Исследование механизмов распыления пленок металлов под воздействием атомов водорода Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Г. В. Снежной, М. В. Матюшин: ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ РАСПЫЛЕНИЯ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АТОМОВ ВОДОРОДА

УДК 539.219.3

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ РАСПЫЛЕНИЯ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АТОМОВ ВОДОРОДА

Г. В. Снежной, М. В. Матюшин

Рассматриваются процессы, протекающие на поверхности структур металл-полупроводник и в газовой фазе при распылении металлических пленок под действием атомарного водорода (Н). Кристаллы германия с пленками меди толщиной порядка м подвергались воздействию Н различное время (до 104с) при температурах, близких к комнатной. Для объяснения механизмов распыления пленок предложена модельная система Cu-Ge.

Розглядаються процеси, як прот1кають на поверхт структур метал-натвпров1дник i в газовт фаз1 при розпилент металевих плiвок тд впливом атомарного водню (Н). Кристали герматю з плiвками мiдi товщиною м тдпадали тд вплив Н рiзний час (до 104с) при температурах, близьких до кiмнатно'i. Для пояснення механiзмiв розпилення плiвок запропонована модельна система Cu-Ge.

Investigated of processes at the surface and gas phase at atomizing of metal films under influence of atomic hydrogen. Crystal of germanium with films of Cu (d= m) processing by atomic hydrogen at normal temperature. Investigated the mechanisms of atomizing of films at model system.

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени в большей или меньшей степени исследован широкий круг эффектов, связанных с возбуждением при рекомбинации атомов на поверхности твердых тел электронной системы (радикало-рекомбинационная люминесценция [1], радикало-реком-бинационная эмиссия электронов [2], хемопроводимость [3], хемовольтаические эффекты [4]) и решетки кристаллов (радикало-рекомбинационный разогрев [5], изменение морфологии поверхности твердых тел [6]).

Анализ возможных путей диссипации энергии рекомбинации атомов водорода в молекулы на поверхности твердого тела показал, что при этом возможно распыление атомов и ионов [7]. Однако, механизмы процесса распыления в этом случае в достаточной мере не изучены. Кроме того, большой практический интерес имеют исследования процессов воздействия атомарного водорода на пленки металлов.

Данная работа посвящена исследованию механизмов распыления металлических пленок под воздействием атомарного водорода. В качестве модельной системы для исследования процесса распыления, стимулированного рекомбинацией атомов водорода в молекулы, была выбрана система медь-германий. На поверхностях этих веществ реакция рекомбинации протекает достаточно активно, а условия ее протекания исследованы [1].

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве материала подложки использовался монокристаллический германий р-типа с р = 1, 5 • 103 Ом • м ,

с плотностью дислокаций 106 м-2 и ориентацией поверхности в направлении (111).

Пленки меди наносились методом термического испарения в вакууме. При нанесении пленок температура подложек составляла 393 К. Толщина пленок измерялась на рентгеновском микроанализаторе "МАР-2" и

составляла (1 + 5)• 10-7м. В процессе обработки атомарным водородом толщина пленок контролировалась путем измерения поверхностного сопротивления № че-тырехзондовым методом. Состояние поверхности образцов исследовалось также визуально с помощью микроскопа МИМ-7 с 500-кратным увеличением.

Атомарный водород получался путем диссоциации молекул водорода в плазме, образуемой ВЧ-разрядом. Молекулярный водород выделялся из раствора 20% КОН и дистиллированной воды путем электролиза. Далее водород проходил через форбаллон для улавливания капель КОН, осушительную колонку (заполненную гранулированной щелочью КОН) и поступал в рабочую камеру. Концентрация атомарного водорода в рабочей камере измерялась калориметрическим методом [1], а также методом ЭПР и достигала 1021 м-3 при давлении в системе 15-20 Па. Образцы помещались на держатель из алюминия, удаленный на расстояние 0,25 м от области разряда, что позволяло исключить попадание радикалов гидроксила и ионов Н+ на образец [1]. Температура образцов измерялась хро-мель-копелевой термопарой, закрепленной на их поверхности. Образцы нагревались только за счет выделяющейся при рекомбинации энергии и их температура не превышала 330 К.

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА МИГРАЦИИ И

СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ "ПРЫЖКА"

В процессе воздействия атомарного водорода на образцы пленки меди распылялись и поверхностное сопротивления кристаллов германия при этом увеличивалось. Для изучения механизмов процесса распыления пленок при протекании реакции рекомбинации Н-атомов исследовались образцы различной площади:

1, 6 • 10-6м2, 25 • 10-6 м2, 36 • 10-6 м2. На рис.1 изображены кривые изменения № от времени обработки р-кристаллов германия с пленками меди, имеющих различную площадь поверхности.

размеры кристалла:

1 - (4 X 4 )• 10-3 м;

2 - (5X5)•10

-3

м;

кристалла Ь:X = — • Следовательно, значение коэффициента поверхностной миграции (Ь = 4 • 10-3м, ¿=0,2 с)

В = 2 • 10-5 м2/с.

Для того чтобы распылить слой меди на кристалле

размером (6 X 6)• 10-3 м требуется времени в 2,2 раза больше, чем в случае квадратного кристалла со стороной 4 • 10-3м (из сравнения кривых на рис.1). В этом

случае: В = 2, 1 • 10-5 м2/с.

Аналогичные значения получились и при расчете В

для кристалла размером (5 X 5)• 10-3м, что является подтверждением механизма миграции (перескоков) атомов меди по поверхности кристалла под воздействием атомарного водорода.

Рассчитаем число актов адсорбции и рекомбинации на одном поверхностном атоме в единицу времени. Число атомов, сталкивающихся с поверхностью образца в единицу времени, определяется из соотношения [9]:

3 - (6X6)• 10-3м

Рисунок 1 - Зависимости поверхностного сопротивления образцов р-германия (с пленками

Си) с разной площадью при различном времени оброботки в Н

Было впервые замечено, что с увеличением площади кристаллов, время, которое необходимо для удаления пленки меди с поверхности образцов, возрастает (рис.1). Это может быть связано с процессом миграции атомов меди по поверхности кристалла. Поверхностный атом меди, на котором происходит адсорбция Н или рекомбинация атомов водорода в молекулы может получить энергию, достаточную для отрыва и перескока в другое место на поверхности кристалла. Таким образом, атом мигрирует по поверхности до тех пор, пока не "уйдет" с нее. Для кристаллов с большей площадью возбужденным атомам меди требуется больше "прыжков", а, следовательно, и времени для того, чтобы "сойти" с поверхности.

Рассчитаем коэффициент поверхностной миграции В, используя соотношение для определения длины пробега

X диффундирующей частицы: X = 4Вг [8].Откуда:

в = х2.

г

Из экспериментальных данных получено, что за 1 с (для случая кристалла размером (4 X 4)• 10-3 м) распыляется примерно 5 атомных слоев пленки меди. Следовательно, за время равное 0,2 с атом меди, находящийся в центре поверхности образца, пройдет диффузионный путь, равный половине длины стороны

N =П-И s уст 4 ° '

(1)

где п - концентрация атомов водорода в газовой фазе; S -площадь поверхности образца; V - тепловая скорость атомов, определяемая по формуле [9]:

V =

(2)

где Т - температура атомно-молекулярной смеси; т -масса атома водорода; к - постоянная Больцмана.

Число атомов водорода, сталкивающихся с 1 • 10-4 м2 поверхности (плотность тока) равно:

N = п 8кТ

п 4 л/ п т '

(3)

Учитывая, что только часть атомов, определяемая коэффициентом рекомбинации у, соединяется на

поверхности в молекулы, получаем число рекомбинаций 2

на 1 м2 в единицу времени:

лг лг т ГкТ

N = JNн = у- — . рек н 2 4 п т

(4)

Находим число рекомбинаций за одну секунду на одном поверхностном атоме:

Н =

N

,>ек = УП_ ¡Ж п 2 п м пт '

(5)

где п„ - число поверхностных атомов кристалла на 1 м2

24

188К 1607-3274 "Радюелектрошка, шформатика, управлшня" № 2, 2000

Г. В. Снежной, М. В. Матюшин: ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ РАСПЫЛЕНИЯ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АТОМОВ ВОДОРОДА

поверхности.

Все величины, входящие в последнюю формулу,

= ю19м-2

известны:

Т = 300 К, п = 1021 м-3, гс = 1019м

у = 0, 1 [5]. Вычисляем значение Н: Н— 6500 с-1.

Учитывая, что на одном поверхностном атоме меди за t=1 с в условиях эксперимента происходит Н — 6500 актов адсорбции и рекомбинации и за 1 с удаляется ~5 моноатомных слоев пленки меди, можно рассчитать среднюю длину одного "прыжка", используя

соотношение X2 = На [8]: а = 1 — .

5^ Н

Подставляя известные величины X и Н, получим значение а — 12, 5 • 10-4м — 125 мкм.

а;

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Из полученной средней длинны "прыжка" следует, что миграция атомов меди под воздействием атомарного водорода по поверхности образцов связана с переходом в газовую фазу и повторным осаждением. Атом меди, получая энергию, выделившуюся при адсорбции или рекомбинации, может оторваться от поверхности и перейти в газовую фазу. Здесь он сталкивается с атомами и молекулами водорода, а также другими атомами меди. При столкновениях распыленный атом меди теряет энергию и, пройдя некоторый диффузионный путь, возвращается на поверхность образца или "садится" на поверхность подложки или другие поверхности реакционной камеры. Не исключен процесс рекомбинации Н-атомов в газовой фазе с участием распыленного атома меди. В этом случае, атом меди получает довольно значительную энергию (порядка энергии рекомбинации Н-атомов) и вероятность его возвращения на поверхность кристалла уменьшается.

Атом меди, "сошедший" с поверхности кристалла, может мигрировать по поверхности подложки. Возврат его на поверхность образца маловероятен, вследствие

сравнительно большой толщины кристалла (3 • 10-4м). Попав на подложку (подложка изготавливается из алюминиевой фольги) атом меди продолжает возбуждаться атомарным водородом, и может мигрировать по ней на значительные расстояния. Миграция атомов меди происходит и на поверхности подложки, расположенной под кристаллом, т.к. атомарный водород проникает в пространство между образцом и подложкой.

Подтверждением выше сказанного служит кривая рис.2. Эта кривая показывает распределение поверхностной концентрации распыленной с кристалла меди на поверхности подложки. Распределение концентрации получено на рентгеновском микроанализаторе " МАР - 2".

1 2

Х<0 - открытая поверхность подложки; Х>0 - поверхность подложки под образцом

1 - кристал германия; 2 - пленка меди ; 3 - алюминиевая подложка. б)

Рисунок 2 - Распределение поверхностной концентрации меди (а) на алюминиевой подложке (б) (время обработки в атомарном водороде 3 часа)

ВЫВОДЫ

На основании экспериментальных исследований и выполненных расчетов можно сделать следующие выводы:

1) под воздействием атомарного водорода атомы меди распыляются с поверхности кристаллов германия

16 • 10-6м2) со скоростью порядка 5 атомных слоев за секунду в условиях эксперимента;

2) обнаружена зависимость скорости распыления пленок от размеров исследуемых кристаллов, что связывается с протеканием процесса миграции атомов меди по поверхности образцов;

3) рассчитанные коэффициенты миграции атомов

меди по поверхности (Б = 2 • 10-5м2/с) и средней

длины элементарного прыжка ( а = 12, 5 • 10-4м) позволяют предложить механизм миграции атомов меди через газовую фазу.

Полученные в работе результаты можно использовать при разработке новых перспективных технологических процессов при изготовлении изделий электронной техники и микроэлектроники.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Волькенштейн Ф.Ф., Горбань А.Н., Соколов В.А. Радикало-рекомбинационная люминесценция полупроводников. - М.: Наука.- 1976. -278 с.

2. Стыров В.В. Эмиссия заряженных частиц с твердой поверхности при протекании на ней химической реакции // Письма в ЖЭТФ.-1972. - Т. 15. - В. 5. - С. 242-245.

3. Стыров В.В. Толмачев В.М. Возбуждение неравновесной проводимости твердого тела при протекании на нем химической реакции // Доклады АН СССР.- 1974. - Т.218. -№5. -С.1150-1152.

4. Горбань А.Н., Корнич В.Г. Хемовольтаические эффекты: возникновение ЭДС в полупроводнике при рекомбинации на его поверхности свободных радикалов // Материалы радиоэлектроники. - 1975. -В.74. -С.138-141.

5. Лавренко В.А. Рекомбинация атомов водорода на поверхности твердых тел. - Киев: Наукова думка, 1973. -202 с.

6. Shapovalov V.P., Matyushin V.M.,.Tochilin S.D. Investigation of influence of atomic hydrogen on germanium crystal morphology // Vacuum. - 1993. -V.44.- №9. -P.949.

7. Пинчук В.П., Корнич В.Г., Горбань А.Н. Некоторые эффекты, стимулированные рекомбинацией атомов на поверхности твердых тел // ЖТФ. - 1974. - Т. 44. - №. 6. -С.1287-1291.

8. Гегузин Я.Е. Очерки о диффузии в кристаллах. - М.: Наука, 1974. - 254 с.

9. Савельев И.В. Курс общей физики. 4.1. - М.: Наука, 1970. -512 с.

УДК 621.314.12.001.5

ВПЛИВ ПАРАМЕТРА ДЖЕРЕЛА ТА НАВАНТАЖЕННЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ 1МПУЛЬСН0Г0 ПЕРЕТВОРЮВАЧА В РЕЖИМ1

ЗНИЖЕННЯ НАПРУГИ

В. Д. Флора

Используя метод равенства пульсаций, получены соотношения в относительных единицах для расчета рабочих и регулировочных характеристик импульсного преобразователя в квазиустановившемся режиме понижения напряжения. Приведены результаты расчетов для одного из вариантов источника и нагрузки.

Використовуючи метод ргвностг пульсаций, одержат ств-вгдношення у вгдносних одиницях для розрахунку робочих та регулювальних характеристик iмпульсного перетворювача в квазгусталеному режимi зниження напруги. Наведено резуль-тати розрахунтв для одного з варгантгв джерела та навантаження.

Using a method of equality of pulsations, the parities(ratio) in relative units for account of the working and adjusting characteristics of the pulse converter in квазиустановившемся a mode of downturn of a pressure(voltage) are received. The results of accounts for one of variants of a source and loading are given.

Як зазначаеться [1], для живлення радюелектронних пристро'1'в, особливо електропривода, який в них використовуеться, застосовуються 1мпульсш перетворю-вач1 в режим! зниження напруги. На робоч1 та регулювальш характеристики таких перетворювач1в впливають параметри (опори, шдуктивностО елеменив схеми живлення та навантаження.

Як зазначаеться [1], в пром1жку часу накопичення енергп, тобто 0 <t< Тнк, розмах пульсацп струму навантаження дор1внюе:

^н =

[ U- Uср - 1н ср ( а 2Rдж + RK ) ] а

ср

(LRж + LK )f

де U - напруга живлення без навантаження;

иср - середня напруга навантаження; 1н ср - середнш струм навантаження;

тнк

а = = T^f - коеф1ц1ент заповнення 1мпульсом

пер1оду Т = 1/f;

Ядж, Ян, Ьдж, Ьн - в1дпов1дно активн1 опори та

1ндуктивност1 джерела та навантаження.

У формул! (1) враховано те, що середнш струм джерела:

I = а1 дж ср ср

(2)

Для пром1жку часу витрати накопичено'' енергп 0 < t < Тв наведена формула [1 ]:

AI = [ иср + 1н ср RK ] ( 1 - а ) н LHf

(3)

Пор1внюючи вирази (1) та (3), тсля перетворень, визначаеться:

U -1

н ср

иср =

а2^дж+R

. (■+1

- а Lдж + Lн

а

1+

1 - а L дж + L н

(4)

а

L

(1)

Якщо перетворювач живиться в1д акумуляторно' батаре', то можливо знехтувати шдуктившстю джерела

26

ISSN 1607-3274 "Радюелектронжа, 1нформатика, управлшня" № 2, 2000