книги из ГПНТБ / Трусов Л.И. Островковые металлические пленки

Л. И.ТРУСОВ, В.А. холмянский

ОСТРОВКОВЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ

МОСКВА, «МЕТАЛЛУРГИЯ», 1973

УДК 539.2

УДК 539.2

Островковые металлические пленки. Т р у с о в Л. И., X о л м я н- с к и й В. А. М., «Металлургия», 1973, 320 с.

Изложены важнейшие проблемы, касающиеся островковых ме­

данные по исследованию электрической проводимости и гипотезы, их объясняющие. Рассмотрены процессы изменения морфологии пленки

ной технике, занимающихся вопросами физики тонких пленок, мик­ роэлектроники, электронной микроскопии и вакуумной техники. Ил. 99. Табл. 2. Список лит.: 370 назв.

Лев Ильич ТРУСОВ Виктор Антонович ХОЛМЯНСКИЙ

ОСТРОВКОВЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ

Редактор издательства В. П. Молокова

Художественный редактор Д. В. Орлов Технический редактор В. В. Баталова

Корректоры Н. А. Дынина, Д. М. Зинченко

Переплет художника В. Д. Дмитриади

Издательство «Металлургия» 119034, Москва Г-34, 2-й Обыденский пер., 14 Подольская типография Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Подольск, ул. Кирова, 25

© Издательство «Металлургия», 1973

ОГ Л А В Л Е Н И Е

Гл а в а I. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТЕОРИИ

ОБРАЗОВАНИЯ ПЛЕНОК НА ПОВЕРХ­

5.Квантовомеханическое определение энергетических параметров малоатом­

Г л а в а II. МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ОСТ­

8.Влияние электростатических взаимо­ действий на морфологические изме­

П Р Е Д И С Л О В И Е

Прогресс пленочной микроэлектроники представляет собой замечательный пример того, как научное исследо­ вание и технология стимулируют развитие друг друга. Сейчас уже ясно, что выбор правильной стратегии в тех­ нологии микроэлектроники возможен лишь на основе анализа физической сущности сложных явлений, проте­ кающих в пленочных системах под влиянием различных внешних воздействий.

Это тем более относится к островковым металличес­ ким пленкам с совершенно особыми свойствами, отли­ чающимися как количественно, так и качественно от свойств массивного материала.

Островковыми пленками называются тонкие конден­ саты, состоящие из множества изолированных друг от друга микрочастиц. В настоящее время в отечественной и зарубежной научной литературе существует большое разнообразие терминов. Вместо термина «островок» упо­ требляют эквивалентные понятия «гранула», «зерно», «агрегат» и т. п., а соответствующие пленки иногда на­ зывают диспергированными.

В соответствии с рекомендацией I Симпозиума по фи­ зике диспергированных пленок в настоящей работе ис­ пользован термин «островковая пленка».

Большой интерес к этим системам порождает лавино­ образное нарастание информации. Однако попытка сис­ тематизации исследований в области островковых пленок была не единственной целью книги. В монографии под­ черкивается неразрывная связь структурно-морфологи­ ческих и электрофизических параметров дискретных пленочных систем. Это особенно важно, поскольку осо­ бое внимание к этим системам вызвано в значительной степени тем, что их электрические свойства по своему характеру ближе к свойствам полупроводников, неемот:. ря на металлическую природу пленки.

В настоящее время применение островкойэдх; метал-, лических пленок не так широко, как полупроводниковых.

5

и ограничивается устройствами, требования к стабиль­ ности и разбросу параметров которых не очень высоки (например, керметы, эмиссионные катоды и т. п.). Это объясняется специфической, и зачастую нежелательной эволюцией свойств дискретных пленочных структур. Хо­ рошо известны (но не всегда легко устранимы!) техно­ логические причины этого явления, связанные с высокой чувствительностью многопараметрического процесса кон­ денсации к изменениям внешних условий. Вместе с тем строгий контроль параметров открывает широкие воз­ можности для активного воздействия и управления про­ цессом формирования структур.

Важной особенностью островковых пленок, получен­ ных в условиях высоких пересыщений, является сущест­ венно неравновесный характер их формы и структуры, вследствие чего после завершения роста (а в некоторых случаях — одновременно с ним) в таких пленках проте­ кают различные релаксационные процессы, в результате которых параметры, характеризующие систему, стремят­ ся к термодинамически равновесным значениям. Помимо этого, изменения свойств пленки могут быть обусловле­ ны причинами, связанными с малыми размерами остров­ ков. В частности, существенно возрастает относительный вклад поверхностной энергии, вследствие чего возмож­ ны фазовые состояния островков, не имеющие аналога в массивных металлах.

Эволюция структурно-морфологических параметров порождает нестабильность электрофизических характе­ ристик пленочных систем.

Подложка с нанесенной на нее островковой пленкой во многих физических процессах представляет собой единую, существенно неоднородную систему. Поэтому при рассмотрении физических явлений в этих пленках, помимо свойств самих островков, необходимо учитывать свойства как границы раздела системы пленка—-под­ ложка, так и приповерхностного слоя подложки. На­ пример, электрическая проводимость и ряд оптических характеристик определяются среднестатистическими па­ раметрами всего коллектива островков, зависящими в частности, от физических характеристик подложки. Осо­ бенности, присущие тонкопленочным системам (напри­ мер, размерные эффекты), в островковых пленках, час­ тицы, которых ограничены в трех измерениях, выражены

6

наиболее ярко. Следует еще раз подчеркнуть, что мор­ фологическое строение островковых .пленок весьма силь­ но зависит от физико-технологических условий осажде­ ния и последующей обработки. В частности, размер

О

островков колеблется ,в пределах от 10 до 104 А. Того же порядка :и расстояния между островками.

К настоящему времени многие вопросы, касающиеся тонких пленок, рассмотрены в различных монографиях и обзорах [1—14]. Разумеется, невозможно дать в объе­ ме одной книги исчерпывающее описание этой быстро развивающейся области науки. В данной работе осве­ щен ряд вопросов, не нашедших еще достаточно подроб­ ного отражения в литературе. Кроме того представляет­ ся целесообразным единое рассмотрение структурно­ морфологических и электрофизических свойств остров­ ковых систем.

В гл. I анализируются основные представления о ме­ ханизме начальных стадий конденсации, во многом оп­ ределяющих фундаментальные свойства пленочных сис­ тем. В гл. II обсуждаются важнейшие механизмы мор­ фологической релаксации в островковых пленках.

Вопросы электрической проводимости в островковых металлических пленках рассмотрены в гл. Ill и IV. В гл. Ill дается обзор основных экспериментальных результа­ тов и современных теорий электрической проводимости. В гл. IV сделана попытка объяснить закономерности не­ обратимого изменения параметров проводимости после конденсации в результате различных внешних воздейст­ вий.

Авторы считают своим приятным долгом поблагода­ рить проф. Т. Д. Шермергора и канд. физ.-мат. наук Д. Е. Темкина, прочитавших рукопись и сделавших цен­ ные замечания. Авторы признательны проф. Б. Я. Любову, докт. физ.-імат. наук А. А. Чернову и участникам их семинаіроів за детальное обсуждение ряда вопросов, изложенных в книге.

7

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1] —■степень заполнения поверхности

V — объем пленки на единице площади подложки г, а — радиус островка

Ь — расстояние между островками h — весовая толщина пленки

т — время а0 — расстояние между позициями адсорбции

D — коэффициент диффузии

Ос— коэффициент миграции островка Еадс (Едес)— энергия активации адсорбции (десорбции)

Ес— энергия активации миграции островка Е і — энергия диссоциация і'-атомной группы Er — энергия активации вращения островка

U — скорость образования і-атомного островка

і — число атомов в островке

lh — интенсивность потока частиц при испарении

іс — число атомов в критическом зародыше М а — масса атома

Ліост — масса островка

N0— плотность мест сорбции

N3 — плотность стабильных зародышей на поверхности при

насыщении

Ni — плотность і-атомных островков п8— плотность стабильных зародышей

G — свободная энергия

g a — удельная свободная энергия а-фазы

ѵЯиф— скорость поверхностной диффузии

V— частота колебаний атома

Тп — температура пленки при конденсации

Тотж — температура отжига

R — сопротивление

Y — проводимость

Q — энергия активации проводимости m — масса электрона

е — заряд электрона и — подвижность электрона

ф — работа выхода или высота потенциального барьера |Л— уровень Ферми е — диэлектрическая проницаемость

Е — напряженность электрического поля

Di — коэффициент прозрачности потенциального барьера

при туннелировании

8