Экспериментальное исследование дифракционных свойств тонких проводящих пленок в волноводе

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 537.86

Экспериментальное исследование дифракционных свойств тонких проводящих пленок в волноводе

С.П. Арсеничев, Г.Н. Бендеберя,

Е.В. Григорьев, канд. техн. наук,

С.А. Зуев, канд. техн. наук,

Н.И. Слипченко, д-р физ.-мат. наук,

В.В. Старостенко, д-р физ.-мат. наук,

Е.П. Таран, канд. физ.-мат. наук

Широкие возможности изучения структуры, свойств и характеристик тонких пленок появились сравнительно недавно - с появлением микроскопии, обеспечивающей нанометровое разрешение, с использованием современной измерительной аппаратуры. Поглощение электромагнитных волн в тонких пленках объясняется их рассеянием в кристаллитах структуры с преобразованием в акустические волны [1]. При этом под тонкими понимаются пленки, толщина которых много меньше скин-слоя и соизмерима с длиной свободного пробега электронов (пленки толщиной менее 50 нм) [1 - 3].

В оптике известно явление резонансного поглощения электромагнитных волн нанометровыми проводящими пленками. Первая теория оптических свойств полупрозрачных металлических пленок, которые представлялись в виде коллоидных растворов, была разработана еще в начале прошлого века [4]. Следует отметить, что поглощение электромагнитных волн в тонких пленках имеет место не только в оптическом, но и в радиодиапазоне, в частности диапазоне СВЧ. В оптике нанометровые пленки находят различные применения, в частности в интерферометрии, при их использовании в различных датчиках и т.д. [2, 3, 6].

В радиотехнике и электронике интерес к тонким проводящим пленкам связан в большей степени либо с их использованием в качестве защитных покрытий, либо с созданием элементов приборов и устройств с заданными поверхностными свойствами. В то же время тонкие проводящие пленки являются неотъемлемой частью полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. При воздействии электромагнитных полей на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы происходит их преобразование в акустические волны в проводящих пленках, что может приводить к необратимым как механическим, так и электрическим деструктивным явлениям. В частности, при воздействии электромагнитных полей на микросхемы наиболее уязвимым микроструктурным элементом является металлизация [7].

Численное моделирование электротепловых процессов на упрощенной модели микросхем (металлодиэлектрической структуре - МДС) предполагает последовательное решение дифракционной и электротепловой задач. Для тонких пленок коэффициенты в волновом уравнении и в уравнении теплопроводности (удельная проводимость, удельная теплопроводность и коэффициент теплопроводности) зависят от толщины пленки и ряда других факторов и эти значения необходимо брать из экспериментальных данных.

В большинстве работ по тонким пленкам основное внимание уделяется исследованию их структуры, проводимости, отражающим свойствам, вопросам разрушения пленок при воздействии электромагнитных волн, либо имитации такого воздействия [1, 5]. Исследования прохождения и поглощения в тонких проводящих пленках, если и производились, то только на фиксированных частотах [5, 6].

Цель работы - экспериментальные исследования отражения, прохождения и поглощения электромагнитных волн в тонких пленках меди, алюминия и нихрома в диапазоне длин волн 2 - 10 см.

Аппаратура и методика проведения экспериментальных исследований

При проведении экспериментальных исследований использовались панорамные измерители коэффициента стоячей волны (К_СВ) и ослабления (А) - Р2-56 (3,0 - 4,1 ГГц), Р2-61 (8,3 - 12,05 ГГц), Р2-66 (17,5 - 25,5 ГГц).

Проводящие пленки наносились методом магнетронного напыления на подложки из ситалла и боросиликатного стекла. Исследования дифракции проводились в волноводе на МДС для пленок из меди, алюминия и нихрома толщиной от 5 нм до 1,5 мкм. Характеристики пленок толщиной менее 10 нм, в особенности толщиной менее 5 нм, очень зависят от технологии напыления, характеристик подложек и ряда других факторов [2, 3, 5]. Актуальным является также вопрос измерения толщины тонких пленок. В работе представлены результаты исследований для пленок толщиной 10 нм и более. К точности определения толщины пленок особых требований не предъявлялось - предполагалось, что толщина пленки однозначно связана со временем напыления.

МДС размещались в центре поперечного сечения волновода в трех ориентациях (рис.1, а - с). Поперечное сечение проводящей грани МДС имело размеры 18Ч18 мм для волновода сечения 34Ч72 мм (Р2-56). На других частотах сохранялось отношение площади металлизации к площади поперечного сечения волновода такое же, как и при исследовании на панорамном измерителе Р2-56, либо тонкая пленка располагалась по всему поперечному сечению волновода, что оговаривается отдельно.

а b c

Рис. 1. Характерные ориентации МДС в волноводном тракте

Для К_СВ и ослабления использовались принятые в технике СВЧ определения:

(1)

(2)

, (3)

где - коэффициент отражения по полю.

Для волн в волноводе справедливо соотношение

или , (4)

где Р_пад, Р_отр, Р_погл, Р_прош - мощности падающей, отраженной, поглощенной и прошедшей волн соответственно; - коэффициент отражения, - коэффициент прохождения, - коэффициент поглощения.

В оптике R, T и L называют оптическими коэффициентами. Связь R, T и L со значениями К_СВ и А следующая:

, , (5).

Следует отметить, что значения К_СВ и ослабления, совместно с соотношениями (5) в полной мере характеризуют дифракционные свойства МДС в приближении основной волны в дальней зоне волновода.

Результаты экспериментальных исследований

При проведении экспериментальных исследований наибольший интерес представляет влияние таких параметров МДС как материал, толщина и ориентация проводящей пленки в волноводе, а со стороны воздействующего фактора - влияние частоты на дифракционные свойства МДС в волноводе. Экспериментальные исследования проводились на МДС с подложками толщиной 0,5 - 1 мм. Как показали экспериментальные исследования, используемые материалы подложек с близкими значениями е (ситалл, боросиликатное стекло) практически не влияют на значения К_СВ и ослабления А. Следует отметить, что для пленок толщиной менее 10 нм материал подложки существенно влияет на структуру пленок [5].

В соответствии с физическими представлениями и результатами экспериментальных исследований, МДС в ориентации рис.1, с не влияет на прохождение волны в волноводе (К_СВ?1, А? 0). Поэтому далее все зависимости, кроме специально оговоренных, приводятся для ориентации МДС в волноводе рис.1, а. В работе приводятся осциллографические (непрерывные) зависимости К_СВ от частоты, полученные на индикаторных блоках панорамных измерителей.

На рис.2 и 3 приведены зависимости К_СВ = К_СВ(f) и А = А(f), снятые в диапазоне длин волн вблизи л =10 см. Поведение зависимостей К_СВ естественное (рис.2), т.е. с увеличением толщины пленки (0 - 500 нм) возрастают значения К_СВ. Значения К_СВ также возрастают по мере роста частоты: увеличиваются «электрические размеры» пленки в волноводе. Конечные и практически одинаковые значения К_СВ с пленками толщиной более 50 нм обусловлены дифракцией на МДС с соответствующими размерами и сформировавшейся структурой пленки с электрофизическими параметрами, характерными для рассматриваемых материалов.

Рис. 2. Зависимости К_СВ от частоты при различных толщинах пленок

Рис. 3. Зависимости ослабления А от частоты при различных толщинах алюминиевых пленок

Площадь МДС (пленки) составляла порядка 0,15 площади поперечного сечения волновода. Пленки толщиной более 50 нм, расположенные по всему поперечному сечению волновода, практически приводят к его короткому замыканию: толщина скин-слоя при л=10 см составляет 30 мкм, К_СВ>?.Экспериментальные исследования показывают, что для пленок из Al, Сuи NiCr толщиной более 50 нм значения К_СВ достаточно близки между собой, т.е. величина удельной проводимости не оказывает существенного влияния на отражающие свойства пленок. У медной пленки толщиной 10 нм значения К_СВ (отражение) больше, чем у алюминиевой пленки той же толщины (рис.2). В первую очередь, это может быть обусловлено структурой тонких пленок [2, 3, 5]. Зависимости коэффициентов отражения (, R) и прохождения (T) от частоты подобны зависимостям, приведенным на рис.2 и 3.

При измерении ослабления значения А получаются отрицательными. Ниже, на рисунках с различными зависимостями ослабления, приводятся соответствующие зависимости модуля ослабления. Для коэффициента прохождения Т: чем больше модуль А, тем меньше значения относительной прошедшей мощности Т.

Из рис.3 видно, что при толщинах алюминиевой пленки менее 20 нм ослабление сильно возрастает, особенно это видно для МДС с пленкой толщиной 10 нм. Поскольку отражение при уменьшении толщины пленки также уменьшается, следовательно, это обусловлено потерями (поглощением) в пленке.

На рис.4 приведены зависимости А =А(f) в диапазоне частот 3 - 4,1 ГГц для различных материалов пленок. Ослабление падающей волны медной пленки заметно отличается от ослабления пленок из Al и NiCr (рис.4). Для тонких пленок их электрофизические параметры (проводимость, теплоемкость и т.д.) являются не только функциями толщины пленки, но и существенно зависят от структуры пленки, технологии и других факторов. Это как раз видно из соответствующих зависимостей на рис.2 - 4. В частности, при различии в значениях удельной проводимости у алюминия и нихрома почти на два порядка, ослабления у них достаточно близки для пленок толщиной 10 нм (рис.4). В то же время при близких значениях удельной проводимости у меди и алюминия ослабления достаточно сильно разнятся. Это свидетельствует о том, что на поглощение в тонких пленках сильно влияет структура пленок, их однородность по составу и присутствие окислов, а также методика их напыления. В соответствие с работами [2, 5, 6] пленки из алюминия окисляются и их дифракционные характеристики оказываются во многом близки к подобным для пленок из NiCr.

Рис. 4. Зависимости ослабления А от частоты для пленок из Сu, Al и NiCr

В проведенных экспериментальных исследованиях система «МДС - волновод» не являлась резонансной. Изменение площади «перекрытия» поперечного сечения не сказывалось на характере зависимостей К_СВ= К_СВ(f) иА=А(f) в диапазоне длин волн 2 - 10 см, но оказывало влияние на значения этих характеристик. В то же время ориентация МДС в волноводе («поляризационный фактор») определяет преобразование электромагнитного излучения в акустические волны.

На рис.5 приведены зависимостиА=А(f) для пленки в ориентации рис.1, b. Для преобразования электромагнитных волн в акустические необходимо, чтобы вектор напряженности электрической компоненты поля был параллелен плоскости тонкой пленки. В ориентации рис.1, b значения К_СВ ?1 и практически не зависят от частоты в диапазоне длин волн 2 - 10 см при пропорциональном изменении размеров МДС в волноводах разного сечения. Зависимости, приведенные на рис.4 и 5, во многом идентичны и служат для демонстрации влияния положения пленки и поляризации волны на ее преобразование в акустическую волну.

Рис. 5. Зависимости ослабленияА от частоты для пленок из Сu, Al и NiCr в ориентации рис.1, b

На рис.6 приведены зависимости ослабления А от толщины пленки для Сu, Al и NiCr. В соответствии с тенденцией поведения зависимостей А=А(d) следует, что максимум рассеяния электромагнитных волн в пленках приходится на толщины d= 2 - 5 нм (в пределе при толщине пленки d0, |А|0).

Экспериментальные исследования проводились для пленок толщиной от 5 нм и до 1 мкм. Начиная с пленок толщиной менее 10 нм характеристики пленок могут достаточно сильно отличаться в зависимости от технологии их нанесения и ряда других факторов [1 - 3, 5]. Поэтому в работе приведены результаты исследований для пленок толщиной d ? 10 нм. Участок от 1 до 5 нм требует отдельных исследований, а также договоренностей по технологии нанесения пленок, материала подложки, аппаратуры по исследованию структуры и характеристик пленок, методики проведении экспериментальных исследований и т.д.

Рис. 6. Зависимость ослабления А от толщины пленки (f= 3.4 ГГц)

Для подложки без проводящей пленки значения ослабления близки к нулю. Поэтому на рис.6 ход зависимостей А=А(d) для d<1 - 2 нм обозначен направлением. Как упоминалось выше, максимальное значение поглощения зависит от ряда факторов, но для пленок из меди и алюминия даже при d = 10 нм не было максимума поглощения.

В целом поведение К_СВ и ослабление А в диапазонах длин волн вблизи 4 и 2 см аналогичны подобным зависимостям вблизи л=10 см. На рис.7 и 8 приведены зависимости относительной поглощенной мощности от толщины пленок из Сu, Al и NiCrв диапазоне длин волн вблизи 4 и 2 см.

Рис. 7. Зависимость коэффициента поглощения L от толщины пленок из Сu, Al и NiCr на частоте f=10 ГГц

Во всех диапазонах длин волн (рис.6 - 8) значительное поглощение в пленках из Сu, Al имеет место при толщине пленки менее 30 нм, для пленок из NiCr поглощение растет при d ? 50 нм. В частности, для пленок из Al и NiCr толщиной d = 10 - 20 нм проходит около 70 % мощности падающей волны, в то время как для пленок толщиной d>50 нм проходит порядка 90 % мощности падающей волны. Соответственно, в пленках из Al и NiCr толщиной
d = 10 - 20 нм поглощается около 20 % мощности падающей волны, в то время как в толстых пленках (d>50 нм) поглощается менее 10 % мощности падающей волны (для исследуемого соотношения площадей пленки и поперечного сечения волновода). Следует отметить, что при резонансе (d= 1 - 3 нм) поглощается порядка 40 % мощности падающей волны [6].

Рис. 8. Зависимость коэффициента поглощения L от толщины пленок из Сu, Al и NiCr на частоте f= 20 ГГц

Проведенные исследования показывают, что К_СВ (коэффициенты отражения и R) уменьшаются по мере уменьшения толщины пленки. При этом на их значения влияет не столько величина удельной проводимости материала пленки, сколько структура пленки.

Поведение ослабления А (коэффициента прохождения Т) в тонких пленках определяется поглощением (коэффициентом поглощения L), значения которого зависят нелинейно от толщины и определяется технологией и рядом других факторов. В значительной мере поглощение возрастает для пленок толщиной менее 50 нм. Это обстоятельство необходимо учитывать при рассмотрении механизмов взаимодействия электромагнитных волн с микроструктурными элементами микросхем, а также при их работе в напряженных токовых режимах.

Результаты проведенных исследований необходимы для корректного построения численной модели дифракции и моделирования электротепловых процессов в кинетическом приближении.

проводящий пленка резонансный поглощение

Список литературы

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

2. Розенберг Г.В. Оптика тонкослойных покрытий. - М. : Физматгиз, 1958. - 570 с.

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

4. Maxwell-Garnett. Phil. Trans. Roy. Soc203A, 385 (1904); 205A, 237 (1906).

5. Антонец И.В., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Проводящие и отражающие свойства пленок нанометровых толщин из различных металлов // Радиотехника и электроника. - 2006. - Т. 51, N 12. - С. 1481-1487.

6. Вдовин В.А. Нанометровые металлические пленки в датчиках мощных СВЧ импульсов // III Всерос. конф. «Радиолокация и радиосвязь». - М., 26-30 октября 2009 г. : Материалы конференции. - М. : ИРЭ РАН, 2009. - С. 832-835.

7. Ахрамович Л.Н., Григорьев Е.В., Зуев С.А., Старостенко В.В., Чурюмов Г.И. Воздействие импульсных электромагнитных полей на интегральные микросхемы памяти // Радиоэлектроника и информатика. - 2006. - №4 (35). - С.15-17.

Размещено на Allbest.ru