Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню

Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню

Досліджено вплив атомарного водню на параметри тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni (15—200 нм), нанесених термічним випаровуванням на діелектричні підложжя. Оброблення виконувалося за температур 300—310 К, тиску ∼ 20 Па і концентрації атомарного водню 10¹⁷—10¹⁹ м⁻³. Виявлено і досліджено кінетику змі...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2010
1. Verfasser: Жавжаров, Є.Л.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2010
Schriftenreihe:Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/73130
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню / Є.Л. Жавжаров // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 3. — С. 553-566. — Бібліогр.: 21 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-73130
record_format dspace
spelling irk-123456789-731302015-01-06T03:01:56Z Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню Жавжаров, Є.Л. Досліджено вплив атомарного водню на параметри тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni (15—200 нм), нанесених термічним випаровуванням на діелектричні підложжя. Оброблення виконувалося за температур 300—310 К, тиску ∼ 20 Па і концентрації атомарного водню 10¹⁷—10¹⁹ м⁻³. Виявлено і досліджено кінетику зміни морфології поверхні, роботи виходу та електропровідности тонких металевих плівок. Представлено фізичне обґрунтування спостережуваним явищам, визначено фактори, що впливають на характер та кінетику зміни електрофізичних параметрів тонких плівок. An influence of the atomic hydrogen on the thin films of Ag, Cu, Ni (of 15—200 nm thickness) deposited by thermal evaporation in vacuum on dielectric substrates is studied. Experiments are carried out at temperatures of 300—310 K, pressure of about 20 Pa, and the atomic hydrogen concentrations of 10¹⁷—10¹⁹ m⁻³. Kinetics of surface morphology change, work function and conductivity of thin metallic films are revealed and investigated. The mechanism explaining the results obtained is proposed. Factors, which influence on character and kinetics of change of electrophysical parameters of thin films, are revealed. Исследовано воздействие атомарного водорода на параметры тонких металлических пленок Ag, Cu, Ni (15—200 нм), нанесенных термическим испарением на диэлектрик. Обработка проводилась при температуре 300—310 К, давлении ∼ 20 Па и концентрации атомарного водорода 10¹⁷—10¹⁹ м⁻³. Выявлены и исследованы кинетика изменения морфологии поверхности, работы выхода и электропроводимости тонких металлических пленок. Предложен физический механизм, объясняющий результаты исследования. Выявлены факторы, влияющие на характер и кинетику изменения электрофизических параметров тонких пленок. 2010 Article Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню / Є.Л. Жавжаров // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 3. — С. 553-566. — Бібліогр.: 21 назв. — укр. 1816-5230 PACS numbers: 68.35.Np, 68.37.Hk, 68.55.-a, 68.60.Bs, 73.30.+y, 73.61.At, 81.15.-z http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/73130 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
description Досліджено вплив атомарного водню на параметри тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni (15—200 нм), нанесених термічним випаровуванням на діелектричні підложжя. Оброблення виконувалося за температур 300—310 К, тиску ∼ 20 Па і концентрації атомарного водню 10¹⁷—10¹⁹ м⁻³. Виявлено і досліджено кінетику зміни морфології поверхні, роботи виходу та електропровідности тонких металевих плівок. Представлено фізичне обґрунтування спостережуваним явищам, визначено фактори, що впливають на характер та кінетику зміни електрофізичних параметрів тонких плівок.
format Article
author Жавжаров, Є.Л.
spellingShingle Жавжаров, Є.Л.
Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet Жавжаров, Є.Л.
author_sort Жавжаров, Є.Л.
title Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню
title_short Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню
title_full Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню
title_fullStr Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню
title_full_unstemmed Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню
title_sort модифікація тонких металевих плівок ag, cu, ni під дією атомарного водню
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate 2010
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/73130
citation_txt Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню / Є.Л. Жавжаров // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 3. — С. 553-566. — Бібліогр.: 21 назв. — укр.
series Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv AT žavžarovêl modifíkacíâtonkihmetalevihplívokagcunipíddíêûatomarnogovodnû
first_indexed 2025-07-05T21:48:06Z
last_indexed 2025-07-05T21:48:06Z
_version_ 1836845196673810432
fulltext 553 PACS numbers: 68.35.Np, 68.37.Hk,68.55.-a,68.60.Bs,73.30.+y,73.61.At, 81.15.-z Модифікація тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni під дією атомарного водню Є. Л. Жавжаров Запорізький національний технічний університет, вул. Жуковського, 63, 69002 Запоріжжя, Україна Досліджено вплив атомарного водню на параметри тонких металевих плі- вок Ag, Cu, Ni (15—200 нм), нанесених термічним випаровуванням на діе- лектричні підложжя. Оброблення виконувалося за температур 300—310 К, тиску ∼ 20 Па і концентрації атомарного водню 1017—1019 м −3. Виявлено і досліджено кінетику зміни морфології поверхні, роботи виходу та елек- тропровідности тонких металевих плівок. Представлено фізичне обґрун- тування спостережуваним явищам, визначено фактори, що впливають на характер та кінетику зміни електрофізичних параметрів тонких плівок. An influence of the atomic hydrogen on the thin films of Ag, Cu, Ni (of 15— 200 nm thickness) deposited by thermal evaporation in vacuum on dielectric substrates is studied. Experiments are carried out at temperatures of 300— 310 K, pressure of about 20 Pa, and the atomic hydrogen concentrations of 1017—1019 m −3. Kinetics of surface morphology change, work function and conductivity of thin metallic films are revealed and investigated. The mecha- nism explaining the results obtained is proposed. Factors, which influence on character and kinetics of change of electrophysical parameters of thin films, are revealed. Исследовано воздействие атомарного водорода на параметры тонких ме- таллических пленок Ag, Cu, Ni (15—200 нм), нанесенных термическим испарением на диэлектрик. Обработка проводилась при температуре 300— 310 К, давлении ∼ 20 Па и концентрации атомарного водорода 1017—1019 м −3. Выявлены и исследованы кинетика изменения морфологии поверх- ности, работы выхода и электропроводимости тонких металлических пленок. Предложен физический механизм, объясняющий результаты ис- следования. Выявлены факторы, влияющие на характер и кинетику из- менения электрофизических параметров тонких пленок. Ключові слова: тонкі металеві плівки, атомарний водень, морфологія, електропровідність, робота виходу. Наносистеми, наноматеріяли, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2010, т. 8, № 3, сс. 553—566 © 2010 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 554 Є. Л. ЖАВЖАРОВ (Отримано 26 серпня 2010 г.) 1. ВСТУП Сучасний розвиток науки та техніки нерозривно пов’язаний із ство- ренням та використанням матеріялів з новими властивостями. Ви- рішення цього питання можливе як за рахунок синтези принципово нових матеріялів, так і шляхом розвитку технологій виготовлення та модифікації матеріялів. Особливу наукову та прикладну увагу при- вертають тонкі плівки та поверхневі шари, які за властивостями є проміжними між наноматеріялами та об’ємним тілом. Одержання тонких плівок на поверхні твердого тіла із заданими електрофізичними властивостями часто пов’язано із дією багатос- тадійних процесів, високої температури [1] або частинок високих енергій [2]. Альтернативним способом зміни електрофізичних па- раметрів тонких плівок може слугувати їх оброблення атомарним воднем. При рекомбінації атомів гідрогену в молекулі на поверхні твердих тіл виділяється енергія близько 4,48 еВ на один акт реком- бінації [3], яка може бути передана кристалічній ґратниці або елек- тронній підсистемі твердого тіла. Відомий на сьогодні вплив атомарного гідрогену на електрофізи- чні властивості твердого тіла можливо розглядати у двох аспектах: безпосередньо дія водню (молекулярного чи атомарного) при його адсорбції та розчиненні; дія ефектів, стимульованих рекомбінацією атомарного водню на поверхні твердого тіла. Дія молекулярного водню на тверде тіло у більшості випадків ро- зглянута для масивних зразків [4], а характер дії суттєво залежить від концентрації гідрогену [5]. Дисипація енергії рекомбінації може призводити до появи ряду ефектів, таких як радикалорекомбінаційна люмінесценція [6], емі- сія [7], розігрів [8], розпорошення [9] чи гетеродифузія [10]. В робо- тах [10—14] вивчався процес радикалорекомбінаційної дифузії ато- мів Cu, Ag, Ni, Au, In в Ge з тонких плівок, нанесених на підкладку. Автором була запропонований узагальнений модель процесу дифу- зії атомів металів з плівки у приповерхневі шари підкладки, згідно якої протягом оброблення структур з плівкою, плівка змінює свій стан і проходить наступні стадії: суцільна плівка, плівка з розрива- ми, острівцева плівка, відсутність плівки. Звідси випливає можли- вість модифікації електрофізичних властивостей тонких плівок та межі поділу плівка—підложжя у досить широких межах. Однак ві- домості про зміни електрофізичних параметрів тонких металевих плівок під час такої взаємодії на сьогодні обмежені. Дана робота присвячена встановленню основних закономірностей впливу ато- марного водню на електрофізичні параметри тонких металевих МОДИФІКАЦІЯ ТОНКИХ МЕТАЛЕВИХ ПЛІВОК Ag, Cu, Ni ПІД ДІЄЮ ВОДНЮ 555 плівок і структур на їх основі з метою прогнозування дії атомарного водню на їх основні параметри. 2. ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ У якості матеріялу для тонких металевих плівок обрано Cu, Ag, Ni, що обумовлено їх широким застосуванням, у тому числі у виробах електроніки, а також тим фактом, що саме на плівках з цих металів була зафіксована зміна стану плівок під дією Н [12—14]. Оброблення зразків виконувалося у камері, яка являє собою прото- чну систему з двох кварцових трубок різного діяметра. Молекулярний водень, одержаний електролізером, після фільтрації поступав у робо- чу камеру. У трубці малого діяметра запалювалася ВЧ плазма, де во- день дисоціював на атомарний. Зразки розміщувались у кварцовій трубці більшого діяметра на спеціально виготовленому утримувачі зразків, в який було вмонтовано давач температури. Дані про темпе- ратуру та електроопір зразків автоматично реєструвалися на ЕОМ. Досліджувалися тонкі плівки Ag, Cu, Ni товщиною 20—200 нм, одержані термічним випаровуванням у вакуумі 5⋅10 −3 Па, при тем- пературі підкладки, що не перевищує 50°С. В якості підкладки ви- користовувався ситал СТ-50-1 з шорсткістю поверхні Rz < 0,032 мкм. Товщина плівок під час напорошення контролювалася мето- дою кварцового мікрозважування [15]. Дослідження електроопору тонких плівок виконувалося на спе- ціально створених зразках прямокутної форми 5×60 мм, по краях яких розташовувалися контактні ділянки (металева плівка 1—2 мкм). До контактних майданчиків прилютовувалися виводи, після чого за допомогою компаунда ці місця захищалися від дії атомарно- го водню. Оброблення зразків у середовищі атомарного водню ви- конувалося в камері за кімнатних температур. Атомарний водень утворювався при дисоціяції молекулярного вод- ню в плазмі високочастотного розряду. Молекулярний водень одер- жували з водного розчину KOH (20%) шляхом електролізи при малій щільності струму (j < 20 мА/см2). Далі водень пропускався через фор- бальон для уловлювання парів KOH, осушну колонку, заповнену ґра- нульованим силікаґелем, і поступав у робочу камеру. Концентрація атомарного водню вимірювалася кальориметричним способом [16]. Для дослідження зміни поверхневого потенціялу зразків під впливом атомарного водню використовувалася метода динамічного конденсатора [17]. Етальонна електрода устави була виготовлена із золота (робота виходу WFAu = 4,3 еВ). Безпосередні виміри контакт- ної ріжниці потенціялів давали значення ріжниці робіт виходу ета- льону WFAu і зразка WFзр: Au зр WF WF WFΔ = − . 556 Є. Л. ЖАВЖАРОВ Точність виміру контактної ріжниці потенціалів (КРП) складала ±10 мВ. Виміри КРП виконувалися перед обробленням у середови- щі атомарного водню, безпосередньо після оброблення, а також піс- ля витримки зразків за кімнатних умов протягом певного часу. Дослідження морфології поверхні зразків виконувалося за допо- могою растрового електронного мікроскопа РЕМ-106И фірми Selmi. Структура тонких плівок досліджувалася за допомогою просвітньо- го мікроскопа УЕМВ-100К. 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ Експериментальні дослідження [18—20] показали, що вплив атома- рного водню (Н) на електрофізичні властивості тонких металевих плівок слід розглядати залежно від таких чинників як концентра- ція атомарного водню, час взаємодії, та властивостей вихідної плі- вки, насамперед її товщини. Експериментально встановлено, що на початковому етапі взає- модії активно протікають процеси фізичної та хемічної адсорбції. Результатом такої дії є зміна поверхневого потенціялу. При конце- нтраціях ∼ 1017 м −3 відбувається нелінійне зростання потенціялу по- верхні з часом оброблення для плівок Ag, Ni (рис. 1). Оброблення металевих плівок в Н супроводжувалося поступовим розігрівом зразків на ΔT до 60 К. Розсіяння енергії викликає розіг- рів, температура зразків у рівноважному стані (коли кількість теп- лоти, що виділяється при рекомбінації, дорівнює кількості тепло- ти, яка відводиться) визначається тиском у камері, концентрацією Н, теплопровідністю підкладок. Взаємодія атомарного водню з плі- вками міді відрізняється від взаємодії з плівками Ag, Ni наявністю екстремуму на залежності ΔWF = f(t) (рис. 2). -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 2 4 6 8 10 12 t, хв. 1 2 Рис. 1. Зміна КРП поверхні металевої плівки (∼ 50 нм) під дією Н, СН ≈⋅1017 м −3: 1 – плівка Ni; 2 – плівкаAg. МОДИФІКАЦІЯ ТОНКИХ МЕТАЛЕВИХ ПЛІВОК Ag, Cu, Ni ПІД ДІЄЮ ВОДНЮ 557 Взаємодію атомарного водню із плівками Cu можна розділити на два етапи [20]. На І етапі взаємодії різка зміна потенціялу поверхні та зміна кольору поверхні плівок Cu вірогідно відбувається за раху- нок утворення гідриду міді CuHx – речовини червоно-коричневого відтінку, яка, згідно з [21], розкладається за температури 330—340 К. При подальшому обробленні внаслідок дисипації енергії рекомбіна- ції атомарного H в молекулярний за реакцією + → + 2 H H H 4,48 еВ відбувається, по-перше, розігрів зразків, а по-друге, розпорошення плівки. Подальше оброблення плівок міді під дією цих двох процесів призводить до зменшення потенціялу поверхні, яке відбувається внаслідок зникнення гідриду міді і відновлення чистої поверхні. Рис. 2. Зміна КРП поверхні плівки Cu (~ 200 нм), СН⋅≈ 1017 м −3. а б в Рис. 3. Поверхня межі плівка Ni—Si: а – початковий стан; б – після 5 хв. об- роблення в Н, СH ≈ 1019 м −3; в – після 15 хв. оброблення в Н, СH ≈ 1019 м −3 (1 – суцільна плівка Ni; 2 – поверхняSi-підложжя;3– острівцеваплівка Ni). t, хв. 0 0,1 -0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 10 20 30 40 558 Є. Л. ЖАВЖАРОВ Характер зміни КРП при обробленні плівок за концентрацій Н ≥ 1018 м −3 для всіх трьох дослідних металів майже не відрізняється від залежности на рис. 1. Це пояснюється домінуючою дією процесів, стимульованих розсіянням енергії рекомбінації – розпорошенням та поверхневою дифузією. Льокальне виділення теплоти хемічної реакції рекомбінації є ру- шійним чинником структурних змін тонких металевих плівок. Вста- новлено, що за структурні зміни відповідають такі процеси як: масо- перенесення атомів плівки, що може призводити до процесу рекрис- талізації або кристалізації плівки, процес розпорошення та процес утворення дефектів структури. Процес розпорошення супроводжує взаємодію атомарного водню з поверхнею вже з початку такої взаємодії (рис. 3). Вже на початкових етапах оброблення плівок атомарним гідроге- ном призводить до релаксації внутрішніх напружень та ініціює про- цеси кристалізації. Про це свідчить зменшення ступеня розмитости рефлексів електронограми обробленої плівки у порівнянні з контро- льними зразками (рис. 4). Таким чином, контакт тонких металевих плівок з атомарним воднем супроводжується процесами адсорбції во- дню, очищення поверхні, відновлення окислів металу, розігріву зра- зків та розпорошення плівки. Експериментально встановлено, що характер впливу атомарного водню на структуру тонких металевих плівок суттєво залежить від товщини плівок та концентрації Н. Експериментально виділено кри- тичну товщину плівки, яка складає для Ag, Cu величину ∼ 30 нм та ∼ 20 нм для плівок Ni. Виявлено, що домінуючий внесок у зміну морфології поверхні плі- вок різної товщини спричиняють різні фізичні процеси. А саме, для плівок з товщиною менше критичної – домінуючими процесами змі- ни морфології поверхні є процеси розпорошення та коалесценції плі- вок. Наслідком такої дії є перетворення плівки на несуцільну і посту- пове зникнення плівки з поверхні підкладки. Для плівок з товщиною більше критичної домінуючим механізмом зміни морфології поверх- ні можна вважати масоперенесення, яке стимулює два процеси – по- верхневу дифузію та процес розпорошення. Встановлено, що доміну- ючий механізм зміни морфології поверхні залежить від властивостей вихідної плівки. Так, для дрібнозернистих плівок срібла товщиною як більшою, так і меншою критичної на початковому етапі взаємодії (та концентраціях Н не більше 1018 м −3) домінуючим процесом є зрос- тання зерен за рахунок масоперенесення в плівці. Однак оброблення плівок супроводжується одночасним зменшенням ефективної тов- щини плівки, про що свідчать результати аналізи хемічного складу у приповерхневих шарах. Це пов’язано із процесами ущільнення та розпорошення плівки. Відмітимо, що швидкість зростання зерен, протікання процесів ущільнення та розпорошення за однакових умов МОДИФІКАЦІЯ ТОНКИХ МЕТАЛЕВИХ ПЛІВОК Ag, Cu, Ni ПІД ДІЄЮ ВОДНЮ 559 оброблення більш інтенсивно протікає на тонших плівках (рис. 5). а б Рис. 4. Електронограми (мікродифракція) плівки Ni (~ 20 нм): а – кон- трольна плівка; б – після оброблення Н 30 хв., СН ≈ 1019 м −3. а б в г Рис. 5. Зміна морфології плівки Ag під дією Н: а – контрольна плівка Ag (~ 15 нм); б – Ag (~ 15 нм) після 5 хв. оброблення Н, СН ≈ 1017 м −3; в – контрольна плівка Ag (~ 80 нм);г – Ag (~ 80нм)після5хв. обробленняН,СН ≈ 1017 м −3. 560 Є. Л. ЖАВЖАРОВ Для неоднорідних плівок, де у структурі вихідної плівки можна виділити зерна різних розмірів при більших дозах оброблення, тоб- то часу оброблення та концентрації, може відбуватися ефект «полі- рування» – поступове зменшення розміру дрібних зерен плівки, і більш інтенсивне зменшення розміру великих зерен (рис. 6). а б Рис. 6. Зміна морфології поверхні плівки Ag (~15 нм), під дією Н, СН ≈ 1019 м −3: а – контрольна плівка; б – після оброблення 15 хв. Н. t = 0 хв. t = 20 хв. t = 40 хв. а б Рис. 7. Зміна морфології поверхні (а) та розміру зерна плівки Cu (∼ 200 нм) від часу оброблення t атомарним воднем (б) при CН ≈ 1019 м −3. МОДИФІКАЦІЯ ТОНКИХ МЕТАЛЕВИХ ПЛІВОК Ag, Cu, Ni ПІД ДІЄЮ ВОДНЮ 561 Для плівок товщиною більшою за критичну при СН ≥ 1019 м −3 до- мінуючими процесами є зростання розміру зерен під дією процесу масоперенесення атомів плівки та зрощення окремих зерен (рис. 7). Оціночне значення середньої швидкости зростання зерна складає близько 4 нм/хв. як для Cu, так і для Ag. Внеском процесу розпорошення на зміну морфології таких плі- вок можна знехтувати до моменту досягнення критичної товщини плівки, після якого починає вносити суттєвий внесок процес коале- сценції. Аналогічні процеси експериментально зафіксовані і на плівках міді. Таким чином відкривається можливість для полікри- сталічних плівок їх рекристалізації при температурах підкладки близьких до кімнатних, а для аморфних – їх кристалізації. Взаємодія атомарного гідрогену з плівками різних металів має особливості, пов’язані з їх фізико-хемічними властивостями. За ве- ликих доз оброблення (t > 20 хв., СН > 1018 м −3) для плівок товщиною більшою критичної і за умови розміщення плівки на підкладках з малою газопроникністю, наприклад СТ-50-1, можливо утворення бульбашок на поверхні плівок (рис. 8). Фізичний механізм утворення бульбашок (рис. 9) можливо по- в’язати з наступним. На початковому етапі взаємодії відбувається розчинення та накопиченням водню в порах та межі поділу плівка— підкладка. При подальшому обробленні внаслідок зрощення зерен та ущільнення плівки відбувається поява бульбашок. Зміни у структурі плівки супроводжуються змінами електропро- а б в Рис. 8. Утворення бульбашок на плівках Ag (а), Cu (б), Ni (в) під дією Н. Рис. 9. Механізм виникнення бульбашок на металевих плівках під дією Н. 562 Є. Л. ЖАВЖАРОВ відности. При дослідженні впливу атомарного водню на електроо- пір тонких металевих плівок була виявлена нелінійна залежність опору плівок від часу оброблення t. Найбільш повною за проявом та цікавою для розгляду можна вважати залежність опору плівок Ni (рис. 10). На залежності спостерігаються три яскраво виражені ділянки та два екстремуми, що свідчать про наявність конкуруючих за своїм впливом на електроопір механізмів взаємодії атомарного водню із твердим тілом. Як показали експерименти [20], ці процеси зале- жать: від концентрації атомарного водню, оскільки при менших концентраціях Н третя ділянка не спостерігається; та товщини плі- вок, із збільшенням товщини плівок ефективні зміни опору – зме- ншуються (рис. 11). Це підтверджує одержану при дослідженні морфології поверхні залежність швидкости перебігу процесів від товщини плівки. Аналіза експериментальних даних, одержаних за різних умов, дозволила встановити, що найбільший внесок у зміну електроопору на I етапі вносять такі процеси як розігрів поверхні та Рис. 10. Зміна електроопору плівки Ni (~50 нм) від часу оброблення Н. Рис. 11. Зміна електроопору плівок Ni різної товщини, СН ≈1018 м −3. МОДИФІКАЦІЯ ТОНКИХ МЕТАЛЕВИХ ПЛІВОК Ag, Cu, Ni ПІД ДІЄЮ ВОДНЮ 563 процес розпорошення плівок. Розігрів зразків залежить від конце- нтрації Н та коефіцієнтів акомодації і рекомбінації. На ІІ етапі процеси, що призводили до збільшення електроопору, нівелюються внеском інших процесів. Такими процесами є ущіль- нення плівок та рекристалізація. В загальному випадку опір дріб- нокристалічних тонких плівок складається з опору кристалітів ме- талу, опору міжкристалічних прошарків, і опорів обумовлених роз- сіянням на межах зерен та межах плівки. Процес зростання та зро- щення зерен при рекристалізації спричинятиме зменшенню кіль- кости меж зерен та міжзеренних прошарків. Аналогічні процеси відбуваються при відпалі плівок. Порівнян- ня процесу відпалу плівки за 400 К із процесом оброблення H при СН ≈ 1019 м −3 вказує, що оброблення Н є більш ефективним [20]. На ІІІ етапі домінуючими процесами є процес розпорошення та утво- рення дефектів структури. Взаємодія Н з плівками міді та срібла має подібний характер, од- нак є певні відмінності (рис. 12). Для плівок міді хоча і спостерігається всі три ділянки, 1 ділянка дуже коротка, а зміни відбуваються при менших концентраціях H; для плівок срібла характерна відсутність І етапу зміни електроопо- ру. Ці відмінності пов’язані, по-перше, з різним характером взає- модії матеріялів цих плівок із воднем, по-друге, – різними власти- вості матеріялу, що обумовлює різну швидкість масоперенесення. На кінетику перебігу під дією Н процесів суттєво впливають умо- ви взаємодії. Так, за інших умов оброблення (менші товщини, чи більша концентрація) домінуючим процесом є процес розпорошен- ня плівки, що призводить до збільшення електроопору (рис. 13, а). Фізичний механізм, що відповідає за різке збільшення електроо- пору плівок, – поява розривів і перехід плівки у острівцеві. Модифікація структури та електричного опору відображається на зміні властивостей межі плівка—підкладка. Вплив водню на вла- стивості гетероструктур досліджувався на структурах Cu—Si. Одер- жані експериментальні дані свідчать, що оброблення зразків приз- водить до збільшення когезії та адгезії плівки до кремнійових підк- ладок більш ніж у 6 разів (рис. 14). Домінуючим процесом відповідальним за це є ущільнення плівки та перерозподіл атомів на межі поділу плівка—підкладка (рис. 15), про що свідчать результати дослідження елементного складу за глибиною виконаних на Оже-спектрометрі. 4. ВИСНОВКИ Взаємодія Н з металевими плівками Ni, Cu, Ag (10—100 нм) супро- воджується комплексом одночасного перебігу процесів. Поверхня тонкої металевої плівки при такій взаємодії виступає у якості ката- 564 Є. Л. ЖАВЖАРОВ лізатора для екзотермічної реакції рекомбінації атомарного водню в молекулярний. Тому до процесів адсорбції, десорбції, розчинення водню в об’ємі твердого тіла додаються ще процеси стимульовані льокальним виділенням енергії рекомбінації, а саме розігрів зраз- ків, розпорошення поверхневих шарів, ущільнення плівки, крис- талізація чи рекристалізація плівки, поверхнева дифузія. Характер впливу атомарного водню на електрофізичні властиво- сті тонких металевих плівок Ag, Cu, Ni має багато спільного, однак відрізняється, що обумовлено різними фізико-хемічними властиво- стями металів: можливість утворення гідридів за умов взаємодії, різна енергія зв’язку атомів металів обумовлює різну дифузійну здатність за однакових умов. Кінетика перебігу під дією Н фізико-хемічних процесів залежить а б Рис. 12. Зміна електроопору плівок Cu, Ag під дією Н: а – зміна опору Cu від часу оброблення Н, СН ≈ 1018 м −3; б – зміна опору Ag від часу оброблення Н, СН ≈ 1017 м −3. а б Рис. 13. Зміна електроопору плівки Cu (~ 25 нм) під дією Н (а) та морфоло- гія поверхні плівки Cu (~ 25 нм) після 7 хв. оброблення, СН ≈ 1019 м −3 (б). МОДИФІКАЦІЯ ТОНКИХ МЕТАЛЕВИХ ПЛІВОК Ag, Cu, Ni ПІД ДІЄЮ ВОДНЮ 565 від характеристик і властивостей вихідної плівки та підкладки, кон- центрації Н, тиску у камері. Так, кінетика процесів розпорошення і зміни морфології поверхні під дією Н збільшується із зменшенням товщини плівки і температури топлення металу плівки. При СН ≈ 1019 м −3 оціночне значення швидкости розпорошення для плівок ∼ 25 нм: Ni ∼ 10 −4 нм/с, Сu ∼ 0,2 нм/с, Ag ∼ 0,5 нм/с. Для плівок Сu (∼ 210 нм) ∼ 0,01 нм/с. Характер змін електропровідности тонких металевих плівок під дією Н залежить перш за все від концентрації Н та товщини плівки: для плівок товщиною більше критичної dКР ∼ 30 і ∼ 20 нм для Cu, Ag і Ni відповідно можливе збільшення електропровідности більш ніж у 2 рази за СН ≈ 1019 м −3. Особливість взаємодії атомарного гідрогену з плівками Ag, Ni виявляється за великих доз оброблення у виникненні дефектів структури: міжкристалічних тріщин, відшарування плівки, появи бульбашок. Встановлено, що необхідними умовами для цього є три- Рис. 14. Зміна адгезії Сu (~ 50 нм) при різних швидкостях осадження від часу оброблення Н, СН ≈ 1018 м −3. а б Рис. 15. Розподіл елементів за глибиною гетероструктури Cu—Si: а – контрольний зразок; б – після оброблення Н 15 хв., СН ≈ 1019 м −3. 566 Є. Л. ЖАВЖАРОВ валий час оброблення, розміщення плівки на непрозорій для водню підкладці, товщина плівки більша за критичну, концентрація бі- льша 1019 м −3. Одержані результати відкривають можливості для розроблення нових енергозберігаючих технологій низькотемпературної керова- ної модифікації властивостей тонких металевих плівок та гетерост- руктур на їх основі. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. А. М. Чапланов, М. И. Маркевич, Неорганические материалы, 39, № 3: 322 (2003). 2. Chang Mei, Chen Ling, Liao Marvin, Littau Karl A, Smith David C, Chern Chyi, Tseng Jennifer, Plasma annealing of substrates to improve adhesion, Пат. 9936955США, МПКМПК {6} H01L21/3205 Applied Materials Inc (US). – No. 08/498990; заявл. 28.02.97; опубл. 22.02.99. 3. К. Хауффе, Реакции в твердых телах и на их поверхности (Москва: Ино- странная литература: 1962). 4. Водород в металлах (Ред. Г. Алефельд, И. Фелькль) (Москва: Мир: 1978), т. 1. 5. Y. Fukai, The Metal Hydrogen System: Basic Bulk Properties (Berlin— Heidelberg: Springer Verlag: 2005). 6. А. Н. Горбань, В. А. Соколов, Оптика и спектр., № 7: 815 (1956). 7. В. В. Стыров, Письма в ЖЭТФ, 15, вып. 5: 242 (1972). 8. B. J. Wood, J. S. Mills, and H. Wise, J. Phys. Chem., 67, No. 67: 1462 (1963). 9. А. Н. Титов, В. П. Пинчук, А. Н. Горбань, Материалы Всесоюзного совеща- ния по хемилюминесценции (Запорожье: ЗМИ: 1976), с. 174. 10. В. М. Матюшин, В. И. Лищенко, А. Н. Горбань, Украинский физический журнал, 32, № 9: 1407 (1987). 11. В. М. Матюшин, Журнал технической физики, 69, вып. 7: 73 (1999). 12. В. М. Матюшин, Поверхность, № 6: 59 (2000). 13. В. М. Матюшин, Физика и техника полупроводников, 35, вып. 3: 301 (2001). 14. В. М. Матюшин, И. В. Бондарев, Д. М. Белоус, Физика и химия обработки материалов, № 3: 72 (2000). 15. Пленочная электроника (Ред. Л. Холлэнд) (Москва: Мир: 1968). 16. Г. А. Дзюбенко, В. А. Лавренко, А. Н. Непочатов, Журнал физической хи- мии, 39, вып. 10: 2622 (1965). 17. Д. Вудраф, Т. Делчар, Современные методы исследования поверхности (Москва: Мир: 1989). 18. Є. Л. Жавжаров, Н. А. Антонченко, В. М. Матюшин, Вісник Львів. ун-ту. Серія фізична, вип. 42: 39 (2008). 19. Е. Л. Жавжаров, Г. А. Бялик, В. М. Матюшин, Письма в журнал техниче- ской физики, 33, вып. 13: 64 (2007). 20. Є. Л. Жавжаров, Модифікація структури та електрофізичних параметрів тонких металевих плівок і гетероструктур на їх основі під дією атомарно- го водню (Автореф. дис. … канд. фіз.-мат. наук) (Запоріжжя: ЗНТУ: 2009). 21. Свойства элементов: Справочник в 2-х т. (Москва: Металлургия: 1976), т. 2.

Ähnliche Einträge