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

2. Адсорбция

Влияние адсорбции на электросопротивление ост­ ровковых, сетчатых, или рыхлых структур имеет слож­

ментальных данных. Вместе с тем этот вопрос очень ин­

ствие кислорода происходит быстрое уменьшение сопро­

ной мипрации атомов меди, причем адсорбция кислоро­ да подавляет эту подвижность.

Сплошная пленка, осажденная при низкой темпера­ туре, согласно модели Эванса и Митчела, состоит из цилиндрических структурных элементов в виде прут­ ков-многогранников с открытой івінутрисвязанной ячеис­ той структурой. Узлы этой структуры, которые опреде­ ляются точками пересечения краев, образуют регуляр­ ное трехмерное распределение. Высокое электросопро­ тивление обусловлено малой эффективной площадью контакта в области узлов, которая увеличивается в процессе отжита.

Адсорбция кислорода непрерывной пористой плен­ кой влияет не только на поведение сопротивления, но может изменить и знак температурного коэффициента сопротивления [350]. Пленка меди толщиной 100—

О

150 А, осажденная при 77°К и насыщенная после кон­ денсации кислородом, имеет отрицательный знак ТКС. При нагревании в интервале температур 77—500°К

271

ТКС увеличивается, проходит через нуль и становится положительным, что можнообъяснить десорбцией кис­ лорода, адсорбированного 'первоначально не только и»- открытых поверхностях, но и в области контактов

кристаллитов пленки.

Одно из первых исследований адсорбции газов ультратонкими металлическими слоями выполнили Мостовеч и Водар [230; 258, с. 1702, I860; 247, с. 213]. Они установили, что при (воздействии на пленки, осаж­ денные при комнатной или более низкой температуре, различных газов, таких как азот, водород, углекислый газ и гелий при давлении больше 10~4 мм рт. ст. про­ исходит необратимое уменьшение электросопротивле­ ния, которое достигает нескольких порядков. ТКС, от­ рицательный в исходном состоянии, также изменяется,

делившейся энергии адсорбции. В результате повыша­ ется плотность пленки, что приводит к уменьшению со­ противления и увеличению ТКС.

272

расстояния между ними. Этим эффектом Фехлнер [351] объясняет линейный участок временной зависимости сопротивления в координатах log/? — Іоgx пленок цир­ кония, осажденных в ультраівысоком вакууме и выдер­ жанных в кислороде при давлении 5 -ІО-7 4- 4-

• ІО-8 мм рт. ст.

3. Влияние электрического поля. Роль электростатических зарядов

Электростатические заряды и электрическое поле, приложенное как вдоль подложки, так и перпендику­ лярно к ней, могут существенно изменять электрофизи­ ческие свойства пленки, поскольку они влияют на фор­ мирование ее структуры в процессе роста и после окон­ чания конденсации.

В предыдущей главе описаны работы, эксперимен­ тально подтверждающие наличие сравнительно высо­ кой электрической проводимости в пленках, состоящих из изолированных и относительно далеко расположен­ ных друг от друга островков. В свете эксперименталь­ ных фактов, а также теоретических гипотез, объяс­

273

няющих электрическую проводимость, можно считать установленным, что островки содержат с высокой ве­ роятностью избыточные электрические заряды, которые

сил взаимодействия между островками, величина и на­

равновесной формы островка, поскольку его свободная энергия в присутствии заряда изменяется. Чопра [203] считает, что заряженный островок приобретает форму сплющенного сфероида и при этом увеличивается пло­ щадь поверхности раздела островка и подложки. Сле­ довательно, степень заполнения пленки возрастает, а

прямое обнаружение этих зарядов связано с большими трудностями вследствие их динамичности и специфики эксперимента.

Влияние внешнего электрического поля, приложен­ ного вдоль поверхности подложки, впервые установлен­

274

скости подложки в процессе конденсации способствует увеличению оплошности. Критическая толщина, при которой получается электрически непрерывная сетча­ тая структура, уменьшается с увеличением поля. Кро­ ме того, наблюдается усиление ориентационных эффек­ тов и уменьшение количества дефектов при конденса­ ции на монокристаллическую подложку.

На рис. 85 показан сдвиг кривой зависимости со­ противления от толщины в процессе конденсации под действием постоянного поля напряженностью 100 в/см при температурах 100 и 300°С. При осаждении в поле

Рис. 85. Зависимость электросопротивления пленок золота, осажденных на слюде, от их толщины при различных зна­ чениях напряженности поля (в/см) и различных температу­ рах подложки Т (°С):

С увеличением температуры влияние поля усиливается. Зависимость критической толщины пленки от напря­ женности поля показана на рис. 86. Наибольшее влия­ ние на формирование структуры поле оказывает в пе-

275

рио'Д кбалесценции, т. е. когда островки достаточно велики, но еще изолированы друг от друга. На стадии непрерывной структуры поле не влияет на дальнейший

рост пленки.

Изменение энергии активации проводимости и

росте в поле таково, что проводимость у увеличивается,

вили конденсацию алюминия на подложки, вдоль поверх-

276

»ости которых было приложено (переменное поле раз­ личной частоты и напряженности, а также поле пря­ моугольных импульсов и постоянное поле. При одина­ ковой напряженности наибольшее уменьшение крити­ ческой толщины обнаружено в постоянном поле. Час­

зарядов даже одного знака приводит к интенсификации миграции и коагуляции, а следовательно, к образова­ нию непрерывной -пленки на более ранней стадии рос­ та. Однако в работе Кеннеди и др. [204] при последо­ вании пленок свинца, олова и индия экспериментально наблюдали противоположный эффект. Как и в работе [203], при -помощи непосредственного измерения тока через зонд, установленный на пути пучка, было уста­ новлено, что атомный поток несет інескомпеівсированный положительный заряд в количестве -одного единич­ ного заряда на тысячу атомов. При наложении про­ дольного поля критическая толщина оказывалась меньше, что согласуется с результатами работы [203]. Для выделения влияния зарядов, вносимых с атомным потоком, был поставлен -следующий эксперимент. Между источником испарения и подложкой помещали металлическую заслонку с коническим отверстием. Когда заслонка была изолирована, наблюдали обычное -влияние поля на критическую толщину. Если на за­ слонку подавали положительный или отрицательный потенциал (50 в), то влияния поля на процессы, про­ исходящие в пленке, не обнаруживали. Прямым изме­ рением было подтверждено, что при этом происходит удаление ионов из пучка за -счет отклонения их полем заслонки. Сопротивление пленки, сконденсированной из пучка, свободного от зарядов, оказалось ниже, чем при обычных условиях осаждения. А-втары считают, что по­ ложительные заряды из атомного потока распределя­

277

ют, что в результате поглощения электромагнитного из­ лучения островками их температура повышается, вследствие чего интенсифицируются процессы мигра­ ции и коалесценции. Это проявляется в увеличении размера островков и расстояния между ними, что от­ ражается на проводимости. Сильнее всего этот эффект был выряжен при осаждении золота на полимер, имею­ щий малую, по сравнению со стеклом, теплопровод­ ность.

Существенное необратимое изменение структуры и электрических свойств пленки под влиянием поля про­ исходит не только в процессе конденсации, но и после

процессе их старения после конденсации. Эксперимент состоял из нескольких последовательных циклов, в те­ чение которых напряжение по­ степенно увеличивали до пре­ дельного значения, а затем уменьшали до нуля. После каждого цикла направление тока изменяли на противопо­

связанные с отклонением от закона Ома, так и необра­ тимые изменения сопротивления. В последующих цик­ лах, напротив, были обнаружены только практически обратимые явления.

Результат нескольких последовательных серий при­

278

ложения тюля представлен на рис. 89 в виде времен­ ной зависимости сопротивления R—т.

Более детально изменение сопротивления при каж­

наблюдали обратимое изменение сопротивления, после свободного старения в течение нескольких десятков часов между двумя сериями, изменение в первом цик­ ле последующей серии снова носило необратимый ха­ рактер (рис. 89). Наибольшее уменьшение сопротивле-

и серебра. На пленках меди и германия необратимые процессы данного вида не были обнаружены, что мож­ но объяснить меньшей миграционной подвижностью этих материалов, обусловленной их более высокой хи­ мической активностью и, следовательно, более сильной связью с подложкой.

При исследовании ультратонких пленок вольфрама [60, с. 3074] также наблюдали необратимое уменьше­ ние сопротивления под действием поля. На рис. 90 показано смещение кривой температурной зависимости проводимости. Кривая 1 соответствует свежеосажданной при температуре 90°К пленке, на которую подава­ ли напряжение 8 в. При отжиге до комнатной темпе­

279

ратуры в течение нескольких секунд было приложено напряжение 40 в. Затем пленку снова охлаждали до температуры 90°К- При этом температурная зависи­ мость сопротивления соответствовала кривой 2. Повто­ рение цикла с приложением напряжения 100 в дало дополнительный сдвиг кривой в сторону больших зна­ чений проводимости (3). Напряжение менее 16 в при комнатной температуре, а также любой потенциал,

приложенный при температуре конденсации (90°К), не вызы­ вает никаких необратимых из­ менений проводимости.

Из анализа наклона кри­ вых зависимости проводимо­ сти от температуры (у—Т) следует, что наряду с увели­ чением проводимости поле вы­ зывает необратимое уменьше­ ние эффективной энергии ак­ тивации.

Приложение поля к плен­ кам легкоплавких материалов может привести к противопо­ ложному эффекту, т. е. сопро­ тивление пленки резко и необ­ ратимо увеличится. Изменение сопротивления такого вида на­

блюдали на калиевых пленках, осажденных на подлож­ ке КС1 при температуре жидкого азота при увеличении напряжения до 50 в [303]. Отжиг при комнатной тем­ пературе и тренировка многократным циклированизм напряжения небольшой величины повышает стабиль­ ность пленки, которая после такой обработки может выдержать напряжение до 1000 в.

Таким образом, можно заключить, что, если мате­ риал пленки не слишком легкоплавкий и интенсив­ ность воздействия поля не чрезмерна, влияние поля, приложенного вдоль подложки, как в процессе кон­ денсации, так и после ее завершения сводится к умень­ шению сопротивления и эффективной энергии актива­ ции проводимости. В достаточно сильном поле в ре­ зультате выделения джоулева тепла происходит нагрев пленки, который вследствие неравномеряости прохож­

280