Tailoring structural and optical properties of Si-doped HfO2 thin films via target composition and plasma environment

Simple item page
dc.contributor.authorKhomenkov, Dmytroen_US
dc.contributor.authorPonomaryov, Semyonen_US
dc.contributor.authorPortier, Xavieren_US
dc.contributor.authorMelnichuk, Lyudmylaen_US
dc.contributor.authorKhomenkova, Larysaen_US
dc.date.accessioned2026-05-21T06:02:15Z
dc.date.available2026-05-21T06:02:15Z
dc.date.issued2025
dc.descriptionОптичні та структурні властивості тонких плівок HfO2, легованих Si, були досліджені в залежності від хімічного складу мішені, температури підкладки (100…500 °C) та складу газової плазми. Плівки були нанесені на кремнієві підкладки з орієнтацією (100) методом радіочастотного магнетронного розпилення композитної мішені Si:HfO2 у аргоновій або аргон-водневій плазмі. Вміст Si у плівках змінювався шляхом регулювання складу мішені, потоку водню та загального тиску у камері. Методами просвічуючої електронної мікроскопії, спектроскопії ІЧ-поглинання, спектральної еліпсометрії та Оже електронної спектроскопії показано, що плівки HfO2, леговані Si, є щільними, аморфними та однорідними за хімічним складом. При осадженні в плазмі чистого аргону при загальному тиску 0,04 мбар збільшення вмісту кремнію у мішені сприяє утворенню однорідних аморфних плівок з показником заломлення до 2,42 (при 1,95 еВ), що перевищує показник заломлення чистого HfO2 (1,98 при 1,95 еВ). Реактивне осадження в аргон-водневій плазмі дозволяє підвищити показник заломлення до 2,75 шляхом збільшення частки водню у загальному потоці газів. Показано, що зростання показника заломлення до 3,4 можна досягти за рахунок зниження загального тиску у камері до 0,02 мбар та/або підвищення температури підкладки. Однак останнє приводить до зниження швидкості росту плівки. Застосовано модель структурних зон для інтерпретації залежності морфології плівок від умов осадження, яка враховує рухливість адатомів, іонне бомбардування поверхні підкладки та процес формування однорідної плівки. Новизна цієї роботи полягає в демонстрації того, що реактивне розпилення з використанням водню дозволяє контролювати вміст кремнію у легованих плівках in situ під час осадження без необхідності варіації складу мішені. Показано, що варіація режимів напилення дозволяє керувати мікроструктурою та оптичними властивостями плівок HfO2, легованих Si. Запропоновані підходи відкривають можливість для створення аморфних покриттів на основі легованого HfO2 з змінним показником заломлення, придатних для мікро- та оптоелектронного застосування.uk_UA
dc.description.abstractOptical and structural properties of as-deposited Si-doped HfO2 thin films were investigated as a function of target composition, substrate temperature (100…500 C), and plasma environment. The films were deposited on Si (100) substrates by RF magnetron sputtering from composite Si:HfO2 targets in either pure argon or argon–hydrogen plasma. The Si content in the films was varied by adjusting the target composition, the hydrogen fraction in the plasma, and the total pressure. TEM, FTIR, ellipsometry, and Auger electron spectroscopy revealed that the Si-doped films maintained chemical uniformity and dense amorphous structure. For deposition in pure Ar plasma at a total pressure of 0.04 mbar, increasing Si incorporation led to formation of homogeneous amorphous films with a refractive index higher than that of pure HfO2 (2.42 vs. 1.98 at 1.95 eV). Deposition in Ar-H2 plasma enabled further raise of the refractive index up to 2.75 through variation of the hydrogen flow rate. An even higher refractive index up to 3.4 was achieved by lowering the total pressure to 0.02 mbar and/or by increasing the substrate temperature. However, the latter resulted in a reduced film growth rate. The extended structure–zone model provided a consistent framework to interpret the observed film morphologies, linking adatom mobility, ion bombardment, and film densification to the deposition parameters. The novelty of this work is in demonstrating that hydrogen-assisted reactive sputtering enables in situ control of the Si content during deposition without need to modify the target composition. These findings show that the microstructure and optical response of Si-doped HfO2 films can be systematically tailored, offering a route for designing high-index amorphous coatings suitable for optical and microelectronic applicationsen_US
dc.identifier.citationTailoring structural and optical properties of Si-doped HfO2 thin films via target composition and plasma environment / D. V. Khomenkov, S. S. Ponomaryov, X. Portier, L. Yu. Melnichuk, L. Yu. Khomenkova, F. Gourbilleau, O. V. Melnichuk // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2025. - Vol. 28, No 4. - P. - 441-448. - https://doi.org/10.15407/spqeo28.04.441en_US
dc.identifier.issn1605-6582
dc.identifier.issn1560-8034
dc.identifier.urihttps://doi.org/10.15407/spqeo28.04.441
dc.identifier.urihttps://ekmair.ukma.edu.ua/handle/123456789/39593
dc.language.isoenen_US
dc.relation.sourceSemiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronicsen_US
dc.statusfirst publisheden_US
dc.subjectHfO2en_US
dc.subjectSi-doped HfO2en_US
dc.subjectmagnetron sputteringen_US
dc.subjectthin filmsen_US
dc.subjectellipsometryen_US
dc.subjectFTIRen_US
dc.subjectTEMen_US
dc.subjectAuger spectroscopyen_US
dc.subjectarticleen_US
dc.subjectHfO2uk_UA
dc.subjectлегуванняuk_UA
dc.subjectкремнійuk_UA
dc.subjectмагнетронне розпиленняuk_UA
dc.subjectтонкі плівкиuk_UA
dc.subjectеліпсометріяuk_UA
dc.subjectспектроскопія ІЧ-поглинанняuk_UA
dc.subjectпросвічуюча електронна мікроскопіяuk_UA
dc.subjectОже електронна спектроскопіяuk_UA
dc.titleTailoring structural and optical properties of Si-doped HfO2 thin films via target composition and plasma environmenten_US
dc.title.alternativeВплив хімічного складу мішені та газової плазми на оптичні та структурні характеристики плівок HfO2, легованих кремніємuk_UA
dc.typeArticleen_US
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
Thumbnail Image
Name:
Tailoring_structural_and_optical_properties_of_Si-doped_HfO2_thin_films_via_target_composition_and_plasma_environment.pdf
Size:
1.35 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Download
License bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
license.txt
Size:
1.71 KB
Format:
Item-specific license agreed upon to submission
Description:
Download
Collections
Кафедра фізико-математичних наук