Влияние электромагнитных импульсов на шероховатость поверхности и флуктуации электропроводности металлических плёнок

Металлические плёнки являются основой микро- и наноэлектроники, и воздействие импульсных электромагнитных полей может приводить к разрушению плёночных резисторов и других элементов наноэлектроники. Такое воздействие может приводить также к изменению структуры плёнки без заметных видимых изменений, что проявляется, например, в появлении нестационарного шума электропроводимости. Причинами этого явления могут быть как внутренние явления (старение плёнок, рост дефектов), так и внешние воздействия, например, электромагнитные поля, радиация. Наши исследования направлены на изучение влияния импульсных электромагнитных полей на металлические плёнки. Воздействие наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) без несущей частоты на расплавленные металлы в процессе их кристаллизации приводит к снижению пористости, увеличению плотности, прочности, пластичности при одновременном уменьшении удельного сопротивления [1–3]. Цель нашей работы состояла в том, чтобы исследовать изменения в результате облучения НЭМИ без несущей частоты состояния поверхности плёнки и количественных характеристик флуктуаций проводимости металлических плёнок в низкочастотной области.

Эксперимент

В качестве объектов исследования были выбраны металлические плёнки Bi, Cr, Fe, причём плёнки висмута и хрома были нанесены термовакуумным методом на подложки из поликора, а плёнка железа – ионно-плазменным методом на подложку из ситалла. Размеры подложек – 48×60 мм. Вначале были определены параметры поверхности и проводимости плёнок.

Для исследования проводимости была собрана установка, включающая в себя контейнер с исследуемыми плёнками, помещённый в термостат, и компьютер, оснащённый платой сбора данных (ПСД). Температура поддерживалась в течение всего времени измерения 15,0±0,5 °С.

Установка с плёнками была изолирована от электромагнитных помех. На контакты 1 и 2 подавалось напряжение 1–2 В (рис. 1). На противоположные стороны плёнок были наложены электроды в виде узких полосок во всю ширину (48 мм). Флуктуации проводимости плёнки определялись по флуктуациям потенциалов двух платиновых электродов A и B, поставленных на плёнку, относительно соответствующих точек C и D полумостов. Эта разность потенциалов усиливалась с помощью операционных усилителей (ОУ) AD623 с низким уровнем собственных шумов. Сигналы с ОУ подавались на предусилитель ПСД L1450. Общее сопротивление плёнок определялось до начала измерений флуктуаций. Перед началом экспериментов по измерению флуктуа- ций проводимости плёнок были измерены собственные шумы мостов и усилительных трактов. Для этого вместо металлических плёнок использовались прецизионные непроволочные сопротивления С2-29 номиналом 100 Ом («модельные плёнки» – 3 штуки). После этого в контейнер были установлены по одной плёнке Bi, Cr и Fe. Регистрация флуктуаций проводимости проводилась в круглосуточном режиме с частотой 1,73 Гц со всех трёх плёнок по 2 канала с каждой. Установка позволяла регистрировать минимальные относительные флуктуации проводимости плёнки ~10–7.

Рис. 1. Схема регистрации флуктуаций проводимости пленки

После многодневных измерений флуктуаций проводимости эти плёнки были подвергнуты воздействию НЭМИ без несущей частоты в течение 30 мин. Частота электромагнитных импульсов длительностью 0,5 нс составляла 1000 Гц. Мощность одного импульса составляла ~1 МВт, а амплитуда напряжённости электрического поля, согласно расчётам, составляла около ~10 МВ/м. После этого воздействия проводилась повторная регистрация флуктуаций проводимости плёнок Bi, Cr, Fe, которая продолжалась 2 месяца.

Компьютерная обработка флуктуаций проводимости производилась с использованием вейв-лет-анализа с целью выделения явлений разной природы: мелкомасштабные флуктуации, связанные с тепловым и фликкер-шумом проводимости, а также кратковременные резкие изменения (скачки и всплески). Мелкомасштабные флуктуации характеризуются средним относительным уровнем σΔ/σ, где σΔ – стандартное отклонение удельной проводимости плёнки от среднего значения σ. Основные статистические характеристики отражены в табл. 1 для мелкомасштабных флуктуаций, скачков и всплесков проводимости.

Таблица 1

Характеристики проводимости плёнок

Плёнка	№	Общее сопротивление плёнки, Ом	Средний уровень мелкомасшабных флуктуаций σΔ / σ , 10-6	Среднее число всплесков за 100 ч	Среднее число скачков за 100 ч	Длительность записи, ч
Модельная			1,6	0,2	0,2	607
Bi	1	6,65	14,1	9,4	8,9	837
	2	7,45	14,8	4,2	3,4	2177
Cr	1	189,3	44,1	48,1	31,1	837
	2	172,9	24,9	22,1	8,5	2082
Fe	1	1,64	144	1,0	0,1	978
	2	1,63	130	4,7	0,2	2177

Прим. : 1 – до облучения; 2 – после облучения

Для анализа выбирались не все скачки и всплески, а только те, которые превышали 10-кратный порог по отношению к уровню мелкомасштабных флуктуаций. Как следует из этих данных, уровень мелкомасштабных флуктуаций с любой металлической плёнкой был как минимум на порядок выше, чем с «модельной плёнки», т. е. шумы усилительного тракта существенно не

Физика

влияли на исследуемые флуктуации. Полужирным шрифтом выделены значения величин, которые существенно изменились после облучения.

Измерения шероховатости поверхности проводились с использованием зондового сканирующего микроскопа SOLVER PRO. Основными параметрами, по которым производилась оценка состояния поверхностей плёнок, были выбраны – Ra (среднее арифметическое профиля шероховатости), Rq (среднее квадратичное отклонение высоты профиля от средней линии), Rm (средний размах высот) [4]. Эти параметры определялись в пределах выбранной базовой длины ~8 мкм. Для минимизации случайной погрешности, измерения параметров шероховатости производились в разных местах плёнки как на краях, так и в середине. Количество измерений – не менее 5. Для выбранных параметров поверхности ( Ra , Rq , Rm ) определялось математическое ожидание и стандартное отклонение. Затем был применён z-критерий для проверки гипотезы о равенстве средних величин до и после облучения [5, с. 389]. Результаты этих исследований показаны на рис. 2 и табл. 2–4. Если параметр, согласно этому статистическому критерию, показывает различие среднего значения с вероятностью более 90 %, то эти значения в таблицах выделялись полужирным шрифтом.

Таблица 2

Bi	Ra , нм	Rq , нм	Rm , нм
1	10,9±6,6	16,6±10,8	56,4±41,3
2	13,9±8,3	20,5±12,6	91,1±55,5
z	0,97	0,80	1,76

Таблица 3

Cr	Ra , нм	Rq , нм	Rm , нм
1	3,0±0,5	3,7±0,7	15,7±4,3
2	4,7±1,3	6,3±2,0	45,4±29,9
z	2,58	2,47	1,97

Таблица 4

Fe	Ra , нм	Rq , нм	Rm , нм
1	11,5±1,9	15,2±4,5	97,6±52,6
2	10,4±2,3	13,7±3,2	81,4±62,1
z	0,87	0,63	0,47

Рис. 2. Изображения металлических плёнок.

В табл. 2–4: 1 – до облучения, 2 – после облучения НЭМИ, z -критерий различия средних величин [5]

Основные результаты

Шероховатость поверхности плёнок под воздействие НЭМИ без несущей частоты сильнее всего изменилась у плёнки хрома (см. табл. 3), а также заметны изменения у плёнки висмута (см. табл. 2). У плёнки железа воздействие НЭМИ не вызвало существенных изменений (табл. 4).

Исследования проводимости плёнок до и после воздействия выявило, что железо оказалось наиболее стойким к этому воздействию (см. табл. 1). Его проводимость не изменилась, а проводимость висмута и хрома изменилась примерно на 10 %.

Анализ флуктуаций проводимости плёнок показал:

• 1.    Для плёнки Bi – примерно в 2 раза сократилось количество всплесков и скачков проводимости, что указывает на уплотнение плёнки.

• 2.    Для плёнки Cr – эффект воздействия НЭМИ оказался ещё сильнее: сократилось количество всплесков и скачков проводимости, а также значительно уменьшился уровень мелкомасштабных флуктуаций.

• 3.    Для плёнки Fe – после облучения несколько увеличилось количество всплесков в единицу времени, что указывает на образование внутренних дефектов.

Таким образом, воздействие НЭМИ на металлические плёнки может приводить к появлению поверхностных и объёмных дефектов, что сказывается на шероховатости поверхности и уровне флуктуаций электропроводности.