Trachuk_E_M (1)

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Поволжский государственный технологический университет»
«РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
МЕМРИСТОРОВ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ»
Выполнил: студент группы ЭиНЭм-21,
Трачук Эдуард Михайлович
Научный руководитель кандидат технических наук,
доцент, Мороз Андрей Викторович
Йошкар-Ола
2026г.

2.

Введение
Рисунок 2 – Мемристор в топологии типа кроссбар
Рисунок 1 – Соотношения между четырьмя
фундаментальными электрическими
переменными и двухполюсниками,
связывающими эти переменные
Рисунок 3 – Вертикальная структура ячейки мемристора
2

3.

Теоретическая часть
Базовые статические параметры мемристоров
1.
Сопротивление в высокоомном состоянии
2.
Сопротивление в низкоомном состоянии
3.
Соотношение ON/OFF
4.
Напряжение SET
5.
Напряжение RESET
6.
Ток SET/RESET
7.
Ток ограничения
Рисунок 4 – Типовая вольт-амперная характеристика
Параметры контроля в процессе роста активного слоя
1.
Толщина пленки
2.
Стехиометрия пленки
3.
Кристаллическое строение
3
мемристора биполярного нелинейного типа

4.

Объект исследования:
Технология изготовления слоев тонкопленочной мемристорной структуры на основе четырехслойной пленки
Cu/ZnOx/ZnO/Cu.
Предмет исследования:
Нахождение зависимостей между условиями формирования отдельных слоев мемристорной структуры и ее
характеристиками.
Научная новизна
За счет оптимизации содержания Ar в газовой смеси и подбора соотношения газовой смеси Ar/O2 в вакуумной
камере возможно получение с использованием метода магнетронного распыления тонких пленок активного слоя
ZnOx/ZnO с заданным значением поверхностного сопротивления.
4

5.

Практическая значимость работы
1.
Предложено применение метода магнетронного распыления с контролем сопротивления в процессе
напыления для получения слоев тонкопленочной мемристорной структуры Cu/ZnOx/ZnO/Cu.
2.
Установлены количественные зависимости между режимами напыления проводникового слоя и
активного слоя, составом активного слоя.
3.
Разработана инструкция для работы с вакуумной установкой УМР-71 при формировании проводниковых
слоев меди, а также устройство для контроля сопротивления тонких пленок в процессе напыления.
4.
Исследования технологии изготовления мемристоров в области формирования тонких пленок позволяют
получать пленки под контролем с заданными свойствами и характеристиками для слоев мемристора, а
благодаря своей простоте и низкой стоимости обладают высоким потенциалом для внедрения в
производственные процессы наноэлектроники.
5

6.

Положения выносимые на защиту
1.
Электронный ток, возникающий во время воздействия магнетронного разряда на мостовую схему измерений,
входящую в устройство для контроля сопротивления в процессе напыления, искажает значения сопротивления
измеряемого образца.
2.
Путем увеличения времени очистки мишени от 150 до 300 с можно уменьшить высоту кластерных образований
и примесных зерен с 13 до 5 нм.
3.
Технология, разработанная на основании исследований зависимостей варьируемых параметров магнетронного
распыления, пригодна для слоев мемристорной структуры Cu/ZnOx/ZnO/Cu.
6

7.

Цель работы:
Разработка технологии изготовления слоев тонкопленочной мемристорной структуры на основе четырехслойной
пленки Cu/ZnOx/ZnO/Cu, а также исследования процессов происходящих при напылении отдельных слоев мемристорной
структуры.
Задачи:
1.
Разработать топологию платы мемристорной структуры Cu/ZnO/ZnOx/Cu.
2.
Разработать устройство для контроля сопротивления тонких пленок в процессе напыления.
3.
Разработать технологический процесс изготовления мемристорной структуры Cu/ZnO/ZnOx/Cu в соответствии с
разработанной топологией.
4.
Исследовать влияние варьируемых параметров магнетронного распыления на поверхнустную микроструктуру
проводниковых пленок меди.
5.
Исследовать влияние наводок на разработанную схему устройства для контроля тонких пленок в процессе
напыления.
6.
Исследовать вольт-амперную характеристику сформированных мемристорных структур.
7

8.

Конструкторская часть
Таблица 1 – Характеристика слоев платы
Рисунок 5 – Топология платы
мемристорной структуры
8

9.

1. Электронный ток, возникающий во время воздействия магнетронного разряда на мостовую схему
измерений, входящую в устройство для контроля сопротивления в процессе напыления, искажает
значения сопротивления измеряемого образца.

10.

Рисунок 6 – Блок схема устройства для контроля
сопротивления тонких пленок в процессе напыления
10

11.

Конструкторская часть
Рисунок 7 – Эскизное изображение технологической
оснастки для установки свидетеля в вакуумную камеру,
Рисунок 8 – Конструкция свидетеля
где: 1 – оснастка; 2 – свидетель; 3 – подложкодержатель.
11

12.

Исследовательская часть
210
200
R, Ом
190
180
170
160
150
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Iм, А
Рисунок 10 – Зависимость сопротивления
постоянного резистора 200 Ом от величины
тока магнетрона
60
50
40
R, кОм
30
20
10
0
-10
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
-20
-30
Рисунок 11 – Зависимость сопротивления
постоянного резистора 50,3 кОм от величины
тока магнетрона
Рисунок 9 – Расположение резистора
относительно мишени
Iм, А
12
0,45

13.

Исследовательская часть
Таблица 5
I магнетрона, А R, кОм U~1 , В
1,0
50,3
13,11
U~2, В
1,45
F1 = 25кГц
F2 = 75 кГц
Наблюдается
всплеск
мощностью
-49дбм
относительно -60дбм (увеличение в 3,5 раза по
напряжению)
Рисунок 12 – Зависимость амплитуды сигнала от
частоты
13

14.

Конструкторская часть
R 2 ∙ Uпит − R1 + R 2 ∙ U
R4 =
∙R
R1 ∙ Uпит + R1 + R 2 ∙ U 3
U(R4)
4,5
4
3,5
U,, В
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
20
40
60
80
100
R4, кОм
Рисунок 14 – Зависимость U(R4)
Рисунок 13 – Моделирование работы мостовой схемы
14
120

15.

Конструкторская часть
Таблица 2 – Диапазон измерительных токов мультиметра Keysight 34401A
Диапазон сопротивлений
Измерительный ток
1 кОм – 10 кОм
1 мА – 100 мкА
10 кОм – 100 кОм
100 мкА – 10 мкА
100 кОм – 1 МОм
10 мкА – 5 мкА
1 МОм – 10 МОм
5 мкА – 500 нА
10 МОм – 100 МОм
500 нА
R=
Uизм
Iизм ± Iинж
15

16.

2. Путем увеличения времени очистки мишени от 150 до 300 с можно уменьшить высоту кластерных
образований и примесных зерен с 14 до 5 нм.

17.

Исследовательская часть
Рисунок 15 – 3D изображение поверхности экспериментальных образцов тонких пленок Cu:
а) без очистки мишени; б) после очистки мишени 150 с; в) после очистки мишени 300 с.
17

18.

3. Технология, разработанная на основании исследований зависимостей варьируемых параметров
магнетронного распыления, пригодна для слоев мемристорной структуры Cu/ZnOx/ZnO/Cu.

19.

Технологическая часть
Рисунок 17 – Вакуумная схема соединений
Рисунок 16 – Рабочее окно программы установки
19

20.

Технологическая часть
Рисунок 18 – Блок схема технологического процесса
20

21.

Исследовательская часть
Рисунок 19 – Вольт-амперные характеристики мемристорных структур Cu/ZnO/ZnOx, где
Пленки ZnO сформированы при значения Ar/O2: 80/20 для низкоомного слоя;
Ar/O2: 75/25 для высокоомного слоя
21

22.

Выводы
1) Разработанное устройство для контроля сопротивления тонких пленок в процессе напыления состоит из
контрольного образца – свидетеля размером 30×30 мм, мостовой схемы измерений Уитстона, EMI-фильтра, а
также платы микроконтроллера Arduino Uno при помощи которой происходит вычисление неизвестного
сопротивления и связь с компьютером.
2) Разработана топология платы мемристорной структуры Cu/ZnO/ZnOx/Cu, по которой определены требуемые
характеристики формируемых слоев: медь от 1 до 3 мкм, активный слой ZnO – 10 кОм/ , ZnOx – 100 кОм/ .
3) Разработан технологический процесс изготовления мемристорной структуры Cu/ZnO/ZnOx/Cu в соответствии с
разработанной топологией, который состоит из 8 операций.
4) С увеличением времени очистки мишени от 150 до 300 с при распылении медной мишени уменьшается высота
кластерных образований от 15 до 5 нм.
22

23.

Выводы
5) Электронный ток, возникающий во время воздействия магнетронного разряда на мостовую схему измерений,
входящую в устройство для контроля сопротивления в процессе напыления, а также наводки, возникающие в
следствие работы импульсного блока питания, искажают значения сопротивления измеряемого образца.
6) В результате исследования ВАХ мемристорорной структуры Cu/ZnO/ZnOx полученные значения выходного тока
порядка 5 А имеют высокое значения, что может быть связано с высокой концентрацией Ar порядка 75-80 % в
вакуумной камере в процессе формирования пленок.
23

24.

Апробация
1) Трачук, Э. М. Влияние соотношения газовой смеси в вакуумной камере на вольт-амперную характеристику
магнетрона / Э. М. Трачук, А. В. Мороз // Вакуумная техника и технология : Материалы XII Российской студенческой
научно-технической конференции, Казань, 22–24 апреля 2025 года. – Казань: Казанский национальный
исследовательский технологический университет, 2025. – С. 59-60. – EDN DYMXJB.
2) Трачук, Э. М. Возможности применения мемристивных структур на основе тонких пленок оксида цинка,
полученных методом магнетронного распыления / Э. М. Трачук, А. В. Мороз // Донецкие чтения 2024: образование,
наука, инновации, культура и вызовы современности : материалы IX Международной научной конференции, Донецк,
15–17 октября 2024 года. – Донецк: ФГБОУ ВО «ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», 2024. – С.
158-161. – EDN DMNMBP.
3) Трачук, Э. М. Исследование влияния очистки мишени на формирование тонких пленок / Э. М. Трачук //
Инженерные кадры - будущее инновационной экономики России. – 2024. – № 1. – С. 301-304. – EDN ZTOXYM.
4) Трачук, Э. М. Формирование пленок оксида цинка (ZnO) для использования в качестве активного слоя мемристора
методом реактивного магнетронного распыления / Э. М. Трачук // Инженерные кадры - будущее инновационной
экономики России. – 2023. – № 1. – С. 467-471. – EDN JCDVPK.
24