WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 3 06;11;12 Особенности наноструктуры и удельной проводимости тонких пленок различных металлов 2 © И.В. Антонец,1 Л.Н. Котов,1 С.В. Некипелов,1 Е.А. Голубев 1 Сыктывкарский государственный университет, 167001 Сыктывкар, Россия 2 Институт геологии УрО РАН, Коми научный центр, 167982 Сыктывкар, Россия e-mail: kotov@syktsu.ru (Поступило в Редакцию 15 апреля 2003 г.) Методом вакуумного осаждения на полимерной подложке выращены аморфные пленки серебра, меди, золота и железа толщиной 6-350 nm. Исследованы особенности наноструктуры пленок. Получена зависимость удельной проводимости от толщины пленки, а также выявлена связь поведения проводимости с особенностями морфологии поверхности.

Введение Характеристика исследуемых пленок В работе исследовались пленки серебра, золота, меди Прогресс в микро- и оптоэлектронике, оптике и в и железа, полученные путем термического вакуумного ряде других областей техники непосредственно связан с развитием тонкопленочных технологий [1–4]. Совре- осаждения на диэлектрической полимерной подложке при комнатной температуре. Глубина вакуума была менный уровень развития науки и техники предъявляет около 10-5 Torr. Скорость осаждения металла 10 nm/s.

высокие требования к качеству пленок, рациональности использования их специфических свойств [2–4]. Струк- Такая большая скорость необходима для того, чтобы получать чистые металлические пленки с незначитурные особенности, удельная проводимость, качество тельным количеством примесей при неглубоком вакуповерхности, стабильность свойств веществ во времеуме. В промышленном изготовлении тонкопленочных ни [1–7] — все это играет важную роль при определении материалов часто используются именно такие скоротех или иных качеств исследуемого образца.

сти напыления. Толщина пленок варьировалась от 6 Происходящее на наших глазах бурное развитие нанодо 350 nm.

технологий стимулирует исследование свойств пленок, Исследование пленок методом рентгеноструктурного толщина которых составляет десятки и даже единицы анализа показало полное отсутствие дифракционных нанометров. Кроме этого, в последнее время активно исмаксимумов, характерных для кристаллического состоследуется аморфное состояние вещества [7–10]. В частяния, из чего можно заключить, что пленки являются ности, электрические параметры аморфных пленок, тарентгеноаморфными. С учетом методики получения покие как удельная проводимость, как правило, значительликристаллических пленок [13] аморфное состояние в но меньше, чем у пленок, имеющих кристаллическую пленках может возникать из-за следующих причин: быструктуру, что связано с уменьшением концентрации страя конденсация, полимерный материал подложки, отсвободных электронов и длины свободного пробега носительно низкая температура подложки (T = 300 K).

электронов из-за рассеяния на дефектах [8,11,12]. B то В качестве подложки использовалась полимерная рентже время удельная проводимость является основным геновская пленка толщиной 0.5 mm.

параметром, определяющим электродинамические свойства пленок.

В настоящее время тонкие пленки используются во Приборы и методика эксперимента многих областях промышленности, например в производстве оптических приборов (достаточно указать на 1. М о р ф о л о г и я п о в е р х н о с т и. Исследование просветляющие покрытия и многослойные интерфе- морфологии поверхности пленок проводилось с поморенционные системы), в микроэлектронике (пленочные щью атомно-силового микроскопа (АСМ) ARIS-пассивные и активные элементы) и в авиакосмическом с максимальным полем сканирования 70 70 µm приборостроении (поверхностные пленки для регулиро- (Burleigh Instrument Co, США). В качестве зондов вания температуры спутников) [2,4,7].

использовались стандартные кремниевые кантилеверы Настоящая работа посвящена экспериментальным ис- (Burleigh) пирамидальной формы с радиусом закругследованиям поверхности тонких аморфных металли- ления кончика 10 nm и жесткостью 0.1 N/m. АСМ ческих пленок (Ag, Cu, Au, Fe), а также выявлению позволяет получать трехмерные топографические изобсвязи наблюдаемых закономерностей с особенностями ражения поверхности твердых тел с латеральным разих строения и проводимости. решением, сравнимым с растровой электронной миОсобенности наноструктуры и удельной проводимости тонких пленок различных металлов кроскопией, которое, обладая большей рельефной (вер- Основные результаты экспериментов тикальной) чувствительностью, позволяет визуализии их обсуждение ровать более тонкие детали морфоструктуры у однородных по составу твердых тел. Все изображения Основные результаты экспериментов иллюстрируютповерхности были получены в комнатных условиях. ся рис. 1-3. На рис. 1 показаны характерные поверхноСъемки проводились как при постоянной высоте, так сти пленок серебра (a) толщиной 63 nm, меди (b) толщиной 120 nm, золота (c) толщиной 74 nm и железа (d) и при постоянной силе взаимодействия зонд-подложка толщиной 130 nm.

в контактном (уровень сил 10-9 N) режиме. Перед Как видно из рис. 1, топографические изображения исследованиями поверхности пленки промывались в спирте, специальных химических методов для выявле- поверхности металлических пленок характеризуются шероховатым рельефом, в целом морфология соответния более тонкой структуры не применялось. С целью ствует кластерной (блочной) структуре. Видимые разполучения точных метрических данных в плоскости меры кластеров, как правило, коррелируют с толщиной XY и по высоте осуществлялась калибровка масштабов пленок, сами кластеры имеют неизометрическую округизображения с помощью сертифицированных тестовых лую форму, поверхностная огранка не просматривается, образцов.

хотя впоследствие, вероятно, плотной упаковки нередко 2. Толщина и проводимость пленок. Для они принимают форму полиэдров. Спорадически наконтроля толщины пленки в процессе напыления исблюдаются и одиночные ограненные кристаллоподобные пользовался кристаллический калибратор, собранный на образования.

основе кварцевого резонатора. Испаряемый материал Кластерная структура железных (d) и серебряных (a) осаждался одновременно на подложку и на грани кварпленок визуализируется достаточно четко, кластеры хоцевого кристалла, включенного в высокочастотный колерошо разрешаются по отдельности, что проявляется в бательный контур генератора. Приложение переменного виде трещиноватости пленки, при этом статистический электрического поля приводит к возникновению резоразброс размеров относительно невелик. На некоторых нансных колебаний кварцевой пластины по толщине.

из этих пленок наблюдаются области, состоящие из Увеличение массы пленки сдвигает резонансную частоту палочковидных образований, формируемых цепочками генератора на величину f, которая связана с толщиной кластеров. Длина этих структур достигает нескольких пленки (при условии, что толщина пленки составляет не сотен нанометров и в их взаимном расположении чаболее 1% толщины кварцевой пластины) соотношением сто локально присутствует ориентационное упорядоd = B · f /, где — плотность материала пленки, чение.

B — некоторая константа. Связь между сдвигом частоты В золотых пленках (c) кластеры также хорошо разреи толщиной пленки линейна с точностью до 1% и шаются, но они имеют наиболее неправильную форму, менее вплоть до толщин в несколько сот нанометров.

вследствие чего для золотых пленок труднее по сравнеКварцевый калибратор проградуирован путем одноврению с остальными проводить анализ видимых размеров менного напыления меди с молибденовой лодочки на из-за очень большого статистического разброса. На калибратор и на алюминиевую фольгу. Масса слоя некоторых пленках наблюдается слияние кластеров в меди, осажденного на фольгу, измерялась на точных изогнутые волокна.

аналитических весах ВЛР-200 (точность не хуже Морфоструктура пленок меди (b) на АСМ изобра0.05 mg), определялся сдвиг частоты (разность частот до жениях сравнительно наиболее сглаженная, блочность напыления и после). Эксперимент проводился в тех же просматривается только при очень больших увеличеусловиях, что и градуировка калибратора. По измереннониях, причем кластеры преимущественно сливаются и му сдвигу частоты f с использованием градуировочной проявляются в виде островков либо холмов, четких прямой определялась поверхностная плотность тонких границ между ними в виде разделяющих границ в пленок. Предполагая незначительные расхождения межотличие от остальных пленок не наблюдается.

ду поверхностной и объемной плотностью, находилась На поверхности пленок серебра (a), золота (c) и толщина пленки.

железа (d) находится много нанесенных при напылеДля измерения проводимости пленок использовалась нии макроостровков (капель) размерами до нескольких установка, включающая источник питания постоянного микрон, состоящих также из округлых кластеров. На тока Б5-43, частотомер электронно-счетный Ч3-57, омпленках меди (b) таких островков не наблюдалось.

метр цифровой Щ-34 и датчик с кварцевым калибраКак показывают исследования, большая часть кла тором, находящийся в вакуумной установке на одном стеров пленок серебра (a) и меди (b) значительно уровне с подложкой. В данном эксперименте подложка крупнее аналогичных кластеров остальных пленок при изготавливалась из текстолита, к ее концам прикреп- одинаковых толщинах.

лялись посеребренные контакты. В ходе эксперимента В ходе экспериментов выявлено, что размер кластеров после очередного напыления измерялось сопротивление. сильно зависит от толщины пленок. Так, на рис. Зная размеры и сопротивление тонких пленок, опреде- представлены зависимости среднестатистического разлялась удельная проводимость. мера кластеров от толщины для пленок серебра, Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 26 И.В. Антонец, Л.Н. Котов, С.В. Некипелов, Е.А. Голубев Рис. 2. Зависимость среднестатистического размера кластера от толщины пленки.

меди, золота и железа. Из рисунка видно, что при увеличении толщины пленки размер кластеров увеличивается. Для пленок меди и железа при толщинах менее 40 nm этот рост почти линейный, а латеральный размер кластера превышает толщину пленки в полтора-два раза. Однако, начиная с толщин порядка 40-50 nm, рост кластеров замедляется и при толщинах 100-120 nm практически прекращается. Эти особенности проявляются для пленок как меди, так и железа практически в одинаковой степени, но размер кластеров меди всегда превышает размер кластеров железа на 30-50%.

Для пленок серебра значительное увеличение кластеров (от 130 до 250 nm) наблюдается вплоть до толщин 100-120 nm, когда рост кластеров меди и железа уже прекращается. Для более толстых пленок серебра размер кластеров практически не зависит от толщины пленки и составляет порядка 250 nm, что в два с половиной раза превышает среднестатистический размер кластеров меди и в четыре раза кластеров железа при равных толщинах.

На рис. 3 приведена зависимость удельной проводимости от толщины пленок различных металлов (для пленок железа значения удельной проводимости увеличены в пять раз). Экспериментальные точки аппроксимированы функцией Больцмана. Из рисунка следует, что при толщине до 40 nm для всех пленок зависимость проводимости от их толщины незначительна. По-видимому, для таких толщин характерен островковый характер структуры пленок [13–15]. При малой толщине пленки, когда она представляет собой совокупность проводящих областей (островков), разделенных непроводящими либо слабопроводящими промежутками, проводимость Рис. 1. Поверхности пленок, полученных с помощью атомноочень мала, а при увеличении толщины пленки, когда силового микроскопа: a — серебро, b —медь, c — золото, проводящие области сливаются воедино, проводимость d — железо.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Особенности наноструктуры и удельной проводимости тонких пленок различных металлов Основные результаты работы Методом вакуумного осаждения на полимерной подложке при комнатной температуре в условиях неглубокого вакуума выращены аморфные пленки серебра, меди, золота и железа толщиной 6-350 nm, имеющие кластерное строение. Выявлена зависимость удельной проводимости от толщины пленки и, как следствие, от размеров кластеров. Показано, что при малых толщинах (до 40 nm, когда пленка еще не сформирована) эта зависимость несущественна. Проанализированы возможные причины низкого значения проводимости по сравнению с объемными кристаллическими материалами. Показано, что малая толщина и кластерный характер строения пленок могут частично объяснить наблюдаемые явления при толщинах пленок менее 40 nm, а при больших толщинах эти механизмы не работают. Аморфный характер структуры может объяснить малые значения Рис. 3. Зависимость удельной проводимости от толщины пленки. проводимости пленок, однако механизм данного явления требует дальнейшего уточнения.

Список литературы резко увеличивается (явление перколяции). При этом в экспериментах наблюдается резкая зависимость про[1] Абелес Ф. // Физика тонких пленок. Т. 6. М.: Мир, 1973.

водимости пленки от ее толщины (участок 40-120 nm [2] Хасс Г. Физика тонких пленок. Т. 1. М.: Мир, 1967. 343 с.

для пленок серебра, меди, золота и 40-70 nm для [3] Технология тонких пленок. Сб. статей / Под ред. Л. Майпленок железа). При дальнейшем увеличении толщины ссела, Р. Глэнга. Пер. с англ. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко.

пленки зависимость (d) менее выражена. На этом М.: Сов. радио, 1977.

участке (d > 70 nm для пленок железа и d > 120 nm [4] Елинсон М.И. // РЭ. 1968. № 1. C. 3–30.

[5] Cоколов А.В. Оптические свойства металлов. М.: Физматдля остальных пленок) удельная проводимость пленок лит, 1961.

наиболее близка к максимальной.

[6] Суху Р. Магнитные тонкие пленки. М.: Мир, 1967.

Можно отметить, что значение максимальной прово[7] Бек Г., Гюнтеродт Г.Й. Металлические стекла. М.: Мир, димости пленок сущестенно (практически на порядок) 1983. 454 с.

отличается от их объемных аналогов. Аморфность струк[8] Займан Дж. Модели беспорядка. М.: Мир, 1982. 592 с.

туры пленок может значительно уменьшать их прово- [9] Полухин В.А., Ватолин Н.А. Моделирование аморфных металлов. М.: Наука, 1985.

димость по сравнению с кристаллическим состоянием, [10] Андреенко А.С., Никитин С.А. // УФН. 1997. Т. 167. № 6.

что обусловлено закреплением свободных электронов C. 605.

на границе кластеров [16] и рассеянием электронов [11] Marchal G., Mangin P., Janot C. // Thin Solid Films. 1974.

на дефектах [8,11,12]. При этом типичное значение Vol. 23. P. 17.

удельной проводимости для аморфных металлических [12] Hasegava R. // Phys. Rev. Lett. 1972. Vol. 28. P. 1376.

сплавов составляет порядка 106 -1 · m-1 [8], что и [13] Liu H.-D., Zhao Y.-P., Ramanath G. et al. // Thin Solid Films.

показывает рис. 3 (в нашем случае для пленок золота, 2001. Vol. 384. P. 151–156.

меди и серебра значение удельной проводимости со- [14] Sarychev A.K., Bergman D.J., Yagil Y. // Phys. Rev. B. 1995.

Vol. 51. N 8. P. 5366–5385.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.