Разработка основ лазерно и магнитостимулированной технологии электроосаждения ni/bi2te3 контактов термоэлементов пельтье

На правах рукописи

Веприков Владимир Иванович

РАЗРАБОТКА ОСНОВ ЛАЗЕРНО И МАГНИТОСТИМУЛИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ Ni/Bi2Te3

КОНТАКТОВ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ ПЕЛЬТЬЕ

Специальность 05.27.01 – «твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Таганрог

2008

Работа выполнена в Технологическом институте

Южного федерального университета

в г. Таганроге

на кафедре “Технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры”

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

А.М. Светличный (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Червяков Георгий Георгиевич, ТТИ ЮФУ, г. Таганрогкандидат технических наук, с.н.с.

Гусев Борис Алексеевич, ФГУП НИИ Связи, г. Таганрог

Ведущая организация – ОАО Завод полупроводниковых приборов, г.Нальчик

Защита состоится «29» декабря 2008 г. в 10 ч. 20 мин. на заседании

диссертационного совета Д212.208.23 Южного федерального

университета в г. Таганроге по адресу: 347928, г. Таганрог,

ул. Шевченко,2, ауд. Е-306

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке

Южного федерального университета.

Автореферат разослан «28» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Н.Н. Чернов

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Важнейшей задачей твердотельной электроники является обеспечение хороших адгезионных и электрофизических свойств контактных площадок на различных диэлектрических и полупроводниковых подложках.

Из многообразия методов получения плёночных контактов, наиболее простым и недорогим является электроосаждение. Этот метод используется при изготовлении контактов термоэлементов на основе эффекта Пельтье, которые нашли применение в качестве элементной базы устройств для термостабилизации технологических процессов в электрохимии, изготовлении компактных, экономичных охлаждающих и термогенерирующих устройств в автомобильной и авиационной технике, в компьютерной технике для охлаждения процессоров; утилизации тепловой энергии от любых источников в полевых условиях в электрическую энергию и энергию электромагнитного излучения. В сочетании с экономичными фотоэлектрическими модулями, использование термоэлементов на основе эффекта Пельтье позволяет расширить диапазон применения изделий от приборов бытового назначения до использования в качестве элементов космических технологий.

Однако стандартный технологический процесс электроосаждения контактов термоэлементов Пельтье не обеспечивает требуемую адгезию и паяемость, контактные площадки имеют высокую пористость и высокое переходное сопротивление. Поэтому для улучшения характеристик контактов необходимы альтернативные методы электроосаждения контактов с использованием лазерных технологий и магнитных полей, которые широко используются в микроэлектронике при изготовлении СБИС, на операциях отжига ионно-легированных слоёв, формирования контактно-металлизационной системы, изготовления изоляции, геттерирования, рекристаллизации поликристаллических слоёв и др.

В работе предлагается метод получения металлических плёнок с улучшенными функциональными свойствами, основанный на применении совместного, комплексного действия на процесс электроосаждения лазерного излучения и постоянного магнитного поля.

Элементы коммутации функциональных узлов приборов твердотельной электроники применяются во многих приборах твердотельной электроники, и методы, предлагаемые для решения частной задачи электроосаждения низкоомных Ni/Bi2Те3 контактов, являются перспективными для повышения качества широкого класса элементов коммутации. Поэтому разработка перспективных методов на основе лазерных и магнитных потоков для создания приборов твердотельной электроники, отвечающих современным эксплуатационным требованиям, является актуальным.

Цель работы: разработка основ технологии электроосаждения никелевых контактов на теллуриде висмута с использованием магнитного поля и лазерного излучения для термоэлементов на основе эффекта Пельтье.

Задачи диссертационной работы

1. Исследовать влияние лазерного излучения и постоянного магнитного поля на кинетику и закономерности электроосаждения никелевых контактов термоэлементов Пельтье.

2. Разработать математическую модель процесса электроосаждения Ni/Bi2Те3 контактов при комплексном действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

3. Разработать и изготовить установку для реализации технологии электроосаждения Ni/Bi2Те3 контактов при комплексном действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

4. Провести структурные и морфологические исследования никелевых контактов термоэлементов Пельтье, осаждённых при действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

5. Разработать технологический процесс электроосаждения Ni/Bi2Те3 контактов термоэлементов Пельтье, исследовать их характеристики при комплексном при действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

Научная новизна работы

1. Разработана математическая модель электроосаждения Ni/Bi2Те3 контактов при комплексном действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

2. Установлено влияние индукции постоянного магнитного поля на увеличение токов обмена, величину предельного тока в процессах электроосаждения никелевых контактов из водных растворов электролитов.

3. Показано, что использование совместного комплексного действия постоянного магнитного поля позволяет получить оптимальные характеристики осаждаемой плёнки.

4. Закономерности влияния режимов индукции постоянного магнитного поля и лазерного излучения на структуру и морфологию осаждаемой никелевой плёнки.

Практическая значимость

1. Определены режимы катодного осаждения Ni/Вi2Те3 контактов сформированных комплексным методом под воздействием постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

2. Разработан технологический процесс электроосаждения Ni/Bi2Te3 контактов под воздействием постоянного магнитного поля и лазерного излучения, который по своим параметрам превосходит стандартный технологический процесс.

3. Разработана программа “Электролиз” для расчёта влияния постоянного магнитного поля на скорость электроосаждения никелевых контактов.

4. Разработана установка лазерно – и магнитостимулированного электроосаждения плёнок, позволяющая получать воспроизводимые характеристики Ni/Bi2Te3 контактов.

5. Результаты работы были использованы в НПЦ “Элион” при изготовлении термоэлементов Пельтье, использованных в производстве полупроводниковых термогенераторов и холодильников различного назначения.

6. Установлены оптимальные температурные режимы термического отжига для увеличения коэффициента термо-ЭДС.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Метод аналитического исследования электроосаждения контактов стимулированного.

воздействием постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

2. Закономерности зависимости скорости электроосаждения от величины индукции постоянного магнитного поля и интенсивности лазерного излучения.

3. Метод ускорения электроосаждения контактов, основанный на стимулированном

воздействии постоянного магнитного поля и лазерного излучения.

4. Результаты морфологических исследований структуры плёнок контактов, полученных с помощью рентгеноструктурного анализа и атомно-силового сканирования.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на межвузовских научно-технических конференциях ВИ ЮРГТУ (НПИ) (г. Волгодонск 1998 – 2001 годах); на Международной интернет-конференции «Информационные технологии в науке и образовании» (г. Шахты, 2002 г); IV, VI региональных конференциях c международным участием «Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах» ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск 2003, 2005 г); итоговых научных конференциях ЮРГУЭС г. Шахты и ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск 1998 – 2008 годах); Международной конференции НГУ (г. Днепропетровск, Украина 2003 г.); III Международной научно- практической конференции ЮРГТУ (НПИ (г. Новочеркасск 2004 г); на научном семинаре «Лаборатории прикладного нелинейного анализа» ИПМИ ВНЦ РАН (г. Шахты, 2007, 2008 г.).

Автор выражает глубокую признательность доктору физико-математических наук, профессору Фетисову Валерию Георгиевичу за постоянную поддержку и внимание к работе.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 34 печатных работ. Из них 10 статей посвящены научно-технологическим вопросам электроосаждения, среди которых 7 в журналах, входящих в “Перечень ведущих научных журналов и изданий” ВАК Минобразования РФ, 3 в Международных сборниках, 2 статьи в материалах Всероссийской научно-практической конференции, 19 в Межвузовских сборниках.

Структура и объём диссертации Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и приложения. Содержание диссертации изложено на 151 страницах, включает 71 рисунков, 54 таблицы и список использованных источников на 9 страницах, включающий 96 наименований.

содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и структуре диссертации.

В первой главе представлен обзор традиционных способов увеличения скорости электроосаждения металлических плёнок: механическое перемешивание раствора электролита, повышение температуры, применение ультразвука; рассмотрены основные принципы действия, достоинства и недостатки альтернативных методов: лазерного излучения и постоянного магнитного поля. Проведён анализ параметров, характеризующих качество термоэлемента, показано определяющее влияние переходного сопротивления на эффективность работы термоэлемента.

Рассмотрены физико-химические особенности воды как растворителя, особенности влияния структуры и полярного характера её молекул, на процессы электроосаждения из водного раствора электролита, на деформацию водородных связей, на гидратацию ионов электролита. Сделан вывод о перспективности методов с использованием лазерного излучения и постоянного магнитного поля для повышения однородности и воспроизводимости формирования контактно-металлизационных систем.

Во второй главе рассматриваются вопросы моделирования процессов электроосаждения и анализа механизмов факторов внешнего воздействия на кинетические параметры электрохимического процесса: плотность тока обмена jo и коэффициент переноса . Показано, что представленная модель позволяет упростить контроль параметров реального процесса, произведя измерения масс и токов только в граничных точках и моделирование хода процесса в промежутках между ними.

Обозначим первоначальную массу вещества на аноде m00, а массу вещества, осаждённую на катоде m0k. Масса вещества на катоде вначале процесса электролиза равна M00, в конце рассматриваемого периода равна M0k. Отсюда для 0

где: m00 – начальная масса вещества на аноде, m0k – масса вещества на аноде в конце процесса электролиза; M00 – масса вещества на катоде вначале процесса электролиза; M0k – масса вещества на катоде в конце процесса электролиза;

j – плотность тока; 1-е слагаемое – фарадеевский ток, возникающий за счёт градиента потенциала; 2-е, 3-е слагаемые – диффузионные составляющие тока за счёт градиента плотности; коэффициент показывает долю вещества перешедшего на электрод из раствора; – характеризует количество вещества, выделившееся на катоде, из раствора на единицу длины электрохимической ячейки; i – номера замеров; n – номер обратной полуволны диффузии: 2L, n = 2; – переменная интегрирования; , – количество вещества, которое должно выделиться на катоде (приращение массы на катоде), – количество вещества, которое фактически выделилось на катоде, разница между измеренными массами на катоде в моменты времени и ,; – массы вещества, ушедшие обратно в раствор в результате процесса диффузии, ; – скорость возврата, в раствор, нейтрализовавшихся молекул вещества; – множитель характеризует поступившую в раствор массу вещества;

– поле концентраций, созданное поступившим веществом.

Из выявленного протекания только одной электродной реакции определён характер лимитирующей стадии (разряд-ионизация). Это позволило аналитически рассчитать основные кинетические параметры процесса, применяя к поляризационным характеристикам уравнения теории замедленного разряда.

j = jо { – } [1],

где: j – плотность тока, определяющая скорость электродного процесса; jo – плотность тока обмена; F – постоянная Фарадея, F = 9,6487 • 104 Кл/моль; R – молярная газовая постоянная, R = 8,31 Дж / моль К; n – число носителей заряда; = Ер – Е – перенапряжение, обусловленное замедленным протеканием стадии разряда-ионизации.

Анализ полученных результатов показывает: действие лазерного излучения увеличивает коэффициент переноса на 9,8 %, что означает уменьшение энергии активации прямой реакции и уменьшение фазового перенапряжения. Вторым механизмом влияния факторов внешнего воздействия на процесс электроосажде ния является возрастание плотности тока обмена j0 при увеличении индукции постоянного магнитного поля, что означает уменьшение диффузионного перенапряжения. Уменьшение диффузионного и фазового перенапряжения предполагает уменьшение вероятности восстановления, ионов водорода и других ионов, молекул раствора, восстанавливающихся при более высоком потенциале, что означает повышение качества, осаждаемой никелевой плёнки.

Выявленное наличие максимума плотности тока обмена показывает, что оптимизация процессов электроосаждения допустима только в некотором интервале значений индукции постоянного магнитного поля.

Третья глава посвящена планированию эксперимента и рассмотрению методов экспериментальных исследований.

Планирование производилось методом многофакторного эксперимента. На основании опытных данных была построена матрица планирования, разработана динамическая модель зависимости приращения массы никеля от времени при действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения:

хj - кодированные значения управляющих параметров: х1 – индукция магнитного поля х2 – интенсивность лазерного излучения. и получена полиномиальная формула:

Значения коэффициентов модели находятся методом наименьших квадратов

с помощью прикладных математических пакетов Maple 9.5:

= – 0,23125 t4 + 3,36897 t3 – 16,34983 t2 + 27,5651 t – 13,7815

Погрешность полученной модели относительно экспериментальных данных не превышает 5%.

Для определения скорости электроосаждения никеля получена модель:

Таблица 1 - для коэффициентов bi (t);

bi (t) = dai /dt; i = 1, 2, 3, 4, 5, 6

Коэффициент	Соответствующая полиномиальная формула
b1(t)	- 1,03767 t3 +9,58665 t2 +28,23685 t + 29,4083
b2(t)	- 2,66758 t3 + 2885574 t2 + 93,01019 t + 86,9614
b3(t)	- 1,03967 t3 +10,96092 t2 + 35,11741 t + 32,6197
b4(t)	- 0,95792 t3 + 10,97619 t2 + 36,61427 t + 32.9429
b5(t)	- 0,925 t3 +10,10692 t2 + 32,69967 t + 27,5651