Исследование термостабильности тонких металлических пленок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование термостабильности тонких металлических пленок

Е.В. Божко,

В.А. Дегтярева,

А.П. Кащеева

В данной работе были изучены оптические свойства и термостабильность серебренных, алюминиевых и медных пленок, а также влияние планарной двумерной структуры на термостабильность, коэффициенты отражения и пропускания в пленку, зависимость этих коэффициентов от длины волны.

Исследования тонких пленок, относящиеся к области "инженерии поверхности", интенсивно развиваются. На базе использования плёнок возникли такие направления в технике как тонкоплёночная электроника, специальные разделы оптики. Через "тонкие" плёнки возможна практическая реализация нанокристаллического состояния материалов с целью достижения износостойкости, коррозионной стойкости и других качеств. "Тонкие" плёнки, толщины которых обычно имеют нанометровые размеры, могут существенно отличаться по свойствам от массивных образцов. Это открывает широкие возможности создания на поверхности изделий покрытий (плёнок), представляющих собой принципиально новые как по структуре, так и по свойствам материалы.

Работы по получению и изучению пленок проводятся в течение многих лет. Однако, закономерности формирования структуры пленок остаются слабо изученными, что связано с чрезвычайно малыми нанометровыми размерами объекта исследования. В свою очередь объяснение и прогнозирование свойств пленок непосредственно обуславливается не только толщиной, но и структурой последних. Поэтому в качестве оценки свойств термостабильности также был выбран оптический метод.

Целью работы является получение, изучение структуры и оптических свойств медных, алюминиевых и серебряных плёнок; определение влияния толщины планарной двумерной структуры на термостабильность, коэффициенты отражения и пропускания в пленках; зависимость этих коэффициентов от длины волны.

Объекты для исследования получали следующим образом. Поскольку в качестве подложек в микроэлектронике в основном применяют аморфные диэлектрические материалы, в качестве их аналога в работе использовалось стекло. В качестве напыляемых материалов были выбраны эталонные материалы, такие как алюминий, серебро, медь, из-за невысокой температуры плавления (tпл(Cu)=10830С, tпл(AL)=6600С, tпл(Ag)=9600С), коэффициента линейного расширения (при 200С: б(Cu)=16,6*10-6К-1, б(AL)=24*10-6К-1, б(Ag)=20*10-6К-1, б(стекло)=10*10-6К-1), плотности (с(Cu)=8,96 г/см 3, с(AL)=2,7 г/см 3, с(Ag)=10,5 г/см 3), что позволяет с достаточно большой точностью напылить пленки определенной толщины.

Пленки алюминия, меди и серебра наносили на стеклянную подложку методом термического вакуумного напыления на ВУП-4К. Толщины пленок варьировались от 5нм нанометров до 500 нм.

Толщина определялась по "методу масс". Предполагалось, что при термическом испарении в высоком вакууме все молекулы пара выходят из любого участка поверхности испарителя, не имея преимущественного направления, и проходят к поверхности подложки без соударения с молекулами остаточных газов. Вводя для частиц пара угол падения на образец и предполагая, что все падающие молекулы пара имеют одинаковый коэффициент конденсации, можно рассчитать распределение толщины покрытия. Формулу, приведенную ниже, можно использовать для расчета толщины покрытия на плоской невращающейся поверхности, расположенной под углом и относительно источника, по известному количеству испаряемого материала:

T= M sinи / 4рсR2

где Т - толщина, см; М - масса испаряемого вещества, г; с -плотность, г/см-3, R - расстояние от источника до образца, см и и - угол между нормалью к образцу и направлением испарения.

Для проведения исследований по изменению оптических свойств был использован фотометр отражения ФО-1. Он предназначен для измерения коэффициента отражения диффузных, зеркально-диффузных и зеркальных образцов, коэффициента пропускания прозрачных твердых образцов, а также для качественной оценки диффузно рассеивающих образцов по их коэффициенту пропускания от 0-100%. Этот прибор дает абсолютную погрешность для коэффициента пропускания - 1%, а для коэффициента отражения - 3%. Вариация показаний составляет не более 0,2%.

Результаты исследований представлены на рис.1 - 6.

Рис.1. Зависимость коэффициента отражения от толщины пленки Al.

Рис.2. Зависимость коэффициента пропускания от толщины пленки Al.

Рис.3. Зависимость коэффициентов отражения от толщины пленки Ag.

Рис.4. Зависимость коэффициентов пропускания от толщины пленки Ag.

Рис.5. Зависимость коэффициента отражения от толщины пленки Cu.

Рис.6. Зависимость коэффициентов пропускания от толщины пленки Cu.

Для изучения структуры тонких пленок до и после отжига использован оптический микроскоп МИМ-8М, с увеличениями от 150 до 600 крат.

Установлено, что термостабильность, коэффициенты отражения и пропускания тонких металлических пленок зависят от толщины и структуры. При определении коэффициентов отражения наблюдается классическая зависимость их от длины волны, что свидетельствует о качестве полученных пленок. Термообработка по-разному влияет на структуру пленок из различных материалов. термостабильность оптический пленка

Заключение

В процессе работы были изучены оптические свойства и термостабильность пленок алюминия, серебра и меди.

Эксперимент показал, что зависимости коэффициентов отражения от длины волны симбатны, следовательно, полученные пленки однородны.

При получении алюминиевых пленок замечено наличие артефактов на поверхности при толщинах более 200нм. Это обусловлено несовпадением коэффициентов линейного термического расширения алюминия и стекла.

Установлено, что по коэффициентам отражения и поглощения, а также цвету можно оценить толщину полученной пленки. Коэффициент отражения возрастает с увеличением толщины пленок. Для серебра при коэффициенте отражения более 60% толщина пленки составляет более 50нм. Аналогичная ситуация наблюдается и для меди и алюминия. Метод оценки толщины по коэффициенту пропускания несколько хуже, т.к. для различных материалов коэффициенты пропускания по-разному зависят от толщины. И поэтому лишь в первом приближении можно судить о толщине пленки, однако основная закономерность прослеживается: коэффициент пропускания падает с увеличением толщины пленки.

Пленка Ag имеет достаточно хорошую поверхность, т.е. на такой пленке отсутствуют дефекты при любой толщине. Замечено, что после отжига при температуре 135оС поверхность улучшается за счет диффузии атомов по поверхности подложки. Пленка становится более однородной. Об этом свидетельствует увеличение коэффициента отражения после отжига на 20%. Отмечены изменения цвета серебряных пленок в зависимости от толщины: от голубоватых (при минимальной толщине пленки) до обычного серебристого цвета. Можно сказать, что серебренные пленки отличаются термостабильностью. Поэтому их можно использовать в контактах, где происходит нагревание поверхности.

В пленках алюминия толщиной более 200 нм из-за несовпадения коэффициентов термического расширения стекла и самой пленки (Alст) на поверхности наблюдаются дефекты. Эти пленки дают большую погрешность при измерении коэффициентов отражения и поглощения. Наблюдаются сложные зависимости коэффициентов отражения от длины волны.

После отжига коэффициент пропускания для длинных волн падает до нуля, а для коротких волн фактически не изменяется.

На медных пленках также, как и на серебряных, хорошо прослеживается селективность: цвет тонких пленок отличался от цвета толстых. Отмечены фазовые переходы после отжига на пленках толщиной выше 100 нм. Вероятнее всего, на поверхности образовались оксиды меди; изменился химический и фазовый состав пленки. Это привело к резким изменениям коэффициентов пропускания и отражения после отжига. Например, коэффициент пропускания в длинных волнах увеличился, а в коротких длинах волн - уменьшился в среднем на 20%. Коэффициент отражения для таких пленок увеличился на 20%. После отжига пленки приобрели характерную красноватую окраску чистой медной поверхности. Исходя из выше сказанного, можно сделать заключение, что медь не является термостабильным материалом и поэтом следует ограничить ее применение при нагреваниях поверхностей свыше 135оС.

Термостабильность металлических пленок зависит от толщины: чем толще пленка, тем менее она стабильна, тем больше значит соответствие коэффициентов термического расширения пленки и подложки.

Литература

1. Палатник Л.С. Структура и свойства конденсированных плёнок // Сб.: Структура и свойства металлических плёнок. -Киев: Наукова думка, 1966. -С. 4-9.

2. Борзяк П.Г., Кулюпин Ю.А. Электронные процессы в островковых металлических плёнках. -Киев: Наукова думка, 1980. 240 с.

3. Карпухин С.Д. Быков Ю.А., Щёкотов М.А. Сканирующая туннельная микроскопия. Аппаратура, принцип работы, применение. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999, 25 с.

4. Точицкий Т.А. Влияние подложки на формирование структуры переходных слоёв в электролитических плёнках никеля //Поверхность, 1998. № 10. С. 68-72

5. Быков Ю.А., Карпухин С.Д., Газукина Е.И., О некоторых особенностях структуры и свойств металлических "тонких" плёнок /МиТОМ. 2000. №6. С.45-47

Размещено на Allbest.ru