Современный мир невозможно представить без технологий, приборов и устройств микро и наноэлектроники, к которым относятся новейшие образцы быстродействующих процессоров, мощные полупроводниковые лазеры, оптоэлектронные и фотонные транзисторы, высокоэффективные фотоприемные элементы и принципиально новое медицинское оборудование и инструменты. С каждым годом эта область электронной промышленности развивается все стремительнее и стремительнее.
В последнее десятилетие отечественной наноиндустрии стало уделяться большое внимание, как со стороны государственных структур, так и со стороны коммерческих организаций, активно занимающихся исследованиями, разработками и внедрением различного вида изделий. Однако, не смотря на их поддержку, материально-техническая база многих российских институтов, осуществляющих подготовку специалистов в области микро и наноэлектроники, все еще заметно отстает в своем развитии от зарубежных заведений. В связи с этим оснащение технологическим и исследовательским оборудованием учебных лабораторий является актуальной задачей в системе высшего профессионального образования, решение которой позволит повысить не только качество учебного процесса при подготовке кадров, но и качество проводимой в институтах научно-исследовательской работы.
При отсутствии возможности приобретения высокотехнологического оборудования для выполнения исследований в рамках приоритетных направлений развития науки, технологии и техники в Российской Федерации, для инновационной деятельности и для учебных занятий оснащение лабораторий должно происходить трудовыми коллективами институтов за счет собственных разработок.
Кафедра «Нано− и микроэлектроника» Пензенского государственного университета функционирует в подобных условиях. Учеными кафедры в последнее десятилетие проводятся фундаментальные и прикладные исследования по следующим направлениям:
1. «Получение и исследование наноструктурированных материалов».
2. «Разработка и изготовление автоматизированных измерительных систем для исследования наноструктурированных материалов».
По первому направлению успешно ведутся работы по реализации химических методов (золь-гель метод [1], анодное оксидирование [2] и др.) формирования композитных материалов, пористых матриц для использования их в качестве чувствительных элементов датчиков давления, сенсоров влажности и газа.
На кафедре разработаны уникальные лабораторные стенды для измерения электрофизических параметров полупроводниковых структур методом вольт-фарадных характеристик, методом эффекта Холла, стенды для исследования фотоэлектрических явлений в полупроводниках, характеристик газовых сенсоров и т. д. Измерительные системы выполнены на базе персональных компьютеров и имеют программно-методическое обеспечение. Автоматизированный режим во время эксперимента обеспечивает проведение исследований с последующей математической обработкой параметров изучаемых объектов [3]. На рисунке 1 в качестве примера представлена фотография стенда для исследования полупроводниковых материалов методом эффекта Холла.
Совместно с зондовой микроскопией данные измерительные системы позволяют установить корреляцию условий получения материалов микро и наноэлектроники с морфологией поверхности, с электрофизическими свойствами, и, следовательно, с выходными параметрами приборов и устройств на их основе.
Рис. 1. Фотография стенда для исследования полупроводниковых материалов методом эффекта Холла
Последней на сегодняшний день разработкой кафедры является экспериментальная установка, реализующая метод спрей пиролиза, который считается одним из перспективных способов получения различных классов наноструктурированных материалов.
Данный метод в основном используется для формирования тонких пленок простых оксидов металлов (ZnO, SnO2, TiO2, ZrO2, и др.), имеющих широкое практическое применение в качестве прозрачных электропроводящих и антибликовых покрытиях, чувствительных элементов газовых сенсоров, структур для оптоэлектроники, твердооксидных топливных элементов и фотоэлектрических преобразователей. Также спрей пиролизом можно получать пленки смешанных оксидов (SrTiO3, Pb(ZrxTi1−x)O3), бинарных халькогенидов (CdS, CdSe, CdTe), сверхпроводящие оксидные пленки (YBa2Cu3O7-x) и др. [4, 5].
Формирование пленок в случае спрей пиролиза происходит в результате термического разложения прекурсоров, содержащихся в аэрозоле при его распылении на нагретую подложку. По сравнению с другими методами спрей пиролиз обладает такими преимуществами, как простота используемого оборудования, экономичность, легкость регулирования скорости осаждения, толщины и процесса модифицирования пленок, возможность формирования сложных по составу пленок, потенциал для массового производства и т. д.
Разработанная авторами экспериментальная установка (рисунок 2) состоит из следующих основных элементов: а) реакционной камеры, б) пневматического распылителя жидкостей, в) нагревателя подложек и г) автоматизированной системы стабилизации температуры нагревателя.
Рис. 2. Структурная схема экспериментальной установки для спрей пиролиза
Распылитель предназначен для образования капель аэрозоля, и принцип его работы основан на эффекте Вентури. Нагреватель необходим для обеспечения реакции разложения прекурсора требуемой тепловой энергией. Нагревательным элементом является резистивная спираль, уложенная внутри каналов плоского керамического корпуса. Распылитель и нагреватель располагаются внутри реакционной камеры, поэтому именно в ней протекают основные этапы, приводящие к формированию пленки на подложке: а) распыление раствора прекурсора, б) движение капель аэрозоля к нагретой подложке с одновременным испарением растворителя, в) разложение прекурсора [6]. На рисунке 3 изображена фотография разработанной установки.
Рис. 3. Фотография экспериментальной установки для спрей пиролиза
Система стабилизации температуры нагревателя используется для управления нагревом и включает в себя электронный блок и приложение, разработанное в средеграфического программирования LabVIEW. В системе возможен ручной и автоматический режим работы. При использовании ручного режима, пользователь самостоятельно может управлять мощностью, подаваемой на нагревательный элемент. А в случае автоматического режима, пользователем только вводится определенное значение температуры нагревателя, при достижении которой система переходит в режим стабилизации, и тогда температура удерживается на длительный промежуток времени за счет автоматического регулирования мощности. Стоит отметить, что данная система также используется и в других экспериментальных установках, разработанных на кафедре, например для термического окисления кремниевых пластин и для измерения характеристик газовых сенсоров.
Структура и свойства получаемых пленок (толщина, морфология поверхности, размер и ориентация кристаллитов, электрофизические характеристики и т. д.) зависят от следующих технологических режимов: а) температуры подложки, б) состава, концентрации и объема распыляемого раствора, в) параметров распыления [7, 8]. Путем направленного подбора этих режимов можно добиться формирования пленок, состоящих из кристаллитов нанометрового размера, достигая тем самым изменения свойств получаемых материалов и, следовательно, функциональных характеристик приборов и устройств, в которых они используются.
В настоящее время на кафедре ведутся работы по изучению физико-химических закономерностей формирования пленок из простых и смешанных оксидов металлов и установлению корреляции между их свойствами и различными режимами получения. Исследования проводятся с помощью сканирующего электронного и атомно-силового микроскопа. В результате данных работ методом спрей пиролиза будут получены материалы микро и наноэлектроники с управляемыми свойствами.
Литература:
1. Пронин И. А. Управляемый синтез газочувствительных пленок диоксида олова, полученных методом золь-гель-технологии // Молодой ученый. — 2012. — № 5. — С. 57–60.
2. Аверин И. А., Губич И. А., Печерская Р. М. Формирование и исследование пористых оксидных пленок на алюминии // Нано− и микросистемная техника. — 2012. — № 6 (243). — С. 11−14.
3. Автоматизированные лабораторные стенды [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://dep_nime.pnzgu.ru/page/1555
4. Pramod S. Patil. Versatility of chemical spray pyrolysis technique // Materials Chemistry and Physics. — 1999. — № 59. — P. 185–198.
5. Kozhukharov S., Tchaoushev S. Spray pyrolysis equipment for various applications // Journal of Chemical Technology and Metallurgy. — 2013. — Vol. 48. — P. 111–118.
6. Кондрашин В. И., Метальников А. М., Печерская Р. М., Соловьев В. А. Аппаратное обеспечение метода спрей пиролиза // Университетское образование (МКУО−2014): сборник статей XVIII Международной научно-методической конференции — Пенза: Изд-во ПГУ, 2014. — С. 290–292.
7. Печерская Р. М., Печерская Е. А., Соловьев В. А., Метальников А. М., Кондрашин В. И. Синтез и свойства нанокристаллических пленок диоксида олова, полученных методом пиролиза аэрозолей // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико–математические науки. — Пенза: Изд–во ПГУ, 2012. — № 4. — С. 237–241.
8. Korotchenkov G., Brinzari V., Schwank J., DiBattista M., Vasiliev A. Peculiarities of SnO2 thin film deposition by spray pyrolysis for gas sensor application // Sensors and Actuators B. — 2001. — Vol. 77. — P. 244–252.
