Выпускная квалификационная работа бакалавра Получение и изучение свойств электромагнитных устройств на основе металлических тонкопленочных систем (стр. 5 )

Из представленного выше стоит отметить, что наиболее стабильная монокристаллическая структура вещества получается исключительно с помощью метода эпитаксии, остальные же способы позволяют получать лишь аморфные, либо слабокристаллизированные пленки, особенно, если подложка имеет комнатную температуру.

1.5 Способы измерения толщины тонких пленок

1.5.1 Эллипсометрия

Под термином «эллипсометрия» понимают оптический метод исследования поверхностей или объемных сред, который основан на анализе амплитудных и фазовых изменений световой волны при ее взаимодействии с исследуемым объектом. В более широком аспекте об эллипсометрии говорят как о разделе оптики, в котором рассматривается взаимодействие поляризованного света с отражающей поверхностью или слоистыми структурами. В некоторых случаях анализируют поляризационные свойства волны, прошедшей через среду. Тогда говорят об эллипсометрии пропускания. Однако чаще приходится иметь дело с волной, отраженной от поверхности образца; в этом случае говорят об отражательной эллипсометрии. Спектральный диапазон, в котором используются идеи и принципы метода эллипсометрии очень широк и перекрывает область от микроволнового излучения (радиоволновая эллипсометрия) до мягкого рентгеновского (эллипсометрия синхротронного излучения). Однако, наиболее часто эллипсометрические исследования проводятся в спектральном диапазоне от 220 до 1000 нм, что соответствует энергии фотона от 1.2 до 6 эВ, (ближний инфракрасный, видимый и ближний ультрафиолетовый диапазоны) [22].

1.5.2 Электронная микроскопия

Электронная микроскопия – это метод исследования структур, находящихся вне пределов видимости светового микроскопа и имеющих размеры менее одного микрона (от 1 мкм до 1–5 Е).

Действие электронного микроскопа основано на использовании направленного потока электронов, который выполняет роль светового луча в световом микроскопе, а роль линз играют магниты (магнитные линзы).

Вследствие того, что различные участки исследуемого объекта по-разному задерживают электроны, на экране электронного микроскопа получается черно-белое изображение изучаемого объекта, увеличенное в десятки и сотни тысяч раз. В биологии и медицине в основном используются электронные микроскопы просвечивающего типа [23].

Электронный микроскоп представляет электронно-оптический инструмент, обладающий разрешающей способностью в несколько ангстрем и позволяющий визуально изучать тонкое строение микроскопических структур и даже некоторых молекул.

В качестве источника электронов для создания электронного пучка, заменяющего световой пучок, служит трехэлектродная пушка, состоящая из катода, управляющего электрода и анода. Электромагнитные линзы, применяемые в электронном микроскопе вместо оптических, представляют многослойные соленоиды, заключенные в панцири из магнитно-мягкого материала, имеющие на внутренней стороне немагнитный зазор.

Электрические и магнитные поля, создаваемые в электронном микроскопе, являются аксиально симметричными. Благодаря действию этих полей заряженные частицы (электроны), выходящие из одной точки объекта в пределах небольшого угла, вновь собираются в плоскости изображения. Вся электронно-оптическая система заключена в колонне электронного микроскопа [24].

Созданный электронной пушкой пучок электронов направляется в поле действия конденсорных линз, которые позволяют в широких пределах изменять плотность, диаметр и апертуру пучка, падающего на исследуемый объект. В камере объекта установлен столик, конструкция которого обеспечивает перемещение объекта во взаимно перпендикулярных направлениях. При этом можно последовательно осмотреть площадь, равную 4 мм2, и выбрать наиболее интересные участки. За камерой объекта расположена линза объектива, которая позволяет достигать резкого изображения объекта. Она же дает первое увеличенное изображение объекта, и с помощью последующих, промежуточной и проекционной, линз общее увеличение можно довести до максимального. Изображение объекта возникает на экране, люминесцирующем под действием электронов. За экраном расположены фотопластины. Стабильность действия электронной пушки, а также четкость изображения наряду с другими факторами (постоянство высокого напряжения и др.) во многом зависят от глубины разрежения в колонне электронного микроскопа, поэтому качество работы прибора в значительной степени определяется вакуумной системой (насосы, каналы откачки, краны, клапаны, уплотнения). Необходимое разрежение внутри колонны достигается благодаря высокой эффективности вакуумных насосов [25].

1.6 Способы измерения удельного сопротивления тонких пленок

1.6.1 Четырехзондовый метод

Основным методом определения удельного сопротивления с до сих пор является разработанный более сорока лет назад четырехзондовый (четыреконтактный) метод. Различные модификации метода могут быть использованы в очень широком диапазоне толщин образцов: от «толстых» полупроводниковых, в частности, кремниевых, подложек толщиной от 400 до 1000 мкм, до тонких проводящих слоев (полупроводниковых или металлических), диапазон толщин которых лежит в субмикрометровой и даже нанометровой области.

Суть метода заключается в следующем. На поверхность полупроводниковой пластины или слитка на расстоянии s порядка 1 мм друг от друга помещают четыре зонда из твердого металла, чаще всего из вольфрама, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8 – Расположение зондов при измерении удельного сопротивления четырехзондовым методом

Зонды располагают в зондовой головке, изготовленной из диэлектрического материала (оргстекла, сапфира). Материал зондов должен быть стойким к износу, т. е. при соприкосновении с полупроводниковыми материалами не должен расщепляться, изменять диаметр острия и т. д. Качество контакта может зависеть от приложенного к зонду усилия, поэтому в зондовой головке иногда размещают механизм, позволяющий регулировать усилие.

Схема измерения на рисунке 9 содержит цифровой вольтметр с высоким (> 109 Ом) входным сопротивлением, миллиамперметр и компенсирующую цепь (источник питания, гальванометр) [26].

Рисунок 9 – Схема измерения удельного сопротивления четырехзондовым методом

Напряжение от батареи Б2 подбирают так, чтобы ток в цепи зондов 2 и 3 был равен нулю. При этом напряжение между зондами 2 и 3, фиксируемое вольтметром, будет равно падению напряжения между точками 2 и 3 за счет прохождения тока I через  контакты 1 и 4. Компенсирующая  цепь позволяет устранить погрешности в определении удельного сопротивления, связанные с контактными явлениями на границе металл – полупроводник (возникновение потенциальных барьеров, областей обеднения и т. д.).

Расчет удельного сопротивления с по измеренным значениям напряжения U и тока I зависит от геометрии исследуемого образца [27].

Для измерения удельного сопротивления все материалы разделяются на следующие типы:

Полубесконечный образец Образец конечных размеров Тонкий образец Двухслойные структуры

1.6.2 Бесконтактный метод измерения

Бесконтактный метод определения удельного сопротивления основан на явлении  взаимодействия переменного носителями в полупроводнике. Суть метода состоит в следующем. Образец помещают в катушку индуктивности L, внутри которой создано высокочастотное электромагнитное поле, вызывающее в образце вихревые токи. Катушку индуктивности включают в колебательный контур, содержащий подстроечный конденсатор С и сопротивление R, обусловленное потерями электромагнитной энергии в проводах и образце.

Контур с помощью конденсатора С настраивают в резонанс. При введении образца в катушку добротность контура Q падает, причем изменение добротности ДQ тем больше, чем меньше удельное сопротивление с.

Этот метод эффективен при исследовании низкоомных образцов. Распределение поля в образце достаточно сложно, поэтому для определения с используют градуировочную характеристику ДQ(с), причем с для эталонных образцов определяют четырехзондовым методом.

Чувствительность метода ограничена погрешностью определения изменения добротности ДQ при больших с и величины Q при малых с. Измерения проводят при частоте н от 10 до 20 МГц. Погрешность метода составляет от 10 до 20% [28].

2 Экспериментальная часть

Для проведения исследования были использованы помещения и оборудование ЦКП «Диагностика структуры и свойств наноматериалов». На основе имеющихся производственных мощностей не было возможности изготовить эпитаксиальные слои, и по этой причине было принято решение провести исследование возможности изготовления тонкопленочных электромагнитных устройств на основе имеющихся средств напыления образцов.

2.1 Получение образцов тонких пленок методом магнетронного напыления

Для получения образцов тонких пленок использовался напылительный магнетронный комплекс Quorum Q150T ES. В качестве рабочей атмосферы использовался инертный газ аргон. Рабочая атмосфера в камере магнетрона создавалась с помощью предварительной откачки вакуума и последующим напуском в камеру рабочего газа до давления Па.

Распыляемые вещества представляли собой круглые мишени диаметром 57 мм и толщиной 0.3 мм. Непосредственно напыление происходит под действием бомбардировки мишени ионами ионизированного рабочего газа. В результате на катоде создается плазма, в которой между катодом и анодом протекает ток, который контролируется управляющей системой установки. Для напыления образцов были использованы стандартные установки, присутствующие в памяти системы: для меди – 50 мА, для алюминия – 150 мА, для серебра – 40 мА, для золота – 20 мА. Так как алюминий и медь – достаточно активные металлы, на воздухе они покрываются оксидной пленкой. Для предотвращения попадания молекул оксида на образец в установке предусмотрена предварительная очистка мишени от оксидной пленки. Для этого на катоде создается мощный разряд плазмы, а подложка отгораживается от мишени металлической заслонкой, соединенной рычагом с системой электромагнитов, и открывающейся после цикла очистки непосредственно перед напылением. Напряжение на катоде, необходимое для очистки должно достигнуть 300 В, поэтому ток в плазме должен быть достаточно большим, и может достигать 200 мА. Для меди ток очистки составлял 150 мА, для алюминия – 190мА.

В качестве подложек для напыления образцов для исследования удельного сопротивления тонких пленок использовались покровные стекла размерами см и средней толщиной 200 микрон. Для напыления проводников электромагнитных устройств в качестве подложки использовалась гладкая термостойкая пленка из полиэтилентерефталата толщиной 20 микрон. Подготовка подложек заключалась в очистке кипячением в этиловом спирте в течение 30 минут и дальнейшей сушке на воздухе при комнатной температуре, для стекол – в течение 1 часа, для полимерных пленок – в течение 24 часов.

Покровные стекла перед напылением укладывались непосредственно на столик без каких-либо особенных манипуляций. Проводящие дорожки на поверхности полимерных пленок, для изготовления из них электромагнитных устройств создавались с помощью технологии напыления через маску, в ущерб точности рисунка, в отличие от метода фотолитографии. Такое решение было принято по причине ограничений, которые присутствуют в процессе фотолитографии. Во-первых, необходимые образцы имели слишком большие габариты для рабочих областей имеющихся приборов в цикле процесса фотолитографии, а во вторых мягкую и тонкую полимерную пленку невозможно закрепить на вакуумный держатель центрифуги.

Установка для напыления имеет столик для установки подложки с функцией вращения для создания более равномерного напыляемого слоя. Скорость вращения может варьироваться или же вращение может отключаться вовсе. Так же внутри камеры установлено устройство измерения толщины, напыляемой пленки, кварцевый кристалл, который пересекает плоскость вращения столика. При напылении проводников для изготовления катушек индуктивности было необходимо максимально использовать пространство камеры. При диаметре камеры в 150 мм расстояние от края кристалла до оси вращения столика составляло 40 мм, то есть образец длиннее 80 мм задевал бы кристалл и падал на дно рабочей камеры. Для напыления образцов до 140 мм было предпринято отключение вращения в ущерб равномерности напыления, что, в прочем, мало сказалось на проводимости образцов, как оказалось впоследствии.

В результате выполнения напыления были получены образцы, представленные в таблице 1.

Таблица 1 – Образцы, полученные в результате напыления.

№ обр	напыленный материал	Толщина пленок, нм	Ток напыления, мА
материал подложки
стекло	ПЭТ
1	Cu	50	‒	100
2	100	‒
3	150	‒
4	Al	50	‒	150
5	100	‒
6	150	150
7	Ag	50	‒	50
8	100	‒
9	150	150
10	Au	50	‒	20
11	100	‒
12	150	150

Пьезокерамический кристалл, упомянутый выше, используется в конструкции установки для определения толщины покрытия в реальном времени, и для прекращения процесса напыления при достижении покрытием заданной толщины. Работа датчика основана на эффекте изменения резонансной частоты кристалла в зависимости от увеличения толщины покрытия. Для обеспечения управляющей системы этой информацией кристалл подключается к генератору плавающей частоты и измерительной схеме. Резонанс фиксируется, и изменение этой частоты со временем дает информацию о процессе роста напыляемой пленки.

2.2 Измерение толщины полученных покрытий

Так как погрешность измерения датчиком в магнетроне зависит от перепадов давления, плотности напыленного материала, чистоты атмосферы, посторонних включений и прочего, толщина пленок дополнительно контролировалась с помощью:

- микроинтерферометра Линника

- растрового электронного микроскопа

2.2.1 Микроинтерферометр Линника

Основные измерения проводились с помощью микроинтерферометра Линника. Принцип работы микроинтерферометра заключается в явлении интерференции световых волн. Свет от источника разделяется на два пучка, один из которых направляется к объекту, а другой – к эталонному зеркалу, далее, отразившись, пучки складываются и попадают в окуляр, и за счет разности хода длин волн возникает интерференционная картина. Эталонное зеркало имеет некоторый угол относительно перпендикуляра к направлению хода светового пучка, за счет которого создается световой клин, в котором и возникает разность хода. При незначительных неровностях h объекта интерференционные полосы достаточно заметно отклоняются на величину ДA. Соответственно, измерив необходимые величины, можно найти глубину неровности.

,        (2)

где        A – расстояние между интерференционными полосами, мкм;

       ДA – смещение интерференционных полос, мкм;

       л – длина волны света, мкм.

При наличии каких-либо повреждений, отверстий в покрытии, через которые можно наблюдать неповрежденную поверхность подложки, имеется возможность измерить толщину этого покрытия.

Для измерения толщины пленок использовался микроинтерферометр МИИ–4М, измерялись пленки металлов на поверхности покровных стекол. На пленке делались царапины с помощью осколка стекла, при этом слой металла снимался с подложки, в то время, как подложка оставалась неповрежденной. Край царапины был достаточно ровный для измерений. Измерения проводились в монохроматическом свете получаемым с помощью установки зеленого светофильтра, пропускающего свет с длиной волны 0,535 мкм [29].

При измерении толщины покрытий, напыленных с помощью магнетрона в режиме остановки напыления при достижении нужной толщины были выявлены погрешности измерительной системы магнетрона до 20%. При этом погрешность не подчинялась какой-либо систематике, и была в основном случайной.

2.2.2 Растровый электронный микроскоп (РЭМ)

Измерения с помощью растрового электронного микроскопа проводились так же для контроля толщины напыленных пленок.

РЭМ имеет возможность визуализировать многие наноструктуры, он представляет собой вакуумную камеру с электронной пушкой и системой магнитных линз. В камере, в которую помещается образец, расположены различные датчики элементарных частиц. При попадании электронов на исследуемый образец имеют место различные квантовые эффекты, такие как отражение электронов, эмиссия вторичных электронов, характеристическое рентгеновское излучение, тормозное рентгеновское излучение, и другие. При наличии соответствующих датчиков можно получить необходимую информацию и судить о различных свойствах образца.

Для измерения использовался JEOL JSM 7500F в режиме детектирования отраженных электронов, при разгоняющем напряжении 10 кВ. Образцы – тонкие металлические пленки на поверхности покровных стекол. Для создания ровного торца пленки создавался скол, и устанавливался параллельно ходу электронного пучка. изображение увеличивалось до наблюдения толщины покрытия и с помощью средств программного обеспечения измерялась толщина тонкопленочных покрытий.

На рисунке 10 представлено изображение тонкой пленки серебра, полученное с помощью растрового электронного микроскопа.

Рисунок 10 – Изображение торцевого скола тонкой пленки серебра и измерение ее толщины.

2.3 Измерение удельного сопротивления металлических тонких пленок

Для измерения удельной проводимости тонких пленок был использован четырехзондовый метод измерения удельной проводимости [30]. Этот метод измерения позволяет измерить удельную проводимость материала независимо от его геометрических размеров, в случае, если эти размеры намного превосходят расстояние между зондами, и в отличие от двухзондового метода не требует специальной подготовки образцов и крепления к ним контактов.

Четырехзондовый метод подразумевает способ измерения удельного сопротивления с помощью четырех зондов. Через два из них (обычно, через два крайних) пропускается ток заданной величины (токовые зонды), а с двух других (обычно, средних) снимается напряжение (сигнальные зонды).

Для реализации данного метода определения удельной электропроводности была собрана установка, изображенная на рисунке 11. Электрическая схема установки приведена на рисунке 9. В комплексе с ним использовались цифровой вольтметр В7-38 и источник питания GWInstek GPR 30H100 в режиме источника тока.