Вплив інтерфейсного розсіювання на електрофізичні властивості плівкових матеріалів

Вплив інтерфейсного розсіювання на електрофізичні властивості плівкових матеріалів

Добре відомо, що при вивченні електрофізичних властивостей багатошарових плівкових систем необхідно враховувати новий механізм розсіювання, а саме розсіювання носіїв заряду на межі поділу окремих шарів (інтерфейсі). Аналіз літературних даних [1-6] свідчить про те, що це питання залишається маловивченим. Про це свідчить той факт, що немає робіт, в яких би наводилися дані про величину коефіцієнта проходження електронами межі поділу. Хоча відомі роботи, в яких визначається або сума Q+p (Q - коефіцієнт проходження межі поділу шарів; р - коефіцієнт дзеркальності поверхні шарів) [2], або відносні величини (див., наприклад, [3]). Саме тому мета даної роботи полягає у розробленні методики вивчення впливу розсіювання носіїв струму на інтерфейсі на електрофізичні властивості.

Можливим варіантом такої методики може бути порівняння величини питомого опору та термічного коефіцієнта опору (ТКО) двох металевих плівкових зразків однакової товщини, один з яких являє собою одношарову плівку, а другий - багатошарову плівкову систему на основі Cu, в якій штучно змодельована межа поділу шляхом зупинення процесу конденсації на певний проміжок часу або здійснення пошарової термоциклічної конденсації.

Виготовлення плівкових зразків для подальшого дослідження їх електрофізичних властивостей проводилося шляхом термічного випарування у вакуумній установці ВУП-5М (тиск газів залишкової атмосфери 10^-4 Па) на ситалові підкладки з попередньо напиленими контактними майданчиками, які являють собою двошарову плівку Cu/Cr/П (П - підкладка). Важливою умовою для коректної оцінки одержаних результатів є ідентичність умов отримання одношарових плівок та пошарово напилених плівкових систем. З цією метою осадження проводилося при сталій швидкості конденсації ? = 1,5 нм/с з точністю ±0,5 нм/с і температурі підкладки Т_п = 300К. Товщина контролювалася методом кварцового резонатора, що забезпечувало точність 10%, та інтерферометричним методом (прилад МІІ-4). Вимірювання електричного опору здійснювалося за допомогою цифрових вольтметрів АРРА-109 з точністю ±0,06%. Відпалювання зразків проводилося в температурному інтервалі 300-630 К протягом двох циклів за схемою «нагріванняохолодження» з постійною швидкістю, що складала 3-5 К/хв. Температура підкладки і відпалювання контролювалася за допомогою хромель-алюмелевої термопари та мультиметра DT-838. Для проведення структурних та електронографічних досліджень використовувався прилад ПЕМ-125К з високою розрізнювальною здатністю.

На основі експериментально отриманих даних для опору та відпалювання за схемою «нагрівання-охолодження» були побудовані температурні залежності питомого опору та ТКО. На рисунку 1 зображені залежності питомого опору та ТКО від температури для трьох зразків однакової товщини: одношарова плівка Cu (65 нм); двошарова плівкова система Cu(28)/Cu(37)/П та тришарова система Cu(20)/Cu(20)/Cu(25)/П (П - підкладка; товщина в дужках вказана в нм).

Розрахунок відносної зміни питомого опору та ТКО проводився за співвідношеннями:

та ,

де n = 2 (двошарова плівка) або 3 (тришарова плівка) показує, що наявність штучної межі поділу призводить до збільшення ??/? на 12-20% та зменшення ??/? на 9 - 20%. Таку зміну електрофізичних величин можна пояснити дією додаткового механізму розсіювання електронів на інтерфейсі.

Для того, щоб переконатися у правильності даного твердження, проводився додатковий аналіз отриманих зразків, а саме: визначалися концентрація та енергії активації заліковування дефектів кристалічної будови шляхом побудови спектру дефектів за методикою Венда [7]; розподіл кристалітів за розмірами та концентрація зерен з дефектами пакування (визначалися методом електронної мікроскопії).

а б

в

Рисунок 1 - Температурна залежність питомого опору і ТКО (на вставках) для двох термостабілізаційних циклів для трьох плівкових зразків загальною товщиною 65 нм: а - одношарова плівка; б - двошарова плівка; в-тришарова плівка

На рисунку 2 зображені мікроструктура та гістограми для одно- і двошарового зразків загальної товщини d = 65 нм, відпалених до температури Т_в ? 600 К. Як видно з рисунка 2, гістограми для одношарової плівки та двошарової плівкової системи мають досить - подібний характер та приблизно однакові значення середнього розміру кристалітів та концентрації зерен з дефектами пакування. Крім того, зовнішній вигляд спектру дефектів для цих двох зразків, а також для тришарової плівкової системи (рис. 3) майже ідентичний. Основні максимуми майже однакові за величиною та припадають на інтервал енергій Е = 0,6-0,75 еВ. Це свідчить про те, що умови конденсації зразків були майже однакові. Треба зазначити, що отримані нами результати дещо не узгоджуються з результатами, описаними в [8-9], для плівок Cu, а саме дефекти з енергією активації заліковування виявляються в інтервалі Е = 0,94-1,59 еВ.

Рисунок 2 - Мікроструктура і відповідні гістограми одношарової плівки Cu(65) (а) і двошарової плівкової системи Cu(28)/Cu(37)/П (б)

Рисунок 3 - Порівняння спектрів дефектів для плівок Cu(65) (а)і плівкової системи Cu(27)/Cu(38)/П та плівкової системи Cu (20/Cu (20 /Cu(25)/П

Ця відмінність пояснюється тим, що в наших дослідженнях з метою зменшення імовірності розмиття інтерфейсу бралися нижча температура та більша швидкість відпалювання. Необхідно також звернути увагу на особливість, яка спостерігається при Е = 0,6 еВ, на графіках для пошарово напилених зразків. Наявність даної особливості свідчить про певне внесення межі поділу на зовнішній вигляд спектру дефектів.

Рисунок 4 ілюструє особливості температурної залежності опору для двошарового зразка Cu(30)/Cr(30)/П та багатошарової плівкової системи [Cu(5)/Cr(5)]₅/П, які були отримані, в процесі термоциклованої конденсації. Як видно з графіків (рис. 3), величина ТКО залежить не тільки від номера термостабілізаційного циклу, а й від кількості інтерфейсів в системі, тобто при збільшенні від одного інтерфейсу (рис. 4 а) до дев'яти (рис. 4 б) відбувається зменшення ТКО приблизно в 5 разів при майже однаковій загальній товщині зразків.

а б

Рисунок 4 - Залежність опору від температури для плівкових систем Cu(30)/Cr(30)/П (а) та [Cu(5)/Cr(5)]₅/П (б)

Таким чином, проаналізувавши отримані результати, можна дійти до висновку, що умови отримання та термообробки зразків були майже ідентичні, тому зміну опору і ТКО, яка спостерігається за наявності штучної межі поділу або у випадку термоциклованої конденсації, можна пояснити саме розсіюванням електронів на межі поділу (інтерфейсі).

При дослідженні електрофізичних властивостей багатошарових плівкових систем треба враховувати розсіювання електронів на інтерфейсі.

Утворення штучної межі поділу приводить до збільшення питомого опору та зменшення ТКО на 9 - 20%. Причиною такої зміни можна вважати саме інтерфейсне розсіювання при ідентичності умов отримання та термообробки зразків.

При термоциклованій конденсації зміна опору та ТКО при переході від двошарової до багатошарової системи відбувається за рахунок збільшення кількості інтерфейсів.

Подальшим розвитком експериментальних досліджень, представлених у даній роботі, може бути вивчення інтерфейсного розсіювання в багатошарових плівкових системах на основі різних металів з низькою взаємною розчинністю.

Список літератури

1. De Vries J.W.C. Interface scattering in triple layered polycrystalline thin Au/X/Au films (X = Fe, Co, Ni) // Solid state commun. - 1998. - V.65, №3. - P. 201 - 204.

2. Banerjee R., Ahuja R., Swaminathan S. et al. Resistivity of Ti/Al multilayered thin films // Thin Solid Films. - 1995. - V.269. - P. 29 - 35.

3. Dimmich R. Electrical conductance and temperature coefficient of resistivity // Thin Solid Films. - 1988. - V.158, №1. - P.13 - 24.

4. Забіла Є.О., Однодворець Л.В., Проценко С.І. та ін. Вплив розсіювання електронів провідності на міжфазній межі на величину коефіцієнта тензочутливості металевих плівок // Вісник СумДУ. - 2003. - Т. 8, №54. - С. 71 - 78.