О некоторых особенностях структуры и
свойств металлических "тонких" плёнок

"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.

Исследования в этом направлении, относящиеся к области "инженерии поверхности", интенсивно развиваются. На базе использования плёнок возникли такие направления в технике как тонкоплёночная электроника, специальные разделы оптики. В принципе, через "тонкие" плёнки возможна практическая реализация нанокристаллического состояния материалов с целью достижения износостойкости, коррозионной стойкости и других качеств.

Работы по получению и изучению пленок проводятся в течение многих лет [1, 2, 3]. 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.

Широкие возможности изучения структуры пленок появились сравнительно недавно, с момента возникновения туннельной микроскопии, обеспечивающей нанометровое разрешение. При проведении исследований нами использовался туннельный микроскоп, принцип функционирования и технические возможности которого приведены в работе [4]. Изучались структура и электрические свойства медных, алюминиевых и никелевых плёнок, предназначенных для использования в микроэлектронике в качестве электрических проводников.

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. Пленки алюминия, меди и никеля наносили на стеклянную подложку методом магнетронного распыления и осаждения из паровой фазы, которые являются перспективными для этих целей [5, 6]. Толщины медных пленок варьировались от нескольких нанометров до 100 нм. Пленки алюминия и никеля были получены с толщинами 15 и 19 нм соответственно.

Изучение микроструктуры пленки по ее объему вследствие малой толщины объекта обычными методами (полировка, травление и т.д.) практически невозможно. Поэтому о структуре пленки и закономерности ее формирования судили по изменению рельефа ее поверхности при последовательном послойном напылении металла.

Изучение рельефа осуществлялось с помощью туннельного микроскопа, который помимо трехмерного изображения поверхности позволял получить ее профилограмму в любом произвольном сечении. В качестве примера на рис. 1 представлены изображение рельефа поверхности медной плёнки и профилограмма по одному из сечений. Профилограммы позволяют количественно оценить характер рельефа поверхности. С использованием профилограмм был рассчитан средний размер кристаллитов в поверхностном слое пленки. Условно за размер кристаллита была принята его ширина по средней линии профилограммы, т.е. в поперечном (параллельно поверхности плёнки) сечении.

Рис. 1. Структура поверхности медной плёнки и её профилограмма.

Установлено, что медная пленка толщиной приблизительно 5 нм состоит из кристаллитов, которые существуют в виде отдельных колоний и не образуют сплошного покрытия. Средний размер кристаллитов составляет 0,05 мкм. Наблюдается значительный разброс в размерах отдельных кристаллитов, достигающий 0,025 мкм. Медная пленка толщиной 13 нм является уже сплошной и состоит из крупных кристаллов со средним размером 0,24 мкм. Более толстая пленка (21 нм) имеет крупный размер кристаллитов - 0,81 мкм. Увеличение размера кристаллитов наблюдается с ростом толщины пленки до 60 нм. Далее размер кристаллитов остается практически постоянным (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость среднего размера кристаллитов (D) от толщины плёнки (h).

Результаты исследований и анализ работ [3, 7] позволяют представить механизм формирования структуры металлических пленок на аморфной подложке, проходящим в три стадии. В начальный момент на подложке зарождаются отдельные кристаллиты (1-я стадия), происходит их рост до соприкосновения и образования сначала отдельных колоний, а затем и сплошной пленки (2-я стадия). Рост кристаллитов происходит как вдоль, так и перпендикулярно поверхности подложки. Далее, на 3-ей стадии, наблюдается наращивание слоев с сохранением постоянного поперечного размера кристаллитов.

Зависимость удельного электрического сопротивления от толщины медной пленки представлена на рис. 3. Можно видеть, что оно определенным образом коррелирует с изменением среднего размера кристаллитов в зависимости от толщины пленки (рис. 2). При толщине пленки более 60 нм она ведет себя подобно массивному электрическому проводнику, т.е. удельное электрическое сопротивление не зависит от масштабного фактора - толщины пленки. При толщинах пленки менее 60 нм ее с полным основанием можно относить к разряду "тонких" пленок, т.к. константа материала - удельное электрическое сопротивление оказывается зависимым от толщины пленки. С ее уменьшением резко возрастает электрическое сопротивление. При толщине пленки 13 нм удельное электрическое сопротивление становится более чем на порядок выше в сравнении с "толстой" пленкой. Высокое электрическое сопротивление "тонких" пленок обуславливается дополнительным рассеянием электронов на границах пленок, если толщина их соизмерима с длиной свободного пробега электронов проводимости. Рассеяние электронов возникает также на границах кристаллитов, тем более, когда их размеры - нанометровые, и, следовательно, граничная область с неупорядоченным расположением атомов занимает значительный объем пленки.

Рис. 3. Зависимость удельного электрического сопротивления (p) плёнки от её толщины (h).

В работе проведено испытание медных пленок на электрический пробой. Характер разрушения пленок наблюдался с использованием оптического микроскопа. Установлено, что "тонкие" пленки разрушаются по механизму электрического пробоя диэлектрика. В этой же связи интересно отметить, что "тонкие" плёнки подобно диэлектрикам являются оптически прозрачными. При электрическом разрушении "тонких" плёнок наблюдаются (рис. 4 а, б) тепловой пробой (1) и поверхностный пробой (2).

Рис. 4. Электрический пробой плёнки: 1 - тепловой пробой, 2 - поверхностный пробой, а - толщина плёнки 13 нм, б - толщина плёнки 43 нм.

Зона теплового пробоя имеет вид жгута, а поверхностный пробой представляет собой разрушение материала пленки на поверхности в виде зигзагообразных линий. Поверхностный пробой сопровождается характерным электрическим разрядом (пробегом искры) по поверхности пленки при испытаниях.

Установлено, что напряжение поверхностного пробоя зависит от структуры пленок (рис. 5). Чем меньше средний размер кристаллитов и соответственно толщина пленки, тем выше ее электрическое сопротивление, тем ближе она по характеристикам пробоя приближается к диэлектрикам, т.е. чтобы произошел пробой, необходимо приложить большее напряжение. У "толстых" пленок (60 нм и выше) поверхностный пробой отсутствует. Вероятно, это связано со следующими явлениями. Тепловой пробой зависит от толщины пленки, так как с ее увеличением ухудшаются условия теплоотвода, что и приводит к снижению электрической прочности. При увеличении толщины пленки напряжение теплового пробоя уменьшается и в тот момент, когда оно станет равным напряжению поверхностного пробоя или ниже его, разрушение проводящей пленки будет проходить по типу массивного образца, т.е. без поверхностного пробоя.

Рис. 5. Зависимость напряжения поверхностного пробоя (U) от раз-мера кристаллитов (D).

Поверхностный пробой имеет вид зигзагообразных линий. Очевидно это вызвано тем, что поверхность пленки состоит из кристаллитов различного размера и поток электронов выбирает при своем перемещении наиболее кратчайший путь, т.е. направление наименьшего сопротивления. Поэтому отдельный акт перемещения электронов реализуется по поверхности мелких кристаллитов. Характерно, что для тонких пленок, где размеры кристаллитов малы, линии пробоя более тонкие и извилистые (рис. 4 а). Соответственно, чем толще пленка и крупнее размер кристаллитов, тем линии пробоя менее зигзагообразные и более широкие (рис. 4 б).

Установлено, что "тонкие" пленки алюминия и никеля ведут себя подобно медным пленкам. У них также наблюдается явления поверхностного и теплового электрических пробоев. Их электрическое сопротивление при толщинах пленок порядка 15-19 нм на порядок выше, чем удельное электрическое сопротивление массивных образцов. Основные различия между пленками проявляются в том, что материалы с более высоким удельным электрическим сопротивлением сохраняют это качество и в "тонких" пленках. Так, например, медная и никелевая пленки с близкими значениями толщины 21 и 19 нм соответственно, имеют удельное электрическое сопротивление 1,93 х 107 Ом·м и 7,16 х 107 Ом·м. Удельные электрическое сопротивление массивных образцов этих металлов составляют 0,17 х 107 и 0,73 х 107 Ом·м. Установлено, что величина напряжения поверхностного пробоя пленок зависит не только от размера кристаллитов пленки, но и от ее удельного электрического сопротивления. Рассматриваемые медная и никелевая пленки имеют близкие значения среднего размера кристаллитов поверхностного слоя - 0,24 ~ 0,22 мкм. Однако величины напряжений поверхностного пробоя различаются существенно: медная пленка - 34,5 В и никелевая пленка - 105,6 В.
 
 

Выводы.

1. Установлено, что размер кристаллитов "тонких" плёнок, в отличие от "толстых" зависит от их толщины.

2. "Тонкие" плёнки меди, алюминия и никеля, имеющие нанометровые размеры толщин, существенно отличаются по величине удельного электрического сопротивления от обычных массивных материалов. Удельное электрическое сопротивление "тонких" плёнок зависит от масштабного фактора - толщины плёнок и с её уменьшением может превышать удельное электрическое сопротивление металлов на порядок и выше.

3. В ряде случаев "тонкие" плёнки ведут себя аналогично диэлектрикам. Подобно последним, они являются оптически прозрачными и разрушаются под воздействием электрического тока путём поверхностного и теплового пробоев.

4. Напряжение поверхностного пробоя и характер разрушений "тонких" металлических плёнок зависят от удельного электрического сопротивления материала и размера кристаллитов поверхностного слоя пленки. Чем меньше размер кристаллитов и выше удельное электрическое сопротивление, тем напряжение пробоя больше.
 
 

Список литературы.

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

2. Находкин Н.Г., Зыков Г.А., Шалдерван А.И. Электропроводность тонких плёнок золота разной толщины.// Сб.: Физика металлических плёнок. Киев: Наукова думка, 1968. С.161-167.

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

4. 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.

5. Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. Порошковая металлургия и напыление покрытий: Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1987. 792 с.

6. Данилин Б.С., Сыргин В.К. Магнетронные распылительные системы М.: Радио и связь, 1982. 72 с.

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