Обработка материалов ионами инертных газов широко используется в науке для нанесения тонких пленок, получения профилей концентрации, в качестве источника возмущений во вторичной ионной масс спектроскопии. Понимание механизма ионно-индуцированных трансформаций поверхности материала необходимо для эффективного использования ионной обработки в технологии тонких пленок.
В данной работе представлены результаты исследований модификации электрофизических и оптических свойств анодных оксидов переходных металлов (ОПМ) при ионно-плазменной обработке (ИПО).
Для изучения модификации свойств ОПМ под действием плазмы (Ar) использовались анодные аморфные оксиды Ta2O5, Nb2O5 и V2O5, синтезированные на кварцевых подложках.
ИПО анодных пленок ОПМ проводилась в планарном реакторе емкостного типа с проточной схемой напуска газа. Использовался плоский симметричный разряд в аргоне на частоте 13.56 МГц при рабочем давление газа в камере - 10-2 Тор. Мощность ВЧ разряда варьировалась в диапазоне 10 - 150 Вт, а время обработки 1-5 минут.
Структурные исследования модифицированных ВЧ плазмой (Ar) оксидов ванадия показали, что для больших доз (Dи > 5.025·1014 ион/см2, 20 Вт) наблюдается кристаллизация исходно аморфного оксида ванадия - на фоне аморфного диффузного пика появляются линии поликристаллического оксида V2O5. Электронно-микроскопические исследования модифицированных анодных оксидных пленок (АОП) Nb и Ta дают подобный результат, но для кристаллизации требуются большие ионные дозы (мощность).
Известно [1], что при ионной бомбардировке эффективность передачи энергии ионов в облучаемый материал достигает 90 %. При этом может происходить существенный нагрев образца. Исследования в [2] показали, что для оксида V кристаллизационные процессы могут наблюдаться начиная с температур ~ 70°С, а для оксидов Ta и Nb с ~ 300°C. Таким образом, изменение структуры АОП при ИПО можно связать с процессом термостимулированной кристаллизации изначально аморфных пленок.
Существенная модификация оптических свойств при ИПО анодного оксида ванадия наблюдается в спектральном интервале 2.5 эВ < hν < 5 эВ. Последовательное увеличение ионной дозы приводит к увеличению пропускания в коротковолновой области и уменьшению интенсивности пиков поглощения в этой области.
Согласно [3], в данном интервале энергий фотонов оптические свойства ОПМ обусловлены электронными переходами между 2p-состояниями атома кислорода и 3d-состояниями атома Me. Учитывая, что
~ 
, (1)
(где - коэффициент поглощения материала, 
- квадрат матричного элемента, определяющий вероятность оптических переходов, 
- плотность начальных и конечных состояний), общее снижение поглощения в рассматриваемой области объясняется исходя из снижения . Это снижение связано с уменьшением степени 3d - 2p-гибридизации, обусловленным в данном случае увеличением средних Me-O расстояний вследствие внедрения ионов аргона в структуру V2O5 пленки.
Процесс модификации оптических свойств оксидов Ta и Nb при ИПО качественно подобен модификации оптических свойств оксида ванадия.
В результате ИПО изменяется также электрическая проводимость рассматриваемых оксидов. С ростом мощности разряда и ионной дозы до 1014 ион/см2 в области средних полей ВАХ анодного V2O5 наблюдается увеличение проводимости (участок с омической ВАХ не меняется). Здесь проводимость можно рассматривать с точки зрения протекания через оксид ТОПЗ, при наличии в запрещенной зоне окисла ловушечных уровней, экспоненциально распределенных по энергии (J ~ Um, m=8.2>2)[4]. Согласно выбранной модели, рост проводимости оксидов при ИПО можно объяснить уменьшением энергия активации ТОПЗ.
Таким образом, в настоящей работе показано, что в аморфных анодных пленках ОПМ, в результате ИПО происходит модификация электрических, структурных и оптических свойств. Указанные изменения обусловлены ионным внедрением и электронной инжекцией из плазмы, термическим разогревом исследуемых оксидов.
Работа выполнена при поддержке грантов: Федеральное Агентство РФ по науке и инновациям (контракт № 02.513.11.3351), Министерство образования РФ и американский фонд гражданских исследований и развития (CRDF Award No. Y5-P-13-01).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Ионное травление микроструктур.- М: Сов. Радио, 1979. -104с.
- Стефанович Г. Б. Переход металл-изолятор в пленочных структурах на основе оксидов переходных металлов. - дисс. докт. физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 1997. - 360с.
- Лагукова Н.И., Мокеров В.Г., Губанов В.А.- ФТТ, т.17, в.12, 1975, с.3696.
- Райкерус П.А., Лалеко В.А. Физические основы пленочной электроники: Учебное пособие. - Петрозаводск, 1987. - 88с.