1.3. Електрофізичні та тензорезестивні властивості одношарових плівкових систем Al і Cu
Тонкі плівки, товщини яких зазвичай мають нанометрові розміри, можуть істотно відрізнятися за властивостями від масивних зразків. Це відкриває широкі можливості створення на поверхні виробів, покриттів, що представляють собою принципово нові як за структурою, так і за властивостями матеріали.
Дослідження в цьому напрямку пов'язані з області інженерії поверхні, інтенсивно розвиваються. На базі використання плівок виникли такі напрямки в техніці, як тонко-плівкова електроніка, спеціальні розділи оптики. В принципі, через тонкі плівки можлива практична реалізація нанокристалічного стану матеріалів з метою досягнення зносостійкості, корозійної стійкості та інших якостей.
Роботи з одержання та вивчення плівок проводяться протягом багатьох років [15]. Однак, закономірності формування структури плівок залишаються слабо вивченими, що пов'язано з надзвичайно малими нанометровими розмірами об'єкта дослідження. У свою чергу пояснення і прогнозування властивостей плівок безпосередньо обумовлюється не тільки товщиною, а й структурою.
Широкі можливості вивчення структури плівок з'явилися порівняно недавно, з моменту виникнення тунельної мікроскопії, що забезпечує нанометрову роздільну здатність. Вивчалися структура і електричні властивості мідних, алюмінієвих і нікелевих плівок, призначених для використання в мікроелектроніці як електричних провідників.
Об'єкти для дослідження отримували наступними методами. Оскільки, як підкладки в мікроелектроніці в основному застосовують аморфні діелектричні матеріали, в якості їх аналога в роботі використовувалося скло. Плівки алюмінію, міді та нікелю наносили на скляну підкладку методом магнетронного розпилення і осадження з парової фази, які є перспективними для цих цілей. Товщини мідних плівок варіювалися від декількох нанометрів до 100 нм. Плівки алюмінію і нікелю були отримані з товщиною 15 і 19 нм відповідно.
Вивчення мікроструктури плівки по її об'єму внаслідок малої товщини об'єкта звичайними методами (полірування, травлення і т.д.) практично неможливо. Тому про структуру плівки і закономірності її формування судили по зміні рельєфу її поверхні при послідовному пошаровому напиленні металу.
Вивчення рельєфу здійснювалося за допомогою тунельного мікроскопа, який крім тривимірного зображення поверхні дозволяв отримати її профілограмі в будь-якому довільному перерізі. Як приклад на рис. 2.1 представлені зображення рельєфу поверхні мідної плівки і профілограмма по одному з перетинів. Профілограми дозволяють кількісно оцінити характер рельєфу поверхні. З використанням профілограм був розрахований середній розмір кристалітів в поверхневому шарі плівки. Умовно за розмір кристаліта була прийнята його ширина по середній лінії профілограми, тобто в поперечному (паралельно поверхні плівки) перерізі.
Встановлено, що мідна плівка товщиною приблизно 5 нм складається з кристалітів, які існують у вигляді окремих колоній і не утворюють суцільного покриття. Середній розмір кристалітів становить 0,05 мкм. Спостерігається значний розкид в розмірах окремих кристалітів, що досягає 0,025 мкм. Мідна плівка товщиною 13 нм є вже суцільною і складається з великих кристалів із середнім розміром 0,24 мкм. Більш товста плівка (21 нм) має великий розмір кристалітів - 0,81 мкм. Збільшення розміру кристалітів спостерігається з ростом товщини плівки до 60 нм. Далі розмір кристалітів залишається практично постійним (рис. 1.6).
Результати досліджень і аналіз робіт дозволяють уявити механізм формування структури металевих плівок на аморфній підкладці, що проходить в три стадії.
Рис.1.6. Залежність середнього розміру кристалітів (D) від товщини плівки (h) [15]
У початковий момент на підкладці зароджуються окремі кристаліти (1-а стадія), відбувається їх зростання до зіткнення і освіти спочатку окремих колоній, а потім і суцільної плівки (2-а стадія). Зростання кристалітів відбувається як вздовж, такі перпендикулярно поверхні підкладки. Далі, на 3-їй стадії, спостерігається нарощування шарів із збереженням постійного поперечного розміру кристалітів.
Залежність питомої електричного опору від товщини мідної плівки представлена на рис. 1.7. Можна бачити, що воно певним чином корелює зі зміною середнього розміру кристалітів в залежності від товщини плівки (рис.1.6). При товщині плівки більше 60нм вона поводиться подібно масивного електричному провіднику, тобто питомий електричний опір не залежить від масштабного фактора - товщини плівки. При товщинах плівки менше 60нм її з повною підставою можна відносити до розряду тонких плівок, константа матеріалу - питомий електричний опір виявляється залежним від товщини плівки. З її зменшенням різко зростає електричний опір. При товщині плівки 13 нм питомий електричний опір стає більш ніж на порядок вище в порівнянні з товстої плівкою. Високий електричний опір тонких плівок обумовлюється додатковим розсіюванням електронів на границях плівок, якщо товщина їх порівнянна з довжиною вільного пробігу електронів провідності. Розсіювання електронів виникає також на границях кристалітів, тим більше, коли їх розміри - нанометрові, і, отже, гранична область з неупорядкованим розташуванням атомів займає значний обсяг плівки.
Рис.1.7. Залежність питомого електричного опору (p) плівки від її товщини (h) [15]
В роботі проведено випробування мідних плівок на електричний пробій. Характер руйнування плівок спостерігався з використанням оптичного мікроскопа. Встановлено, що тонкі плівки руйнуються за механізмом електричного пробою діелектрика. У цьому ж зв'язку цікаво відзначити, що тонкі плівки подібно діелектриків є оптично прозорими. При електричному руйнуванні тонких плівок спостерігаються (рис. 1.8 а, б) тепловий пробій (1) і поверхневий пробій (2).
а |
б |
Рис.1.8.- Електричний пробій плівки [15]:
1 – тепловий пробій;
2 – поверхневий пробій;
а – товщина плівки 13 нм; б – товщина плівки 43 нм
Зона теплового пробою має вид джгута, а поверхневий пробій являє собою руйнування матеріалу плівки на поверхні у вигляді зигзагоподібних ліній. Поверхневий пробою супроводжується характерним електричним розрядом (пробігом іскри) по поверхні плівки при випробуваннях.
Встановлено, що напруга поверхневого пробою залежить від структури плівок (рис. 1.9). Чим менше середній розмір кристалітів і відповідно товщина плівки, тим вище її електричний опір, тим ближче вона за характеристиками пробою наближається до діелектриків, тобто щоб стався пробій, необхідно докласти більше напруження. У товстих плівок (60 нм і вище) поверхневий пробій відсутня. Ймовірно, це пов'язано з наступними явищами. Тепловий пробій залежить від товщини плівки, так як з її збільшенням погіршуються умови тепловідведення, що і призводить до зниження електричної міцності. При збільшенні товщини плівки напругу теплового пробою зменшується і в той момент, коли воно стане рівним напрузі поверхневого пробою або нижче його, руйнування провідної плівки буде проходити по типу масивного зразка, тобто без поверхневого пробою.
Рис.1.9. Залежність напруги поверхневого пробою (U) від розміру кристалітів (D) [15]
Поверхневий пробій має вигляд зигзагоподібних ліній. Очевидно це викликано тим, що поверхня плівки складається з кристалітів різного розміру і потік електронів вибирає при своєму переміщенні найбільш найкоротший шлях, тобто напрям найменшого опору. Тому окремий акт переміщення електронів реалізується по поверхні дрібних кристалітів. Характерно, що для тонких плівок, де розміри кристалітів малі, лінії пробою більш тонкі і звивисті (рис. 1.8 а). Відповідно, чим товще плівка і крупніше розмір кристалітів, тим лінії пробою менш зигзагоподібні і ширші (рис. 1.8 б).
Встановлено, що тонкі плівки алюмінію і нікелю поводяться подібно мідним плівкам. У них також спостерігається явища поверхневий та тепловий електричних пробоїв. Їх електричний опір при товщинах плівок порядку 15-19 нм на порядок вище, ніж питомий електричний опір масивних зразків. Основні відмінності між плівками виявляються в тому, що матеріали з більш високою питомою електричним опором зберігають цю якість і в тонких плівках. Так, наприклад, мідна і нікелева плівки з близькими значеннями товщини 21 і 19 нм відповідно, мають питомий електричний опір 1,93*107 Ом*м і 7,16*107 Ом*м. Питомі електричний опір масивних зразків цих металів складають 0,17*107 і 0,73*107 Ом*м. Встановлено, що величина напруги поверхневого пробою плівок залежить не тільки від розміру кристалітів плівки, але і від її питомого електричного опору. Розглянуті мідна та нікелева плівки мають близькі значення середнього розміру кристалітів поверхневого шару - 0,24 ~ 0,22 мкм. Однак величини напруг поверхневого пробою різняться істотно: мідна плівка - 34,5 В і нікелева плівка - 105,6 В.
Методом магнетронного розпилення Al при тиску в камері~10-2Па отримані плівки Al2O3. Покриття для досліджень отримані на експеріменально - технологічній установці, схема якої показана на рис.1.10. Вакуумна камера, виконана - з нержавіючої сталі, має циліндричну форму, до торця якої приєднаний магнетрон. Відкачування камери проводиться форвакуумним і дифузійним насосами до залишкового вакууму 2∙10-3 Па. Для напуску робочих газів використовується двоканальна система СНУ-2. По одному каналу напускається інертний газ - аргон, який служить для розпилення алюмінієвої мішені, по другому каналу напускається кисень для формування плівок Al2O3
Рис.1.10. Схема магнетронній установки [16]:
1 – котушка зустрічного зовнішнього магнітного поля;
2 – мішень;
3 – магнітна система магнетрона;
4 – силові лінії магнітного поля;
5 – екран;
6 – область магнетронного розряду;
7 – заслінка;
8 – область ВЧІ розряду;
9 – столик із зразками;
10 – джерело живлення магнетрона;
11 – ВЧ-генератор;
12 – індуктор
Магнетрона система виконана за принципом незбалансованого магнетрона У неї входять плоский магнетрон постійного струму з джерелом живлення до нього і соленоїд зовнішнього магнітних поля. Магнетрон постійного струму має наступні параметри: діаметр розпиляючої мішені 190мм; відстань мішень-підкладка 100...500 мм. Параметри джерела живлення магнетрона постійного струму наступні: напруга до 1 кВ, струм до 20 А, потужність 6 кВт [16].
Покриття наносили на підкладки з нержавіючої сталі і скла. Очищення поверхні проводили з допомогою бензину, ацетону, спирту та подальшою плазмової обробки в ВЧ індукційному разряді протягом 10 хв. Потім проводили тренування мішені, для чого при закритій заслінці запалювали магнетронний розряд в атмосфері чистого аргону. Розряд підтримували протягом ~ 5...10 хв, після чого напускали кисень, встановлювали не обхідний параметр розряду і проводили процес осадження плівки на підкладки. Структуру плівок досліджували за допомогою електронного мікроскопа та рентгенівського діфрактометра, товщину визначали за допомогою оптичного інтерференційного методу, а твердість - нанотвердометрія (NHT).
Для дослідження електропровідності плівок Cu у якості підкладок використовувалися поліровані пластини із полікору ВК-100, на які попередньо були напилені контактні площадки у вигляді двошарової плівки Cu/Cr/П (П – підкладка). Шар хрому товщиною 30-50 нм забезпечував адгезію з підкладкою, а верхній шар міді товщиною близько 200 нм – низьку електропровідність контакту. До контактних площадок підводились прижимні зонди з ніхрому.
Плівки Cu були отримані термічним методом зі швидкістю ω = 0,1 нм/с у вакуумі ~ 10-3 Па при кімнатній температурі підкладки. Відпалювання плівкових зразків проводилось в температурному інтервалі T = 300–920 К протягом двох - трьох циклів за схемою „ нагрівання - охолодження”. Вимірювання опору здійснювалось цифровим вольтметром В7-23. Після останнього циклу відпалювання підкладки з плівками охолоджувалися у вакуумі до температури 300 К. Температура визначалася за допомогою хромель - алюмельової термопари.
Фазовий склад та кристалічна структура вивчалась методами електронографії та просвічуючої електронної мікроскопії ( прилад ПЕМ-100М). Для цього з препаровані плівкові зразки на мідній сітці відпалювалися у вакуумній камері з витримкою при певних фіксованих температурах протягом 5 хвилин з наступним охолодженням до кімнатної температури [2].
На рис. 1.12 наведено розмірну залежність величини опору і питомого опору для плівок Cu від товщини. Раніше відмічалося, що у цьому випадку кристалічна структура нетермостабілізованих плівок більш досконала, що дозволяє фіксувати розмірну залежність не тільки опору, але і питомого опору.
На рис. 1.13 наведено деформаційні залежності R, ΔR/ Rп та U, ΔU/Uп для двох інтервалів Δεl1 = 0-1 % та Δεl2 = 0-2 % для одношарових плівок Cu(20)/ П та Cu(40)/П.
В одношарових плівках Cu на відміну від одношарових плівок Cr спостерігається незначне розходження значень величини КТ для першого та подальших циклів (не більше 20 %). Також слід зазначити, що середнє значення - γl в одношарових плівках Cu збільшується з циклами, зберігаючи тенденцію до стабілізації величини.
Рис.1.12. Залежність опору R ( а) та питомого опору ρ ( б ) від товщини d для нетермостабілізованих плівок Cu [20]
Цикли VIII-XI (рис. 1.13 а) ілюструють залежності ΔR/Rп від εl, отримані при різних швидкостях деформації зразка (1 % за τд = 133, 55, 24 та 14 с відповідно), і дозволяють зробити висновок про слабку залежність значення середнього коефіцієнта тензочутливості - γl від швидкості деформації: - γl відповідно склала 2,7, 2,8, 2,8 та 3,0. Недоліком застосування одношарових плівок Cu як чутливих елементів тензодатчиків може бути відносно невисоке значення ⎯ γl (від 2 до 5 одиниць ) та широкий інтервал переходу від пружної до квазіпружної пластичної деформації. Підтвердженням цього висновку можуть служити графіки залежності відносної зміни напруги ΔU/ Uп та напруги U на p-n-переході фотодіода від деформації εl ( рис. 1.13). Їх лінійність і сталість при збільшенні деформації можна трактувати як відсутність процесів локального зменшення товщини окремих зерен та їх меж у результаті переміщення дислокацій у об’ємі зерен, що мало місце в одношарових плівках Cr.
Рис.1.13. Залежність відносної зміни опору ΔR/ Rп опору R та миттєвого значення КТ γlм ( а, б, д, е), відносної зміни напруги ΔU/ Uп та напруги U на p-n- переході фотодіода (в, г) від εl для плівки Cu (20)/ П (а - г) та Cu (40)/ П ( д - е) [20]