WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2007, том 49, вып. 1 Кинетика процесса плавления-диспергирования тонких пленок меди © Д.Г. Громов, С.А. Гаврилов, Е.Н. Редичев, Р.М. Аммосов Московский государственный институт электронной техники, 124498 Москва, Зеленоград, Россия Государственный исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина, 124460 Москва, Россия E-mail: pcfme@dpts.miee.ru (Поступила в Редакцию в окончательном виде 15 мая 2006 г.) Исследована кинетика процесса плавления-диспергирования тонких пленок меди различной толщины.

Показано, что плавление пленки возникает в локальных местах и далее область плавления распространяется фронтом. Установлено, что плавление пленки одной и той же толщины может наступать спустя разное время при различных температурах: от почти мгновенного при более высоких температурах до плавления в течение нескольких часов при более низких. Определена зависимость энергии активации процесса плавления-диспергирования от толщины пленки меди. Вид зависимости энергии активации объяснен с позиций гидродинамики. Рассмотрен механизм процесса плавления-диспергирования.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 05-03-32744-a, 05-08-01508-a).

PACS: 61.46.+w, 64.70.Dv, 68.35.Md, 68.60.Dv 1. Введение Ta-W-N оказывается примерно на 250 K ниже, чем температура плавления объемной меди, известная из Эффект понижения температуры плавления объектов литературы (1356 K).

малых размеров хорошо известен [1–8]. Классическая При исследовании плавления тонких пленок меди равновесная термодинамика показывает, что, если системы столкнулись с тем, что плавление тонкой пленки ма ограничена поверхностью, энергия которой сравнима меди одной и той же толщины может наступать спустя с объемной энергией системы, происходит снижение разное время при различных температурах в интервале температуры фазового перехода. В частности, при неиз100-150 K (от почти мгновенного до плавления в теменном объеме тонкой пленки температура плавлечение нескольких часов) при уменьшении температуры ния Tm изменяется в соответствии с выражением [8] отжига. Описания подобного явления в тонких пленках и анализа причин его возникновения в литературе мы не H(T) LAL SAS встретили.

Tm = T0 + -, (1) H0 H0V H0V Можно проследить некоторое подобие между обнаруженным явлением в тонкой пленке и кристаллизацией где T0 — температура плавления системы при отсутобъемного расплава, которая анализируется в [9,10].

ствии поверхности; L и S — поверхностные энергии Несмотря на разнородность этих объектов исследования, жидкой и твердой фаз соответственно; AL и AS —площаобщая черта отмеченных явлений состоит в стремлении ди поверхности жидкой и твердой фаз соответственно;

системы к релаксации избыточной поверхностной энер H0 = HL - HS — изменение энтальпии системы при гии. Следствием реализации этого стремления является переходе из твердого в жидкое состояние; H(T ) — возникновение в системе ряда эволюционных процестеплота плавления при температуре плавления тонкой сов (таких как флуктуационное массовое локальное пленки T ; V — объем системы.

образование новой фазы и коалесценция), протекающих Выражение (1) показывает, что одной из основных с различной скоростью, т. е. имеющих кинетическую причин понижения температуры плавления тонких плеприроду [9,10].

нок является процесс изменения формы, который обусВ настоящей работе на основании полученных экспеловлен стремлением системы снизить поверхностную риментальных данных о кинетике процесса плавления энергию, что может быть достигнуто путем фазового тонкой пленки предложен механизм, объясняющий наперехода и уменьшения площади поверхности системы блюдаемое явление.

(второе и третье слагаемые в (1)). Другой причиной (первое слагаемое в (1)) является температурная зависимость теплоты плавления H. С понижением тем2. Методика проведения эксперимента пературы теплота плавления становится меньше, и это еще больше понижает температуру плавления тонкой Для исследования процесса плавления пленок меди пленки. В [7] было показано, что по указанным при- толщиной 10-100 nm были изготовлены образцы, вид чинам температура плавления пленки меди достаточно которых представлен на рис. 1, a. Образцы были сфорбольшой толщины (50 nm) на инертной поверхности мированы на прямоугольных подложках сапфира разКинетика процесса плавления-диспергирования тонких пленок меди ственно в процессе нагрева в вакууме при давлении остаточных газов 1 · 10-5 mm Hg. Для повышения температуры использовалась печь резистивного нагрева, контроль температуры в которой осуществлялся с помощью термопар. С изменением сопротивления образца вследствие нагрева происходит увеличение или уменьшение протекающего через образец тока, что приводит к аналогичному падению или увеличению напряжения на постоянном резисторе, которое фиксируется электронным самописцем.

Этот метод дает возможность достаточно точно определить температуру начала плавления тонкой пленки меди, так как нижележащий слой углерода имеет значительно большее сопротивление. Поэтому измеряемая величина проводимости определяется главным образом слоем меди. На рис. 2, a и b представлены характерные кривые изменения во времени проводимости при различных температурах для пленок меди толщиной и 100 nm соответственно. Как видно из рис. 2, a, после Рис. 1. Схема автоматизированного комплекса для измерения проводимости тонкой пленки в процессе нагрева в вакууме.

a — вид исследуемого образца, b — схема измерительной установки.

мером 10 30 mm. Перед нанесением пленок металлов сапфировые подложки проходили стандартную отмывку в перекисно-аммиачном растворе H2O: NH4OH : H2O2 и растворе Каро H2O2 : H2SO4 для удаления загрязнений на поверхности сапфира, после чего пластины промывались в деионизованной воде и сушились в парах изопропилового спирта. Далее наносили слой углерода толщиной 60 nm. По краям образцов были сформированы толстопленочные электроды, обеспечивающие надежный электрический контакт с исследуемой пленкой (рис. 1, a). Слои углерода и меди на подложке формировались с помощью магнетронного распыления Рис. 2. Экспериментальные кривые изменения во времесоответствующей мишени.

ни проводимости тонких пленок меди толщиной 20 (a) Для определения температуры начала плавления иси 100 nm (b) при различных температурах нагрева в вакууме.

следуемых тонких пленок был создан автоматизироT, K: a) 1 — 743, 2 — 773, 3 — 803; b) 1 — 913, 2 — 943, ванный измерительный комплекс, блок-схема которого 3 — 973. Вертикальные пунктирные прямые отмечают на представлена на рис. 1, b. Устройство позволяет из- горизонтальной оси времена tm, при которых происходит мерять проводимость исследуемого образца непосред- плавление тонких пленок при соответствующих температурах.

Физика твердого тела, 2007, том 49, вып. 174 Д.Г. Громов, С.А. Гаврилов, Е.Н. Редичев, Р.М. Аммосов достижения нужной температуры для всех образцов На рис. 4 представлены зависимости времени до с небольшой толщиной пленки меди (20 nm) прово- начала плавления от температуры отжига для пленок димость некоторое время оставалась неизменной. По- меди различной толщины. Эти экспериментальные точки скольку процесс плавления тонкой пленки на инерт- хорошо аппроксимируются (с коэффициентом корреляции 0.98-0.99) функцией вида ной подложке сопровождается диспергированием на капли, в момент начала процесса проводимость быA t =, стро снижается до фонового сигнала, соответствующего Ea exp проводимости пленки углерода. Таким образом, время RT начала процесса плавления фиксировалось по началу которая следует из известного уравнения Аррениуса.

резкого падения проводимости. Можно также видеть, Проведенная аппроксимация экспериментальных данчто с понижением температуры отжига участки криных позволила рассчитать энергию активации процесвых, где проводимость снижается быстро, становятся са плавления-диспергирования Ea для различных толболее пологими, что свидетельствует о замедлении щин пленки. Согласно расчетам, величина Ea меняется динамики процесса плавления. Более толстая пленка от 120 до 260 kJ/mol в зависимости от толщины пленки меди (100 nm) ведет себя аналогичным образом только меди. Так, для пленки меди толщиной 100 nm зависидо температуры 913 K. При более высоких температурах мость t(T ) аппроксимируется выражением термообработки проводимость начинает уменьшаться сразу же после выхода на заданную температуту, но, как 260 · t = 1 · 10-11 · exp -. (2) показала растровая электронная микроскопия (РЭМ), 8.31T плавления на данном этапе не происходит. Причиной Поскольку данный вид зависимости свойствен в том наблюдаемого понижения проводимости на начальной числе и диффузии, можно предположить, что наблюстадии для пленки толщиной 100 nm являются процессы даемое нами явление диспергирования имеет диффупонижения дефектности структуры (например, укрупнезионный механизм. При этом коэффициент диффуние зерен, снижение концентрации точечных дефектов).

зии D0, вычисленный с помощью (2), имеет величину С одной стороны, эти процессы вызывают снижение 10 000 cm2/s, что на два порядка больше коэффицивеличины удельного сопротивления, что должно, каента самодиффузии меди, приведенного в [11], который залось бы, приводить к увеличению проводимости на равен 70 cm2/s.

графике. Однако, с другой стороны, эти процессы приПолученные нами величины Ea и D0 близки к веливодят к увеличению температурного коэффициента сочинам, экспериментально установленным авторами [12], противления (ТКС). Экспериментально установлено, что которые изучали диффузию меди из ее тонких полосок в результате термообработки удельное сопротивление толщиной 12 nm вдоль чистой поверхности кремния.

тонкой пленки меди снижается на 30-50%. Однако если Столь большую величину D0 авторы объясняют явленипринять ТКС тонкой пленки меди равным 4 · 10-3 K-1, ем поверхностной диффузии, происходящей по механизто нагрев такой пленки на 700 K должен приводить му твердофазного растекания, или „разворачивающегося к увеличению сопротивления примерно в 3 раза. Это ковра“ [13].

обстоятельство указывает на то, что при снижении Можно привести множество известных эксперимендефектности структуры пленки сигнал проводимости тальных работ, в которых получены значения D0, судействительно должен уменьшаться.

щественно превосходящие соответствующие значения при объемной диффузии в твердой и даже в жидкой фазах. Обычно это связывают с явлением поверхностной 3. Результаты и обсуждение или зернограничной диффузии и поэтому описывают уравнениями диффузии. В то же время нет объяснений Как видно из рис. 2, плавление тонкой пленки меди экстремально высокой подвижности атомов вдоль потолщиной 20 nm начинается при 803 K через 53 min, в то верхности по сравнению с объемом; кроме того, что она же время ее плавление может происходить и при 743 K, вызвана избыточной энергией поверхности или границ но через 3 h 40 min. Плавление пленки толщиной 100 nm зерен.

начинается при 973 K через 20 min, а при 913 K — В [14] установлено, что коэффициент самодиффузии через 2 h 25 min.

золота по границам зерен тонкой поликристаллической С помощью РЭМ установлено, что плавление возпленки равен коэффициенту диффузии в жидкой фазе, никает локально в каком-либо месте образца и далее и делается вывод о сильно неупорядоченной жидкостраспространяется фронтом (рис. 3). Характерной осо- ноподобной структуре границы зерна и, следовательно, бенностью является наличие на образце трех областей:

о высокой концентрации подвижных дефектов, ответобласть I, где пленка сплошная (рис. 3, a), область III, ственных за ускоренную диффузию. Возможно, именно где пленка полностью распалась на капли (рис. 3, f ), жидкостноподобная структура границы зерна является и узкая область II, где происходит процесс плавления более важным предположением в этом выводе, чем (рис. 3, b-e). концентрация дефектов.

Физика твердого тела, 2007, том 49, вып. Кинетика процесса плавления-диспергирования тонких пленок меди Рис. 3. РЭМ-микрофотографии стадий процесса плавления тонкой пленки меди. a — область I, где пленка остается сплошной;

b-e — область II, где происходит плавление пленки; f — область III, где пленка диспергировала на капли.

Физика твердого тела, 2007, том 49, вып. 176 Д.Г. Громов, С.А. Гаврилов, Е.Н. Редичев, Р.М. Аммосов В рассматриваемом нами случае верхняя поверхность тонкой пленки является свободной (рис. 5). Нижняя граничит с инертной поверхностью, что позволяет предположить нарушение принципа непрерывности. Вдоль поверхностей действуют силы поверхностного натяжения 1 и 2, благодаря которым возникает движение слоев жидкости. Как и в предыдущем случае, скорость движения слоев уменьшается по параболическому закону из-за трения между слоями жидкости с тем отличием, что уменьшение скорости происходит по мере удаления от поверхности в глубину пленки. При некоторой критической толщине скорость движения становится равной нулю. Из рис. 5 видно, что, когда толщина пленки h 1 + 2, плавление приповерхностного слоя хотя и происходит, но не может привести к диспергированию Рис. 4. Зависимости времени начала процесса плавления пленки на капли. В то же время это возможно при тонких пленок меди различной толщины от температуры толщине h 1 + 2, когда все слои обладают ненулевой нагрева в вакууме.

скоростью.

Если фиксируемые нами в экспериментах значения времени процесса определяются скоростью процесса Поскольку поверхность является основным дефектом диспергирования расплавленной пленки, можно полутрехмерной кристаллической решетки, ее колебательчить выражение для аппроксимации экспериментальных ный спектр отличается от объемного. Амплитуда козначений энергии активации в зависимости от толщины лебаний атомов, расположенных на поверхности, всепленки, приравняв уравнение Аррениуса и выражегда много больше, чем в объеме. Как установлено, ние (3), вследствие этого для широкого класса монокристаллов Ea = a ln(h2/b), (4) металлов и полупроводников температура Дебая поверхгде a и b — константы. На рис. 6 показаны эксностной фазы составляет примерно половину величины, периментальные значения энергии активации процесса характерной для объемной фазы [15]. Это означает, что плавления-деспергирования в зависимости от толщины плавление поверхности кристалла может происходить пленки меди. Кривая на рис. 6 демонстрирует результат при температуре, составляющей примерно половину аппроксимации значений функцией (4). Можно видеть, температуры плавления объемного материала. По этой что аппроксимационная кривая хорошо совпадает с причине плавление всегда начинается с поверхности и экспериментальными значениями (коэффициент коррефронт расплава движется внутрь кристалла. Зависимость ляции 0.99).

толщины расплавленного слоя d от температуры описыПринимая во внимание представленные выше резульвается для металлов соотношением [15] таты, мы предложили следующий механизм процесса d ln(T0 - Tm)-1.

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.