Разработка и исследование метода уменьшения механических напряжений при формировании оксидных тонкопленочных покрытий в вакууме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Купцов Алексей Дмитриевич

• Купцов Алексей Дмитриевич
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Купцов Алексей Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Остаточные механические напряжения системы «пленка-

подложка»

1.1. Анализ материалов тонкопленочного покрытия

1.1.1. Функциональные материалы

1.1.2. Кристаллография материалов покрытия

1.2. Анализ материалов подложки

1.3. Напряженное состояние системы «пленка-подложка»

1.4. Роль напряжений в создании устройств электронной техники

1.5. Дефекты, вызванные релаксацией механических напряжений

1.6. Факторы возникновения остаточных напряжений

1.7. Влияние механизмов роста и технологических параметров на напряжение в покрытиях

1.7.1. Начальные стадии роста

1.7.2. Роль кристаллографической ориентации подложки

1.7.3. Адгезия «пленка-подложка»

1.7.4. Толщина покрытия

1.7.5. Температура подложки

1.7.6. Рабочая среда в камере

1.8. Методы оценки величин механических напряжений

1.9. Анализ способов уменьшения механических напряжений

1.10. Выводы по Главе

Глава 2. Физико-математические модели системы «пленка-подложка»

2.1. Расчет характеристик волноводного слоя

2.2. Исследование оптической прозрачности функционального волноводного слоя

2.2.1. Подготовка расчетной модели

2.2.2. Результаты моделирования

2.3. Исследование адгезии «пленка-подложка» с учетом шероховатости подложки

2.3.1. Подготовка расчетной модели

2.3.2. Результаты моделирования механических напряжений

2.4. Структурные зонные модели покрытий

2.5. Выводы по Главе

Глава 3. Технологическая база формирования и исследования

тонкопленочных покрытий

3.1. Технологическая установка МВТУ-11 - 1МС

3.2. Магнетронное распыление А1203, ЗЮ2, ТЮ2

3.3. Ионная обработка для модификации системы «пленка-подложка»

3.3.1. Разработка системы наклона источника ионов

3.4. Методы и оборудование для оценки параметров покрытий

3.5. Выводы по Главе

Глава 4. Проведение экспериментальных исследований и обработка

полученных результатов

4.1. Влияние ионной обработки на шероховатость поверхностей

4.2. Влияние ионной обработки подложки на адгезию А1203 к подложке

4.3. Технологические параметры осаждения и травления покрытий

4.3.1. Расход газа, давление в камере и скорость осаждения

4.3.2. Расход газа, давление в камере и коэффициент отражения

4.3.3. Абсолютное значение скорости осаждения покрытий

4.3.4. Равномерность толщины покрытий

4.3.5. Скорость травления покрытий

4.3.6. Шероховатость покрытий после травления

4.4. Расчет энергии ионов

4.5. Расчет равномерности скорости травления

4.6. Исследование состава покрытий на подложке Si

4.7. Механические напряжения системы «Al2O3-Si»

4.7.1. Методика оценки механических напряжений по кривизне подложки

4.7.2. Толщина покрытия и время ионной обработки покрытия

4.7.3. Вид неплоскостности подложки

4.8. Выводы по Главе

Глава 5. Апробация методики снижения механических напряжений

5.1. Методика снижения остаточных механических напряжений

5.2. Адгезионная прочность многослойной системы «пленка-подложка»

5.3. Механические напряжения систем «пленка-подложка»

5.3.1. Методика оценки механических напряжений по балочной структуре

5.3.2. Оценка механических напряжений по балочной

структуре

5.3.3. Оценка механических напряжений многослойной системы «пленка-подложка»

5.4. Применение методики для оценки адгезии с учетом шероховатости подложки

5.5. Функциональная характеристика оксидных покрытий

5.6. Выводы по Главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Там внизу еще много места.

Ричард Фейнман, 1959г.

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование метода уменьшения механических напряжений при формировании оксидных тонкопленочных покрытий в вакууме»

Актуальность диссертационной работы:

Диэлектрические покрытия являются средой распространения оптических сигналов для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов излучения в изделиях оптики, фотоники и микроэлектроники. Оптические волноводные структуры изготавливаются из материалов, обеспечивающих эффект полного внутреннего отражения волны за счет различия между коэффициентами преломления среды распространения и ограничивающих ее областей.

Для оптики и фотоники перспективными материалами являются тонкопленочные оксидные покрытия с толщинами отдельных слоев от 50 до 1000 нм. Разнообразие спектральных характеристик различных материалов (коэффициентов преломления, отражения и пропускания, поглощения) в широком диапазоне длин волн позволяет разрабатывать и формировать структуры для оптических волноводов, преобразователей и фильтров. Тонкопленочные покрытия формируют одиночными и чередующимися слоями, материалы которых имеют высокий и низкий показатели преломления, для достижения эффективного показателя преломления и возможности управления интерференционными эффектами.

Из-за разных типов решетки, размеров, коэффициента термического расширения, поверхностного натяжения и других параметров тонкопленочные структуры, сформированные на подложке, подвержены влиянию остаточных механических напряжений (ОМН). Стремление системы «пленка-подложка» к равновесному состоянию приводит к деструкции покрытий и нивелированию ОМН, по этой причине снижается работоспособность и надежность изделий.

Научные и практические результаты работы могут представлять интерес для промышленных предприятий, государственных и частных коммерческих организаций, где методы вакуумного нанесения многослойных покрытий используются в качестве функциональных технологий, а именно: ООО «НМ-Тех», ГК «Микрон», НПК «Технологический центр», АО НПП «ИСТОК» им. Шокина, АО «НПП «Пульсар», АО «НПФ «Микран», ПАО «ПНППК» - Фотоника, а также АО «ПО «Оптико-механический завод» имени Э.С. Яламова», ПАО «Туполев», ГК «Хевел», «Росатом» и др.

Первое зафиксированное экспериментальное исследование остаточных механических напряжений в химически осажденных слоях описано Э. Д. Миллсом (1877). Теория остаточных механических напряжений в тонкопленочных системах берет начало с работы Г.Г. Стоуни (1909), предложившего первую аналитическую модель. С.П. Тимошенко (1925) расширил теорию упругости с учетом температурных эффектов, а А. Бреннер и С. Сендероф (1949) развили поправочные коэффициенты для практических расчетов. Позже влияние параметров процесса на напряженное состояние установили экспериментально Р.В. Хоффман (1955), продемонстрировав роль температуры осаждения, и Э. Клокхольм (1968), определив оптимальные гомологические температуры, а Дж.А. Торнтон (1989) разграничил термические и внутренние напряжения. Методы измерения эволюционировали от оптической интерферометрии Дж.Д. Файнгана (1959) и световой микроскопии Р. Гланга (1964) до рамановской спектроскопии Т. Энглерта (1980) и рентгеновской дифракции Т. Вриланда (1986). К. А. Кляйн (2000) уточнил формулу Стоуни для толстых покрытий. Б. Фройнд и Суреш (2004) установили фундаментальную роль неравномерного распределения напряжений. Ключевой прорыв сделан М.С. Кареевым (1993), описавший влияние ионной обработки на свойства островковых покрытий. Р. Даниэль (2010) исследовал связь морфологии и уровня остаточных напряжений в многослойных металлических структурах.

Современные подходы, разработанные отечественными исследователями, внесли значительный вклад в развитие: технологического оборудования (Ю.В. Панфилов, В.В. Одиноков, С.Б. Нестеров, В.В. Слепцов), технологии для

управления шероховатостью поверхностей (И. В. Николаев, С. В. Грубый - 2015), методов измерения пространственного распределения остаточных механических напряжений (А.М. Бурякова, Н.А. Дюжев, Е.Э. Гусев - 2016), фундаментальных принципов начальных стадий роста покрытия (С.В. Сидорова - 2016 и А.М. Минкин - 2020), экспериментальной базы по металлам (А.Р. Шугуров и А.В. Панин - 2020) и их ионной обработки (Г.П. Егоров - 2018 и А.С. Бабушкин -2023). Эти исследования позволяют исследовать и стремиться к снижению остаточных механических напряжений.

Таким образом, использование технологических решений на основе результатов экспериментов и расчетов позволяет влиять на уровень ОМН в системе «пленка-подложка», где одним из ключевых параметров можно выделить шероховатость подложки.

Однако на настоящий момент не решена проблема ОМН в системе «пленка-подложка» для оксидных покрытий, в т.ч. многослойных, сформированных на подложках с учетом ее шероховатости.

Поэтому целью работы является снижение остаточных механических напряжений в системе «пленка оксида-подложка» влиянием на шероховатость подложки ионной обработкой при условии сохранения функциональных оптических свойств покрытий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Составить классификацию факторов возникновения остаточных механических напряжений в системе «пленка-подложка».

2. Выполнить физико-математическое моделирование функциональных параметров и остаточных механических напряжений в системе «пленка оксида-подложка».

3. Модернизировать технологический узел источника ионов для обеспечения возможности равномерной обработки подложек диаметром до 100 мм.

4. Экспериментально оценить влияние технологических режимов ионной обработки подложек и формирования оксидных тонкопленочных покрытий на их функциональные и механические свойства.

5. Разработать и провести апробацию методики формирования оксидных многослойных покрытий с малыми значениями остаточных механических напряжений.

Научная новизна:

1. Установлена связь шероховатости подложки и остаточных механических напряжений в системе «пленка оксида-подложка» путем физико-математического моделирования для определения адгезионной прочности тонкопленочных покрытий толщиной от 100 до 1000 нм.

2. Показана зависимость остаточных механических напряжений в системе «пленка-подложка» для покрытий толщиной от 100 до 1000 нм при силе отслаивания покрытия от подложки от 10 до 50 Н.

3. Установлена связь вида неплоскостности кремниевой подложки и остаточных механических напряжений в покрытиях Al20з толщинами от 150 до 615 нм.

Практическая значимость:

1. Разработанная физико-математическая модель системы «пленка оксида-подложка» показала, что шероховатость подложки от 2 до 5 нм обеспечивает высокую адгезию покрытия Al20з к подложке Si при толщине покрытия от 100 до 350 нм для сжимающих остаточных механических напряжений от 121 до 1748 МПа при силе отслаивания покрытия от подложки 20 Н.

2. Созданная система наклона малогабаритного ионного источника позволяет проводить процесс ионной обработки подложек диаметром до 100 мм с углом наклона 15°, обеспечивая более чем в 4 раза большую площадь обработки, чем площадь самого источника.

3. Разработанная методика с предварительной ионной обработкой подложки в течение 2 мин позволяет формировать однослойные и многослойные покрытия с малыми значениями остаточных механических напряжений и высокой адгезией к подложке и между слоями соответственно, сохраняя функциональные характеристики покрытий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Минимальными остаточными механическими напряжениями обладает система «пленка-подложка» на основе А1203, БЮ2, ТЮ2 за счет ионной обработки подложки с параметром решетки более 0,3 нм, шероховатости менее 12 нм и последующего формирования покрытия.

2. Полученная физико-математическая модель для расчета механических напряжений в тонкопленочных оксидных структурах толщиной от 100 до 1000 нм учитывает влияние шероховатости до 10 нм в условиях силы отслаивания покрытия от подложки до 50 Н.

3. Разработанная система наклона источника ионов до 15° с дискретностью 5' позволяет обрабатывать подложки до 100 мм при диаметре ионного пучка 25 мм с равномерностью более 90 % и реализовать способ ионной обработки подложки и тонкопленочных покрытий.

4. Вид неплоскостности подложки определяет величину остаточных механических напряжений в системе «пленка-подложка» («Л1203^Ь>) при разных толщинах покрытий: для 150 нм выпуклость снижает напряжения на 65 %, тогда как для 615 нм вогнутость обеспечивает их уменьшение на 21 %.

5. Ионная обработка поверхности покрытия А1203 при энергии (371±31) эВ и плотности тока 208 А/м2 в течение 2 мин уменьшает разброс остаточных механических напряжений в 2,8 раза для толщины 150 нм и уровень в 1,9 раза для 615 нм.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались на:

- международном симпозиуме «Актуальные проблемы функциональных материалов», Ставрополь, 2025;

- международной научно-практической конференции XI «Наука настоящего и будущего», Санкт-Петербург, 2023;

- международной научно-технической конференции XV «Наукоемкие технологии в машиностроении», Москва, 2023;

- международной молодежной конференции по радиоэлектронике, электротехнике и энергетике 5 и 6 «International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering», Москва, 2023-2024;

- международной научно-технической конференции 17-19 «Вакуумная техника, материалы и технология», Москва, 2023-2025;

- международной научно-технической конференции студентов и аспирантов XXX-XXXI, XXXIII «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2023-2024, 2026;

- международной научно-технической конференции «International Russian Automation Conference (RusAutoCon)», Сочи, 2025;

- международной конференции XXVII «Взаимодействие ионов с поверхностью», Рязань, 2025;

- конференции с международным участием 11 «International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures», Санкт-Петербург, 2024;

- всероссийской конференции с международным участием молодых ученых и специалистов XV-XVIII «Будущее машиностроения России», Москва, 2022-2025;

- всероссийской научно-технической конференции с международным участием 31 и 32 «Вакуумная техника и технологии», Санкт-Петербург, 2024-2025;

- научно-технической конференции с международным участием специалистов 29 и 30 «Вакуумная наука и техника», Судак, 2022, Махачкала, 2023;

- всероссийской конференции XII-XIV «Необратимые процессы в природе и технике», Москва, 2023-2025;

- всероссийской научно-технической конференции «Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии», Москва, 2023, 2025-2026;

- всероссийской молодежной конференции III «Перспективные материалы и высокоэффективные процессы обработки», Саратов, 2024;

- российской студенческой научно-технической конференции 10 и 11 «Вакуумная техника и технология», Казань, 2023-2024.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях и научных семинарах кафедры электронных технологий в машиностроении МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2022-2026.

Разработанные технологии и оборудование представлялись на всероссийской молодежной научно-инженерной выставке ХШ1-ХХ «Политехника», Москва, 2022-2025.

Подана заявка на изобретение: RU 2025 114 197 А (от 27.05.2025) «Система отклонения ионного пучка источника ионов».

Внедрение результатов работы:

Разработанная методика получения многослойных тонкопленочных покрытий ТЮ2-БЮ2 с малыми значениями остаточных механических напряжений передана и внедрена в ПАО «ПНППК», г. Пермь.

Разработанная методика вакуумного осаждения оксидных защитных тонкопленочных структур А1203 и SiO2 на подложки из кварцевого стекла с чувствительным элементом из золота передана и внедрена в АО «Этна», г. Москва.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач применялись законы геометрической оптики (закон Снеллиуса), компьютерное моделирование на основе дифференциальных уравнений Максвелла, методы теории упругости. Численное моделирование осуществлялось с помощью метода конечных элементов, позволяющего проводить расчеты напряженности электрического поля оптического волновода и напряженно-деформированного состояния системы «пленка-подложка» в статической постановке. Функциональные и механические характеристики покрытий изучались методами спектрального анализа (рамановская и рентгенфлуоресцентная спектроскопия) с использованием рентгеновского, видимого и ИК-излучения. Применялись аналитические методы статистического и сравнительного анализов, планирования эксперимента.

Достоверность полученных результатов:

Достоверность диссертационной работы подтверждена результатами самостоятельно проведенных экспериментальных исследований, согласованных с результатами теоретического анализа, применением апробированных общепринятых теоретических и экспериментальных методик измерения величин остаточных механических напряжений, последующей статистической обработкой полученных данных, применением современных измерительных приборов и программ, непротиворечивостью полученных результатов мировым достижениям.

Личный вклад автора:

Автором проведен литературный обзор и классифицированы факторы возникновения механических напряжений в системе «пленка-подложка». Выполнено компьютерное моделирование с целью оценки оптических и механических характеристик оксидных покрытий. Разработана физико-математическая модель для оценки механических напряжений, возникающих при разной шероховатости подложки и разрушении адгезионной прочности. Описана роль зонных моделей в анализе механических напряжений покрытий. Измерена шероховатость поверхностей и адгезионную прочность покрытий к подложке. На основе экспериментальных данных оценены скорости осаждения и травления покрытий, их равномерность по толщине и параметры ионной обработки подложки, а также рассчитана энергия ионов аргона. Оценен вклад расхода газа и давления в камере в изменение скорости осаждения и коэффициента отражения покрытий. Проведены экспериментальные исследования зависимости механических напряжений от параметров подложки, покрытий и последующей их обработки. Разработана и апробирована на многослойных оксидных покрытиях методику формирования структур с низким уровнем механических напряжений. Показано, что ионная обработка оксидных покрытий не оказывает влияния на их коэффициент пропускания. Все результаты и выводы получены лично соискателем.

Публикации:

По результатам и основному содержанию диссертации опубликовано 44 научные работы в журналах и трудах конференций общим объемом 14,6 п.л., из них 8 работ в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ (5,8 п.л.) и 4 - в научно-технических журналах, индексируемых базами данных WoS и Scopus (1,3 п.л.).

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, заключения, списка литературы и приложения. Материалы диссертации изложены на 173 страницах, содержащих 140 рисунков, 13 таблиц, 41 формулу, список литературы из 143 наименований и приложения на 54 страницах.

Благодарность:

Выражаю искреннюю и безграничную благодарность своему научному руководителю - к.т.н., Сидоровой Светлане Владимировне за время и силы, уделенные в процессе обучения и наставничества, за особый подход к решению сложных научных и жизненных задач, за поддержку, контроль и вдохновение.

Благодарен преподавателям кафедры «МТ-11» и коллективу лаборатории «Нано- и микротехнологии» за рекомендации и свежий профессиональный взгляд на результаты диссертационной работы.

Благодарен своей семье за возможность обучения в МГТУ им. Н.Э. Баумана и поддержку в этом решении. С глубокой признательностью принимаю и ощущаю вашу любовь. Благодарю за принятие моих ошибок и за то, что мы совместно решали задачи, которые ставило перед нами время.

Глава 1. Остаточные механические напряжения системы «пленка-подложка»

Остаточные механические напряжения (ОМН) представляют собой силы на единицу площади, возникающие из-за сопротивления сил молекулярного взаимодействия силам, стремящимся изменить форму системы «пленка-подложка». Вторые возникают в результате технологических или эксплуатационных воздействий. В работе исследуются сжимающие (-а) и растягивающие (+с) ОМН.

После завершения технологического процесса тонкопленочное покрытие (ТП) стремится к равновесному состоянию, что вызывает деформацию подложки, в результате чего происходит релаксация ОМН. Если в ТП присутствуют сжимающие напряжения, внутри структуры возникают силы, стремящиеся растянуть элементарные участки покрытия; если растягивающие - силы стремятся сжать эти участки. Условный абсолютно плоский поперечный профиль подложки становится вогнутым, когда в покрытии сжимающие напряжения, и выпуклым при наличии растягивающих напряжений. Поэтому в диссертационной работе исследование напряженного состояния происходит комплексно, при анализе системы «пленка-подложка» как единое целое.

На Рисунке 1.1 схематично представлен процесс релаксации ОМН на подложке (на основе работ [1]). На планарную подложку (Рисунок 1.1, а) осаждаются атомы, организуясь в покрытие, имеющее размер решетки а. Возникающие сжимающие (Рисунок 1.1, б) или растягивающие (Рисунок 1.1, в) силы вызывают соответствующий эффект на параметре а при изменении профиля подложки на вогнутый (Рисунок 1.1, г) или выпуклый (Рисунок 1.1, д).

Рисунок 1.1.

Изменение профиля подложки при наличии ОМН: а) планарная подложка; б), в)

атомы со сжимающими и растягивающими напряжениями соответственно; г), д) формирование вогнутого и выпуклого профиля подложки соответственно

Релаксация ОМН при несоответствии решеток подложки и покрытия (более 1 %) происходит посредством двух механизмов, связанных с образованием дислокаций и скольжением плоскостей решетки [2]:

— пластические деформации (биаксиальное сжатие/растяжение через зарождение и скольжение дислокаций);

— упругие деформации (изменение рельефа поверхности покрытия).

Как только деформация превышает прочность материала покрытия,

происходит разрушение структуры: появляются дефекты.

1.1. Анализ материалов тонкопленочного покрытия

Технология нанесения ТП охватывает широкий спектр материалов для функциональных слоев: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Выбор проводников (металлов) основывается на компромиссе между требуемыми характеристиками: стоимостью, высокой проводимостью, коррозионной стойкостью, механической прочностью, паяемостью и простотой применения. ТП на основе металлов нашли применение в интегральных схемах и высокочастотных радиокомпонентах [3].

Оксидные и нитридные ТП актуальны для оптоэлектронных устройств, микро- и наноэлектроники, обеспечивая функциональность и надежность благодаря своим исключительным диэлектрическим свойствам, химической и термической стабильности и возможности контроля характеристик путем синтеза. Важность данных материалов подчеркивается постоянным совершенствованием методов производства и модификации ТП, направленных на дальнейшее повышение производительности и миниатюризацию электронных устройств [4].

1.1.1. Функциональные материалы

Литературный обзор показал, что волноводные структуры из оксидных материалов, являются ключевым элементом для интегральных оптических схем. Количественная характеристика этих материалов представлена в Приложении. Интерпретация данных представлена в виде зависимости длины волны сигнала от толщины ТП для различных материалов волновода [5].

Для покрытия БЮ2 наблюдается применение для длины волны 1550 нм при толщине волновода до 135 нм. ТЮ2 применяются для пропускания более широкого спектра длин волн - от 550 до 1550 нм при толщинах от 137 до 661 нм.

Волноводы на основе Л12О3 имеют тенденцию к эффективному пропусканию света при толщинах от 100 до 1000 нм, что перекрывает область толщин ТЮ2.

Рисунок 1.2.

Распределение целевых материалов исследования по толщинам покрытий и

длинам оптического сигнала

Длины волн 633 и 1550 нм применяются чаще всего в работе оптических интегральных схем на основе ТП [6].

Длина волны 633 нм соответствует красному свету гелий-неонового лазера. Наиболее распространенные области применения этой длины волны в оптике -интерферометрия (за счет высокой монохроматичности), спектроскопия (из-за доступности источника света) и голография (за счет хорошей когерентности пучка). Длина волны 1550 нм актуальна благодаря возможности мультиплексирования с разделением по длине волны в С-диапазоне вблизи длин волн 1530-1565 нм.

Помимо однослойных покрытий существуют практические и перспективные применения многослойных структур благодаря зависимости показателя преломления и толщины слоев от коэффициентов отражения, пропускания, преломления [7]. В работах формируют покрытия в виде структуры, состоящей из 11 слоев, которые чередуются высокими (П > 2) и низкими (пН < 2) показателями преломления (2,30 и 1,35) - это позволяет достичь отражения более 97 % для длин волн 600-700 нм. Применяются 17-слойные и 37-слойные структуры ТЮ2^Ю2 с толщиной слоев 130 и 180 нм, обеспечивая коэффициент отражения 99 %.

Существует 4-слойный каскад Ti02-Si02 (540 нм), который имеет коэффициент отражения 0,05 % на длине волны 1550 нм.

На основании анализа применимости покрытий, представленных на Рисунке 1.2, можно заключить, что наибольшей значимостью обладают оптические устройства и приборы с толщиной функциональных ТП в диапазоне от 90 до 800 нм. Сочетание нескольких слоев (от 6 до 8) по 80-250 нм используется для создания многослойных интерференционных структур.

1.1.2. Кристаллография материалов покрытия

Типы структур и их фазы оксидных покрытий определяются условиями осаждения: температурой подложки и энергией частиц [8-10].

Для АЬ03 выделают следующие фазы со структурами: термостабильная - а-Al203 (гексагональная решетка); метастабильная - у^203 (кубическая), 5^203 (тетрагональная), 0^Ь03 (моноклинная), к^Ь03 (ромбическая), ^^203

(кубическая), %-Al2O3 (гексагональная); аморфная - Al2O3. Кроме того, существует, не рассматриваемый в работе, P-AbO3 структура, представляющая химическое соединение Al2O3 с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов.

Основным фактором, влияющим на образование конкретной фазы, является температура подложки. Аморфная фаза формируется при температурах ниже 300-500 °C. Метастабильные фазы претерпевают последовательные превращения при нагреве. Y-A2O3 ^ 5-AbO3 (600-800 °C), 5-AbO3 ^ 0-AkO3 (8001000 °C), n-Al2O3 ^ 0-Al2O3 ^ a-Al2O3 (800-1150 °C), x-AbO3 ^ a-Al2O3 (10001200 °C), 0-Al2O3 ^ a-Al2O3 (1050-1200 °C), к- Al2O3 ^ a-AbO3 (1100-1250 °C).

Дополнительная ионная бомбардировка при высоких энергиях (от 30-50 эВ) позволяет формировать a-Al2O3 при температуре подложки 280-560 °C. Низкие энергии приводят к росту метастабильной или аморфной фаз.

Для SiO2 выделают следующие фазы со структурами: аморфная фаза SiO2; кристаллическая фаза - a-SiO2 (триклинная решетка), P-SiO2 (гексагональная), High Purity-тридимит (гексагональная), MC-тридимит (моноклинная), кристобалит (тетрагональная); метастабильная фаза - стишовит (кубическая), коэсит (моноклинная).

Аморфная фаза SiO2 формируется при температуре от 20 до 900 °C с последующими переходами: a-SiO2 (870-900 °C), a-SiO2 ^ P-SiO2 (обратимый фазовый переход при 573 °C), P-SiO2 ^ High Purity-тридимит (870-1100 °C), HP-тридимит ^ MC-тридимит (при охлаждении до 220-270 °C), MC-тридимит ^ кристобалит (1100-1200 °C). Изменение от кристобалита к стишовит происходит под давлением несколько ГПа; коэсит фаза формируется под давлением 2,89,5 МПа. Более того, ионная бомбардировка с потоком энергии да 10 Вт/см2 уплотняет покрытие, не изменяя его фазовый состав.

TiO2 характеризуется следующими фазами: термостабильная - рутил (тетрагональная решетка); метастабильная - анатаз (тетрагональная), брукит (ромбическая), TiO2(B) (моноклинная); метастабильная высокого давления -колумбит (ромбическая); аморфная - TiO2 формируется при температурах до 250 °C.

Аморфная фаза ТЮ2 формируется при температуре 20-250 °С с последующим переходом в фазу ^ анатаз (250-300 °С), анатаз ^ рутил (6001200 °C, брукит ^ рутил (800°C). Колумбит образуется под давлением от 6 ГПа и стабилен при температуре 25 °С и атмосферном давлении.

Ионная обработка (ИО) поверхности ТЮ2 не вызывает фазового перехода. Основной механизм кристаллизации аморфной фазы происходит во время осаждения за счет увеличения энергии частиц [11].

Представленные в разделе типы решеток показаны на Рисунке 1.3.

а б в г д е

Рисунок 1.3.

Классификация решеток: а) триклинная; б) моноклинная; в) ромбическая; г) гексагональная; д) тетрагональная; е) кубическая

Кубическая решетка имеет наивысшую симметрию, а триклинная -наименьшую. Следует подчеркнуть, что в диссертационной работе покрытия формируются из мишеней стехиометрического состава Al2Oз, SiO2 и ТЮ2 без принудительного нагрева подложки, без ионного ассистирования во время роста и без потенциала смещения. На основании приведенных выше литературных данных можно сделать вывод, что покрытия имеют аморфную фазу.

Координационные схемы расположения атомов Л1, Si и ^ в молекулах оксидов представлены на Рисунке 1.4.

а б в

Рисунок 1.4.

Координационные схемы молекул: а) Al2Oз; б) SiO2; в) TiO2

Al2O3 при температуре до 400 °C, полученный методом высокочастотного (ВЧ) магнетронного распыления, формируется в виде аморфной структуры независимо от мощности источника и давления аргона [12]. Кристалличность проявляется при повышении температуры свыше 400 °C. В аморфной фазе реализуется тетраэдрическая координация молекулы (AlO4). Al-O связь является химической ионно-ковалентной с энергией 5,3 эВ. Длины связей Al-O в аморфной структуре имеют размер от 0,170 до 0,184 нм. Вторичные расстояния O-O находятся в диапазоне от 0,240 до 0,280 нм. Расстояния Al-Al имеют порядок от 0,300 до 0,350 нм. Углы O-Al-O изменяются от 104° до 109,47°, угол O-O-O составляет 60°. Структура характеризуется ближним порядком в области до 0,5 нм с возможностью включения аргона в структуру и средней упорядоченностью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Купцов Алексей Дмитриевич, 2026 год

ИИ - источник ионов

ИО - ионная обработка

ПЛК - программируемый логический контроллер

APM FEM - Автоматизированная Прочностная Модель Методом Конечных Элементов (Advanced Product Management Finite Element Method) УЗ - ультразвуковой

sccm - см3/мин (standard cubic centimeter per minute)

H2O2 - пероксид водорода

NH4OH - гидроксид аммония (водный аммиак)

H2O - вода (деионизированная)

ppm - миллионная доля (parts per million)

Sa - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости по площади

161

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Sharma N., Hooda M., Sharma S.K. Stresses in thin films: an experimental study // Indian J Phys. 2019. Vol. 93. P. 159-167.

2. Epitaxial growth of GaInAsBi thin films on Si (001) substrate using pulsed laser deposition / A. S. Pashchenko [et al.] // Vacuum. 2024. P. 113372.

3. Fabrication and characterization of nickel thin film as resistance temperature detector / J. Cui [et al.] // Vacuum. 2020. Vol. 176. P. 109288.

4. Structural and optical properties of amorphous Al2O3 thin film deposited by atomic layer deposition / S. Shi [et al.] // Advances in condensed matter physics. 2018. Vol. 2018, №. 1. P. 7598978.

5. Optical waveguides fabricated in atomic layer by ultrafast laser ablation / E. G. Lizarraga-Medina [et al] // Results in Optics. 2021. Vol. 2. P. 100060.

6. Притоцкий Е. М., Притоцкая А. П., Панков М. А. Модель многослойного покрытия для искусственного оптического синапса // Компьютерная оптика. 2022. Т. 46, № 2. С. 214-218.

7. Spectroscopic ellipsometry characterization of multilayer optical coatings / J. N. Hilfiker [et al.] // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 357. P. 114-121.

8. Control of the y-alumina to a-alumina phase transformation for an optimized alumina densification / S. Lamouri [et al.] // Boletín de la Sociedad Española de cerámica y vidrio. 2017. Vol. 56, № 2. P. 47-54.

9. Precise determination of the phase boundary between coesite and stishovite / S. Ono [et al.] // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2017. Vol. 264. P. 1-6.

10. Effects of calcination temperature on the phase composition, photocatalytic degradation and virucidal activities of TiO2 nanoparticles / M. G. Kim [et al.] // ACS omega. 2021. Vol. 6, № 16. P.10668-10678.

11. Emergence and evolution of crystallization in TiO2 thin films / O. Durante [et al.] // Nanomaterials. 2021. Vol. 11, № 6. P.1409.

12. Main properties of Al2O3 thin films deposited by magnetron sputtering of an Al2O3 ceramic target at different radio-frequency power and argon pressure and their

passivation effect on p-type c-Si wafers / J. A. Garda-Valenzuela [et al.] // Thin Solid Films. 2016. Vol. 619. P. 288-296.

13. He L. N., Xu J. Properties of amorphous SiO2 films prepared by reactive RF magnetron sputtering method // Vacuum. 2002. Vol. 68, №. 2. P. 197-202.

14. Optical properties of anatase, rutile and amorphous phases of TiO2 thin films grown at room temperature by RF magnetron sputtering / V. M. Naik [et al.] // MRS Online Proceedings Library (OPL). 2002. Vol. 755. P. 11-22.

15. Sze S. M., Ng K. K. Chapter 3 Metal-Semiconductors Contacts // Physics of Semiconductor Devices. John Wiley & Sons: Hoboken NJ. USA. 2007. P. 134-196.

16. Hosono H. Ionic amorphous oxide semiconductors: Material design, carrier transport, and device application // Journal of non-crystalline solids. 2006. Vol. 352, № 9-20. P. 851-858.

17. Шандарова К. В. Линейная и нелинейная дискретная дифракция света в оптически индуцированных фотонных решетках в ниобате лития: автореф. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.05 / Шандарова Ксения Владимировна. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Томск. 2008. 23с.

18. Tuning the growth orientation of epitaxial films by interface chemistry / M. Gubo [et al.] // Physical Review Letters. 2012. Vol. 108, № 6. P. 066101.

19. Anisotropic etching of crystalline silicon in alkaline solutions: I. Orientation dependence and behavior of passivation layers / H. Seidel [et al.] // Journal of the electrochemical society. 1990. Vol. 137, № 11. P. 3612.

20. Буряков А. М. Влияние интерфейсных напряжений на свойства наноразмерных мультислойных структур на основе сложных оксидов и полупроводников (и их использование) при создании устройств микро- и наноэлектроники: автореф. ... канд. физ.-мат. наук: 05.27.01 / Буряков, Арсений Михайлович. РТУ «МИРЭА». Москва. 2017. 26 с.

21. Nonlinear restructuring of patterned thin films by residual stress engineering into out-of-plane wavy-shaped electrostatic microactuators for RF switches / R. Bajwa [et al.] // Microsystems & Nanoengineering. 2023. Vol. 9, № 1. P. 74.

22. Photothermal Optical Beam Steering Using Large Deformation Multi-Layer Thin Film Structures / H. J. Hall [et al.] // Micromachines. 2021. Vol. 12, № 4. P. 428.

23. Thouless M. D., Jensen H. M., Liniger E. G. Delamination from edge flaws // Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical and Physical Sciences. 1994. Vol. 447, № 1930. P. 271-279.

24. The effects of shear on delamination in layered materials / S. Li [et al.] // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2004. Vol. 52, № 1. P. 193-214.

25. Directed assembly of fluidic networks by buckle delamination of films on patterned substrates / M. W. Moon [et al.] // International journal of materials research. 2007. Vol. 98, № 12. P. 1203-1208.

26. Шугуров А. Р., Панин А. В. Механические напряжения в тонких пленках и покрытиях // ЖТФ. 2020. Т. 90, № 12. С. 1971-1994.

27. An experimental study of the in uence of imperfections on the buckling of compressed thin lms / M. W. Moon [et al.] // Acta Mater. 2002. Vol. 50. P. 1219-1227.

28. Recent progress on crack pattern formation in thin films / M. Liu [et al.] // Soft Matter. 2022. Vol. 18, № 32. P. 5906-5927.

29. Шугуров А. Р. Влияние кривизны границы раздела пленка/подложка на закономерности деформации и разрушения тонких металлических пленок и керамических покрытий при внешних воздействиях: автореф. ...доктор физ.-мат. наук: 01.04.07 / Шугуров Артур Рубинович. Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН. Томск. 2016. 34 с.

30. Fracture and delamination of chromium thin films on polymer substrates / M. J. Cordill [et al.] // Metallurgical and Materials Transactions A. 2010. Vol. 41, № 4. P. 870-875.

31. Chung J. Y., Nolte A. J., Stafford C. M. Surface wrinkling: a versatile platform for measuring thin-film properties // Advanced materials. 2011. Vol. 23, № 3. P. 349-368.

32. In situ electro-mechanical experiments and mechanics modeling of tensile cracking in indium tin oxide thin films on polyimide substrates / C. Peng [et al.] // Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 109, № 10.

33. Residual stresses in Cu/Ni multilayer thin films measured using the Sin 2 у method / I. G. McDonald [et al.] // Experimental Mechanics. 2019. Vol. 59. P. 111-120.

34. Ordered fragmentation of oxide thin films at submicron scale / L. Guo [et al.] // Nature Communications. 2016. Vol. 7, № 1. P. 13148.

35. Room-temperature control of the residual stress gradient in titanium micro-cantilever beams by helium ion implantation / T. J. Kang [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. 2014. Vol. 216. P. 116-122.

36. Direct observations of dislocation half-loops inserted from the surface of the GeSi heteroepitaxial film / Y. B. Bolkhovityanov [et al.] // Applied physics letters. 2004. Vol. 85, № 25. P. 6140-6142.

37. Epitaxial growth of GalnAsBi thin films on Si (001) substrate using pulsed laser deposition / A. S. Pashchenko [et al.] // Vacuum. 2024. P. 113372.

38. Кривобоков В. П., Сочугов Н. С., Соловьев А. А. Плазменные покрытия (свойства и применение): учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 136 с.

39. Введение в физику поверхности / К. Оура [и др.] М.: Наука. 2006. 490 с.

40. Маскаева Л. Н., Федорова Е. А., Марков В. Ф. Технология тонких пленок и покрытий: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2019. 236 с.

41. Huang Y. C., Chang S. Y., Chang C. H. Effect of residual stresses on mechanical properties and interface adhesion strength of SiN thin films // Thin Solid Films. 2009. Vol. 517, № 17. Р. 4857-4861.

42. Влияние процессов релаксации на величину сбросов механического напряжения в ленточных аморфных и нанокристаллических сплавах при электроимпульсном воздействии / Д.Ю. Федотов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60, № 7. С. 538-543.

43. Ordered fragmentation of oxide thin films at submicron scale / L. Guo [et al.] // Nature Communications. 2016. Vol. 7, № 1. P. 13148.

44. Lee C. C., Chen H. C., Jaing C. C. Investigation of thermal annealing of optical properties and residual stress of ion-beam-assisted TiO 2 thin films with different

substrate temperatures // Applied optics. 2006. Vol.45, № 13. P. 3091-3096.

45. Stress of TiO2 thin films produced by different deposition techniques / C. Ottermann [et al.] // MRS Online Proceedings Library (OPL). 1993. Vol. 308. P. 69.

46. Structural, optical, and mechanical properties of TiO2 nanolaminates / L. Ghazaryan [et al.] // Nanotechnology. 2020. Vol. 32, № 9. P. 095709.

47. Интегрированные технологии функциональных микро-и наноструктур: монография / А.П. Достанко [и др.] Минск: Бестпринт. 2013. 216 с.

48. Методика измерения механических напряжений в тонких пленках на пластине с помощью оптического профилометра / Н. А. Дюжев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2016. Т. 21, № 4. С. 367-372.

49. Егоров Г. П. Определение критического уровня внутренних напряжений в тонких пленках // Композиты и наноструктуры. 2016. Т. 8, № 3. С. 187-203.

50. Анализ методами рентгеновской дифрактометрии градиента внутренних напряжений в никелиде титана после электронно-пучковой обработки поверхности / Л. Л. Мейснер [и др.] // Физическая мезомеханика. 2012. Т. 15, № 3. С. 79-89.

51. The Possibility and Prospects for Using Multiferroic Materials in the Production / B. V. Khlopov [et al.] // Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications. Svetlogorsk. 2020. P. 1-4.

52. Influences of annealing on residual stress and structure of HfO2 films / S. Yan-Ming [et al.] // Chinese Physics Letters. 2007. Vol. 24, № 10. P. 2963.

53. Raman C. V., Krishnan K. S. A New Type of Secondary Radiation // Nature. 1928. № 121. P. 501-502.

54. Comparison of residual stress in deep boron diffused silicon (100), (110) and (111) wafers / S. Dutta [et al.] // Mat. Lett. 2013. № 100. P. 44-46.

55. Ma L., Qiu W., Fan X. Stress/strain characterization in electronic packaging by micro-Raman spectroscopy // Microelectronics Reliability. 2021. Vol. 118. P. 114045.

56. Stoney G.S. // Proc. Royal Soc. Ser. A. 1990. Vol. 82, № 553. P. 172-175.

57. Growth and evolution of residual stress of AlN films on silicon (100) wafer

/ A. Pandey [et al.] // Mat. Sci. Semicond. Proc. 2016. № 52. P. 16-23.

58. Estimation of boron diffusion induced residual stress in silicon by wafer curvature technique / S. Dutta [et al.] // Mat. Lett. 2016. № 164. P. 316-319.

59. Гусев Е. Э. Исследование и разработка технологии создания высокопрочных мембран для преобразователей физических величин: автореф. ...кан. тех. наук: 05.27.01 / Гусев Евгений Эдуардович. НИУ МИЭТ. Зеленоград. 2019. 27 с.

60. Withers P.J., Bhadeshia H.K.D.H. Residual stress Part 1 - Measurement techniques // Mater. Sci. Technol. 2001. № 17. P. 355-365.

61. Influence of nickel doping on structural, morpho- logical and mechanical properties of BiFeO3 thin films / G.N. Sharma [et al.] // Mat. Chem. Phys. 2018. № 216. P. 47-50.

62. Буркин C. П., Шимов Г. В. Остаточные напряжения в металлопродукции: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2015. 248 с.

63. Fabrication and Analysis of MEMS Test Structures for Residual Stress Measurement / A. Sharma [et al.] // Sensors Transducers. 2011. № 13. P. 21-30.

64. Comparison of techniques for measuring both compressive and tensile stress in thin films / B. P. Van Drieenhuizen [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. 1993. Vol. 37. P. 756-765.

65. Комоцкий В. А., Николаев Н. Э. Плоский пленочный оптический волновод: учебно-методическое пособие. Москва: РУДН, 2022. 83 с.

66. Low-loss integrated photonics for the blue and ultraviolet regime / G. N. West [et al.] // Apl Photonics. 2019. Vol. 4, № 2.

67. Butt M. A., Fomchenkov S. A. Thermal effect on the optical and morphological properties of TiO2 thin films obtained by annealing a Ti metal layer // Journal of the Korean Physical Society. 2017. Vol. 70, № 2. P. 169-172.

68. High-efficiency broadband light coupling between optical fibers and photonic integrated circuits / G. Son [et al.] // Nanophotonics. 2018. Vol. 7, № 12. P. 1845-1864.

69. Controlling evanescent waves using silicon photonic all-dielectric metamaterials / S. Jahani [et al.] // Nature communications. 2018. Vol. 9, № 1. P. 1893.

70. Кривенков В. И. Поток мощности направляемой моды световода // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2009. № 3. С. 111-113.

71. Gulistan A., Ghosh S., Rahman B. M. A. Enhancement of modal stability through reduced mode coupling in a few-mode fiber for mode division multiplexing // OSA Continuum. 2018. Vol. 1, № 2. P. 309-319.

72. Азанова И.С. Фотоника и оптоинформатика. Основы волоконной оптики: практикум. Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2023. 101 с.

73. Киселев А. П. Гармонические по времени гауссовы пучки: точные решения уравнения Гельмгольца в свободном пространстве // Оптика и спектроскопия. 2017. Т. 123, № 6. С. 924-928.

74. Shvets V. A., Kruchinin V. N., Gritsenko V. A. Dispersion of the refractive index in high-k dielectrics // Optics and Spectroscopy. 2017. Vol. 123, № 5. P. 728-732.

75. Зимон А. Д. Адгезия пленок и покрытий // Химия. 1977. С. 319-321.

76. Nanolaminate-Induced Mechanically and Environmentally Robust Al2O3/TiO2 Thin Film Encapsulation by Low-Temperature Atomic Layer Deposition: Toward Flexible and Wearable OLEDs / S. J. Oh [et al.] // Advanced Materials Technologies. 2024. Vol. 9, № 18. P. 2400381.

77. Xie, C., Tong, W. Cracking and decohesion of a thin Al2O3 film on a ductile Al-5%Mg substrate // Acta Materialia. 2005. № 53 (2). P. 477-485.

78. Thin-film engineering of mechanical fragmentation properties of ALD metal oxides / M. Ruoho [et al.] // Nanomaterials. 2020. Т. 10, № 3. P. 558.

79. Interfacial mechanical testing of atomic layer deposited TiO2 and Al2O3 on a silicon substrate by the use of embedded SiO2 microspheres / J. Lyytinen [et al.] // RSC Adv. 2014. № 4 (70). P. 37320-37328.

80. Купцов А.Д., Сидорова С.В. Разработка модуля контроля и управления температурой подложки для осаждения тонкопленочных покрытий в вакууме // Наука настоящего и будущего: Сборник материалов конференции. СПб.: Изд-во

СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2023. Т. 1. С. 95-99.

81. Мовчан Б. А., Демчишин А. В. Исследование структуры и свойств толстых вакуумных конденсатов Ni, Ti, W, Al2O3 // Физика металлов и металловедение. 1969. Т. 28, № 4. С. 653-660.

82. Sanders J.V. Structure of evaporated metal films // Chemisorption and Reactions on Metal Films, J.R. Anderson, Academic Press, New York. 1971. P. 1-38.

83. Thornton J. A. Influence of apparatus geometry and deposition conditions on the structure and topography of thick sputtered coatings // Journal of Vacuum Science and Technology. 1974. Vol. 11, № 4. P. 666-670.

84. Barna P. B., Adamik M. Fundamental structure forming phenomena of polycrystalline films and the structure zone models // Thin solid films. 1998. Vol. 317, № 1-2. P. 27-33.

85. Messier R., Giri A. P., Roy R. A. Revised structure zone model for thin film physical structure // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces and Films. 1984. Vol. 2, № 2. P. 500-503.

86. Mausbach M. Microstructure of copper films condensed from a copper plasma with ion energies between 2 and 150 eV // Surface and Coatings Technology. 1995. Vol. 74. P. 264-272.

87. Barna P. B., Adamik M. Formation and characterization of the structure of surface coatings // Protective coatings and thin films. 1997. P. 279-297.

88. Zeman P. [et al.] Structure and properties of hard and superhard Zr-Cu-N nanocomposite coatings // Materials Science and Engineering: A. 2000. Vol. 289, № 12. P. 189-197.

89. Overview of optical properties of Al2O3 films prepared by various techniques / J. Houska [et al.] // Thin Solid Films. 2012. Vol. 520, № 16. P. 5405-5408.

90. Kayed K., Kurd D. B. The effect of annealing temperature on the structural and optical properties of Si/SiO2 composites synthesized by thermal oxidation of silicon wafers // Silicon. 2022. Vol. 14, № 10. P. 5157-5163.

91. Способ дополнительной очистки поверхности монокристалла SI (111) / А. С. Рысбаев [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные

исследования. 2017. № 9. С. 106-112.

92. Влияние ионно-лучевой обработки на структуру и свойства пленок оксида титана / А. К. Габова [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2022. № 5. С. 42-50.

93. Исследование процесса формирования проводящего покрытия на диэлектрическом эластомере / Купцов А. Д. [и др.] // Вакуумная техника, материалы и технология. 2022. С. 120-124.

94. Духопельников Д. В. Магнетронные распылительные системы. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2014. 55 с.

95. Юрьев Ю. Н. Свойства тонких пленок оксида титана (TiO2) и аморфного углерода (а-С), осажденных с помощью дуальной магнетронной распылительной системы: автореф. ... канд. техн. наук: 01.04.07 / Юрьев Юрий Николаевич. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Томск. 2016. 22 с.

96. Ю.В. Панфилов. Технологии оборудования и системы управления в электронном машиностроении. Машиностроение: энциклопедия / РАН. главный редактор К. В. Фролов. М.:, Машиностроение. 1994. 743 с.

97. Thermo Scientific Niton XL3t XRF Analyzer: Рентгенофлуоресцентный анализатор // URL https://www.indiamart.com/proddetail/niton-xl3t-xrf-analyzer-22439588833.html (дата обращения: 23.12.2023).

98. Refractive Index and Thin Film Thickness Measurement: Измерение показателя преломления и толщины тонких пленок // URL https://www.lambdaphoto.co.uk/refractive-index-and-thin-film-thickness-measurement-metricon-model-2010-m.html?srsltid=AfmBOoqpGvDhkpmRZYF WpDq_RumZ5F84t-HsS3o5FL9idSB_k9vX644x (дата обращения: 15.07.2024).

99. ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики // URL https://www.ntcexpert.ru/documents/GOST_2789-73.pdf (дата обращения: 05.09.2022).

100. Оценка влияния толщины покрытия на величину остаточных механических напряжений в Al2O3/Si / Сидорова С.В. [и др.] // Наноиндустрия.

2024. Т. 17, № 6. С. 372-381.

101. Миронова А. А., Попов А. М., Занавескин М. Л. Влияние реактивного ионного травления на поверхность полиметилметакрилата // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2015. № 5. С. 37-37.

102. Купцов А. Д., Сидорова С. В. Влияние ионной обработки на электрические и топологические характеристики поверхности // Вакуумная наука и техника. 2021. С. 163-169.

103. Влияние ионной очистки на качество поверхности подложек и металлических пленок / А.В. Ситников [и др.] // 62 научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов: материалы конференции. Воронеж: ВГТУ. 2022. С. 6-7.

104. Тюньков, А. В. Пучково-плазменная модификация поверхностных свойств конструкционных материалов в форвакуумной области давлений: автореф. ... док. техн. наук: 2.6.17 / Тюньков Андрей Владимирович. Нац. исслед. Том. гос. ун-т. Томск. 2024. 36 с.

105. Чжо Янян. Размерная обработка керамических подложек на электронно-лучевой установке "ЛУЧ": автореф. ... канд. техн. наук: 2.2.3. / Чжо Янян. ФГБОУ ВО МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва. 2023. 16 с.

106. Влияние облучения ионами Аг+ на свойства поверхности ванадия и его сплавов / Л.С. Данелян [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2011. № 2. С. 46-52.

107. Егоров Г. П. Механические напряжения в металлических пленках при магнетронном осаждении: автореф. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.07 / Егоров Григорий Петрович. Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС». Москва. 2018. 22 с.

108. Цибульникова А. В. Плазмоника адсорбатов наночастиц и комплексов органических молекул с кислородом на лазерно модифицированных шероховатых поверхностях серебра, золота и титана: автореф. ... докт. физ.-мат. наук: 1.3.6. / Цибульникова Анна Владимировна. МГУ им. М.В. Ломоносова. Москва. 2025. 46 с.

109. Бабушкин А.С. Влияние ионно-плазменной обработки на остаточные

механические напряжения в тонких поликристаллических пленках металлов: автореф. ... канд. физ.-мат. наук: 1.3.8 / Бабушкин Артем Сергеевич. РТУ «МИРЭА». Москва. 2024. 22 с.

110. Данилин Б. С., Киреев В. Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. М.: Энергоатомиздат, 1987. 264 с.

111. Topography evolution mechanism on fused silica during low-energy ion beam sputtering / J.Vollner [et al.] // Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 109, № 4. P. 043501.

112. Roughening and smoothing behavior of single crystal Si by low energy Ar+ ion bombardment / S. A. Pahlovy [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section. 2012. Vol. 272. P. 206-209.

113. Ибрагимов А. Р. Физико-технологические основы управляемого формирования фотонно-кристаллических отражающих слоёв фотонно-плазмонных систем: автореф. ...кан. тех. наук: 2.2.3. / Ибрагимов Артем Рустамович. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Москва. 2025. 16 с.

114. Юдин Ю. В., Майсурадзе М. В., Водолазский Ф. В. Организация и математическое планирование эксперимента: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2018. 124 с.

115. Руководство по эксплуатации. Модель - nEXT240, nEXT300 and nEXT400 // URL. https://www.ajvs.com/library/Edwards%20next240%20next300 %20next%20400 %20Manual.pdf (дата обращения 04.08.2025).

116. Панфилов Ю. В. Нанесение тонких пленок в вакууме // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 3. С. 76-80.

117. Kamada K., Y-kazumata, Kubo K. Observation of blistering and amorphization on germanium surface after 450 keV Ar+ ion bombardment // Radiation Effects. 1976. Vol. 28, № 1-2. P. 43-48.

118. Sigmund P. Theory of sputtering. I. Sputtering yield of amorphous and polycrystalline targets // Physical review. 1969. Vol. 184, № 2. P. 383.

119. Zalm P. C. Energy dependence of the sputtering yield of Si bombarded with Ne, Ar, Kr, and Xe ions // Journal of applied physics. 1983. Vol. 54, № 5. P. 2660-2666.

120. Wilson W. D., Haggmark L. G., Biersack J. P. Calculations of nuclear stopping, ranges, and straggling in the low-energy region // Physical Review B. 1977. Vol. 15, № 5. P. 2458.

121. Tachi S., Miyake K., Tokuyama T. Proceedings o/the Symposium on Dry Process. Tokyo: Tokyo Institute of Electrical Engineering. 1981. P. 17.

122. Kirschner J., Etzkorn H. W. Sputtering of amorphous silicon films by 0.5 to 5 keV Ar+ ions // Applications of Surface Science. 1979. Vol. 3, № 2. P. 251-271.

123. Coburn J.W., Winters H.F., Chuang T.J. // Ion-surface interactions in plasma etching // Journal of Applied Physics. 1977. Vol. 48, № 8. P. 3532-3540.

124. The sputtering of PtSi and NiSi / J. M. Poate [et al.] // Nuclear Instruments and Methods. 1976. Vol. 132. P. 345-349.

125. Southern A. L. Willis W. R., Robinson M. T. Sputtering experiments with 1-to 5-keV Ar+ ions // J. Appl. Phys. 1963 Vol. 34, № 1. P.153-163.

126. Чаплыгина Ю.А. Основы технологии электронной компонентной базы: лабораторный практикум. М.: МИЭТ, 2013. 176 с.

127. Weber T. A. Surface Reconstruction of SI (100) // MRS Online Proceedings Library (OPL). 1985. Vol. 63. P. 163.

128. Ramstad A., Brocks G., Kelly P. J. Theoretical study of the Si (100) surface reconstruction // Physical Review B. 1995. Vol. 51, № 20. P. 14504.

129. Методика измерения механических напряжений в тонких пленках на пластине с помощью оптического профилометра / Н.А. Дюжев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2016. Т. 21, № 4. С. 367-372.

130. High-throughput analysis of thin-film stresses using arrays of micromachined cantilever / H. J. Kim [et al.] // Review of Scientific Instruments. 2008. Vol. 79, № 4.

131. Residual stress in sputtered gold films on quartz measured by the cantilever beam deflection technique / G. Thornell [et al.] // IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. 1999. Vol. 46, № 4. P. 981-992.

132. Doped polycrystalline 3C-SiC films with low stress for MEMS: part II. Characterization using micromachined structures / J. Trevino [et al.] // Journal of

Micromechanics and Microengineering. 2014. Vol. 24, № 6. P. 065001.

133. Fang W., Wickert J. A. Determining mean and gradient residual stresses in thin films using micromachined cantilevers // Journal of Micromechanics and Microengineering. 1996. Vol. 6, № 3. P. 301.

134. Residual stress in sputtered gold films on quartz measured by the cantilever beam deflection technique / G. Thornell [et al.] // IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. 1999. Vol. 46, № 4. P. 981-992.

135. Fang W., Lo C. Y. On the thermal expansion coefficients of thin films // Sensors and Actuators A: Physical. 2000. Vol. 84, № 3. P. 310-314.

136. Doped polycrystalline 3C-SiC films with low stress for MEMS: part II. Characterization using micromachined structures / J. Trevino [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2014. Vol. 24, № 6. P. 065001.

137. Experimental study on the dielectrostriction of SiO2 with a micro-fabricated cantilever / J. Q. Huang [et al.] // SENSORS IEEE. 2009. P. 1030-1033.

138. Measurement of Young's modulus and residual stress of atomic layer deposited Al2O3 and Pt thin films / F. Purkl [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2017. Vol. 27, № 8. P. 085008.

139. Ефимова А. И., Зотеев А. В., Склянкин А. А. Погрешности эксперимента. М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2012. 39 с.

140. Дрейпер Н. Р. Прикладной регрессионный анализ. М.: Рипол Классик, 1973. 365 с.

141. О методике определения истинной прочности неорганических стекол / Л. Г. Байкова [и др.] // Журнал технической физики. 2013. Т. 83, № 10. С. 55.

142. Коэффициент Пуассона и пластичность стекол / Д. С. Сандитов [и др.] // Журнал технической физики. 2009. Т. 79, № 4. С. 150-152.

143. Оценка влияния ионной обработки на величину остаточных механических напряжений в AL2O3/Si / С. В. Сидорова [и др.] // Наноиндустрия. 2025. Т. 18, № 2. С. 148-159.

ПНППК

Публичное акционерное общество «Пермская научно-производственная приборостроительная компания»

(ПАО «ПНППК»)

1999 2009 ¿ого

ГОСТ РИСО 9001 rOCTPBQOlS-ОШ

гострзее7б

ISO 9001 iso мое: 150*5001

Россия, 614002, г. Пермь, ул. 25 Октября, 106 тел.: [phone], факс: [phone], e-mail: [e-mail] ИНН 5904000395, КПП 590401001

25.03.2026 №66/61-17-а

_А.Г. Андреев

« >3 ^ 2026 г.

УТВЕРЖДАЮ

Генеральный директор У ^ ПАО «ПНППК»

АКТ

внедрения (использования) результатов диссертационной работы Купцова Алексея Дмитриевича

Настоящий акт свидетельствует о том, что практические рекомендации, разработанные в диссертации А.Д. Купцова «Разработка и исследование метода уменьшения механических напряжений при формировании оксидных тонкопленочных покрытий в вакууме», выполненной в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Электронные технологии в машиностроении» под научным руководством к.т.и., доцента кафедры Сидоровой Светланы Владимировны используются:

1. для создания отражающих структур АЬОз покрытия для датчика давления (манометр) ПИКВ.203729.182 (ДД) и включают в себя режим ионной обработки подложек и оптических волокон из кварцевого стекла для улучшения адгезии и снижения дефектов тонкопленочных покрытий АЬОз.

2. отделом микромеханических и оптических технологий и устройств научно-технического центра публичного акционерного общества «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (ПАО «ПНППК») для внедрения в технологический процесс изготовления датчика давления (манометр) ПИКВ.203729.182 (ДД) с 01.10.2025 года.

Результаты, полученные А.Д. Купцовым, имеют практическую ценность и рекомендованы к дальнейшему использованию.

С уважением,

Заместитель ГД по науке - директор НТЦ — главный конструктор

А.В. Субботин

Минкин Александр Михайлович Начальник ОМОТУ НТЦ 8 (909) 119 63 31

УТВЕРЖДАЮ

| ^^^Wrlli « 25 » февраля 2026г.

¿енетЗ^ъный директор АО «ЭТНА»

УХ _

ЙЙЙ^^^Янович C.B.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Комиссия в составе:

Генеральный директор: Янович C.B.

Главный инженер: Дорошин A.B.

Составила настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Купцова Алексея Дмитриевича, аспиранта МГТУ им. Н.Э. Баумана кафедры «Электронные технологии в машиностроении» внедрены в производство датчиков массы на основе кварцевых резонаторов с 15.04.2024 г.

Внедрены следующие результаты: Методика вакуумного осаждения оксидных защитных тонкопленочных структур Al2О3 и SiÖ2 на подложки из кварцевого стекла с чувствительным элементом из золота.

Результаты применяются при изготовлении пьезокварцевых сенсоров приращения массы на объёмных акустических волнах.

Генеральный директор

Главный инженер

Дорошин A.B.

Янович C.B.

Материалы и параметры оптических волноводов

№ Тип устройства Материал подложки Материал волновода Толщина волновода, нм Длина волны сигнала, нм Потери, Дб/см Литература

1 2 3 4 5 6 7 8

1 Фотодетектор Si Si3N4 - - - Никоноров Н.В. Волноводная фотоника. 2008.

2 Электрооптические - LiNbO3, TaNbO3 - - 1

3 Планарный волновод Si Si3N4 - - 0,1

4 Планарный волновод GaAs - - - 4

5 Планарный волновод Si SiO2 6700 442 632 1150 0,5 Аникин В.И. Оптический волновод. 1990.

6 Рентгеновод - Al 30 от 0,01 до 100 - Богдан Т.В. Основы рентген. дифрактом.. 2012.

7 Гребенчатый волновод - LiNbO3 700 1560 0,36 Guarino A. Electro-optically tunable resonators. 2007.

8 Планарный волновод SiO2 Si3N4 700 - - Воропаев К.О. Полосковые оптические волнов. 2017.

9 Планарный волновод SiO2 Al2O3 от 210 до 380 от 200 до 900 от 28,0 до 1,1 Aslan M.M. Low-loss optical waveguides. 2010.

10 Планарный волновод Si HfSi 604 806 1,65 Peled A. Monolithic rare-earth. 2008.

11 Ребристый волновод - LiNbO3 270 1550 0,4 Krasnokutska I. Ultra-low loss photonic circuits. 2018.

12 Гребенчатый волновод - LiNbO3 8000 1550 0,3 Hu H. Lithium niobate ridge waveguides. 2007.

13 Гребенчатый волновод - LiNbO3 700 1550 0,27 Siew S.Y. Ultra-low loss ridge waveguides. 2018.

14 Гребенчатый волновод MgO BaTiO3 1000 633 2 Petraru A. Ferroelectic BaTiO3 Thin Film. 2001.

15 Щелевой волновод SiO2 TiO2 350 1550 5 Qiu F. A hybrid electro-optic polymer. 2015.

16 Щелевой волновод Si TiO2 452 633 2,0-3,5 Alasaarela T. Atomic layer deposited. 2010.

17 Щелевой волновод SiO2 TiO2 450 1550 2.4-0.2 Hâyrinen M. Low-loss titanium dioxide strip. 2014.

18 Полосковый волновод SiO2 Ta2O5 90 1550 0,03 Belt M. Ultra-low-loss planar waveguides. 2017.

19 Планарный волновод стекло TiO2/ SiO2 500 488 514 633 0.30 0.46 0.53 Herrmann P. Fabrication of planar waveguides. 1983.

20 Планарный волновод Si SiO2 4000 1300 0.26 Duguay M. A. Antiresonant reflecting waveguides. 1986.

Таблица 14 (окончание)

1 2 3 4 5 6 7 8

21 Щелевой волновод SiO2 Si3N4 250 от 500 до 4500 - Fang Y. Soliton-Induced Mid-Infrared Dispersive Wave. 2022.

22 Волноводы, фильтры стекло Nb2O5 70 от 360 до 400 - Chen K. N. Investigation of antireflection. 2016.

23 Волноводы, фильтры Si Nb2O5 565 600 - Mazur M. Determination of optical properties. 2014.

24 Фильтры, экраны Si/ стекло Nb2O5 1500 от 900 до 1200 - Xiao X. Structure and optical properties. 2008.

25 Фильтры стекло TiO2 1400 от 700 до 800 - Van Popta A.C. Gradientindex narrow-bandpass filter. 2004.

26 Планарный волновод SiO2 Al2O3 350 633 1 Stadler B. J. H. Alumina thin films as optical waveguides. 1995.

27 Планарный волновод - Al2O3 1000 638 >1 Torab Ahmadi P. Low-loss and low-temperature Al2O3. 2024.

28 Планарный волновод Si Al2O3 500 750 1000 633 829 1549 >0,2 Demirta§ M. Low loss atomic layer deposited Al2O3. 2018.

29 Планарный волновод Si Al2O3 780 633 3,8 Lizarraga-Medina E.G. Optical waveguides. 2021.

30 Волновод - Al2O3 100 633 1 Este G. Reactive deposition of low loss Al2O3. 1984.

31 Пористый волновод стекло TiO2 310 от 400 до 900 - Zhang Z. Application of porous TiO2. 2012.

32 Волновод стекло TiO2 137 287 441 661 633 - Mammeri A. Optogeometric study of multimode TiO22 2022.

33 Волновод стекло TiO2 170 350 от 300 до 900 - Hossain M.F. Effect of deposition time. 2015.

34 Волновод Si TiO2 от 85 до 976 550 - Borras A. Critical thickness and nanoporosity of TiO2. 2012.

35 Волновод стекло TiO2 от 200 до 360 от 300 до 900 - Serrar H. Argon flow rate effects on the optical waveguide. 2023.

36 Щелевой волновод Si SiO2 до 135 15301570 от 1,31 до 2,44 Ioudashkin E. A three demultiplexer C-band. 2020.

37 Щелевой волновод Si SiO2 100 1550 от 0,3 до 13,0 Katigbak A. Compact silicon slot waveguide. 2009.

38 Волновод стекло TiO2/ SiO2 310 1064 - Thomas I. M. Single-layer TiO2. 1987.

39 Волновод стекло TiO2/ SiO2 250 от 450 до 800 - Mazur M. TiO2/SiO2 multilayer. 2013.

40 Волновод стекло TiO2/ SiO2 525 1000 - Stevenson I. The production of ultra-low loss AR coatings. 2004.

Коэффициенты преломления материалов покрытий и подложек

№ Материал подложки Показатель преломления (n) Литература

1 Кварцевое стекло 1,46 Malitson I.H. Interspecimen comparison of the refractive index. 1965.

2 Боросиликатное стекло 1,47

3 Корундовое стекло 1,52

4 ЛШэ 1,77 West G.N. Low-loss integrated photonics. 2019.

5 ПТаОз 2,14 Chen F.S. Optically induced change of refractive indices. 1969.

6 ТЯ205 2,15 Bright T.J. Infrared optical properties of amorphous Ta2O5. 2013.

7 2Г02 2,16 Wood D.L. Refractive index of cubic zirconia. 1982.

8 ОЯЮз 2,22 Chen F.S. Optically induced change of refractive indices. 1969.

9 К№Оз 2,28 Zysset B. Refractive indices of orthorhombic KNbO3. 1992.

10 КТаОз 2,40 Fujii Y. Dielectric and optical properties of TaO3. 1976.

11 ТЮ2 2,61 Butt M. A. Thermal effect on the optical properties. 2017.

12 SiC 2,65 Singh S. Nonlinear optical properties. 1971.

13 Si 3,88 Schinke C. Uncertainty analysis for the coefficient. 2015.

14 ОаР 3,50 Aspnes D.E. Dielectric functions and optical parameters. 1983.

15 ОаЛБ 3,93

16 Ое 4,05

Рисунок П.1.

Пример расчета оптических характеристик волноводных структур

л

т

и

о

35 X

е еж

к

р

п

а

И

П

оГ л о п

5,0

4,5 + 4,0

3,5

3,0 + 2,5 2,0 + 1,5 1,0

о

и

о к

«

е

Т

и

? 0,5

% 0,0 5

+

-+-

+

100

200

- • -410

463

300 400 500

Толщина волновода, нм

- 493 —•— 533 - • - 578 -

600

700

608

683

Рисунок П.2.

Зависимость напряженности электрического поля от толщины волновода для АЬ03

5,0

608 - • - 683

300 400 500

Толщина волновода, нм

-•-410 • 463 — • —493 • 533 -»-578 —

Рисунок П.3.

Зависимость напряженности электрического поля от толщины волновода для ТЮ2

5,0

700

т

«

о н н

е еж

К

р

п

а

И

П

оГ л о п о

и

о к

и

е

т

и р

т к е

з

4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

- • -410

463

300 400 500

Толщина волновода, нм

-•-493 • 533 -#-578 —

700

608 - • - 683

Рисунок П.4.

Зависимость напряженности электрического поля от толщины волновода для SiO2

0,012

10

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Толщина пленки, нм

Рисунок П. 5.

Зависимость напряжения от толщины ТП (100-1000 нм) для усилия 0,1 Н

100 150 200 250

Толщина пленки, нм

Рисунок П. 6.

Зависимость напряжения от толщины ТП (100-250 нм) для усилия 0,1 Н

100

200

300

800

900

400 500 600 700

Толщина пленки, нм

Рисунок П. 7.

1,2 т

182

3 —•— 4

10

100 150 200

Толщина пленки, нм

Рисунок П. 8.

Зависимость напряжения от толщины ТП (100-250 нм) для усилия 10 Н

250

а

е

№

и н

%

К Л п а

И

2,0

1,5

1,0

0,5 -

0,0

10

+

+

100 200 300 400 500 600 700 800 900

Толщина пленки, нм

Рисунок П. 9.

Зависимость напряжения от толщины ТП (100-1000 нм) для усилия 20 Н

1000

10

100 150 200

Толщина пленки, нм

Рисунок П.10.

Зависимость напряжения от толщины ТП (100-250 нм) для усилия 20 Н

Толщина пленки, нм