Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Теоретическое введение

Стр 1 из 13Следующая ⇒

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

А.В. РОГАЧЕВ, Н.Н. ФЕДОСЕНКО

СВОЙСТВА ПЛЕНОК

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Гомель 2008

УДК ______________

ББК _______________

Рецензент:

кафедра оптики учреждения образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом учреждения образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

Свойства пленок: Практ. пособ. по вып. лаб. работ для студентов 3-го курса специальности 1-31 04 01-02 «Физика (производственная деятельность)» / Н.Н. Федосенко: Мин. образов. РБ.– Гомель: УО «ГГУ им. Ф. Скорины», 2008.–с.

Практическое пособие по курсу «Свойства пленок» включает семь лабораторных работ по базовым разделам курса.

Ó А.В. Рогачев, Н.Н. Федосенко, 2008

Ó Учреждение образования

«ГГУ им. Ф. Скорины»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................
ТЕМА 1. ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК........
ТЕМА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКИХ ПЛЕНОК.....................................
ТЕМА 3. ПРОЧНОСТНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ............................................
ТЕМА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЙ МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ..........
ТЕМА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПОРОГОВЫХ ЗНАЧЕНИЙ ЛУЧЕВОЙ СТОЙКОСТИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ..........
ТЕМА 6. ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ОТЖИГА НА ЛУЧЕВУЮ СТОЙКОСТЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК.............
ТЕМА 7. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК...................

ВВЕДЕНИЕ

Технологии тонких плёнок являются одной из наиболее интенсивно развивающихся областей техники. Они нашли широкое применение в машино- и приборостроении, микроэлектронике, лазерной технике и медицине. Корпускулярно-фотонные и ионно-лучевые технологии тонких плёнок позволяют получать эффективные приборы, инструменты механизмы, обладающие уникальными свойствами. Изучение технологии получения тонких плёнок является неотъемлемой частью современного образования специалиста в области новых материалов и технологий.

Целью спецкурса является овладение студентами знаниями в области физических свойств и технологий тонких плёнок.

Лабораторная работа № 1

Влияние плазмы тлеющего разряда на электрические свойства тонких пленок.

Цель работы: Освоить методику измерения электрического сопротивления тонких пленок, проанализировать влияние плазмы тлеющего разряда на электрическое сопротивление пленок, полученных методом лазерного испарения.

Приборы и принадлежности: установка УВН-73П-2, алюминиевые электроды (Al 99) блок питания ВС-23, кислородный баллон с редуктором, лазер ЛГН-703, таблетки из In₂O₃ легированные Sn (5%), подложки из стекла К8, измерительныйзонд, для определения величины удельного сопротивления.

Теоретическое введение

В соответствии с современной квантовой теорией электрическая проводимость в металлах обусловлена электронами. Электрическое сопротивление металлов возникает в результате рассеяния электронов решёткой металла. Обладающие волновыми свойствами электроны проходят через совершенную решетку без рассеяния (без затухания), поэтому удельное сопротивление ρ является мерой совершенства, структуры кристаллической решётки. В действительности совершенных решеток не существует. Имеющие место нарушения химического состава (наличие атомов примеси), а также структурные дефекты (вакансии, атомы внедрения, дислокации и т.д.) служат источниками рассеяния электронов. Следовательно, удельное сопротивление повышается с ростом концентрации дефектов. Типичными величинами за счет вакансий и внедрений являются ~10^-6 Ом×см на 1 атомный процент дефектов, а за счет дислокаций – 2×10^-19 Ом×см на одну дислокацию на см². Установлено, что удельное сопротивление пленок особенно чувствительно к наличию дефектов, к примеру, в плёнках имеет место 10¸100 краткое увеличение удельного сопротивления на один атомный процент примеси по сравнению с массивным материалом.

Решётка, которая не имеет структурных дефектов, также не может считаться абсолютно совершенной при любой температуре, так как ее атомы совершают колебательное движение около своих положений равновесия; иначе говоря в кристалле при любой Т¹0 К существуют фононы, являющиеся источником рассеяния электронов. Минимальная длина волны фонона имеет порядок межатомного расстояния. Соответствующая ей частота n _max определяет дебаевскую температуру кристалла:

где k - постоянная Больцмана.

Установлено, что

ρ» T при T >> q и ρ» Tⁿ (n»5) при T << q

Так как дебаевская температура q для многих металлов не превышает комнатную температуру, то можно считать, что в обычных условиях (без охлаждения) удельное сопротивление металлов пропорционально температуре.

Анализ природы электрического сопротивления в металлах привел к открытию правила (правило Маттисена), в соответствии с которым удельное сопротивление образца представляет собой сумму удельных сопротивлений, обусловленных фононами ρ_Т и дефектами ρ_g, т.е.

(1)

Введя температурный коэффициент сопротивления

с учетов (1) получим

или ,

Так как в обычных условиях ρ~T. Запись правила Маттисена в форме (2) показывает, что с увеличением ρ данного материала его α падает. Его удобно использовать для определения удельного сопротивления пленок, когда удобнее и легче измерить α.

Для характеристики электрических свойств пленок введено специфическое понятие – сопротивление слоя R_s. Пусть толщина пленки – d, а ширина и длина измеряемого участка – b и l, соответственно. Тогда электрическое сопротивление этого участка выразится:

(3)

Если выбрать = , то – сопротивление слоя, измеряемое в Ом (Ом на квадрат). Для измерения R_s разработаны специальные методы, о которых будет сказано ниже. Измерив R_s и d, легко определить удельное сопротивление пленки (см. формулу (3))

На удельное сопротивление пленки влияет ее толщина. Дело в том, что незеркальные отражения электронов от поверхностей пленки также являются источником их рассеяния. По мере уменьшения толщины пленки число соударений электронов с поверхностью начинает составлять все более значительную часть из общего количества соударений. Таким образом, удельное сопротивление пленки заметно возрастает с уменьшением ее толщины, когда толщина становится сравнимой со средним свободным пробегом электронов. Эксперименты показали, что поверхностное рассеяние электронов при комнатной температуре оказывается существенным, если d < 30 нм, тогда как при Т ~ 200°С влияние поверхностного рассеяния обнаруживается при d ~ 300 нм.

Теория электропроводности тонких металлических пленок в условиях, когда средняя длина свободного пробега l электронов соизмерима о толщиной пленки d, построена Фуксом. В этой, теории введен параметр зеркальности P, характеризующий дoлю электронов, зеркально отраженных от поверхности. В рамках этой теории в предположении, что P одинаков для обеих поверхностей пленки и не зависит от траекторий электронов, а λ является изотропной величиной, получены следующие выражения для удельного сопротивления ρ_l и температурного коэффициента сопротивления l_d, как функций толщины пленки d.

При : ;

; (4)

при :

;

Здесь ρ₀и a₀ – удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления в массивном образце (т.е. при a®¥). Зависимости (4) графически выражаются кривыми, представленными на рис.1.

Рис. 1 – Влияние толщины пленки на удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления

Экспериментальная проверка теории Фукса для большой совокупности металлических пленок дала удовлетворительные результаты.

До сих пор полагалось (и этот факт отражен в правиле Маттисена), что температурный коэффициент сопротивления имеет лишь положительные значения. Это означает, что с ростом температуры удельное сопротивление пленок увеличивается. Однако эксперименты, проведенные для очень тонких пленок, показали, что a может принимать и отрицательные значения. Так, для тонких золотых пленок получено a» - 0,017/С°. В этих случаях зависимость электрического сопротивления пленок от температуры может быть описана следующим выражением:

, (5)

где A, F, q - постоянные для данной пленки. Анализ наблюдаемого явления привел к следующим объяснением. Очень тонкие пленки (~ 1¸10 нм толщиной) находятся еще на стадии формирования и имеют островковую структуру, т.е. не являются сплошными для электронов. При повышении температуры создается энергия активации необходимая для преодоления электронами промежутков между островками, и сопротивление падает. Этот факт и характеризуется отрицательным значением a.

Отрицательные значения температурного коэффициента сопротивления проявляются и в случае сплошных металлических пленок, прошедших в своем формировании стадию островков и имеющих толщину 100 нм. Это имеет место при значительной концентрации примесей в пленке. В данном случае существенную роль играют границы зерен. Примеси, захваченные в пленку во время ее осаждения, впоследствии мигрируют к границам зерен, где их скопление обусловливает прерывистый характер в структуре пленки. Так же как и в случае островковых пленок, преодоление границ зерен требует дополнительной энергии активации, которая может быть обеспечена повышением температуры. Т.е. электрическое сопротивление пленки падает с ростом температуры.

Электрические свойства металлических пленок существенно изменяются в результате термообработки пленок (отжига). Во время отжига происходит движение структурных дефектов, активированное повышением температуры. В результате близко расположенные вакансии и дефекты внедрения взаимно компенсируются, примеси и дислокации перемещаются к поверхностям пленки, и структура пленки становится более совершенной. В результате отжига удельное сопротивление пленок падает.

С другой стороны, нагревание (даже незначительное) металлической пленки на воздухе часто приводит к увеличению ее удельного сопротивления. Это происходит вследствие окисления металла пленки, причем, как показали исследования, не только на ее поверхности, но и на границах зерен за счет диффузии кислорода внутрь плёнки.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒