Н. А. Назарбаева народу Казахстана
жүктеу/скачать 35,33 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ПРИ ТЕМПЕРАТУРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ Аннотация.
- Результаты и их обсуждение
- Морфология поверхности кремния (с) после температурного воздействия
- Кремний бетінің температуралық әсерінен түрленуі Аңдатпа
- Surface modification of silicon at temperature influence Summary
- Key words
- ОПЕРАТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ РАЗМЕРНО-СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА
- Синтез пленок ZnO с различной концентрацией ионов цинка в пленкообразующем растворе
- Исследование поверхности тонких пленок оксида цинка на АСМ
- Компьютерный анализ снимков с АСМ с использованием самоорганизующих карт Кохонена –Growing Hierarchical Self-Organizing Maps (GHSOM)[7,8,9].
25, 114 (1958) 17. Keller A., O’Connor A. Large periods in polyethylene: the origin of low-angle X-ray scattering // Nature (London), 180, 1289 (1957) 18. Keller A., Priest D.J. On the effect of annealing on the chain end in single crystals of polyethylene // J. Polym. Sei, B, 8, 13 (1970) 19. Turnbull D., Fisher J.C., Rate of nucleation in condensed systems. // J.Chem. Phys., 17, 71, (1949) 20. Turnbull D., Kinetics of heterogeneous nucleation // J. Chem. Phys., 18, 198 (1950) 21. Hoffman J.D., Weeks J.J. // J. Chem. Phys., 37, 1723 (1962). 22. Hoffman J.D., Williams G., Passaglia E. // J. Polym. Sci., c.14, 173(1966) 23. Hoffman J.D., Weeks J.J. // J. Chem. Phys., 42, 4301 (1965). 24. Hoffman J.D., Lauritzen J.I., Passaglia E., Rase G.S., Frolen L.J., Weeks J.J. // Kolloid J.J. Polymer, 231, №1, 564, (1969) 25. Mandelhern L., Quinn F.A., Flory P.J. Crystallization kinetics in high polymers // J. Appl. phys., 25, №7, 830-839 (1954) 26. Mandelhern L., Jain N.L., Kim H. // J. Polym. sci., A2, 6, 165 (1968) 27. Flory P.J. Vry // J. Am. chem. Soc., 85, 3548 (1963) 28. Flory P.J. Thermodynamics of high polymer solution // J. Chem. Phys. 9, 660 (1941) 29. Flory P.J. Thermodynamics of crystallization in high polymers. // J. Chem. Phys., 17, 223 (1949) 30. Flory P.J. On the morphology of the crystalline state in polymers // J. Amer. Chem. Soc., 84, 2857 (1962)
Асаубеков М.А., Марисова Д.Д., Дуйсембай Н.С. Полимерлердің ортада кристалдауын, кристалдау кинетикасын және еруін зерттеу Аңдатпа. Изотактикалық полипропилен (ПП) мен жоғары тығыздықты полиэтиленнің (ЖТПЭ) тұтқыр еріткіш – вапорда кристалдануы және кристалдау кинетикасы зерттелді. ПП мен ПОЭ кинетикалық параметры – E g
құрылымдардың қалыңдығы 10 нм ламельден (пластинадан) түзілетіні дәлелденді. Кілтті сөздер: тұтқыр еріткіште кристалдау және улау, ламельдер, фабриллалар, дендриттер, сферолиттер, құрылымдану механизмі. Asaubekov M.A., Marisova D.D., Dusembay N.S. Izothermcrystallization and solving polymers in wiscous media Summary. Held isothermal crystallization and dissolution of isotactic polypropylene (PP) and high density polyethylene (HDPE) in a highly viscous solvent - Vapor, the latter is considerably slowed down the process of crystallization and dissolution. Therefore udaloos optical and electron microscopy to photograph the initial stages of structuring polymers fibrils, dendrites, spherulites and single crystals. Investigations kinetic of crystallization of polymers in viscous media. Proved that the structural element of the growth of these supramolecular structures is the lamella (plate) with a thickness of 10 nm. Key words: crystallization and etching of polymers viscous solvent, lamellas, fibrils, dendrites, spherulites, the mechanism of structure formation.
487 УДК 536.4: 621.373. Кошеров Т.С., Ермолаев В.Н., Мута А.Н. Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева, г.Алматы, Республика Казахстан
модификация поверхности кремния при температуре 600 и различного времени термоотжига. Установлено, что при этих условиях обработки образца, наблюдается структурное изменение параметров структуры и разрушение поверхностного слоя. Высказаны возможные физико-химические процессы.
Эффективность работы полупроводниковых приборов на основе кремния существенно зависит от свойств и структуры кремниевой подложки, от качества ее поверхности. В частности, качество поверхности зависит от различных видов ее обработки, что обуславливает неоднозначную модификацию поверхности кремния. Температурная обработка обуславливает изменение объемной поверхностной структуры кремния за счет образования и диффузии точечных дефектов, движения и размножения дислокаций, увеличения подвижности поверхностных атомов. В то же время при температурном воздействии такие параметры как скорость нагревания и охлаждения, длительность воздействия, внешняя среда, могут обуславливать неоднозначные изменения в структуре и поверхности кремния. Можно наблюдать образование кислородных преципитатов |1|, вступление кремния в реакцию с кислородом, углеродом и другими компонентами окружающей атмосферы и примесями образца с образованием различных силицидов |2|. Возникшие термические напряжения и градиенты температур, сказываются на состоянии поверхности и структуры кремния |3,4|. Цель настоящей работы – выявить особенности модификации поверхности полупроводникового кремния под влиянием фиксированного (600 ) температурного воздействия и варвируемого времени прогрева.
В качестве исследуемого материала использовали поликристаллический полупроводниковый кремний (с) Si в виде пластин размером 1с и удельным сопротивлением 3 Ом . Образцы подвергали термической обработке в атмосфере воздуха при температуре 600 , а время варьировалось: t=10, 30, 60, 120, 240, 360 минут. Рентгенографические исследования выполнены на рентгеновском дифрактометре X`Pert PRO фирмы Phillips. Морфология поверхности кремния исследовалась посредством электронного микроскопа.
Структурные изменение кремния при температурном воздействии. Исследования структурного параметра при температуре прогрева образца (600 и различном времени температурного воздействия (Рис.1) показали, что этот параметр претерпевает небольшое изменение только при 240-минутном времени воздействия. Если рассмотреть изменение площади
пика рентгенографического спектра Si (Рис.2), то видно, что минимумы их значений приходятся на t=30 и 240 минут при данной температуре прогрева, тогда как максимумы значений S соответствуют t=60, 120 минут прогрева (Рис.2). При исследовании структур изучаемых образцов кремния обнаружено небольшое изменение межплоскостного расстояния d в зависимости от времени температурной обработки образца (Рис.3). Так, при 30-минутном прогреве образца при T=600 замечено изменение d. Дальнейшее прогревание кремния не приводит к заметному изменению d. Таким образом, структурное изменение при наших условиях температурного воздействия на кремний весьма незначительное. Однако, изменение площади S пика кремния в рентгенографическом изображении спектра (Рис.2) указывают на протекание некоторых процессов на поверхности и при поверхностном слое образца кремния. Более детально можно понять, если рассмотреть (Рис. 3), что при 10-минутном прогревании образца
488 кремния, появляется на поверхности диоксид кремния, который по мере увелечения времени действия температуры нарастает по величине. Причем, заметное увеличение начинается при t=60минут и достигает своего максимального значения при t=120 и 240 минут (Рис.2). Установлено также, что диоксид кремний появляется на поверхности образца также в виде других полимерных модификации - , стишовита (t=120 минут), кристоболита (t=240 минут). При наших условиях термообработки кремния на поверхности, наряду с , появляется оксид кремния ), количество которого максимально по своему значению при t=30 минутной термообработке, затем идет заметный его спад (Рис.3). Обнаружено также на поверхности кремния при t=60 минутной термообработке появление кремневодорода (силана), (Рис.2). Появление оксида кремния примечательно тем, что обладая большой энергией связи с кислородом 464кДж/моль, обуславливает стойкость его кислородных соединений на поверхность при температуре 600 С. Таким образом, температурное действие на образцы кремния в зависимости от времени термообработки выявляют появление на поверхности кремния диоксида и оксида кремния, а также силана. Их появление и значение изменяются в зависимости от времени и термоотжига образца. Морфология поверхности кремния (с) после температурного воздействия В процессе термоотжига при 600 и различном времени термообработки образца на поверхности появляются сначала темные пятна в виде точек, которые по мере увеличения времени термоотжига увеличиваются и в размерах и по числу на всей поверхности
прогрева Si при
T=600 , происходит изменение параметра и ее площади S, указывающей на то, что в процессе нагревания Si изменяется дефектность приповерхностного слоя и соответственно, связанное с дефектами внутреннее напряжение. Именно в этот период параметр претерпевает небольшой скачок |Рис.1|.
Рис.2. Рентгенографический спектр кремния при 120 минутном термоотжиге
Рис.1. Изменение полуширины и площади пиков спектра кремния, а также межплоскостное расстояние в зависимости от времени термоотжига
Начиная с t=120, затем t=240 и t=360 минут идет
процесс разрушения поверхностного слоя
с образованием размеры которых
достигают 7,95микрометров (240 мин). В основном, это образования диоксида кремния в
пределах 4,92микрометров и в большинстве образовании
в
2,06 микрометров. Появившиеся сначала в виде черных точек, затем увеличенные в размерах, приобретают в середине наиболее темные и по краям
более светлые
образования, опоясывающие само образование. Такими образованиями практически усыпана вся поверхность исследуемого образца. Эти образования, как показывают наши исследования |2,3|, объединяются и образуют игольчатые и пирамидальные формы поверхностного образования. Если сопоставить эти результаты с изменениями структурных параметров, то видно, что в этих пределах времени
489 Таким образом, можно однозначно предположить, что при термообработке Si (600 ) и времени от 120 до 360 минут появляется дефектность приповерхностного слоя и связанное с ним внутреннее напряжение. Если сопоставить с результатами исследовании образований на поверхности Si, то можно однозначно заключить, что в интервале t 120-240
минут образование
наибольшее |Рис.3|. По нашему мнению, при данной обработки Si начиная с 30 минут до 120 минут идет процесс образования на поверхности образца, а затем поверхность «разрывается» в виде «вулканического извержения» выбрасывая наружу
образовавшиеся другие
полимерные модификации из приповерхностного слоя образца
|Рис.3|. Это
обуславливает наличие значительного градиента температур в различных участках поверхности Si.
а) б) Рис.4. Электронномикроскопические снимки кремния при термоотжиге 600 : а) 120 минут; б) 240 минут Модификация поверхности (с) Si кремния при изотермическом воздействии реализует термически активируемые процессы, которые переводят структуру кремния в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией. Если учесть, что реальная поверхность и структура приповерхностного слоя кремния не идеальная и в ней изначально содержится точечные дефекты, микродефекты и дислокации, то термическое воздействие такой системы повышают структурное совершенство кремния, за счет стоков точечных дефектов к дислокациям, межфазным границам |5|. Таким образом, термически активируемые движения дислокации обуславливают их выход на поверхность, а затем к гомогенизации поверхности за счет стока дислокаций к дефектным областям. При отжиге в 600 в зависимости от времени термообработки образца на поверхности мы видим, как сформировалась пленка из разных полимерных модификаций ,также редко встречающийся процесс проявления оксида кремния SiО, силана (SiН), образование которых обуславливает не только взаимодействие кремния с кислородом атмосферы и мигрирующиеся из объема образца а также более сложные физико-химические процессы, что ранее не были замечены при других условиях термоотжига (с) Si. Заключение Результаты исследования показали, что при изотермическом воздействии поверхность кремния модифицируется по разному. Отжиг при 600 в зависимости от времени активирует движение и перераспределение дислокаций на поверхности кремния, способствует гомогенизации поверхности и формированию пленки из различных полимерных модификаций , а также оксида кремния и силана. Появление разрушений поверхности кремния обуславлено наличием значительного градиента температур на различных участках поверхность образца.
490 ЛИТЕРАТУРА 1. Светухин, В.В. «Моделирование современных перспективных кремниевых технологий, основанных на управлении процессами кластеризации и преципитации кислорода в кремнии»// – Ульяновск: УлГУ, 2006. – 108 с. 2. Кошеров Т.С., Тлеумуратова К.Т. «Стимулирование температурным воздействием изменений физических характеристик кремния» // Сб.трудов международной научно-практической конференции, посвещенной научно-педагогической деятельности академика А.Д.Тайманова./ Кызылорда. 2013. с.440-444. 3. Кошеров Т.С., Ермолаев В.Н, Тлеумуратова К.Т., Сеитов А.С. //«Стимулирование изменений физических характеристик кремния лазерным воздействием». -Алматы , ж. Вестник КазНТУ, 2014. №2. с. 328-334 4. Горелик С.С., Дашевский М.Я. //Материаловедение полупроводников и диэлектриков. – Москва: Металлургия, 1988. –574 с. 5. Ашиккалиева К.Х.,
Каныгина О.Н.,
Васильченко А.С.
//Модификация поверхности монокристаллического кремния при изотермическом и лазерном отжигах. Вестник ОГУ , 2012. №9. с.96-100.
REFERENCES 1. Svetuhin V.V., Simulation of modern-looking silicon technologies based on process management and clustering of oxygen precipitation in silicon. - //Ulyanovsk Ulyanovsk State University, 2006 - 108 p. 2. Kosher T.S. //"The destruction of the silicon surface at the temperature and laser irradiation." 3. Kosher T.S., Tleumuratova К.Т. Stimulation of the influence of temperature changes in the physical characteristics of the silicon. //Sb.trudov International scientific-practical conference. is dedicated. science teacher. by Academicа A.D.Taymanova./ Kyzylorda. 2013 s.440-444. 4. Gorelik S.S., Dashevskii M.J.// Materials science of semiconductors and dielectrics. - Moscow: Metallurgy, 1988. -574 p. 5. Ashikkalieva K.H., Kanygina O.N., Vasil'chenko A.S.// Surface modification of monocrystalline silicon under isothermal and laser annealing. Vestnik OSU 2012.№9.s.96-100.
Көшеров Т.С.,Ермолаев В.Н.,Мүтә А.Н.
қашықтық зерттелді. Қабат беті кезіндегі заттың құрамы әр түрлі уақыттағы термоөңдеу кезінде жартылай мөлшерлі талдау нәтижелері қарастырылды. Олардың құрылу механизмі айтылды.
Kosher T.S., Yermolaev V.N., Muta A.N. Surface modification of silicon at temperature influence Summary: The changes in the structural parameters: the half-width, area and distance between planes. The results of semi-quantitative analysis of substances in the surface layer with different thermal annealing time. Expressed mechanisms of their formation.
УДК 539.216; 538.975 Мить К.А., Аргынова А.Х., Локтионов А.А., Мухамедшина Д.М Физико-технический институт, г. Алматы, Республика Казахстан mit@sci.kz
параметров при технологическом процессе синтеза металлооксидных пленок. Анализ матриц данных АСМ проведен методами непрерывного вейвлет-преобразования и самоорганизованной классификации. Полученный анализ подтвержден данными экспериментальных исследований. Ключевые слова: металлооксиды, золь-гель технология, тонкие пленки, плазменная модификация, атомно-силовой микроскоп, структурно-размерные характеристики, компьютерный анализ
В настоящее время активно ведутся работы по поиску способов получения материалов с заданными свойствами. Наноструктуры оксидов металлов привлекли внимание из-за большого разнообразия физических свойств, которыми они обладают. Анализ результатов технологических процессов синтеза
491 пленок металлооксидов требует исследований электрофизических, оптических, морфологических и структурно-размерных характеристик, т.е.
требует использования совокупности различных измерительных платформ, и, следовательно, значительных затрат времени и средств. Оценка размерно- морфологических корреляций открывает путь для реализации математико-компьютерными средствами плодотворной идеи создания нанолаборатории на одной измерительной платформе [1], в которой можно было бы получать набор и морфологических, и размерно-структурных характеристик пленок. Последнее десятилетие ознаменовались развитием новых возможностей этого направления. Сканирующая зондовая или атомно-силовая микроскопия (АСМ, СЗМ) прошла быстрый путь развития от выдающегося изобретения (Нобелевская премия 1986г.) до фактически стандартного научного и технологического оборудования исследований нанообъектов и свойств поверхностей со сверхвысоким разрешением. Развитию структурной аналитики пленок на базе цифровых данных СЗМ и посвящена настоящая статья. Структурные характеристики объектов важны наравне с данными о вещественном составе. Это особенно правильно для нанообъектов. В экспериментальной физике и технологиях накоплен богатый арсенал рентгеноструктурных, оптических и других средств и методов исследования структуры вещества. Последние годы ознаменовались развитием новых возможностей этого направления. На основе современных методов самоорганизованной нейросетевой классификации и масштабно-временной декомпозиции эволюции неравновесных процессов развиты возможности базовой аналитики сканирующей зондовой микроскопии [2-4]. Разработаны новый оригинальный подход и комплекс компьютерных средств оперативной оценки размеров кристаллитов с повышенной точностью, – соответствующей результатам работы сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) с десятикратно более острым наконечником кантилевера [5-7]. В работе [5] приведены результаты применения нами компьютерного анализа для обработки данных АСМ пленок ZnO, подвергнутых плазменной обработке. Плазменная обработка представляет исключительно важное средство модификации свойств тонких металлооксидных пленок. Размерные характеристики кристаллитов изучались в зависимости от времени воздействия водородной плазмой тлеющего разряда на синтезированные золь-гель методом пленки оксида цинка. Корреляционные оценки были получены на основе эффективных методов спектрального анализа и кластеризации. Все компьютерные подходы и разработки были выполнены на основе данных сканирующей зондовой микроскопии, нейронных вычислительных сетей и вейвлет – анализа в среде международной программной платформы MATLAB [2]. Полученные в результате обработки данные подтвердили достоверность проведенного компьютерного анализа. Разработанный комплекс компьютерных программ для обработки результатов измерений на АСМ подробно представлен в статье [6]. В данной статье описывается использование комплекса средств и методов математической обработки для количественного изучения корреляций между морфологией поверхности и структурными характеристиками тонких пленок оксида цинка, осажденных из пленкообразующих растворов с различной концентрацией ионов цинка, для совершенствования технологии создания прозрачных проводящих пленок оксида цинка.
Способы формирования оксидов металлов существенно влияет на структуру, морфологию поверхности и их электрофизические свойства. Среди различных физико-химических методов осаждения тонких фильмов золь-гель процесс имеет определенные преимущества по сравнению с другими методами из-за превосходного контроля состава, однородности на молекулярном уровне, простота процесса легирования примеси, высокой пористости и малых размеров кристаллитов синтезированных пленок. Золь-гель метод, представляющий собой один из широко используемых методов мокрой химии, позволяет кардинально менять свойства материала при незначительных изменениях технологических условий. Благодаря хорошей гибкости технологического процесса золь-гель технологии изменения, вводимые на начальных стадиях процесса, позволяют получать конечные пленки с заданными структурными характеристиками [8]. Для получения пленкообразующего раствора использовался изопропанол с добавлением моноэтаноламина (МЭА), в качестве комплексообразующего агента. Раствор перемешивался при Т= 50°C со скоростью 150 об/мин в течение часа. Созревание происходило в течение 24 часов при комнатной температуре. Были изготовлены растворы с концентрацией ионов цинка 0.1; 0.3; 0.5 и 0.7 моль/л. Затем аликвоты вышеуказанных растворов объемом 0.2 мл наносились на поверхность предварительно очищенных стеклянных подложек. Осажденный центрифугированием на подложки (микроскопные слайды Corning 7059) пленкообразующий раствор позволил вырастить достаточно однородные пленки при различных концентрациях ионов цинка с преимущественной ориентацией
492 вдоль оси с. Время центрифугирования 20 сек. Каждый слой был подвергнут 10 минутному отжигу в муфельной печи при температуре 275°С. Окончательный отжиг проводился при 500°С в муфельной печи 1 час. Количество осажденных слоев пленки 5. Толщина осажденных пленок была ~200 нм.
Морфология поверхности тесно связана с механизмом роста и реальной структурой кристаллитов. Топография поверхности была исследована на атомно-силовом микроскопе JSPM - 5200 (JEOL, Japan) с применением полуконтактного AFM метода при комнатной температуре с использованием кантилеверов NSC35 AlBS. Данные были получены при атмосферном давлении и комнатной температуре. На рисунке 1 (а, б, в, г) представлена топография пленок 500х500 нм, полученных из раствора с концентрацией ионов цинка 0.1 моль/л; 0.3 моль/л; 0.5 моль/л и 0.7 моль/л, осажденных на микроскопные стеклянные слайды.
а) − 0.1 моль/л; б) − 0.3 моль/л; в) − 0.5моль/л и г) − 0.7 моль/л Рисунок 1 –Изображения поверхности пленки ZnO (500х500нм) в зависимости от концентрации ионов цинка в пленкообразующем растворе Компьютерный анализ снимков с АСМ с использованием самоорганизующих карт Кохонена –Growing Hierarchical Self-Organizing Maps (GHSOM)[7,8,9]. Для оперативного изменения параметров технологического процесса с целью получения пленок ZnO с требуемыми параметрами был разработан компьютерный анализ изображения поверхности синтезированных пленок оксида цинка. Полученные данные в цифровом формате были введены на вход блока кластеризации.
жүктеу/скачать 35,33 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|