Влияние внешних воздействий на поверхностную энергию и поверхностное сопротивление металлических систем

На правах рукописи

Манукянц Артур Рубенович

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

НА ПОВЕРХНОСТНУЮ ЭНЕРГИЮ И ПОВЕРХНОСТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нальчик – 2010

Работа выполнена на кафедре физики Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Созаев Виктор Адыгеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Магкоев Тамерлан Таймуразович

доктор физико-математических наук,

доцент Калажоков Хамидби Хажисмелович

Ведущая организация: Тверской государственный университет, г. Тверь

Защита состоится «30» июня 2010 г. в 1700 на заседании диссертационного совета Д 212.076.02 при Кабардино-Балкарском государственном университете по адресу: 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, зал заседаний диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета.

Автореферат разослан «___» мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ахкубеков А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Различные металлические системы широко используются в технологиях микро- и наноэлектроники при создании элементной базы электронных приборов.

К числу важнейших физико-химических параметров металлических пленок на кремниевых и диэлектрических подложках относятся поверхностная энергия, электрические и адгезионные свойства, а также структурные особенности поверхности пленок. Особое внимание уделяется фундаментальным характеристикам поверхности: поверхностной энергии и работе выхода электрона Ф. В последнее время достигнут существенный прогресс как в теоретических, так и в экспериментальных исследованиях и Ф чистых металлических поверхностей. Ранее в рамках метода функционала электронной плотности были установлены закономерности влияния внешних электрических полей, адсорбированных покрытий, размеров образцов на поверхностные свойства металлических систем. Однако в прежних работах не учитывалось влияние релаксации структуры на и Ф металлов при наличии значительных электрических полей и давлений. Не была установлена связь между поверхностной энергией и поверхностным натяжением наночастиц металлических систем, находящихся в электрических полях. Появление современных атомно-силовых, туннельных микроскопов позволяет выявлять взаимосвязи между некоторыми поверхностными свойствами и морфологией поверхности пленок, изученной на наноуровне. Однако подобных данных в литературе пока недостаточно. Вместе с тем, управляя структурой и морфологией пленок с помощью различных технологических приемов, можно получить гетероструктуры с прогнозируемыми свойствами. Одним из способов влиять на структуру, строение и свойства пленок является фотонный отжиг, который позволяет локализовать тепловую энергию в приповерхностной области и уменьшить термическую нагрузку на полупроводниковые и диэлектрические подложки, тем самым сохраняя их функциональные свойства.

Цель работы – изучение влияния электрического поля и давления на поверхностную энергию и ультрафиолетового излучения на поверхностное сопротивление металлических систем. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

изучить в рамках метода функционала электронной плотности (МФЭП) влияние релаксации структуры на анизотропию поверхностной энергии (ПЭ) и работы выхода электрона (РВЭ), а также влияние внешних электрических полей и давления на ПЭ.

установить взаимосвязь между поверхностной энергией и поверхностным натяжением (ПН) наночастиц металлических систем в электрических полях.

выявить взаимосвязи между ПЭ и РВЭ с остаточным сопротивлением металлов.

оптимизировать технологию фотонного отжига металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах.

выявить взаимосвязи поверхностного сопротивления металлических пленок с их морфологией до и после фотонного отжига.

Научная новизна

В рамках МФЭП разработана методика оценки релаксации структуры, ПЭ и РВЭ граней (100) – (111) щелочных металлов.

 Впервые методом функционала электронной плотности проведены оценки влияния внешнего электрического поля и давления на ПЭ граней чистых металлических кристаллов с учетом релаксации структуры.

 Оптимизирована методика фотонного отжига металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах. По зависимости поверхностного электросопротивления от времени воздействия светового излучения установлены оптимальные режимы фотонного отжига.

 Эмпирически установлены взаимосвязи между поверхностными свойствами (ПЭ и РВЭ) и остаточным сопротивлением металлических систем.

 Впервые в рамках термодинамики поверхностных явлений установлена взаимосвязь между ПЭ и ПН наночастиц, находящихся во внешнем электрическом поле.

Практическая значимость

Методика фотонного отжига металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах позволит оптимизировать технологии изготовления электронных приборов (лавинно-пролетных диодов, приборов ночного видения, диодов Шоттки и т.д.). Данные по ПЭ и РВЭ металлов могут использоваться при конструировании новых катодных материалов. Результаты НИР используются при чтении спецкурсов в КБГУ и СКГМИ.

На защиту выносятся

 Методика учета релаксации структуры при оценках ПЭ и РВЭ в электрических полях и при наличии внешнего давления.

 Данные по поверхностной энергии, работе выхода электрона низкоиндексных граней щелочных металлов, полученные в рамках МФЭП с учетом релаксации структуры.

 Установленная взаимосвязь между ПЭ и ПН наночастиц в электрических полях.

 Оптимальные режимы фотонного отжига некогерентным ультрафиолетовым излучением металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10 и 11 Международном симпозиуме Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» (ОМА-10, п. Лоо, 2007), на 11 Международном симпозиуме «Порядок и беспорядок и свойства оксидов» (ODPO-11, п. Лоо, 2008), на 1 Международном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (LDS-2008), на научных семинарах кафедр физики и электронных приборов СКГМИ, физики межфазных явлений в КБГУ.

Достоверность результатов, полученных в данной работе, определяется применением современных теоретических и экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов, согласованностью данных, полученных экспериментально, с теоретическими оценками, а также известными литературными данными.

Личный вклад автора. В диссертации приводятся результаты в основном полученные лично автором. Цели и задачи исследования сформулированы научным руководителем проф. В.А. Созаевым.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 11 работах, из которых 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 4 таблицы. Она состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 157 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируются цель и задачи исследований, перечисляются основные положения, выносимые на защиту, излагаются научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе приводится обзор по теме диссертационной работы. Дается анализ литературных данных по влиянию как когерентного, так и некогерентного излучения на параметры полупроводниковых структур, систем металлизации к полупроводникам и диэлектрикам. Описывается метод функционала электронной плотности (МФЭП) и основные результаты, полученные в рамках МФЭП по ПЭ и РВЭ металлических систем, в том числе и тонкопленочных структур, изучается влияние на ПЭ и РВЭ внешних электрических полей и давления. Анализируются данные по ПН и ПЭ металлов, находящихся в твердом состоянии.

Во второй главе описаны характеристики объектов исследований и методы их получения, а также методика исследований электрических свойств систем полупроводниковых и микроканальных структур. Подробно описываются способы подготовки исходных подложек, нанесения металлических пленок Cr, Al, Ni/Cr на кремний и микроканальные структуры, методика фотонного отжига, а также методы исследования морфологии поверхности металлических пленок, фазового состава, электрофизических свойств образцов.

Напыление пленок алюминия, хрома и никеля на микроканальные структуры и кремниевые подложки марки КЭФ-4.5 толщиной 100 мкм и ориентацией (111) и пленок хрома на микроканальные структуры проводили на установке УВН-70 в вакууме при давлении 10-4 Па. Температуру подложки в процессе напыления поддерживали 20 °С. Толщину металлических пленок контролировали по сопротивлению спутника, она составляла 100 нм.

Облучение проводилось на установке «Волна», в которой использовались ртутные лампы (20 штук, каждая мощностью 1 кВт) и на везерометре согласно ГОСТ 11279-83. В везерометре образцы в виде пластинок устанавливались на наружной стороне вертикального цилиндрического барабана, вращающегося вокруг ультрафиолетовой лампы (ртутная лампа). Облучение образцов происходит при температуре 20 C, на расстоянии r = 210 мм и длине волны   300 нм.

Морфология поверхности пленок до и после отжига изучалась на атомно-силовом микроскопе марки SOLVER P47. Поверхностное сопротивление пленок измерялось четырехзондовым методом с использованием потенциометра P 363/2.

Относительная погрешность измерений сопротивления не превышает 0,2-0,5 %.

Третья глава посвящена результатам изучения поверхностной энергии, РВЭ в рамках метода функционала электронной плотности, который позволяет на основе квантово-статистических самосогласованных расчетов с использованием микроскопических характеристик веществ выявлять роль различных факторов, в том числе релаксации структуры, в формировании поверхностных энергетических характеристик металлических систем.

Несмотря на то, что в металлах эффекты релаксации проявляются в меньшей степени, чем в полупроводниковых и диэлектрических кристаллах, их учет необходим, когда на металл оказываются значительные внешние воздействия, в связи с чем представляет интерес разработка методов оценки влияния релаксации на ПЭ.

В начале третьей главы приводятся результаты вариационных вычислений поверхностной релаксации (ПР) и ее влияние на ПЭ и РВЭ для граней с низкими индексами монокристаллов щелочных металлов с ОЦК-структурой в отсутствие внешних воздействий.

Все расчеты проводятся в атомной системе единиц, в которой принимается, что , расстояние измеряется в боровских радиусах , а энергия в Ридбергах (1Рид = 27,2 эВ).

ПЭ оценивалась по формуле:

 = j + ps + M. (1)

Межфазная энергия j(,) в приближении однородного фона (приближения «желе») оценивается, как и в [1] по формуле:

,(2)

где первое слагаемое в (2) – вклад собственной электростатической энергии взаимодействия электронного газа, взаимодействия электронного газа с зарядом «желе», величина которого зависит от расположения гиббсовой координаты; второе слагаемое – вклад кинетической энергии невзаимодействующего электронного газа; третье – поправка к кинетической энергии на неоднородность поля Вейцзеккера-Киржница; четвертое – вклад энергии обменного взаимодействия в j; пятое – вклад корреляционного взаимодействия в j; шестое – поправка на нелокальность к обменно-корреляционному взаимодействию, взятому в приближении Гелдарта-Резолта;

; .

В формуле (1) ps – поправка к в рамках модели «желе» на дискретность структуры, связанной с электрон-ионным взаимодействием; рассчитываются с использованием псевдопотенциала Ашкрофта и с учетом релаксации поверхностной структуры, M – поверхностная энергия Маделунга, связанная с ион-ионным взаимодействием, которая может быть представлена как: , где hkl – поверхностный аналог постоянной Маделунга, зависящий от структуры кристалла и ретикулярной плотности частиц грани (hkl), Z – число электронов на ячейку Вигнера – Зейтца, M  – релаксационная добавка Маделунговской составляющей.

Вклады в формуле (2) проинтегрированы в [1] с использованием двухпараметрической функции распределения электронной плотности на границе раздела металл – вакуум:

, (3)

где – равновесная плотность объемного распределения электрического заряда;

ZG = (1/ – 1/) – координата Гиббсовой границы раздела, которая находится из условия сохранения заряда; , – вариационные параметры, определяемые из условия минимума ПЭ, которую будем считать зависимой от поверхностной релаксации. (z) – функция Хэвисайда.

Полагая, что релаксирует только первая поверхностная плоскость, отстоящая от границы фона z = 0 на расстоянии z0 = – d/2, введем параметр поверхностной релаксации (ПР) = d/d как относительное изменение расстояния между первой и второй плоскостями. Тогда вседствие релаксации, положение первой плоскости будет опеределяться величиной:

. (4)

При таком выборе > 0 соответствует расширению, а

. (5)

Выражение (5) получено с учетом (3) и (4) с использованием псевдопотенциала Ашкрофта. Остальные выражения для ПЭ, связанные с распределением (3), остаются без изменения.

ПР изменяет также вклад маделунговского члена ПЭ на м (релаксационная добавка к маделунговской составляющей ПЭ), для которого получено соотношение:

,(6)

где – длина двухмерного вектора обратной решетки; 1, 2 – целые числа; штрих у знака суммы означает, что слагаемые с 1 = 2 = 0 надо исключить; x1 и x2 определяют проекцию вектора сдвига плоскости в единицах длин векторов трансляции в двухмерной прямой решетке. Для небольших M имеет зависимость от , близкую к параболической.

Равновесную ПР найдем из условия минимума полной ПЭ .

ПР изменит дипольный барьер, который определяется параметрами и и, следовательно, РВЭ. Кроме того, изменится структурный вклад в РВЭ, связанный с изменением потенциала первой плоскости:

. (7)

Полученные выражения (3)-(7) справедливы для любой структуры металла и любой грани.

Расчеты ПЭ и РВЭ провели с учетом ПР и ее влияния на анизотропию ПЭ и РВЭ щелочных металлов. Для заданной величины находился минимум ПЭ по и . Затем из набора значений ПЭ для различных находится минимум ПЭ по . Результаты расчетов сведены в табл. 1.

Таблица 1. Поверхностная энергия и работа выхода электрона граней с малыми индексами Миллера монокристаллов щелочных металлов с учетом релаксации.

Металл	Грань		, а,е–1	, а,е,–1	ZG, а,е,	, мДж/м2	Ф, эВ
Литий	100 110 111	–0,04 0 –0,11	0,94 0,99 0,7	1,4 1,5 1,19	–0,350 –0,343 –0,588	605 435 430	3,179 3,426 3,507
Натрий	100 110 111	0,02 0,01 –0,04	0,8 0,89 1,00	0,69 1,0 0,55	0,199 0,124 0,866	311 252 357	2,962 3,082 2,653
Калий	100 110 111	–0,12 0 –0,02	1,05 0,85 0,8	0,59 1,15 0,5	1,712 –0,307 0,750	124 145 210	2,008 2,694 2,412
Рубидий	100 110 111	0,02 0,05 –0,1	0,5 0,85 0,8	1,2 0,4 0,39	–1,13 1,388 1,313	116 103 111	2,382 2,737 2,389
Цезий	100 110 111	–0,01 0,06 –0,13	0,74 0,8 0,89	0,44 0,34 0,69	0,921 1,675 0,326	91 76 66	2,213 2,631 1,740