легко достигаются в тонкопленочных структурах с низкими управляющи-

ми напряжениями в области от 0 до 50 В, что делает сегнетоэлектрики более

гибкими в использовании.

Основными требованиями к свойствам сегнетоэлектрических пленок, для

возможности их использования на сверхвысоких частотах, являются: высокая

диэлектрическая нелинейность, низкий тангенс угла диэлектрических потерь,

высокая стабильность свойств в рабочем диапазоне температур.

10

Задача создания сегнетоэлектрических материалов для техники СВЧ ре-

шается в двух направлениях:

1. Поиск материалов с заданными свойствами, сочетающими в себе до-

статочно резкую зависимость диэлектрической проницаемости от сме-

щающего электрического поля и сравнительно малые диэлектрические

потери.

2. Создание конструкции СВЧ вариконда, которая должна обеспечить до-

статочно малые величины емкости, равные нескольким единицам пи-

кофарад, и изменение начальной емкости в 1.5 - 2 раза при изменении

напряжения смещения от нуля до нескольких сотен вольт.

Свойства сегнетоэлектрической керамики в сильной степени могут зави-

сеть от величины кристаллического зерна, наличия механических напряжений,

расположения и соотношения слагающих фаз, от состава и сохранения или нару-

шения стехиометрии исходных компонентов. Все эти условия могут быть легко

изменены в процессе производства и могут вызывать определенные изменения

параметров вещества.

Рассмотрим кристаллическую структуру титаната бария рис. 1.1. Его

структура характерна для многих соединений с химической формулой ABX3,

где A и B - катионы, X - анионы. Структура построена из кислородных октаэд-

ров BX6, соединенных между собой вершинами. Соединение октаэдров происхо-

дит таким образом, что по всем трем взаимно перпендикулярным осям можно

выделить прямолинейные, параллельные друг другу цепочки из октаэдров. В

пространствах между октаэдрами располагаются катионы A. Таким образом,

если катионы B окружены шестью анионами X, то катионы A, занимая центр

кубооктаэдра, окружены 12 анионами. Анионы X окружены шестью катионами:

четырьмя катионами A, лежащими на расстоянии (где a - параметр кубической

решетки) в вершинах квадрата, центром которого является анион, и двумя ка-

тионами B, лежащими на расстоянии a / 2 в направлении, перпендикулярном

11

квадрату из ионов A.

Рис. 1.1. Структура титаната бария

Титанат бария при температуре выше температуры Кюри (1200С) имеет

кубическую структуру с параметром решетки примерно 4A. Ниже 1200С со-

единение становиться сегнетоэлектрическим и тетрагональным. При 200С а =

3,992A, с = 4,036 A. Спонтанная поляризация направлена вдоль оси с (или z).

Вдоль этого же направления смещаются ионы. Вблизи 00С происходит фазовый

переход из тетрагональной в сегнетоэлектрическую ромбоэдрическую фазу с на-

правлением спонтанной поляризации вдоль диагонали грани кубической ячейки

(рис. 1.2, в) и в этом же направлении происходит удлинение решетки. Ячейка

приобретает моноклинное искажение. Ромбическая ячейка к которой можно пе-

рейти от моноклинной ячейки, имеет параметры - и содержит уже не одну, а две

формульные единицы. При −100С а = 5,682A, b = 5,669A, с = 3,990 A. Вблизи

−90 . . . − 700С происходит переход в сегнетоэлектрическую ромбоэдрическую

фазу. В ней спонтанная поляризация и удлинение направлены вдоль объемной

диагонали кубической ячейки.

При приложении к титанату бария электрического поля происходит силь-

ное взаимное смещение ионов титана и кислорода: иона титана - в сторону отри-

цательного электрода, иона кислорода - в сторону положительного. Точно такая

же деформация ячейки происходит и при возникновении спонтанной поляриза-

12

Рис. 1.2. Грани кубической решетки

ции. Взаимное смещение иона титана по отношению к кислородному октаэдру

создает дипольный момент, который макроскопически проявляется в виде элек-

трической поляризации материала.

1.1.3 Фазовые переходы I и II рода

Для сегнетоэлектриков характерным является наличие фазовых перехо-

дов I и II рода. При переходе II рода меняются вторые производные термоди-

намического потенциала: диэлектрическая восприимчивость и проницаемость,

теплоемкость, коэффициент теплового расширения, модуль упругости, пьезомо-

дуль и т. д. При фазовом переходе I рода, помимо резкого изменения этих вели-

чин, испытывают скачек первые производные термодинамического потенциала,

такие как спонтанная поляризация, объем и энтропия, и выделяется скрытая

теплота перехода. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости,

13

точнее восприимчивости, выше точки сегнетоэлектрического перехода описыва-

ется законом Кюри – Вейсса:

𝜀 =𝐶

𝑇 − 𝜃(1.1)

Здесь C - постоянная Кюри; T - температура Кюри - Вейсса. В сегнетоэлектрике

неполярную фазу выше точки Кюри по аналогии с ферромагнетиками называют

параэлектрической. Наиболее симметричная и, как правило, самая высокотем-

пературная фаза называется фазой прототипа (прафаза). В некоторых случа-

ях в параэлектрической области необходимо учитывать дополнительный член,

практически не зависящий от температуры, тогда:

𝜀 = 𝜀0 +𝐶

𝑇 − 𝜃(1.2)

Поведение сегнетоэлектриков ниже точки Кюри в значительной мере

определяется их доменной структурой. Причины образования доменов можно

качественно объяснить следующим образом. Если спонтанно поляризован одно-

родный кристалл, то заряды возникающие на его поверхности, создают элек-

трическое поле (это поле называют деполяризующим). Разбиение кристалла

на домены, т. е. области с различным направлением спонтанной поляризации,

уменьшает деполяризующее поле, а следовательно, связанную с ним энергию,

и поэтому энергетически выгодно. Однако по мере разбиения кристалла на до-

мены увеличивается энергия, необходимая для образования доменных стенок,

и, таким образом, доменная структура определяется энергетическим компро-

миссом между этими факторами. При более строгом рассмотрении необходимо

учитывать также влияние механических напряжений.

1.2 Подложки для BSTO

Существенное влияние на свойства структур с сегнетоэлектрическими

слоями оказывают материалы, используемые в качестве подложки. Основные

14

ограничения при выборе подложек в основном касаются максимально допусти-

мой рабочей температуры, температурного коэффициента линейного расшире-

ния, возможности обработки поверхности по высокому классу чистоты, а также

адгезионных свойств подложки по отношению к сегнетоэлектрической пленке

или материалам нижнего электрода. Наличие сегнетоэлектрических пленок в

тонкопленочных структурах существенно ограничивает число материалов, обес-

печивающих технологическую и физико-химическую совместимость с сегнето-

электриком. Главным образом это связано с тем, что формирование перовскито-

вой фазы сегнетоэлектрических пленок происходит при высоких температурах

в кислородосодержащей среде. Диэлектрические характеристики подложек, -

тангенс угла диэлектрических потерь, 𝑡𝑔𝛿, и 𝜀 - относительная диэлектрическая

проницаемость определяют возможность практической реализации устройств.

Основные параметры некоторых материалов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Технические характеристики материалов подложек

Материал 𝛼 · 10−6𝐾−1 Температура

размягчения,0С

𝜀, (20С)

Кремний 4.2 1414 12.5

Поликор(99,7% 𝐴𝑙2𝑂3) 7.0 1800 10.5

Сапфир 8.0 2000 8.5-11

𝑆𝑟𝑇 𝑖𝑂3 9.4 2060 30

𝐿𝑎𝐴𝑙𝑂3 10 2080 25

𝑀𝑔𝑂 8 2780± 20 ≤ 9.5

Анализ литературных данных о структурах с сегнетоэлектрическими

пленками позволяет сформулировать ряд основных требований к материалам,

используемых в качестве подложек:

15

- подложка должна иметь высокий класс обработки поверхности;

- температурный коэффициент линейного расширения материала под-

ложки должен по возможности согласовываться с коэффициентами ли-

нейного расширения материалов слоев, формируемых на подложке;

- материал подложки должен обладать высокой химической стойкостью;

- материал подложки должен обеспечивать приемлемую адгезию нижне-

го электрода (в том числе при использовании адгезионного подслоя).

Для использования в СВЧ диапазоне требуются подложки с небольшим

значением диэлектрической проницаемости. Для этого подходят сапфир, по-

ликор, MgO. При этом наиболее высокий класс обработки поверхности имеет

сапфир. Сапфир является температурно-устойчивым (20000𝐶), что необходимо

для получения сегнетоэлектрической пленки. Т.к. на подложку будет наносить-

ся платина (Pt) с коэффициентом линейного расширения 9÷ 10−6К−1, а затем

слой BSTO с коэффициентом линейного расширения 9.4÷10−6К−1, то наиболее

подходящим материалом для подложки является сапфир, который имеет коэф-

фициент линейного расширения наиболее близкий им по значению - 8÷10−6К−1.

При выборе материала подложки необходимо учитывать не только его

электрофизические характеристики, но технико-экономические факторы такие,

как стоимость, технологичность, область применения. Один из самых дешевых

вариантов - подложка из кремния. Слой SiO2 на поверхности кремниевой под-

ложки играет роль изолятора и частично буфера, препятствующего диффузии

кремния в электрод и образованию силицидов. Кроме кремня используется бо-

лее дешевый и достаточно распространенный в микроэлектронике подложеч-

ный материал - ситалл марки СТ50-1, основные свойства которого близки к

свойствам оксидированного кремния.

Поликристаллический 𝐴𝑙2𝑂3 имеет хорошие свойства для СВЧ примене-

ний, когда выращен достаточно чистый образец, поликор показывает tan 𝛿 ≈

10−4. Другие подложки (MgO, 𝐿𝑎𝐴𝑙𝑂3, сапфир 𝐴𝑙2𝑂3) имеют очень маленькие

16

потери, современная обработка позволяет получить на них пленки с оптималь-

ными сегнетоэлектрическими свойствами. Однако эти подложки обычно доступ-

ны только небольших размеров. В то же время поликристаллический 𝐴𝑙2𝑂3 де-

шев, и доступен в виде больших пластин, что позволяет увеличить площадь

напыления. Для примера 152.4 мм пластины поликора совместимы с существу-

ющим оборудованием по обработке 150 мм кремниевых пластин, что позволит

снизить стоимость готовых приборов. Температурный коэффициент расшире-

ния 𝛼 ≈ 9 · 10−6 достаточно близок к коэффициенту BSTO. Это позволяет

производить нагрев выше 7000𝐶 без образования трещин в пленке.

Устройства основанные на перовскитном BSTO обычно используют элек-

троды из благородных металлов типа Pt, Au, потому что они наиболее стойки в

контакте с оксидами, что предотвращает повреждение контакта. Но есть и нега-

тивные свойства, связанные с объемом необходимого металла. Из за высокого

сопротивления Pt и Au необходимы слои в несколько микрон, что бы получить

изкое сопротивление.

Рассмотрим некоторые подложки для BSTO. Авторы работы [5] прове-

ли исследование роста 𝐵𝑎𝑥𝑆𝑟1−𝑥𝑇𝑖𝑂3 пленок на подложках 𝑆𝑟𝑇 𝑖𝑂3, 𝐿𝑎𝐴𝑙𝑂3,

MgO, 𝐴𝑙2𝑂3. Пленки осаждались высокочастотным распылением при темпера-

туре подложки 700−8000𝐶, при давлении 20Pa и затем медленно охлаждались в

𝑂2 в течении 2ч. Пленки исследовались методом рассеяния ионов средних энер-

гий (РИЭС), являющийся разновидностью резерфордовского обратного рассея-

ния, в котором энергия зондирующих ионов понижена на порядок до 105 эВ.

1.2.1 Подложка 𝑆𝑟𝑇 𝑖𝑂3

Эта подложка имеет наиболее близкие к пленке BSTO постоянную ре-

шетки и структуру. Подложка и пленка обладают перовскитной кубической ре-

шеткой, в которой слои 𝑇𝑖𝑂2 и SrO не имеют заряда. Начиная с толщины 5

17

nm образуется полное покрытие подложки пленкой и неоднородность толщины

пленки 𝜎 не превышает постоянной решетки (0.4 нм), т. е. имеет место послой-

ный рост. С увеличением толщины пленки до 40 нм средняя неоднродность

возрастает, но слоевой рост сохраняется. Минимальный выход зависит слабо

от вида зондирующего иона, т. е. разориентация кристаллитов отсутствует. В

пленке отсутствует заметная разориентация, эпитаксиальный рост начинается

от интерфейса.

1.2.2 Подложка 𝐿𝑎𝐴𝑙𝑂3

Кристаллы алюмината лантана имеют перовскитную структуру с неболь-

шим ромбоэдрическим искажением при комнатной температуре (𝛼 = 90.4). При

5440𝐶 происходит переход в кубическую фазу. Рассогласование постоянных ре-

шеток пленки и подложки невелико. Основным дефектом пленки является ра-

зориентация кристаллитов, такой вывод был сделан на основе того факта, что

значения выхода 𝜒𝑚𝑖𝑛 сильно зависят от зондирующего иона, но не зависят от

толщины пленки. Оценки показывают что разориентация составляет около 20.

Столбчатая структура с многочисленными малоугловыми наклонными грани-

цами зерен была также обнаружена с помощью электронной микроскопии высо-

кого разрешения. Разориентация кристаллитов пленки может быть обусловлена

двойникованием, происходящим в момент фазового перехода в LAO-подложке

при остывании образца. Другой причиной могут быть особенности электроста-

тического взаимодействия на интерфейса. Кристаллическая решетка подложки

LAO может заканчиваться или 𝐿𝑎𝑂+, или (𝐴𝑙𝑂2)− поверхностями, в то вре-

мя как граничные слои пленки 𝑇𝑖𝑂2 и 𝐵𝑎𝑂(𝑆𝑟𝑂) нейтральны. В результате

электростатического рассогласования пленки и подложки возможно образова-

ние шероховатой напряженной пленки или переходного дефектного слоя. Для

пленки BSTO на подложке LAO характерен эпитаксиальный рост в виде кри-

18

сталлитов, для которых среднеквадратичное отклонение осей [100] от нормали

к поверхности подложки составляет около 20.

1.2.3 Подложка MgO

Кристалл MgO имеет кубическую решетку с постоянной a = 0.4213 нм,

что значительно больше, чем у BSTO. Напряжения, вызванные этим рассо-

гласованием, снимаются дислокациями несоответствия. На дислокациях проис-

ходит деканалирование ионов, что позволяет оценить плотность дислокаций в

1.5 · 106см−1 Важным отличием осаждения пленки BSTO на MgO от осаждения

на другие подложки является характерный для слабой межфазной связи ост-

ровковый тип роста, который приводит к неполному покрытию подложки. Этот

тип роста сохраняется вплоть до толщины пленки 20 нм, в то время как для

пленок на других подложках полное покрытие наступает при толщине не более

10 нм. Электростатическое взаимодействие на интерфейсе затрудняет осажде-

ние слоя BaO (SrO) на MgO-подложку и приводит к образованию трехмерных

неориентированных зародышей.

Особенности взаимодействия подложки 𝑀𝑔𝑂 и пленки 𝐵𝑎𝑇𝑖𝑂3 обсуж-

даются в [7].

Самый начальный этап роста пленки BSTO на MgO-подложке существен-

но отличается от роста на остальных исследованных нами подложках. На на-

чальных этапах образуется фаза TiO, образующая самостоятельные островки с

открытой поверхностью. Рост высоты островков BSTO происходит медленнее,

чем увеличение продольного размера, пропорционального квадратному корню

из площади, покрытой пленкой. Разброс высот островков TiO, наоборот, возрас-

тает, что можно объяснить частичным перекрытием этих островков растущей

основной пленкой. Вначале он имеет островковый характер и сопровождается

образованием посторонних фаз. При увеличении осажденного слоя происходит

19

переход к послойному росту.

1.2.4 Подложка 𝐴𝑙2𝑂3

Поверхность сапфира с r-срезом (1102) характеризуется ромбоэдрической

решеткой, не согласующейся с решеткой BSTO ни по форме, ни по размерам.

Однако эти подложки используются для получения пленок BSTO благодаря

своим высоким диэлектрическим и механическим характеристикам и широкому

применению в микроэлектронике. Полное покрытие AlO-подложки достигается

при толщине пленок, большей, чем для поверхностей подложек STO и LAO, но

все же меньшей, чем для MgO. Исследование позволяет считать, что в пленке

присутствует текстурированная фракция, доля которой возрастает с толщиной

пленки. На 𝐴𝑙2𝑂3 невозможно получить эпитаксиальные пленки 𝐵𝑎𝑇𝑖𝑂3 без

буферного слоя.

Подложка 𝐴𝑙2𝑂3 обладает гексагональной кристаллической структурой,

но срез [1102] выводит на поверхность пластины ромб со стороной ≈ 0.5140нм,

которую можно сопоставить с постоянной решетки ≈ 0.3670нм, при повороте

базовой плоскости на 450. Таким образом, для выращиваемые пленки BSTO

обладают напряжениями сжатия.

Заключение

Структура BSTO/LAO характеризуется сильным различием коэффици-

ентов расширения - более чем в 7 раз по сравнению со структурой 𝐵𝑆𝑇𝑂/𝐴𝑙2𝑂3

- 1.5 раза. Таким образом, способность сохранять напряжения в структуре

𝐵𝑆𝑇𝑂/𝐴𝑙2𝑂3 значительно выше, тогда как в структуре BSTO/LAO проявляет-

ся тенденция к образованию размерных дефектов в пленке. Высокая плотность

двойниковых границ на подложке LAO и существенное различие термических

коэффициентов приводят к тому, что напряжения несоответствия в пленке на-

20

ходят стоки в планарные границы, трехмерные дислокация и границы блоков. В

пленках BSTO, выращенных на подложках 𝛼, благодаря согласованию темпера-

турных коэффициентов, лучше обеспечиваются условия для сохранения струк-

турных напряжений внутри кристаллитов.

Таким образом, выполненные методом РИСЭ исследования начальных

стадий роста пленок 𝐵𝑎𝑥𝑆𝑟1−𝑥𝑇𝑖𝑂3 на различных подложках позволили вы-

явить ряд особенностей этого процесса, определяемых как согласованием между

пленкой и подложкой по размерам и форме кристаллических решеток, так и спе-

цификой электростатического взаимодействия слоев на интерфейсе. Для под-

ложки 𝑆𝑟𝑇 𝑖𝑂3 характерен послойный эпитаксиальный рост. Пленки на 𝐿𝑎𝐴𝑙𝑂3

растут эпитаксиально, причем такой их рост начинается непосредственно от

подложки. Они состоят из слегка разориентированных кристаллитов, растущих

в направлении, близком к нормали к поверхности подложки. На MgO рост на-

чинается с образования островков 𝐵𝑎𝑥𝑆𝑟1−𝑥𝑇𝑖𝑂3, имеющих малую долю кри-

сталлической фракции, а также островков посторонней фазы, но с увеличением

толщины пленки качество ее структуры улучшается и далее происходит эпи-

таксиальный рост, хотя дефектный слой толщиной до 20 нм сохраняется. На

𝛼−𝐴𝑙2𝑂3 растет поликристаллическая пленка, в которой могут присутствовать

текстурированные блоки.

1.3 Методы получения сегнетоэлектрических

пленок

Можно выделить четыре наиболее перспективных направления: магне-

тронное напыление, лазерную абляцию, химическое осаждение из газовой фазы

металлоорганических соединений и золь-гель процесс.

При магнетронном напылении атомы мишени выбиваются высокоэнерге-

тичными ионами и осаждаются на поверхности подложки. Пленка растет до-

21

вольно медленно и для больших площадей подложки может иметь значитель-

ные вариации микроструктуры и состава. К настоящему времени разработаны

многочисленные способы частичного преодоления этих трудностей, в результате

чего качество пленок постоянно улучшается.

Группа методов, объединенных названием “лазерная абляция”, то есть

инициированный лазером массоперенос вещества мишени на подложку, получи-

ла развитие около десяти лет назад, при поиске путей нанесения пленок мно-

гокомпонентных металлооксидных соединений - высокотемпературных сверх-

проводников. Лазерный луч (обычно используют мощные лазеры с частотой

следования импульсов от 10 до 100 Гц, работающие на переходах между элек-

тронными уровнями эксимерных молекул, существующих только в электронно-

возбужденных состояниях) фокусируется на мишени, испаряющиеся атомы ко-

торой переносятся на подложку, где растет пленка. В сравнении с методами маг-

нетронного распыления эти методы открывают возможность понизить темпера-

туру подложки (что бывает критичным при интегрировании сегнетоэлектри-

ческих пленок с полупроводниками) и обеспечить удовлетворительное выполне-

ние условий стехиометрии на всей поверхности осаждения. Основные трудности

связаны с напылением однородных пленок на подложки большой площади и с

защитой поверхности растущей пленки от повреждений осколками распадаю-

щейся мишени.

При химическом осаждении из газовой фазы металлоорганическях соеди-

нений потоки газов, содержащих все необходимые компоненты сегнетоэлектри-

ческого соединения, фокусируются на поверхности нагретой подложки и всту-

пают в химическую реакцию, в результате которой образуется твердая пленка

сегнетоэлектрика.

Несмотря на трудности подбора необходимых исходных металлооргани-

ческих соединений (алкилов, алкоксидов и арилов) и сложность протекающих

химических реакций, это направление обладает многими преимуществами, поз-

22

воляя, в частности, снизить температуру подложки (≤ 6000С), обеспечить вы-

сокое качество покрытия на значительной площади, большие скорости роста и

т.д.

В последние поды активно развивается золь-гель метод получения пле-

нок сегнетоэлектриков, который дает наибольшие преимущества. В основе ме-

тода лежат реакции гидролиза и поликонденсации металлоорганических соеди-

нений, главным образом алкоголятов металлов, ведущие к образованию металл-

кислородного каркаса, постепенное разветвление которого вызывает последова-

тельные структурные изменения по схеме раствор-золь-гель-оксид. Такой метод

обеспечивает возможность очень точного управления структурой получаемо-

го вещества на молекулярном уровне, получение многокомпонентных оксидных

соединений с точным соблюдением стехиометрического соотношения элементов,

высокой гомогенностью и низкой температурой образования оксидов. Конечным

продуктом данной технологии могут быть материалы различного вида и внут-

ренней структуры: гели, стекла, порошки, керамика, волокна, пленки. Оптими-

зация условий приготовления исходных коллоидных растворов и формирования

пленок обеспечивается путем статистического контроля свойств исходных рас-

творов и образующихся при их испарении порошков, а также свойств пленок,

формируемых из данных растворов. Контроль растворов и порошков осуществ-

ляется методами аналитического и физико-химического тестирования, а свой-

ства пленок исследуются методами рентгеноструктурного анализа, электронной

микроскопии, микроскопии атомных сил, эллипсометрии, широким спектром

электрофизических методов.

Исключительно важным является этап кристаллизации пленок. Для это-

го используют изотермический или быстрый термический отжиг. Большое вли-

яние на свойства формируемых интегрированных структур оказывают электро-

ды, в качестве которых, как правило, применяются химически инертная платина

или близкий по свойствам иридий, а также оксиды иридия, рутения. Механи-

23

ческие напряжения, кристаллическая структура электродов, особенно нижнего

электрода, могут существенно изменять свойства пленок. Одна из трудностей,

например, связана с рекристаллизацией платинового электрода, что часто при-

водит к резким локальным ухудшениям электрофизических свойств пленок.

1.3.1 Метод химического осаждения из раствора

Рассмотрим метод разложения металлоорганических соединений (MOD

– metal-organic decomposition). Для получения пленок металлоорганические со-

единения растворяются в органическом растворителе (например, в ксилене). По-

сле этого небольшое количество раствора наносится центробежным литьем на

подготовленную подложку. Окончательная толщина будущей пленки определя-

ется на этой стадии процесса. Она зависит от скорости вращения и времени.

Полученная таким образом жидкая пленка помещается в печь, чтобы в процес-

се термообработки произошло удаление органического растворителя и пиролиз

(разложение органических веществ под действием высокой температуры) ме-

таллорганических соединений. Продукты пиролиза – оксиды металлов. Этот

процесс обычно выполняется в атмосфере проточного кислорода, чтобы окис-

лить углерод и полностью удалить органику. Окончательный отжиг, в процессе

которого формируется сегнетоэлектрическая фаза, проводят при более высоких

температурах.

Метод химического осаждения из паров металлоорганических соедине-

ний (MOCVD) используется для получения поликристаллических и гетероэпи-

таксиальных пленок. Суть метода MOCVD состоит в том, что металлические

компоненты пленки транспортируют в виде паров металлорганических летучих

соединений в реактор, смешивают с газообразным окислителем, после чего про-

исходит разложение паров в реакторе с горячими стенками или на нагретой

подложке и образование в дальнейшем пленки BSTO. Метод MOCVD позволя-

24

Рис. 1.3. MOCVD

ет получать тонкие пленки BSTO. К несомненным преимуществам этого метода

следует отнести:

- универсальность в отношении состава получаемых материалов,

- возможность достижения более высоких скоростей осаждения (до

нескольких миллиметров в час) при сохранении высокого качества

пленки

- гибкость процесса на этапе отладки технологического режима, в первую

очередь – за счет плавного изменения состава паровой фазы

Главным недостатком метода MOCVD является очень большие скорости нанесе-

ния пленок, что не позволяет создавать тонкие пленки необходимой толщины.

Вторая, химическая, проблема – управление стехиометрией пленки. Процесс

осаждения из газовой фазы зависит от целого ряда факторов, включая тем-

пературу, общее давление, парциальные давления кислорода, углекислого газа

и воды (продуктов окисления органической части соединений), скорость пото-

ков и гидродинамическое их распределение в реакторе и над подложкой, общий

состав и однородность смешения летучих компонентов в газовой фазе и т.д. Наи-

более перспективный путь задания состава пара – мгновенное испарение смеси

летучих веществ из одного источника. Этого достигают, используя аэрозоль,

полученный из раствора металлорганических соединений в органическом рас-

25

творителе или при автоматизированном импульсном испарении микропорций

смеси металлорганических соединений с ленточного питателя.

1.3.2 Метод sol-gel

В этом методе на первом этапе подготавливается жидкий «предшествен-

ник». Исходными материалами могут быть металлоорганические соединения та-

кие, как ацетаты, или неорганические соединения такие, как гидроксиды метал-

лов и нитраты. Золь подготавливается дисперсией исходных материалов в орга-

ническом растворителе (обычно в спирте). Вода и катализаторы добавляются в

золь для того, чтобы инициировать серию гидролизных реакций и реакций по-

ликонденсации, в результате которых формируется упругоэластичная сеть геля

оксидов в золе. После этого гель наносится на подложку центробежным ли-

тьем, как и в методе химического осаждения из жидкой фазы. После сушки

осуществляется отжиг.

Золь-гельный метод пригоден для получения пленок практически лю-

бых составов. Однако при использовании этого метода существует ряд проблем

таких, как получение эпитаксиальных слоев, обеспечение однородности по тол-

щине, создание многослойной структуры в рамках единого технологического

цикла.

1.3.3 Испарение в вакууме

Наиболее многочисленной является группа методов, объединенных тем,

что осаждение и формирование сегнетоэлектрических пленок происходит в ва-

кууме. Достоинства физических методов осаждения связаны с тем, что они хо-

рошо развиты в теоретическом плане и совместимы с современной полупро-

водниковой технологией. С одной стороны, обеспечивается возможность управ-

ления характеристиками пленками за счет изменения температуры подложки,

26

скорости осаждения, состава среды и других технологических параметров, а с

другой – многообразие режимов и приемов получения слоев позволяет решить

проблему технологической совместимости формирования многослойных струк-

тур. Методы вакуумного осаждения достаточно технологичны, обеспечены со-

ответствующим промышленным оборудованием и могут быть использованы в

массовом производстве. Толщины получаемых слоев могут изменяться в ши-

роких пределах от нескольких монослоев до десятков микрометров. Общими

недостатками являются проблемы стехиометрии и структурного упорядочения,

связанные с многокомпонентностью объектов и неравновесными условиями про-

цесса конденсации, а также проблемы, связанные с потерей кислорода при на-

гревании в вакууме.

Рис. 1.4. Схема лазерной установки для нанесения пленок в вакуумной камере:

1 – лазер; 2 – расщепитель пучка; 3 – фокусирующая система; 4 – подложка;

5 – прозрачный экран; 6 – лазер для нагрева подложки и контроля толщины

пленки; 7 – мишень; 8 – вакуумная камера; 9 – система вращения мишени; 10

– высоковакуумный насос; 11 – окно вакуумной камеры; 12 – блок контроля

параметров излучения.

Рассматриваемые группы методов отличаются способами испарения или

распыления исходного сегнетоэлектрического материала. Так, термическое ис-

27

парение сегнетоэлектрика осуществляется с помощью высокотемпературного

нагрева электронным или лазерным лучом. В настоящее время наиболее ча-

сто используется термическое испарение сегнетоэлектрического вещества с по-

мощью лазера, работающего в импульсном режиме. Этот метод является наи-

более эффективным для получения тонких пленок стехиометрического состава

из многокомпонентных мишеней. Мишени обычно вращаются, чтобы избежать

эффекта изменения состава паров при неоднократном испарении вещества с

одного и того же участка поверхности. В этом методе реализуется дискретное

испарение с простой дозировкой испаренного вещества за счет интенсивности

и длительности единичного импульса, скорости вращения подложки и других

технологических приемов. Выбор температуры подложки и давления кислорода

зависит от материала, которые обычно находятся в пределах (450 ÷ 800)0С и

(0.02÷ 1.2) мм рт. ст. соответственно.

1.3.4 ВЧ-магнетронное распыление в газовом разряде

Эта группа методов базируется на процессе распыления сегнетоэлектри-

ческой или мозаичной мишени в плазме газового разряда. Поскольку сегнето-

электрики относятся к классу диэлектрических материалов, то распыление ми-

шени проводится в высокочастотном разряде (ВЧ-распыление). Это может быть

ВЧ-диодное распыление и ВЧ-магнетронное распыление. Если для получения

электродов распыление проводится в атмосфере инертного газа, то для полу-

чения пленок сложных оксидов в рабочую атмосферу обычно добавляют кис-

лород, т.е. реализуется метод реактивного ионно-плазменного распыления, при

котором удается избежать потерь кислорода в формируемой пленке. Считается,

что преимуществом ионно-плазменного распыления сложных соединений явля-

ется возможность получения пленок того же состава, что и многокомпонентная

мишень.

28

Одним из наиболее распространенных методов высокочастотного рас-

пыления мишеней является ВЧ-магнетронное распыление, которому отдается

предпочтение при получении сегнетоэлектрических пленок. Магнетрон предна-

значен для создания магнитного поля, которое, во-первых, концентрирует плаз-

му, что позволяет понизить давление газовой смеси, а во-вторых, искривляет

траекторию движения электронов, увеличивая их путь. Все это приводит к бо-

лее эффективной ионизации газа и увеличению эффективности распыления ми-

шени, а в конечном итоге к большей скорости роста пленки. В настоящее время

различные варианты ионно-плазменного ВЧ-распыления успешно используют-

ся для получения различных сегнетоэлектрических материалов и твердых рас-

творов на их основе, например 𝐵𝑎𝑇𝑖𝑂3, 𝑃𝑏𝑇 𝑖𝑂3. Толщины получаемых этими

методами слоев могут составлять от десятков нанометров до (1-2) мкм.

Процесс получения пленок методом ВЧ-магнетронного распыления мож-

но условно разделить на три основных этапа:

1. процесс взаимодействия ионов и атомов газового разряда с многоком-

понентной мишенью и образование потока распыленных атомов

2. перенос распыленных атомов через газовую среду в пространстве

мишень-подложка;

3. синтез и формирование пленки многокомпонентных материалов на под-

ложке. Принцип действия магнетронной распылительной системы по-

казан на рис 1.5. Основными элементами устройства являются катод-

мишень, анод и магнитная система. Силовые линии магнитного поля

замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мише-

ни, расположенная между системами входа и выхода силовых линий

магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой до-

рожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной

системы.

При подаче постоянного напряжения между мишенью (отрицательный потен-

29

Рис. 1.5. Схема магнетронной системы распыления: 1 - мишень; 2 - магнитная

система; 3 - зона распыления; 4 - магнитные силовые линии; 5 - поток распыля-

емого вещества; 6 - подложка; 7 - подложкодержатель

циал) и анодом (положительный или нулевой потенциал) возникает неоднород-

ное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Наличие

замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет ло-

кализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Эмитированные с като-

да под действием ионной бомбардировки электроны захватываются магнитным

полем, им сообщается сложное циклоидальное движение по замкнутым тра-

екториям у поверхности мишени. Электроны оказываются как бы в ловушке,

создаваемой с одной стороны магнитным полем, возвращающим электроны на

катод, а с другой стороны – поверхностью мишени, отталкивающей электроны.

Электроны циклируют в этой ловушке до тех пор, пока не произойдет несколь-

ко ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых

электрон потеряет полученную от электрического поля энергию. Таким образом,

большая часть энергии электрона, прежде чем он попадет на анод, использует-

ся на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность

30

процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных

ионов у поверхности мишени. Это в свою очередь обусловливает увеличение

интенсивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост скорости

распыления, а следовательно, и скорости осаждения пленки.

Создание магнитной ловушки у распыляемой поверхности мишени пред-

ставляет собой простое, но весьма эффективное решение проблемы увеличения

скорости распыления материалов в плазменных распылительных системах.

Магнетронные системы относятся к низковольтным системам распыле-

ния. Напряжение питания не превышает 1000 В постоянного тока. Рабочее на-

пряжение составляет 300 ÷ 700В, на мишень обычно подается отрицательный

потенциал, а анод имеет нулевой потенциал. Магнетронная распылительная си-

стема может работать в диапазоне давлений от 10−2 до 1 Па и выше.

Изменение технологических параметров таких, как состояние керамиче-

ской мишени, конструкция магнетронной распылительной системы (положение

подложки относительно мишени, расстояние между ними), парциальное давле-

ние газовой смеси, степень вакуума при предварительном разряжении камеры,

удельная мощность тлеющего разряда, плотность тока, напряжение, темпера-

тура подложки, скорость роста и др., оказывают влияние на структурные и

электрофизические характеристики сегнетоэлектрических пленок. Такая мно-

гофакторность процесса затрудняет получение качественных сегнетоэлектриче-

ских пленок с воспроизводимыми характеристиками.

1.4 Начальные стадии роста пленки

Свойства поверхности раздела отдельных слоев структуры или конструк-

ции функциональных узлов важная при формировании практически всех эле-

ментов и компонентов РЭА (Радио Электронной Аппаратуры). Характеристики

поверхностных и приповерхностных слоев влияет на все эксплуатационные па-

31

раметры РЭА.

Любое технологическое воздействие среды на материал или изделие на-

чинается с взаимодействия частиц этой среды с поверхностью материала. Для

большинства ТП производства РЭА необходимо знать механизм такого взаимо-

действия не только при формировании (зарождении, росте, травлении), но и при

эксплуатации слоев. Это требует от технологов тщательного изучения явлений

и процессов, которые могут протекать на поверхности при различных условиях.

Термодинамика поверхностных явлений рассматривает состояния по-

верхностных атомов, отличающихся от состояния атомов, расположенных во

внутренних слоях вещества. Причиной этого является неодинаковое взаимодей-

ствие атомов твердого тела с окружающими частицами. Поэтому свойства по-

верхностного слоя вещества отличается от свойств его внутренних слоев.

Термодинамические параметры поверхности определяются природой ма-

териала и его физическим состоянием, которое характеризуется полной поверх-

ностной энергией. Часть этой энергии, равная максимальной полезной работе,

затрачиваемой на создание поверхности, является удельной поверхностной энер-

гией Гиббса и называется поверхностным натяжением. Значения поверхностно-

го натяжения для жидких материалов определить экспериментально легко, а

для твердых трудно. Для большинства расчетов для твердых тел принимают

на 5-8% больше этих же значений для жидких.

Идеальная поверхность встречается редко. На практике приходится

иметь дело с реальной поверхностью, т.е. поверхностью твердого тела, покры-

той пленкой оксидов, гидратов, жиров и других веществ, которая не является

атомно гладкой. В микроэлектронных изделиях большинство эксплуатацион-

ных свойств реализуется на в приповерхностных слоях. Состояние поверхности

влияет на электрофизические параметры приповерхностных слоев, вызывая ад-

сорбцию заряженных частиц, появление рекомбинационных центров и других

дефектов. Часто надежная работа радиоэлектронных устройств зависит от то-

32

го, насколько хорошо подготовлена его поверхность и насколько надежно защи-

щена от вредных внешних воздействий.

При взаимодействии поверхности твердой и жидкой фаз наблюдается

явление, называемое смачиванием. Степень смачивания характеризуется видом

и степенью искривления поверхности жидкости в месте соприкосновения трех

фаз.

Степень смачивания определяет форму капли жидкости на твердой по-

верхности. Мерой смачивания обычно служит контактный угол между смачи-

ваемой поверхностью и поверхностью жидкости по периметру смачивания.

Условие равновесия соприкасающихся фаз описывается уравнением:

𝜎тв-в = 𝜎тв-ж + 𝜎ж-в cos𝜙 (1.3)

1.4.1 Адсорбционные процессы на поверхности твердых тел

Без понимания природы и характера адсорбционных сил и их зависимо-

сти от параметров состояния трудно интерпретировать ряд ТП производства

РЭА.

Если энергия взаимодействия поверхностей двух конденсированных фаз

определяется силами адгезии веществ, то энергия взаимодействия поверхности

тела с газовой фазой или разбавленным раствором вызывает концентрирование

одного из веществ на поверхности и в приповерхностном слое. Такое явление

называется адсорбцией. Вещество, на поверхности которого происходит адсорб-

ция, называется адсорбентом, а адсорбируемое вещество - адсорбатом. Процесс

отделения от поверхности ранее адсорбированного вещества называется десорб-

цией.

Когда свободный атом (молекула) приближается к поверхности твердо-

го тела, происходит возмущение дискретных энергетических уровней внешних

электронов. Согласно теории межатомного взаимодействия возможны три пре-

33

дельных случая. В первом случае при взаимодействии частиц отсутствует обмен

электронами между поверхностными атомами и частицами. При этом происхо-

дит слабая поляризация атомов (физическая адсорбция). Энергия взаимодей-

ствия частица с поверхностью определяется силами Ван-дер-Ваальса. Во втором

случае происходит слабое химическое взаимодействие частиц с образованием

слабой гомеополярной связи. В третьем случае случае образуется гетерополяр-

ная химическая связь.

При физической адсорбции энергия взаимодействия между адсорбатом

и поверхностью не столь значительна, что бы изменить физико-химическую

природу адсорбата, а следовательно и его свойства. При хемосорбции образуется

химическая связь между поверхностью и адсорбируемым веществом.

Физическая адсорбция протекает быстро, особенно при понижении темпе-

ратуры поверхности. Хемосорбция при низких температурах протекает медлен-

но, но при повышении ее скорость быстро растет подобно скорости химической

реакции.

1.4.2 Факторы, влияющие на адгезию

Адгезия различных пленок к подложкам позволяет обеспечивать полу-

чение качественных и надежных функциональных устройств, пассивирующих

слоев и декоративных покрытий РЭА. Поэтому необходимо проанализировать

факторы, стимулирующие и подавляющие адгезию. Адгезия пленки при воз-

никновении химической связи на границе раздела значительно больше, чем при

чисто физической связи. При физической адгезии энергия отрыва пленки от

подложки приблизительно равна теплоте сублимации, то при химической адге-

зии (хемоадгезии) эта энергия должна быть соизмерима с энергией диссоциации

связи Me-O, которая как правило на порядок больше теплоты сублимации. Та-

ким образом, при прочих равных условиях металл, имеющий большее сродство к

34

кислороду, имеет лучшую адгезию к материалу из оксидом, причем повышение

температуры в этом случае увеличивает адгезию.

Шероховатость поверхности влияет на силу адгезии. Технологи стремят-

ся добиться как можно более гладких поверхностей для обеспечения максималь-

ной адгезии.

Такой же вывод можно сделать и относительно чистоты поверхности.

При малых размерах частицы пленки могут грунтовать поверхность, обеспе-

чивая хорошую адгезию последующих слоев. Для получения хорошей адгезии

слабо адгезирующего материала промежуточные слои формируют из веществ,

имеющих хорошую адгезию к подложке и материалу пленки.

35

ГЛАВА 2

ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Описание установки для нанесения пленок

В данной работе тонкие сегнетоэлектрические плёнки получены мето-

дом ионно-плазменного распыления керамической мишеней различного состава

температура осаждения 600− 8800𝐶, скорость роста составила 1.5нм/мин.

Схема рабочей вакуумной камеры установки представлена на рис. 2.1.

Предварительная откачка в вакуумной камере осуществляется при помощи фор-

вакуумного и турбомолекулярного насосов до давления 10−4 Па. Камера охла-

ждается водой по системе водоохлаждения, находящейся внутри. Также охла-

ждается водой катодный узел. Рабочий газ поступает в камеру через специ-

альную систему напуска, и его давление контролируется с точностью ≈ 5%. В

качестве рабочего газа использовался чистый кислород.

Конструкция магнетронного узла и подложкодержателя предусматрива-

ет проводить напыление в системе мишень-подложка при параллельном распо-

ложении последних - “on axis”. Величина индукции магнитного поля, измерен-

ная над серединой зоны распыления составляет 0.08 Тл. Особенностью данной

конструкции магнетронного блока является непосредственна близость между

магнитами и мишенью, что дает увеличение напряженности магнитного поля

на мишени.

Подложкодержатель нагревается снизу системой нагревателей, выпол-

ненных из нихрома, позволяющей получить на поверхности подложки темпера-

туру до 9000С. Измерение температуры поверхности подложек, осуществляется

термопарой хромель-алюмель.

После осаждения образцы охлаждались в кислороде при атмосферном

давлении со скоростью 2÷ 30𝐶/мин.

36

Рис. 2.1. Схема установки для магнетронного напыления пленок: 1 - подложка,

2 - мишень, 3 - постоянные магниты, 4 - оболочка вакуумной камеры, 5 - си-

стема разъемов, 6 - подложкодержатель, 7 - магнетрон, 8 - смотровое окно, 9 -

защитный экран, 10 - нагревательный элемент, 11 - термопара

37

2.2 Описание методики измерения параметров

Начальные стадии роста пленок BSTO были исследованы на пленках,

осажденных на монокристаллические подложки 𝐴𝑙2𝑂3. Пленки осаждались вы-

сокочастотным магнетронным распылением. Температура подложек контроли-

ровалась с помощью термопары, расположенной под подложкодержателем, тем-

пература которого изменялась в диапазоне от 600 до 9000𝐶. В качестве рабочего

газа использовался чистый кислород. Исследование поверхности пленки произ-

водилось методом РИСЭ. В качестве зондирующих ионов использовались H+ с

начальной энергией 230кэВ.

Метод рассеяния ионов средних энергий (РИСЭ), включающий анализ

энергетических спектров ионов, рассеянных на большой угол, и учет каналиро-

вания, позволяет без разрушения исследуемого образца определять его состав,

толщину отдельных слоев, степень совершенства кристаллической структуры

как пленки в целом, так и составляющих пленку блоков [2]. Метод РИСЭ явля-

ется вариантом метода резерфордовского обратного рассеяния (РОР), в кото-

ром энергия зондирующих ионов понижена на порядок величины с 106 до 105𝑒𝑉 ,

что позволяет для определения энергии ионов использовать электростатические

анализаторы с высоким разрешением и как следствие улучшить разрешение по

глубине вплоть до 1 нм в приповерхностной области. Кроме того, снижение

энергии зондирующего пучка позволяет уменьшить радиационную нагрузку на

образец. Как и в методе РОР, каналирование в методе РИСЭ можно исполь-

зовать для оценки качества структуры пленки. Типичный спектр, получаемый

методом РИСЭ показан на (рис. 2.2)

Для каждого образца были получены энергетические спектры рассеян-

ных ионов в режиме каналирования 𝑌𝑐(𝐸) и при произвольной ориентации 𝑌𝑟(𝐸)

и определена зависимость нормированного выхода от энергии рассеянных ионов

𝜒(𝐸). На основании зависимости 𝑌𝑟(𝐸) определялись состав пленок, их полная

38

Рис. 2.2. Структура титаната бария

толщина h, а также разброс в значении толщины 𝜎ℎ и степень покрытия и сте-

пень покрытия подложки пленкой C по методу, описанному в [4].

39

ГЛАВА 3

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Теоретические исследования

В работе [6] были рассмотрены элементы теории зародышеобразрвания,

и факторы влияющие на механизм массопереноса и свойства пленки. На мех-

низм влияет структура подложки, температура подложки, плотность потока

компонентов.

В зависимости от структуры и состава подложки время жизни адатома

(адсорбированый атом) может меняться в широких пределах, что может приво-

дить к смене механизма массопереноса. При сильном взаимодействии с подлож-

кой время жизни будет больше, чем при слабом. Соответственно больше будет и

высота частиц в ансамбле. Если высота на обеих подложках будет одинаковая,

то на подложке с сильной связью будет реализован механизм поверхностной

диффузии, а на подложке со слабой связью реализуется механизм диффузии

в паровой фазе. Это приведет к тому, что частицы в ансамбле, находящемся в

условиях постоянного потока вещества, будут распределены по размерам совер-

шенно различным образом.

В случае поверхностной диффузии, функция распределения островков

по размерам будет достаточно близкой к асимптотике, а плотность частиц оста-

нется постоянной. Для случая, когда реализуется механизм диффузии в паровой

фазе, частицы будут иметь широкий спектр размеров, а плотность будет убы-

вать во времени. Это приведет к тому, что срастание островков друг с другом

при образовании сплошных пленок будет происходить при значительно мень-

ших радиусах, чем при слабых источниках, когда плотность частиц убывает со

временем.

Так же на механизм массопереноса влияет температура. При низких тем-

40

пературах, в ансамбле будет преобладать механизм поверхностной диффузии,

а при высоких - механизм диффузии в паровой фазе.

Другая теория[8], рассматривает механизм образования пленки с точ-

ки зрения термодинамических поятий, таких как свободная и поверхностная

энергия, степень пересыщения. Процесс образования зародышей заключается в

возникновении и росте агрегатов молекул в результате последовательных бимо-

лекулярных реакций по схеме

𝐴1 + 𝐴1 → 𝐴2, 𝐴2 + 𝐴1 → 𝐴3, . . . (3.1)

где 𝐴𝑖 - агрегаты состоящие из 𝑖 молекул (атомов).

Образование зародыша новой фазы, содержащего 𝑖кр молекул, сопровож-

дается некоторым изменением свободной энергии Δ𝐺𝑖, связанным с появлением

определенной поверхности 𝑆п и объема новой фазы. При этом свободная энергия

Δ𝐺𝑖 растет с увеличеним r до значения Δ𝐺кр, а затем резко убывает. Агрегаты

радиусом 𝑟 < 𝑟кр считаются нестабильными, а радиусом 𝑟 > 𝑟кр - стабильны-

ми зародышами новой фазы. Последним соответствует уменьшение свободной

энергии. Радиус этого критического зародыша будет зависеть от температуры,

чем выше температура тем больше радиус. Рост критических (докритических)

зародышей за счет поверхностной диффузии возможен только в случае, когда

температура достаточно высока. При низких температурах диффузия атомов по

поверхности мала, и адсорбированные атомы можно считать локализоваными.

В этом случае рост зародыша происходит за счет прямого добавления атомов

из пара.

3.2 Описание эксперимента

При обработке технологии получения тонкопленочных структур для при-

боров наноэлектроники важны контроль начальных стадий роста тонких пленок

41

и определение влияния этих стадий на структуру и электрические характери-

стики конечных объектов. В частности, нужна информация об образовании на

интерфейсе переходных слоев и соотношении толщины этих слоев с поперечным

размером слоистых структур. Важно знать, насколько наличие переходных сло-

ев влияет на дальнейший рост и свойства пленки, на упорядоченность ее струк-

туры, поскольку количество и ориентация от дельных блоков и кристаллитов,

составляющих пленку, определяют ее электрические свойства.

3.3 Результаты

Из серии образцов 1916, 1935, 1937, 1938 был получен характер влияния

температуры осаждения (рис. 3.1, таблица 3.1) на свойства пленки. Для образ-

цов были измерены: 𝑋𝑚𝑒𝑑 - средняя толщина пленки, 𝜎 - отклонение толщины

пленки от средней, процент площади, покрытый пленкой.

Таблица 3.1. Влияние температуры

# T Xmed 𝜎 𝜎/𝑋𝑚𝑒𝑑 покрытие, %

1935 880 4.03 2.28 0.57 32

1916 800 3.7 1.57 0.42 40

1937 700 3.53 1.35 0.38 44

1938 600 2.97 0.81 0.27 52

Другая серия образцов была получена для наблюдения за свойствами

пленки, на различных стадиях роста (рис. 3.2, таблица 3.2).

Из первого графика на рис. 3.1 с увеличением температуры осаждения

пленки средняя толщина увеличивается. При этом из следующего графика вид-

но, что относительная шероховатость пленки увеличивается. Так же видно, что

при низких температурах большая часть площади занята островками пленки, а

42

600 650 700 750 800 850 9002.83.03.23.43.63.84.04.2

xmed

, nm

600 650 700 750 800 850 9000.00.10.20.30.40.50.60.70.8

σ/xmed

600 650 700 750 800 850 900T,0 C

303540455055

C, %

Рис. 3.1. Влияние температуры осаждения

при увеличении температуры, площадь постепенно уменьшается. Из этого сле-

дует что меняется характер роста пленки. При низких температурах пленка рас-

тет мелкодисперсная, состоящая из множества небольших островков, сросшихся

друг с другом. При повышении температуры начинает преобладать островко-

вый рост, пленка становится крупноблочной, начинает состоять из больших,

высоких островков.

Такие изменения в пленке описываются в теоретических исследованиях.

От температуры подложки будет зависть характер роста пленки[6]. При низких

температурах перенос массы будет осуществляться поверхностной диффузией.

При высоких - диффузией из газовой фазы. Поэтому при низких температу-

43

1 2 3 4 5 6 70.00.10.20.30.40.50.60.70.8

σ/xmed

1 2 3 4 5 6 7xmed, nm

20

40

60

80

100

C, %

Рис. 3.2. Зависимость свойств от толщины

рах будет преобладать мелкозернистая пленка, с островками, площадь которых

растет быстрее чем их высота. А при высоких температурах будет островковый

рост, с островками, имеющими большую высоту, но покрывающие маленькую

площадь, что видно по графиках (рис. 3.1), как увеличение 𝜎/𝑥𝑚𝑒𝑑.

С другой стороны теория[8], предсказывает зависимость размеров заро-

дыша оттемпературы. Согласно теории, при низких температурах радиус кри-

тического зародыша, с которого начинается рост пленки, будет меньше чем при

высоких температурах. А от размера критического зародыша напрямую зависит

размер блоков в готовой пленке.

Из других исследований видно, что при низких температурах в плен-

44

Таблица 3.2. Влияние времени осаждения

# t Xmed 𝜎 𝜎/𝑋𝑚𝑒𝑑 покрытие, %

1913 1 1.57 0.91 0.58 28

1915 2 2.27 1.34 0.59 26

1916 3 3.7 1.57 0.42 40

1917 5 4.4 1.93 0.44 58

1918 10 6.21 1.35 0.22 100

ке будут появляться механические напряжения растяжения, в следствии недо-

статочной диффузии вещества на начальных этапах роста. При более высоких

температурах напряжение переходит в напряжение сжатия, что тоже плохо для

пленки.

Так же было проанализировано изменение свойств пленки на разных ста-

диях роста. Из графика (рис. 3.2) видно, что полное покрытие пленкой под-

ложки 𝐴𝑙2𝑂3 на температуре 8000С происходит при толщине 7нм. В других

работах[5] была получена толщина 11нм. Для сравнения, подложка 𝑆𝑟𝑇 𝑖𝑂3 име-

ет полное покрытие начиная с толщины 5.5нм, 𝐿𝑎𝐴𝑙𝑂3 < 11нм, 𝑀𝑔𝑂 - 29нм.

Так же анализируя зависимость на рис. 3.2, можно заметить, что соотноше-

ние 𝜎/𝑥𝑚𝑒𝑑 уменьшается. Зная что 𝑥𝑚𝑒𝑑 увеличивается, можно сделать вывод о

том, что величина 𝜎 остается примерно постоянной. А это означает, что пленка

сохраняет рельеф, полученный на ранних стадиях роста и дальше.

Из толщины пленки, при которой происходит полное покрытие, можно

сделать вывод о силе химической связи между пленкой и подложкой. Чем мень-

ше толщина полного покрытия, тем сильнее связь с подложкой. Отсюда следует

что самая сильная связь у 𝑆𝑟𝑇 𝑖𝑂3, потому что пленка и подложка, это практи-

чески одно вещество. А самая слабая связь у 𝑀𝑔𝑂.

45

Заключение

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о влиянии техно-

логических параметров на характер роста пленки. Если выбрать низкую тем-

пературу, пленка будет иметь маленькие зерна, что обусловлено преобладанием

поверхностной диффузии. При высоких температурах пленка растет большими

островками, из за увеличения радиуса критического зародыша и диффузии из

газовой фазы.

Полное покрытие пленкой подложки наблюдается при толщине 7нм, что

обусловлено хорошим сродством пленки с подложкой.

Из анализа динамики роста ясно что пленка сохраняет рельеф, получен-

ный на начальных этапах роста, вплоть до полного покрытия подложки.

46

ГЛАВА 4

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Данная дипломная работа посвящена исследованию свойств тонких пле-

нок титаната бария стронция (Вах𝑆𝑟1−𝑥𝑇𝑖𝑂3). Экспериментальная часть рабо-

ты состоит в обработке данных, построение зависимостей и анализе полученных

результатов.

4.1 Анализ опасных и вредных факторов в

процессе работы

Основными ОиВФ в соответствие с ГОСТ 12.0.003-74 являются:

1. Повышенная или пониженная температура, влажность и подвижность

воздуха рабочей зоны.

2. Повышенное напряжение в электрической сети.

3. Повышенный уровень электромагнитных излучений.

4. Отсутствие или недостаток естественного или искусственного света.

5. Повышенный шум.

6. Факторы пожара (температура, недостаток кислорода, огонь, искры и

т.д.).

7. Нервно-психические перегрузки (умственное напряжение, эмоциональ-

ной нагрузки)

4.2 Защита от О и ВПФ

При работе с персональным компьютером очень важную роль играет со-

блюдение правильного режима труда и отдыха. В противном случае отмечаются

47

значительное напряжение зрительного аппарата, головные боли, раздражитель-

ность, усталость и болезненные ощущения в глазах, в области шеи и руках .

В табл. 4.1 представлены сведения о регламентированных перерывах, ко-

торые необходимо делать при работе на компьютере, в зависимости от про-

должительности рабочей смены, видов и категорий трудовой деятельности с

ВДТ (видеодисплейный терминал) и ПЭВМ (в соответствии с СанПиН 2.2.2 542-

96 “Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным

электронно-вычислительным машинам и организации работ”). Примечание.

Таблица 4.1. Время регламентированных перерывов при работе на компьютере

Категория

работы с

ВДТ или

ПЭВМ

Уровень нагрузки за рабо-

чую смену при видах рабо-

ты с ВДТ

Суммарное время

регламентирован-

ных перерывов,

мин

Группа

А, зна-

ков

Группа

Б, зна-

ков

Группа

В, часов

При 8-

часовой

смене

При 12-

часовой

смене

I до 20000 до 15000 до 2,0 30 70

II до 20000 до 30000 до 4,0 50 90

III до 60000 до 40000 до 6,0 70 120

Время перерывов дано при соблюдении указанных Санитарных правил и норм.

При несоответствии фактических условий труда требованиям Санитарных пра-

вил и норм время регламентированных перерывов следует увеличить на 30%. В

соответствии со СанПиН 2.2.2 546-96 все виды трудовой деятельности, связан-

ные с использованием компьютера, разделяются на три группы:

- группа А: работа по считыванию информации с экрана ВДТ или ПЭВМ

с предварительным запросом

48

- группа Б: работа по вводу информации

- группа В: творческая работа в режиме диалога с ЭВМ.

4.3 Электробезопасность

ПК и его периферийные устройства требуют питания от сети 220 В. Ча-

стота питающей сети 50 Гц, следовательно, эта установка согласно ПУЭ 1.1.3,

является установкой с напряжением не выше 1000 В.

В процессе эксплуатации возможны повреждения защитных оболочек,

изоляции ТЧ устройств и шнуров питания, создающие опасность прикоснове-

ния человека либо непосредственно к оголенным ТЧ, либо к металлическим

нетоковедущим частям устройств, оказавшимся под напряжением вследствие

повреждения изоляции. В связи с этим необходимо при подготовке рабочего

места предусмотреть технические мероприятия по предотвращению .опасного

воздействия электрического тока на человека.

ГОСТ Р 50571.2-94 предусматривает в числе прочих следующий тип си-

стемы заземления электрических сетей зданий: TN-S. Первая буква Т обозна-

чает непосредственное присоединение одной точки токоведущих частей источ-

ника питания к земле, вторая буква означает характер заземления открытых

проводящих частей электроустановки (Т - непосредственная связь открытых

проводящих частей с землей, независимо от характера связи источника пита-

ния с землей; N- непосредственная связь открытых проводящих частей с точкой

заземления источника питания, в системах переменного тока обычно заземля-

ется нейтраль). Последующие буквы- устройство нулевого рабочего и нулевого

защитного проводников: S- функции нулевого защитного и нулевого рабочего

проводников обеспечиваются раздельными проводниками.

49

Рис. 4.1. Система TN-S (нулевой рабочий и нулевой защитный проводники про-

ложены раздельно по всей сети)

4.4 Пожаробезопасность

ПК относится к электронным изделиям (ЭИ), поэтому на него распро-

страняются требования пожарной безопасности, прописанные в федеральном

законе от 22.06.08 #123-ФЗ. Загорания в электронной схеме могут возникать

в результате: сильного нагревания и излучения теплоты элементами, которые

могут воспламенить близлежащие детали, изготовленные из легковоспламеняю-

щихся материалов; прохождения через трансформаторы, дроссели и резисторы

электрического тока, превышающего допустимое для данного изделия значение;

нарушения изоляции соединительных проводов, пробоя конденсаторов, корот-

кого замыкания, вследствие чего происходит пробой деталей и возникает элек-

трическая дуга.

Перечень требований пожарной безопасности к электронным изделиям в

соответствии с НПБ 247 - 97:

50

1. Электронное изделие должно быть сконструировано и изготовлено та-

ким образом, чтобы оно не представляло пожарной опасности в нор-

мальных условиях эксплуатации и при аварийных режимах.

2. Применяемые в конструкции электронных изделий материалы, элемен-

ты, блоки, узлы должны обеспечивать вероятность возникновения по-

жара в каждом изделии не более 10-6 в год.

3. При нормальной и аварийной работе электронных изделий ни один из

элементов конструкции не должен иметь температуру выше допусти-

мых значений, установленных ГОСТ Р МЭК 60065-2002, а для изделий

вычислительной техники - ГОСТ Р 50377 - 92.

4. Элементы электронных изделий, нагревающиеся в аварийных режи-

мах до температур, выше указанных в п. 3, должны быть защищены

от перегрева термовыключателями, термореле и т. п. При невозможно-

сти выполнения этого требования должно применяться экранирование

элементов конструкции в зоне перегрева. Температура срабатывания

защитных устройств не должна превышать значений, указанных в п. 3.

5. Цепи питания электронных изделий должны иметь защиту от токов

перегрузки и короткого замыкания и т. д.).

4.5 Защита от вредных факторов

4.5.1 Параметры микроклимата

Вычислительная техника является источником существенных тепловы-

делений, что может привести к повышению температуры и снижению относи-

тельной влажности в помещении. В помещениях, где установлены компьютеры,

должны соблюдаться определенные параметры микроклимата. В санитарных

нормах СН-245-71 установлены величины параметров микроклимата, создаю-

51

щие комфортные условия. Эти нормы устанавливаются в зависимости от вре-

мени года, характера трудового процесса и характера производственного поме-

щения (см. табл. 4.2).

Объем помещений, в которых размещены работники вычислительных

центров, не должен быть меньше 19, 5м3/человека с учетом максимального чис-

ла одновременно работающих в см-ну. Нормы подачи свежего воздуха в поме-

щения, где расположены компьютеры, приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2. Время регламентированных перерывов при работе на компьютере

Период года Параметр микроклимата Величина

Холодный Температура воздуха в помещении 22 . . . 240С

Относительная влажность 40 . . . 60%

Скорость движения воздуха до 0.1м/с

Теплый Температура воздуха в помещении 23 . . . 250С

Относительная влажность 40 . . . 60%

Скорость движения воздуха 0.1 . . . 0.2м/с

Для обеспечения комфортных условий используются как организацион-

ные методы (рациональная организация проведения работ в зависимости от вре-

мени года и суток, чередование труда и отдыха), так и технические средства

(вентиляция, кондиционирование воздуха, отопительная система).

4.5.2 Освещение

Правильно спроектированное и выполненное производственное освеще-

ние улучшает условия зрительной работы, снижает утомляемость, способствует

повышению производительности труда, благотворно влияет на производствен-

ную среду, оказывая положительное психологическое воздействие на работаю-

щего, повышает безопасность труда и снижает травматизм.

52

Недостаточность освещения приводит к напряжению зрения, ослабляет

внимание, приводит к наступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно

яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах. Неправиль-

ное направление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики,

дезориентировать работающего. saf-2 Существует три вида освещения - есте-

ственное, искусственное и совмещенное. Естественное освещение - освещение

помещений дневным светом, проникающим через световые проемы в наруж-

ных ограждающих конструкциях помещений. Естественное освещение харак-

теризуется тем, что меняется в широких пределах в зависимости от времени

дня, времени года, характера области и ряда других факторов. Искусственное

освещение применяется при работе в темное время суток и днем, когда не удает-

ся обеспечить нормированные значения коэффициента естественного освещения

(пасмурная погода, короткий световой день). Освещение, при котором недоста-

точное по нормам естественное освещение дополняется искусственным, называ-

ется совмещенным освещением.

Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуа-

ционное, охранное. Рабочее освещение, в свою очередь, может быть общим или

комбинированным. Общее - освещение, при котором светильники размещают-

ся в верхней зоне помещения равномерно или применительно к расположению

оборудования. Комбинированное - освещение, при котором к общему добавля-

ется местное освещение. Согласно СНиП II-4-79 в помещений вычислительных

центров необходимо применить систему комбинированного освещения. При вы-

полнении работ категории высокой зрительной точности (наименьший размер

объекта различения 0.3 . . . 0.5мм) величина коэффициента естественного осве-

щения (КЕО) должна быть не ниже 1,5%, а при зрительной работе средней

точности (наименьший размер объекта различения 0,5. . . 1,0 мм) КЕО должен

быть не ниже 1.0%. В качестве источников искусственного освещения исполь-

зуются люминесцентные лампы типа ЛБ или ДРЛ, которые попарно объединя-

53

ются в светильники, которые должны располагаться над рабочими поверхно-

стями равномерно. Требования к освещенности в помещениях, где установлены

компьютеры, следующие: при выполнении зрительных работ высокой точно-

сти общая освещенность должна составлять 300лк, а комбинированная - 750лк;

аналогичные требования при выполнении работ средней точности - 200 и 300лк

соответственно. Кроме того все поле зрения должно быть освещено достаточно

равномерно - это основное гигиеническое требование. Иными словами, степень

освещения помещения и яркость экрана компьютера должны быть примерно

одинаковыми, т.к. яркий свет в районе периферийного зрения значительно уве-

личивает напряженность глаз и, как следствие, приводит к их быстрой утомля-

емости.

Расчет освещенности рабочего места сводится к выбору системы осве-

щения, определению необходимого числа светильников, их типа и размещения.

Исходя из этого, рассчитаем параметры искусственного освещения.

Обычно искусственное освещение выполняется посредством электриче-

ских источников света двух видов: ламп накаливания и люминесцентных ламп.

Будем использовать люминесцентные лампы.

Расчет освещения производится для комнаты площадью 15м2 , ширина

которой 5м, высота - 3 м. Воспользуемся методом светового потока.

Для определения количества светильников определим световой поток,

падающий на поверхность по формуле:

𝐹 =𝐸 ·𝐾 · 𝑆 · 𝑍

𝑛(4.1)

где F - рассчитываемый световой поток, Лм; Е - нормированная минимальная

освещенность, Лк (определяется по таблице). Работу программиста, в соответ-

ствии с этой таблицей, можно отнести к разряду точных работ, следовательно,

минимальная освещенность будет Е = 300Лк; S - площадь освещаемого поме-

щения (в нашем случае S = 15м2); Z - отношение средней освещенности к мини-

54

мальной (обычно принимается равным 1.1 . . . 1.2 , пусть Z = 1,1); К - коэффи-

циент запаса, учитывающий уменьшение светового потока лампы в результате

загрязнения светильников в процессе эксплуатации (его значение зависит от

типа помещения и характера проводимых в нем работ и в нашем случае К =

1,5); n - коэффициент использования, (выражается отношением светового по-

тока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп и

исчисляется в долях единицы; зависит от характеристик светильника, размеров

помещения, окраски стен и потолка, характеризуемых коэффициентами отра-

жения от стен (РС) и потолка (РП)), значение коэффициентов РС и РП были

указаны выше: РС=40%, РП=60%. Значение n определим по таблице коэффи-

циентов использования различных светильников. Для этого вычислим индекс

помещения по формуле:

𝐼 =𝑆

ℎ(𝐴+𝐵)(4.2)

где S - площадь помещения, 𝑆 = 15м2; h - расчетная высота подвеса, h = 2.92

м; A - ширина помещения, А = 3 м; В - длина помещения, В = 5 м. Подставив

значения получим:

𝐼 =15

2.92 · (3 + 5)= 0.64 (4.3)

Зная индекс помещения I, находим n = 0,22 Подставим все значения в формулу

для определения светового потока F:

𝐹 =300 · 1.5 · 15 · 1.1

0.22= 33750 Лм (4.4)

Для освещения выбираем люминесцентные лампы типа ЛБ40-1, световой поток

которых F= 4320 Лк. Рассчитаем необходимое количество ламп по формуле:

𝐹 =𝐹

𝐹Л(4.5)

N - определяемое число ламп; F - световой поток, F = 33750 Лм; Fл- световой

поток лампы, Fл = 4320 Лм.

𝐹 =33750

4320= 8 шт. (4.6)

55

При выборе осветительных приборов используем светильники типа ОД. Каж-

дый светильник комплектуется двумя лампами.

4.5.3 Шум и вибрации

Шум ухудшает условия труда, оказывая вредное действие на организм

человека. Работающие в условиях длительного шумового воздействия испыты-

вают раздражительность, головные боли, головокружение, снижение памяти,

повышенную утомляемость и т. д. Под воздействием шума снижается концен-

трация внимания, появляется усталость в связи с повышенными энергетически-

ми затратами и нервно-психическим напряжением, ухудшается речевая комму-

тация. Все это снижает работоспособность человека и его производительность,

качество и безопасность труда. Длительное воздействие интенсивного шума [вы-

ше 80 дБ(А)] на слух человека приводит к его частичной или полной потере.

В табл. 4.3 указаны предельные уровни звука в зависимости от катего-

рии тяжести и напряженности труда, являющиеся безопасными в отношении

сохранения здоровья и работоспособности. Уровень шума на рабочем месте не

должен превышать 50дБА, а в залах обработки информации на вычислитель-

ных машинах - 65дБА. Для снижения уровня шума стены и потолок помещений,

где установлены компьютеры, могут быть облицованы звукопоглощающими ма-

териалами. Уровень вибрации в помещениях вычислительных центров может

быть снижен путем установки оборудования на специальные виброизоляторы.

Одним из неблагоприятных факторов производственной среды в ИВЦ

является высокий уровень шума, создаваемый печатными устройствами, обору-

дованием для кондиционирования воздуха, вентиляторами систем охлаждения

в самих ЭВМ.

Для решения вопросов о необходимости и целесообразности снижения

шума необходимо знать уровни шума на рабочем месте оператора.

56

Таблица 4.3. Предельные уровни звука, дБ, на рабочих местах

Категория напря-

женности труда

Категория тяжести труда

I. Легкая II. Средняя III. Тяжелая IV. Очень тяжелая

I. Мало напря-

женный

80 80 75 75

II. Умеренно на-

пряженный

70 70 65 65

III. Напряженный 60 60 - -

IV. Очень напря-

женный

50 50 - -

Уровень шума, возникающий от нескольких некогерентных источников,

работающих одновременно, подсчитывается на основании принципа энергетиче-

ского суммирования излучений отдельных источников:

𝐿Σ = 10 · lg𝑛∑

𝑖=1

100.1𝐿𝑖 (4.7)

где Li - уровень звукового давления i-го источника шума; n - количество ис-

точников шума. Полученные результаты расчета сравнивается с допустимым

значением уровня шума для данного рабочего места. Если результаты расчета

выше допустимого значения уровня шума, то необходимы специальные меры по

снижению шума. К ним относятся: облицовка стен и потолка зала звукопогло-

щающими материалами, снижение шума в источнике, правильная планировка

оборудования и рациональная организация рабочего места оператора.

Уровни звукового давления источников шума, действующих на операто-

ра на его рабочем месте представлены в табл. 4.4. приводит к его частичной или

полной потере.

57

В табл. 4.4 указаны предельные уровни звука в зависимости от категории

тяжести и напряженности труда, являющиеся безопасными в отношении сохра-

нения здоровья и работоспособности. Обычно рабочее место оператора оснащено

Таблица 4.4. Уровни звукового давления различных источников

Источник шума Уровень шума, дБ

Жесткий диск 40

Вентилятор 45

Монитор 17

Клавиатура 10

Принтер 45

Сканер 42

следующим оборудованием: винчестер в системном блоке, вентилятор(ы) систем

охлаждения ПК, монитор, клавиатура, принтер и сканер.

Подставив значения уровня звукового давления для каждого вида обору-

дования в формулу , получим: 𝐿Σ = 49.5 дБ Полученное значение не превышает

допустимый уровень шума для рабочего места оператора, равный 65 дБ (ГОСТ

12.1.003-83). И если учесть, что вряд ли такие периферийные устройства как

сканер и принтер будут использоваться одновременно, то эта цифра будет еще

ниже. Кроме того при работе принтера непосредственное присутствие оператора

необязательно, т.к. принтер снабжен механизмом автоподачи листов.

4.5.4 Электромагнитное и ионизирующее излучения

Большинство ученых считают, что как кратковременное, так и длитель-

ное воздействие всех видов излучения от экрана монитора не опасно для здоро-

вья персонала, обслуживающего компьютеры. Однако исчерпывающих данных

относительно опасности воздействия излучения от мониторов на работающих с

58

компьютерами не существует, и исследования в этом направлении продолжают-

ся.

Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных

излучений от монитора компьютера представлены в табл. 4.5.

Максимальный уровень рентгеновского излучения на рабочем месте опе-

ратора компьютера обычно не превышает 10мкбэр/ч, а интенсивность ультра-

фиолетового и инфракрасного излучений от экрана монитора лежит в пределах

10 . . . 100мВт/м2.

Таблица 4.5. Допустимые значения параметров неионизирующих электромаг-

нитных излучений (в соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96)

Наименование параметра Допустимые значения

Напряженность электрической составляющей элек-

тромагнитного поля на расстоянии 50см от поверхно-

сти видеомонитора

10В/м

Напряженность магнитной составляющей электромаг-

нитного поля на расстоянии 50см от поверхности ви-

деомонитора

0.3А/м

Напряженность электростатического поля не должна

превышать:

для взрослых пользователей 20кВ/м

для детей дошкольных учреждений и учащихся сред-

них специальных и высших учебных заведений

15кВ/м

Для снижения воздействия этих видов излучения рекомендуется при-

менять мониторы с пониженным уровнем излучения, устанавливать защитные

экраны, а также соблюдать регламентированные режимы труда и отдыха.

59

4.6 Эргономические требования к рабочему

месту

Необходимо учитывать, что при работе с ЭВМ основная информация для

оператора выводится на монитор, периферийное оборудование и другие вспо-

могательные устройства должны располагаться в зонах досягаемости с учётом

частоты обращения с ними, и следовательно, их расположение имеет важное

значение. На рис. 4.2 показаны зоны расположения.

Рис. 4.2. Зоны расположения: А - наиболее важных и наиболее часто использу-

емых; Б - нечасто используемых; В - редко используемых; Г - вспомогательных

Для комфортной работы стол должен удовлетворять следующим услови-

ям:

60

- высота стола должна быть выбрана с учетом возможности сидеть сво-

бодно, в удобной позе, при необходимости опираясь на подлокотники

- нижняя часть стола должна быть сконструирована так, чтобы удобно

сидеть, без необходимости поджимать ноги

- поверхность стола должна обладать свойствами, исключающими появ-

ление бликов в поле зрения

- конструкция стола должна предусматривать наличие выдвижных ящи-

ков (не менее 3 для хранения документации, листингов, канцелярских

принадлежностей)

- высота рабочей поверхности рекомендуется в пределах 680-760мм. Вы-

сота поверхности, на которую устанавливается клавиатура, должна

быть около 650мм.

Положение экрана определяется:

- расстоянием считывания (0.6. . . 0.7м);

- углом считывания, направлением взгляда на 200 ниже горизонтали к

центру экрана, причем экран перпендикулярен этому направлению.

Должна также предусматриваться возможность регулирования экрана:

- по высоте +3 см

- по наклону от −100 до +200 относительно вертикали в левом и правом

направлениях.

- Большое значение также придается правильной рабочей позе пользо-

вателя. При неудобной рабочей позе могут появиться боли в мышцах,

суставах и сухожилиях.

Требования к рабочей позе пользователя видеотерминала следующие:

- голова не должна быть наклонена более чем на 200

- плечи должны быть расслаблены

- локти - под углом 800 . . . 1000

61

- предплечья и кисти рук - в горизонтальном положении

Существенное значение для производительной и качественной работы на

компьютере имеют размеры знаков, плотность их размещения, контраст и соот-

ношение яркостей символов и фона экрана. Если расстояние от глаз оператора

до экрана дисплея составляет 60 . . . 80 см, то высота знака должна быть не ме-

нее 3мм, оптимальное соотношение ширины и высоты знака составляет 3:4, а

расстояние между знаками - 15 . . . 20% их высоты. Соотношение яркости фона

экрана и символов - от 1:2 до 1:15.

4.7 Заключение по главе

В данном разделе дипломной работы были изложены требования к рабо-

чему месту инженера - оператора ПК. Созданные условия должны обеспечивать

комфортную работу. На основании изученной литературы по данной проблеме,

были указаны оптимальные размеры рабочего стола, рабочей поверхности, а

также проведен выбор системы и расчет оптимального освещения производ-

ственного помещения, а также расчет уровня шума на рабочем месте. Соблю-

дение условий, определяющих оптимальную организацию рабочего места инже-

нера, позволит сохранить хорошую работоспособность в течение всего рабочего

дня, повысит в количественном, и в качественном отношениях производитель-

ность труда программиста.

62

ГЛАВА 5

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

5.1 Экологические аспекты актуальности

работы

В данной дипломной проводилось исследование свойств сегнетоэлектри-

ческих пленок для их применения в конденсаторных структурах на сверхвысо-

ких частотах.

Сегнетоэлектрические тонкие пленки широко применяются в настоящее

время для разработок целого ряда новых приборов микро- и наноэлектрони-

ки. Примерами служат устройства энергонезависимой памяти, матрицы инфра-

красных приемников излучения, микроэлектромеханические датчики положе-

ний, акустические датчики и анализаторы спектра. По ряду параметров такие

устройства являются конкурентоспособными по сравнению с традиционными

устройствами на основе полупроводниковых и ферритовых материалов. Исполь-

зование сегнетоэлектрических пленок позволяет улучшить такие характеристи-

ки приборов, как быстродействие, рабочая мощность, снизить СВЧ-потери и

мощность управления. Немаловажным фактором является простота конструк-

ции и возможность использования интегральной технологии сегнетоэлектриче-

ских устройств, что определяет их низкую стоимость.

В настоящее время возник большой интерес к сегнетоэлектриче-

ским материалам, обусловленный возможностью создания управляемых СВЧ

устройств. Основой применения сегнетоэлектриков в технике СВЧ стала пла-

нарная технология, а основными конструктивными элементами оказались пла-

нарный конденсатор, копланарная или щелевая линии передачи. Особый инте-

рес представляет собой планарный конденсатор, емкость которого может изме-

няться под действием внешнего электрического поля.

63

5.2 Влияние на окружающую среду отдельных

элементов, входящих в состав мишени и

синтезированной из нее пленки

Титан и его соединения

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Со-

держание в земной коре 0,57 % по массе. В свободном виде не встречается.

Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил

𝑇𝑖𝑂2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3,

титанит 𝐶𝑎𝑇𝑖𝑂𝑆𝑖𝑂4, танталит (Fe,Mn)2+Ta2O6 и манганотанталит MnT2O6.

Получение. Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пиро-

металлургической переработке. Продукт сернокислотной обработки — порошок

диоксида титана TiO2. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом

и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl4: TiO2 + 2C

+ 2Cl2 =TiCl4 + 2CO. Образующиеся пары 𝑇𝑖𝐶𝑙4 при 8500𝐶 восстанавливают

Mg: TiCl4+ 2Mg = 2MgCl2+ Ti. Полученную титановую “губку” переплавляют и

очищают. Ильменитовые концентраты восстанавливают в электродуговых печах

с последующим хлорированием возникающих титановых шлаков. Рафинируют

титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для полу-

чения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плаз-

менную переработку. Физические свойства. Серебристо-белый металл. Точка

плавления 16710𝐶, точка кипения 32600𝐶, плотность 4, 505г/см4 (200𝐶), атом-

ная плотность 5, 71 ·1022ат/см3. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере.

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на

режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на

инструмент, различных смазок. В тонких сечениях и при значительном нагре-

64

ве возможно самовозгорание на воздухе. Порошковый Ti - пирофорен. Взвесь

титановой пыли в воздухе взрывоопасна. Температура вспышки 4000С.

Окись титана (IV)

ТiO2 (М= 79,90) Встречается в природе в виде минералов рутила, аната-

за и брукита. Применяется в лакокрасочной промышленности (белый пигмент),

в производстве пластмасс, искусственного волокна; в бумажной, резиновой, ко-

жевенной, текстильной, металлургической промышленности. Получается обра-

боткой железо-титановой, руды H2SO4 , очисткой полученных сульфатов ти-

тана и титанила от железа, гидролизом солей и прокаливанием гидратов при

800 − 10000; сжиганием TiCl4 в кислороде при 1000 − 12000. Физические и хи-

мические свойства. Белый кристаллический порошок Тплавл. = 18410 (средняя);

Ткип. ≈ 30000; плотн. = 4,18 - 4,25. В воде не растворима, химически неактивна.

Устойчива к действию растворов кислот и щелочей. В вакууме или в атмосфе-

ре азота при 1100 − 12000 отщепляет кислород. Токсическое действие титана

и некоторых его соединений. У лиц, подвергавшихся воздействию нераствори-

мых соединений Ti - наблюдаются некоторые изменения со стороны дыхания.

При применении Ti в порошковой металлургии известны случаи диффузного

пневмосклероза, а также карнификации отдельных участков легких, астмоид-

ных бронхитов с бронхоэктазами. Распределение в организме. Содержание Ti в

крови в норме составляет 2,5 мкг. %. Содержание Ti в легких и лимфатических

узлах у человека в норме повышается с возрастом. Индивидуальная защита.

Меры предупреждения. При высокой запыленности воздуха - респираторы типа

«Лепесток», «Астра-2» и др. Противопылевая спецодежда. Борьба с пылевыде-

лением.

65

Барий и его соединения

Содержание бария в земной коре составляет 0,05 % по массе; в морской

воде среднее содержание бария составляет 0,02 мг/литр. Основные минералы:

барит (BaSO4) и витерит (BaCO3).

Получение. Основное сырье для получения бария — баритовый концен-

трат (80-95 % BaSO4), который в свою очередь получают флотацией барита.

Сульфат бария в дальнейшем восстанавливают коксом или природным газом.

Далее сульфид при нагревании гидролизуют до гидроксида бария Ba(OH)2 или

под действием CO2 превращают в нерастворимый карбонат бария BaCO3, кото-

рый затем переводят в оксид бария BaO (прокаливание при 8000𝐶 для Ba(OH)2

и свыше 10000𝐶 для BaCO3). Металлический барий получают из оксида восста-

новлением алюминием в вакууме при 1200−12500С. Очищают барий перегонкой

в вакууме или зонной плавкой. Физические свойства. Барий — серебристо-белый

ковкий металл. При резком ударе раскалывается. Тплавл = 7100; Ткип = 16400;

плотн. = 3,55; давление паров = 0,08 мм рт. ст. (при температуре плавле-

ния).Хранят металлический барий в керосине или под слоем парафина.

Токсическое действие. Соединения бария вызывают воспалительные за-

болевания головного мозга и его мягкой оболочки. Действуют также на глад-

кую и сердечную мускулатуру - влияют на миокард, вызывая спазм сосудов.

При отравлении ВаСl2 доминирующим фактором является повышенная прони-

цаемость капилляров, сопровождающаяся кровоизлияниями и отеками. Малые

дозы ВаСl2 и Ва(NО3)2 стимулируют деятельность костного мозга, большие -

угнетают ее и вызывают дегенеративные изменения печени, склероз селезенки.

Смерть обычно наступает от паралича сердца. Ядовитость солей бария зависит

от степени их растворимости. Практически неядовит сульфат бария (чистый),

сильно токсичны - хлорид, нитрат, хлорат, ацетат, карбонат и сульфид.

66

5.2.1 Стронций и его соединения

Содержание в земной коре — 0,384 % в свободном виде стронций не встре-

чается. Он входит в состав около 40 минералов. Из них наиболее важный —

целестин SrSO4. Добывают также стронцианит SrCO3. Эти два минерала име-

ют промышленное значение. Стронций содержится в морской воде (0,1 мг/л),

в почвах (0,035 масс%). Получение. Существуют 3 способа получения метал-

лического стронция: термическое разложение некоторых соединений, электро-

лиз и восстановление оксида или хлорида. Основным промышленным способом

получения металлического стронция является термическое восстановление его

оксида алюминием. Далее полученный стронций очищается возгонкой. Элек-

тролитическое получение стронция электролизом расплава смеси SrCl2 и NaCl

не получило широкого распространения из-за малого выхода по току и загряз-

нения стронция примесями. При термическом разложении гидрида или нитрида

стронция образуется мелкодисперсный стронций, склонный к легкому воспла-

менению. Физические свойства. Стронций — мягкий серебристо-белый металл,

обладает ковкостью и пластичностью, легко режется ножом. Полиморфен —

известны три его модификации. До 2150С устойчива кубическая гранецентри-

рованная модификация (𝛼−𝑆𝑟), между 215 и 6050С — гексагональная (𝛽−𝑆𝑟),

выше 6050С — кубическая объемно-центрированная модификация. Температу-

ра плавления — 7680С, Температура кипения - 13900С. Химические свойства.

По свойствам стронций близок к кальцию и барию, занимая промежуточное

положение между ними. Металлический стронций быстро окисляется на возду-

хе, образуя желтоватую плёнку, в которой помимо оксида SrO всегда присут-

ствуют пероксид SrO2 и нитрид Sr3N2. При нагревании на воздухе загорается,

порошкообразный стронций на воздухе склонен к самовоспламенению. Влия-

ние на организм человека. Не следует путать действие на организм человека

природного (нерадиоактивного, малотоксичного и более того, широко исполь-

67

зуемого для лечения остеопороза) и радиоактивных изотопов стронция. Изотоп

стронция 90Sr является радиоактивным с периодом полураспада 28.9 лет. 90Sr

претерпевает 𝛽-распад, переходя в радиоактивный (период полураспада 64 ч.)

Полный распад стронция-90, попавшего в окружающую среду, произойдет лишь

через несколько сотен лет. 90Sr образуется при ядерных взрывах и выбросах с

АЭС. По химическим реакциям радиоактивный и нерадиоактивные изотопы

стронция практически не отличаются. Стронций природный — составная часть

микроорганизмов, растений и животных. Независимо от пути и ритма поступле-

ния в организм растворимые соединения стронция накапливаются в скелете. В

мягких тканях задерживается менее 1 %. Путь поступления влияет на величину

отложения стронция в скелете. На поведение стронция в организме оказывает

влияние вид, пол, возраст и другие факторы. Например, в скелете мужчин от-

ложения выше, чем в скелете женщин. Стронций является аналогом кальция.

Обмен стронция изменяется при некоторых заболеваниях органов пищеварения

и сердечно-сосудистой системы.

5.3 Вывод

В данной работе в качестве исследуемого сегнетоэлектрика, использова-

ли твёрдый раствор 𝐵𝑎𝑥𝑆𝑟1−𝑥𝑇𝑖𝑂3. На основании данной главы можно сделать

следующие выводы. Если рассматривать непосредственный контакт человека с

отдельными компонентами твёрдого раствора, то наибольшую опасность при-

чиняют стронций и барий.

Радиоактивный стронций:

1. откладывается в скелете (костях), поражает костную ткань и костный

мозг, что приводит к развитию лучевой болезни, опухолей кроветворной

ткани и костей

2. вызывает лейкемию и злокачественные опухоли (рак) костей, а также

68

поражение печени и мозга Соединения бария вызывают воспалитель-

ные заболевания головного мозга и его мягкой оболочки. Действуют

также на гладкую и сердечную мускулатуру - влияют на миокард, вы-

зывая спазм сосудов

Следует подчеркнуть, что сам процесс получения этих компонент, может, яв-

ляться куда более вредным для окружающей среды, нежели влияние их при

контакте с человеком.

Что же касается предельной допустимой концентраций в воздухе рабочей

зоны, компонент твёрдого раствора 𝐵𝑎𝑥𝑆𝑟1−𝑥𝑇𝑖𝑂3, то в соответствии с СН 245-

71 и ГОСТ 12.1.007-76, они относятся ко 2-ой и 4-ой группам:

- 2-ая группа - высокоопасные - ПДК от 0.1 до 1мг/м3 (𝐵𝑎𝐶𝑙2 𝐵𝑎𝑇𝑖𝑂3)

- 4-ая группа- малоопасные - ПДК более 10мг/м3 (Ti; 𝑇𝑖𝑂2)

Проблема экологически чистых компьютеров особо актуальна. Решением

этой проблемы состоит:

- в выборе менее токсичных веществ при изготовлении комплектующих

- низкий уровень электромагнитных излучений и шума

- и снижение выделяемого им тепла, потребляемой электроэнергии

- легкость утилизации и возможность переработки отдельных компонен-

тов

69

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

∙ При ионно-плазменном осаждении диэлектрических покрытий, реали-

зованном в данной работе, зарождение островков и дальнейший рост

пленки, может происходить посредством двух механизмов массопере-

носа. А именно, массоперенос происходит посредством диффузии в га-

зовой фазе, или поверхностной диффузии компонентов, т.е. диффузии

атома по поверхности подложки до присоединения к островку.

∙ На начальном этапе осаждения многокомпонентной сегнетоэлектриче-

ской пленки в зависимости от режима осаждения, определяемого плот-

ностью потока компонентов на подложку, температурой и материалом

подложки, можно осуществить два вида островкового роста. Один -

рост достаточно гладких островков с малым критическим радиусом, ре-

ализуемый при поверхностной диффузии компонентов. Второй - рост

пирамидальных островков с большим разбросом толщины пленки на

покрытой части подложки. Он возможен при массопереносе посред-

ством газовой фазы.

∙ В зависимости от структуры и состава подложки время жизни ада-

тома на поверхности может меняться в широких пределах, приводя к

смене механизмов массопереноса, а следовательно, и роста. При силь-

ном взаимодействии адатомов с подложкой время жизни будет больше,

чем при слабом взаимодействии. Таким образом, на подложке с силь-

ной связью реализуется механизм поверхностной диффузии, приводя,

в итоге, к послойному росту пленки. При этом структура пленки стано-

вится мелкоблочной с близкими размерами блоков. При слабой связи

реализуется рост пирамидальных островков. В этом случае наблюдает-

ся сильный разброс островков по размерам.

∙ Для пленок, осажденных на сапфир при температуре подложки 800∘С

70

(образцы 1913-1918), начиная с толщины 6 нм, наблюдается полное по-

крытие подожки пленкой, но неоднородность толщины пленки 𝜎 суще-

ственно превосходит постоянную решетки BSTO, что говорит о преоб-

ладании островкового механизма зародышеобразования.

∙ При одном и том же времени осаждения при меньшей температуре

подложки наблюдается одновременное увеличение степени заполнения

пленкой подложки и уменьшение толщины островковой пленки (вы-

соты островков). Отклонение высоты островков от среднего значения

также уменьшается при снижении температуры осаждения. Это гово-

рит о том, что при снижении температуры подложки происходит смена

механизма массопереноса с диффузии через газовую фазу на поверх-

ностную диффузию, что приводит к снижению скорости образования

островков. Площадь островков растет быстрее чем их высота в силу

присоединения дифундирующих по поверхности атомов к боковой по-

верхности островков. Данный процесс противоположен присоединению

атомов из газовой фазы к верхней поверхности островков при высокой

температуре осаждения.

∙ Сравнительный анализ спектров обратно рассеянных ионов каналиро-

анного и случайно ориентированного пучков говорит о том, что мини-

мальный выход 𝑋𝑚𝑖𝑛 для ионов 𝐻𝑒+ близок к единице, т.е. каналиро-

вание практически отсутствует. Это объясняется тем, что поверхность

сапфира r-среза (1102) характеризуется ромбоэдрической решеткой, не

согласующейся с решеткой BSTO ни по форме, ни по размерам.

Таким образом, выполненные методом РОР исследования начальных ста-

дий роста пленок 𝐵𝑎𝑥𝑆𝑟1−𝑥𝑇𝑖𝑂3 позволили выявить ряд особенностей этого про-

цесса, определяемых как согласованием между пленкой и подложкой по разме-

рам и форме кристаллических решеток, так и технологическими параметрами

осаждения.

71

ЛИТЕРАТУРА

1. L.C. Feldman, J.W. Mayer, S.R. Picraux. Materials Analysis by Ion Channeling.

Academic Press, N.Y. (1992). 300 p.

2. D. Huttner, O. Meyer, J. Reiner, G. Linker. Nucl. Instr. Meth. B 118, 578 (1996).

3. H. Ishiwara, S. Furukawa. J. Appl. Phys. 47, 4, 1686 (1976).

4. В.В. Афросимов, Р.Н. Ильин, С.Ф. Карманенко, В.И. Сахаров, А.А. Семенов,

И.Т. Серенков, Д.В. Яновский. ФТТ 41,4, 588 (1999).

5. В.В. Афросимов, Р.Н. Ильин, С.Ф. Карманенко , В.И. Сахаров, И.Т.

Серенков Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 6.

Влияние свойств подложек на морфологию нанометровых пленок

𝐵𝑎𝑥𝑆𝑟1−𝑥𝑇𝑖𝑂3

6. Дисперсионные системы на поверхности твердого тела

7. R.A. McKee, F.J. Walker, E.D. Specht, G.E. Jellison, L.A. Boatner. Phys. Rev.

Lett. 72, 17, 2741 (1994).

8. Физико-химические процессы в технологии РЭА. В.Н. Черняев. 1987.

72