4. Напруження

Напруження можуть бути стискаючими (плівка як би прагне розширитися паралельно поверхні), в граничному випадку вона може зігнутися опукло.

Для температур осадження від 50 до сотень градусів за Цельсієм типові величини розтягуючих напружень в металевих плівках , причому для тугоплавких металів значення близькі до верхньої границі, а для м'яких (мідь, золото, алюміній) – до нижньої. Для діелектричних плівок напруги часто виявляються стискаючими з дещо меншими значеннями.

Напруги можуть згинати досить тонку підкладку, що лежить в основі ряду методів вимірювання напруг.

Причини виникнення напружень погано вивчені, передбачаються наступні:

• Термічна, що виникають при охолодженні;

• Вплив підкладки, невідповідність структур підкладки і плівки;

• Напруги поверхні через зміни міжатомних відстаней у поверхні плівки;

• Границя кристалітів рухається з плівки.

5. Пружність, мікротвердість та міцність

У багатьох випадках плівки виявляються міцнішими (приблизно в 200 разів), ніж об'ємний матеріал, що пов'язано імовірно з особливими властивостями поверхні, про що свідчать експериментальні дані представлені на рисунку 1.2.5.1, тобто міцність зростає із збільшенням ролі поверхні.

Рисунок 1.2.5.1 – Залежність границі руйнування від товщини напилення нікелевої плівки

Пружність плівок і об'ємного матеріалу приблизно однакові і характеризується навантаженням до виникнення пластичних деформацій. Для вимірювань пружності плівку необхідно відокремити від підкладки.

6. Електричні властивості плівок

Відповідно до сучасної квантової теорією провідність в металах визначається електронами, а електричний опір обумовлено розсіюванням електронів при взаємодії з ґратками. Через свою хвильової природи електрони можуть проходити крізь досконалу решітку без загасання, тому питомий опір є мірою досконалості структури кристалічної решітки. У реальності, з ряду причин досконалої структури не буває, тому електрони піддаються розсіюванню, середня відстань, яке електрони проходять між зіткненнями, називається середнім вільним пробігом. Навіть якщо решітка не має структурних дефектів, але внаслідок теплових коливань атомів біля своїх середніх положень ґратки не буде досконалою для дрейфу електронів. Електрони будуть взаємодіяти з різними видами коливань решітки (фононами), що й визначатиме електроопір.

З теорії виходить, що при низьких значеннях температури , де – дебаївська температура виражається виразом ( – постійна Планка, – постійна Больцмана, – максимальна частота коливань ґратки, відповідна мінімальному значенню довжини хвилі порядку міжатомної відстані), питомий опір змінюється як , тоді як при високих температурах питомий опір від змінюється лінійно.

Для багатьох металів дебаївська температура приблизно рівна кімнатній температурі або трохи нижче її, тому при температурна залежність питомого опору буде приблизно лінійною, що дозволяє виміряти ТКС (температурний коефіцієнт опору) .

.

Атом домішки або вакансія як правило мають ефективний електричний заряд істотно відрізняється від основного заряду металу, тому він буде служити додатковим джерелом розсіювання електронів. Питомий опір підвищується з збільшенням концентрації домішок і досягає максимуму при 50% концентрації (рисунок 1.2.6.1).

У масивних матеріалах підвищення питомого опору, обумовлене розчиненими домішками не перевищує 10-кратного значення.

Рисунок 1.2.6.1 – Залежність питомого опору від компонентного складу сплаву срібло – золото.

У плівках у процесі формування може залишитися значно більшу кількість домішок, ніж буде захоплено в рівноважному стані. Тому можна часто спостерігати збільшення питомого опору в кілька сотень разів. Крім того, високі значення питомої опору плівок, можуть бути обумовлені освітою ізолюючої фази (наприклад оксиду), яка безладно розподіляється по всій плівці через погану вакуумної гігієни.

На рисунку 1.2.6.2 показаний приклад переходу домішки з розчиненої в ізолюючу фазу і впливу останньої на питомий опір.

Рисунок 1.2.6.2 – Залежність питомого опору танталу від змісту примісного кисню.

Дефекти структури (дислокації і межі зерен) мало впливають на питомий опір в порівнянні з впливом вакансій і дефектів впровадження. Виняток становить випадок утворення ізолюючої фази на межі зерен.

ТКС дуже тонких плівок рідко наближається до об'ємного значенням, частіше такі плівки мають великим негативним ТКС. Особливий механізм провідності дуже тонких диспергованих (острівцевих, зернистих за структурою) плівок очевидно визначається їх будовою. На рисунку 1.2.6.3 показані криві залежності опору від температури для переривчастих плівок трьох металів. Має місце хороше відповідність цих експериментальних даних висловом для опору плівок

,

де , и – постійні окремої плівки.

Рисунок 1.2.6.3 – Залежність опору від температури переривчастих плівок трьох металів

Пояснення можна знайти розглядаючи особливу термоелектронну емісію із зерен плівки. Оскільки енергія активації для провідності диспергованих плівок набагато менше роботи виходу відповідних металів в масивному стані, для пояснення результатів експериментів слід припустити, що, по-перше, цей більш низький бар'єр активації обумовлений накладенням один на одного поляризаційних силових потенціалів двох острівців, по-друге, маленька частинка володіє нижчою роботою виходу, ніж масив, по-третє, що форма невеликої частинки обумовлює знижену роботу виходу. Якщо електрони інжектуються в підкладку, то необхідно розглядати тільки різницю між роботою виходу металу і електронів в ізоляторі. Таким чином, перенесення зарядів допомогою термоелектронної емісії цілком може пояснювати представлені результати. Обґрунтованим поясненням представляється також теорія тунелювання, тобто перенос зарядів допомогою тунелювання між дозволеними станами.