Комплексное исследование структуры и физических свойств тонких пленок рения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Северин, Виталий Михайлович АВТОР
кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Харьков МЕСТО ЗАЩИТЫ
1984 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.07 КОД ВАК РФ
Диссертация по физике на тему «Комплексное исследование структуры и физических свойств тонких пленок рения»
 
 
Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Северин, Виталий Михайлович

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

2.1. Методы получения аморфных состояний

2.2. Структура тонких аморфных пленок

2.3. Фазовые переходы аморфная фаза - кристалл в тонких пленках

2.4. Плотность аморфных пленок

2.5. Электрические свойства тонких пленок

2.6. Температурный коэффициент сопротивления тонких пленок

2.7. Теплопроводность тонких пленок . зо

2.8. О законе Видемана - Франца в тонких пленках металлов

 
Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

выводы

1. Проведены комплексные исследования структуры, фазового состава и теплофизических свойств гонких пленок рения в аморфном и кристаллическом состоянии. Обнаружены размерные и фазовые эффекты, благодаря которым тепло- и - электропроводность су -щественно отличаются от соответствующих характеристик массивного металла.

2. Построена диаграмма существования аморфной фазы в тонких пленках рения в зависимости от толщины пленки и температуры конденсации. Параметры ближнего порядка аморфного рения близки к соответствующим параметрам массивного рения.

Структуру аморфных пленок можно описать в рамках модели жидкости твердых сфер.

Установлено, что при отжиге аморфная фаза переходит в кристаллическую с параметрами, близкими к параметрам массивного металла. Наблюдавшиеся ранее рядом авторов новые модификации в тонких пленках рения носят примесный характер.

3. Удельное электросопротивление аморфных пленок в десятки раз выше, чем массивного металла, а температурный коэффициент электросопротивления ( ТКС ) имеет отрицательное значение. Величина электрсопротивления и его ТКС изменяется в процессе отжига, свидетельствуя о структурных изменениях в пределах аморфного состояния. Сравнение данных по электросопротивлению и ТКС с су -ществующими теориями приводит к выводу, что электрические свой -ства аморфных пленок рения могут быть описаны в рамках теории Окавы.

Зависимость электропроводности кристаллических пленок от

- 132 толщины в сочетании с данными структурных исследований количественно может быть описана теорией внешнего и внутреннего размерных эффектов при диффузном отражении электронов проводимости поверхностями пленки и коэффициентом отражения электронов гра -ницами зерен 11 = 0,31.

5. Установлено, что нулевым значением ТКС обладают двухфаз -ные пленки, состоящие из аморфных и кристаллических областей.

6. Обнаружена немонотонная зависимость электросопротивления от толщины пленки в процессе ее роста, обусловленная нарушением сплошности последней при фазовом переходе из аморфного состоя -ния в кристаллическое.

7. Экспериментально измерена теплопроводность тонких свободных пленок рения в аморфном и кристаллическом состоянии. Уста -новлено, что теплопроводность аморфных и поликристаллических тонких пленок на порядок ниже теплопроводности массивного рения. При переходе из аморфного состояния в кристаллическое не наблюдается заметного изменения значения теплопроводности, что свидетельствует о существенном вкладе фононной составляющей тепло -проводности в общую теплопроводность аморфных и высокодисперс -ных пленок.

Исследована температурная зависимость теплопроводности в интервале температур 80 - 300 К. Общая теплопроводность аморф -ных и кристаллических пленок монотонно растет с повышением температуры.

8. По данным измерений тепло- и - электропроводности на од -них и тех же образцах определено число Лоренца в законе Видема-на - Франца. Установлено, что число Лоренца аморфных и кристаллических пленок может в 2 - 3 раза превышать классическую вели

- 133 чину. При переходе пленки из аморфного состояния в кристаллическое число Лоренца уменьшается в меру изменений электросопротив -ления. По отклонению числа Лоренца от классического значения определена фононная составляющая теплопроводности, величина которой лежит в пределах 0,5 - 2 Вт/мК. Установлено, что благодаря размерным структурным и фазовым эффектам, фононная составляющая теплопроводности соизмерима или преобладает над электронной.

 
Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Северин, Виталий Михайлович, Харьков

1. Полеся А.Р., Слипченко А.С, Получение аморфных сплавов расплавов. Известия АН СССР, Металлы, 1973, Ш б, стр. 173

2. Криштан М.А., Жуков A.A., Кокора А.Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера, М., Металлургия, 1973, стр. 78.

3. Жданов Г.С. Получение аморфных металлов и сплавов с помощью лазера. Тезисы докладов всесоюзной конференции. Исследование структуры аморфных металлических сплавов, М., 1980, стр. 4-7.

4. Миркин Л.И., Кленкин В.М. Получение с помощью лазерного облучения аморфизированных сплавов и , и некоторые их свойства. Тезисы докладов всесоюзной конференции. Исследования структуры аморфных металлических сплавов. М., 1980, стр.28-30.

5. Бураков В.А. К вопросу об аморфности структур лазерной закалки. Тезисы докладов всесоюзной конференции: Исследование структуры аморфных металлических сплавов, М., 1980, стр.38-39.

6. Лысенко А.Б., Якунин A.A., Ткач В.И. Критический анализ условий образования металлических стекол. Тезисы докладов всесоюзной конференции "Исследование структуры аморфных металлических сплавов", М., 1980 , стр. 8 II.

7. Кошкин В.М. Рентгеноструктурные и электронномикроскопи -ческие исследования металлических сплавов, аморфизированных лазерным воздействием. В сб. структура металлических сплавов ,М., 1980, стр. 31-33.

8. Миркин Л.И., Гольдер Ю.Г. Структура и свойства аморфизированных сплавов, полученных при лазерном воздействии. Всесо -юзн. заочн. машиностр. институт, М., 1980.

9. Справочник, Технология тонких пленок, М., "Радио", 1977, т. I., стр. 121 125.

10. Ю. (\.K.iinha, B.C.Glessen and D.E. Polk in„Freatiseon solid state Chemistry". ./5y Ptenum Press A/ew York, 19?6, pi.

11. Комник Ю.Ф., Физика металлических пленок, М., 1979, стр.

12. Лесник Л.Т., Лекененко В., Кудрявцев Ю.В., Красюк А.Д., Девещная А.Д. О критической толщине аморфных вакуумных конденсатов. В сб. структура аморфных металлических сплавов, М.,1980, стр. 28.

13. Татаринова Л.Н. Электронография аморфных веществ, М., Наука, 1972.ф14. ßewltocjmi L. USer die inkohärente Streuung der Röntgenstrahlen L. 19511 52.9

14. Белевцев Б.И., Комник Ю.Ф., Фазовые переходы в тонких пленках гелия, полученных при низкотемпературной конденсации. Физ. твердого тела, 1972 ,т. 14, стр. 3240.

15. Бублик А.И., Пинес Б.Л. Фазовый переход при изменении толщины в тонких металлических пленках АН СССР, 1952, т.87,стр.215.- 136

16. Кузьменко В.M., Лазарев Б.К., Мельников В.И., Судовцев А.И. Критические параметры аморфных пленок. Укр.физ.журнал, 1976, т. 21, стр. 881.

17. Щелехов Е.В., Еднерал Н.В., Скаков Н.В., Скаков Ю.А. Кластерная модель аморфного состояния. Тезисы докл. всесоюзной конференции. Исследования структуры аморфных металлических сплавов. M., 1980, стр. 190- 191 .

18. Пинскер Г.З. Структура аморфных пленок, Физические и химические стекла, 1980, т.6, стр. 521-524.

19. Пинскер Г.З. Определение решеточных закономерностей в структуре аморфных пленок.

20. Физические и химические стекла, 1980, т. 6, стр. 651-657.

21. Cote Р. 77 Melset L.V. Critical test of iht diffraction modeE amorphous and diéordered me tats. Phys. Рек sotid state t t9?S, 1?,

22. Ohkawe F. T. yosiciaK. Theory of the electricatresistivity of amorphous metatS>. J. Phys , £be, lapen, tQ?2, У3, //S, p. Sô45

23. Cote P.T. MelseE L.V. Origin of Saturation effects, in electron transport. Phys. Rev. Letters t J9?2 ; ijû, л/^) p. Ш6.

24. Cote P.T. MeiseiL.V. Resistivity in amorphous and dtsordmd crystal Pine a£EoyS. PhyS. Ret/.

25. S. Letters . 49??, 39, t/2. , p. 402.

26. Qhkawa C.T. Random phase mode£ for the e£ect^ica£ resistivity of highly metalz, jiCeyative temperature coefficient. if. Phy$. Зое. Japan,49?8, IjQ, 7 p. SH2 .

27. MetSeE L.V. Cute P. £ /¡pp£i cation of the extended ¿ftwan theory to amorphous nickel -phosphorus a ££oySt Phys. Rev. &J5, л/в,497?, p.ZQo? -2973.32. t\tageL ¿.fi. Temperature dependence of -the resistivity in metai£cc geasses . Phys. Rev.

28. U J 497?, s/h, p. 1694 -/69$.yb.Mooij J. H. E£ectrica£ conduction In concentrated disordered transition wet at! a££ot/S. Phys. Status so £ idi, tQ?3, At?, .

29. Haé eg aw a R. ¿pin fluctuation resistivity in a££oyS, Phys. Lett, A 38 J S4 9 ?2,

30. MeiSeE L. If. Cote Р.У. Structure factors and disordered harmonic 0e£>ye so £ id S, Phys. Rev.1. В/6, Л, p. 2978J97P.

31. Лазарев В.Г., Кузьменко В.M., Судовцев А.И., Мельников В.И. Особенности свойств слоев гелия и берилия, полученных низкотемпературной конденсацией. Физ.метал.и металловедениеs •1.71, т. 32, стр. 52.

32. Chopra K. L. Randtett ñ.R. Duff R.H.

33. Face centered cußic modification m . ¿puttered £?f Ta, ño, W, Re} Hf,Zr.1. Phi fob. Mag. 196?,

34. Hoepke R. Bergmann C,. The ajopen criticaE magnetic fie£cf ßc (T) of amorphem mo£ußdenum fifms, go£¿d. . ¿tale commun¿¡ J9?6, vtSPp. ¿J55.

35. Muka £. Q¿££et M. ¿truc fuñe de¿ Ú£m$ minees de fungótene. с. к ßsad. 3c¿ , J 96?, v¿6U(A-6)

36. Гладких H.T., Хоткевич В.И. Некоторые закономерности фазовых переходов в образцах малых размеров. В кн.: Диспергированные металлические пленки. Киев. Изд. института физики АН УССР, 1972, стр. 5.

37. Корнюшкин Ю.Д., Васильев K).IIw 0 структурной особенности резистивных пленок рения. Журнал теорет. фйз. 1976, т.46, стр. 1746 1750.

38. Беломытцев Ю.С., Ярошевич П.Ю., Структура и свойства вн-куумных конденсатов рения. Физ.мет. и металловедения, 1972,т. 33, в.4, стр. 758-762.43. ¿ondhei теп. F. Н. The mean free path ofelectrons in meta£6 7 //4, p. 4-lit 4dr. Ph¿/¿. 195¿

39. Hartman T. £, Density of fhtn e^aporated aPamtnom fi£ms. J./ac.£ci, Techno£, /9651. V2, //Sf p. 239-21J2. .

40. C£a*~J: fl.il. S£ecfricci£ and optica£ propertiez of amorp£?oi/s £ermaniu/r), PhyS. Per. /967} /50, //3,

41. Potiorar? T.M. d>picer W.E, Bennett J.ftf.

42. Haktiofi 3. Uatada T. //anawa T. Ina 7Tfidci ~tion of density of amorphfitfms,

43. Acte, Cryntaiiogr mo, 13, p. 471.54. ^hioyiri M. ¿attoY. Ofüda H. JaiaPid.

44. PenSL titce<, of amorph ou^ tfon ftfms. f. tippt, PfiyS. ¿8, MIOt p. ,/035.-14055. Ahlogirí M.МНуаооТ. И alto О. Ал electron Microscope study of evaporation of ¿hi л . films. У. AFpL Phyi. W8, 1?, F. 567. • '

45. Meeting Jpr?. ¿oc. Electron Microscopy /078. У.Electron Microseop/t9?&i 27J.//¿fJ p.3S?.58. t-uchs t<. The conductivity of thin metalic films acoordeng to the electron -theory of metals.

46. Pro с. С am Bridge PhiloS. Зое. №2, у 34, p. 100.i59. éondheimer Т.Н. T~he influence of transverse magnetic field on the conductivity of the л meta £l¿c films. Phys. Key. </9So, 80, p. ¿/ü/-¿/¿?6.

47. Luc a ¿ MS. EEectricat condactiyity of thir? metallic films with volite surfaces. У. 4ppl. PhyS. 1965, и36/ p. /632,.

48. Чопра К.П. Электрические явления в тонких пленках, М., Мир, 1972.-141- ■62. 7. /Л. А Ыеогу оР ¿ке е£ес1г1саР!оР РС^и/сР /ке/аР*». татиаРеиё РксРоЗ Мад. Ш/, /б^р./о/З.

49. Рс'еРсР*. а л с/ роЗЗсёРе ^ ¿с/ем се Рог з¿/rpa.seс/регсолс/1сс1:сИс£р. РАр^.Аек ИеЫ, р< 362.

50. Лазарев Б.Г., Кузьменко В.М., Судовцев Л.И., Булатова Р.Ф. Об аллотропическом превррщении иттербия в слоях, сконденсированных на холодную подложку, Докл. АН СССР, 1969, т. 184, № 3.

51. Риза О. Тс)г?а О. Z ру?0<о А. ££ес±г:саЕ ^¿¿¿/¿/¿рр о/ Ре /^¿Р/пб ргера^ес/ Зу РАе ехрРос/сярприе. ¿ГгесР. У. РЬрЗ, /9?£, В ¿5 г лРЗ, р. /¿??д 68. ъУ.Ь. Рооя^.У. -¿я-&/7?о/у?/?аг/$ ¿2 л с/ /г? с его сгрз /а —metaPаРРлуЗ. АррР. РР//Л. р. /??? /Ш.

52. Лях К.И. Размерные явления в тонких пленках рения. Физ. электроника, 1972, в.5, стр. 105-107. •-14270. Васильев Ю.И., Андрещук А.Ф., Никитин М.Н., Савицкий Ё.М.

53. Тылкина М.А. Прецизионные тонкоплёночные резисторы на основерения. Электронная техника. Сер. Материалы, 1973-, вып. 4, стр.24.28.

54. Васильев Ю.П., Савицкий Е.М., Тылкина М.Л., Жданова Л.Л. Тонкопленочные рениевые резисторы для средств электроизмери -тельной техники. В сб. Исследование и применение сплавов рения, М., Наука, 1975, стр. 160 163.

55. Поварова К.Б., Тылкина М.А., Савицкий Е.М., В сб. Диаграммы состояния металлических систем, М., Наука, 1968, стр.170.

56. Савицкий Е.М., Бурханов Г.С., Металловедение тугоплав -ких металлов, М., Наука, 1971, стр. 160.

57. Fuc/j/<. 7~/?е со/7с/исt¿>/£у ¿of ¿А¿я rreta££ccft Ems aeeordir^ to the e£ectroy? theory of we ta£*. Proc. farvSr/d^e Pfli££ag.$oC. /938Г f. WO.

58. Reynolds F. W. St ¿well Q. K. The conductivity of thin metallic films according to the electron theory of rmtah. Phys. Rev. tQSJL, v3SJ p. h/8

59. Horn О. Murer.W. ZiJlMC,. Temperature dependence of the efecfnicaP resistivity of amorphous tfe) Jn and Si alleys and ¿ts re fat con to ¿uperconductivity. if. Phy£. (France J.3f, /SS, p. AS?-¿go.

60. Horn p. Murer W. Zittofd TfectricaC resistiircty of amorphous ¿n ~Cu altfoyj.

61. Phi/3. Lett. A. /974, 4Г, p. fff -///.

62. Кузьменко В.Ы., Владычкина A.H., Судовцев А.И., Семенен-ко Ю.Е., Особенности электронных свойств пленок урана, сконденсированных на холодную подложку. Журнал эксп. и техн. физики, 1978, 75, вып. 4, стр. 1458 1467.

63. Marfowitz: D. Са Ira Cat ¿an of efectntcalresistivity of highly risisfive m?e tallic aflapj. Phps.tfev 3. /W, fSy л/S, p.3£S¥~3G/9.

64. Лазарев Б.Г., Кузьменко В.М., Судовцев А.И. 0 минимуме электросопротивления пленок лютеция. Докл. АН СССР, 1969, 184,1Í2 4, стр. 815 816.

65. Кузьменко В.M., Лазарев Б.Г., Судовцев А.И., Мельников В.И. О минимуме электросопротивления в слоях железа, меди, ту -лия, полученных низкотемпературной конденсацией. Журнал àKcn.и техн. физики, 1970, 58, вып. 2, стр. 434-437.

66. Комник Ю.Ф., Белевцев Б.И., Температурная зависимость электросопротивления аморфных пленок висмута. Физика низкихтемператур, 1980, т.6, № 10, стр. 1292 1302.89. t^acjet? f>.R. Température dependence of there¿¿¿tiis¿t¿/ /vetare . ¿ей. ô.в, л/4., р. .

67. Cote Я 7Г Mei^efA. V. fîesistii/ity in anvorphouz and c/isondered enp¿ta¿f¿/?e/ Рек Lett,9, , p. /Û2 /АГ.91. dote P T. Meizef ¿.У. Criticó ¿?f Pe diffracti on n?ode¿ ¿n ¿zPT7orph¿?¿/¿ cmd disordered metate. PJ?lРек S. -/m, P?, ¿/6ó8

68. УапрРе о. G. СРокегЯ.В. ñoormonnW. Thickne¿3 dependence ofthp transition temperature of ¿upereonduc-éinp fi Ems. Ph¿/Sicaf MfyrffS,.p. ¿SO.-14595. For a Brief review. ¿ce . F.Я. ¿iofran, (¡ruza£¿k¿Ct.R. XUeymouth JAF. ^ettmyer P.J. Qiessen &.C,. ■

69. Phyâ. ftev. S9K, 8/¿/, pJL</¿0.

70. CoteP.T. P/ei seêL.ït. Origin of ¿ato rati or? effects ¿n electron transport. PUt/¿. /lew. Lett,of p. vssб sssg.97 # OhAapva T.J. 7~etr?ferature cfeperc/erce of electrica/? resistivity of metats. ^ Phys. Soc. JajD. f Щ t/4, л/4, JSOS -////.

71. OhAawa F.J. /¡feyative temperature coefficients, of electrica / resistivity of Aighty resistivea&oyz. Fee Ar/, fiept'. 7S3P, /¿W, ser /¡A, /iF9ЛО, jd. SO

72. OhkaiYQ F.J. У os hic/a /(. Theory af the e£ectrica£ resistivity of meéa^fs.

73. J. Phc/s. Зое. Jap. f/3y p.-146102. Üjzofran F. XV С, га Is к i СR: Weymouth.J. IV ^ellmyer P. J. Er/essen 3. С. Electronic and rnacjnetc'c proper te¿s 'an amorphous and crystalline ^6o-x Fex a tloys. Phys. Дек 3. M;p. U60-.

74. Mczogucht 77 JVjolnarÜ.V. Enroll С,.Z.EudoT.h iotan i M and ¿tekizcimo. /7 Structure and physical propepties of an amorphous Co^ZrU3 alloys ¿n amorphous magnetism. (Plenum, /YeV/ York p/9?¥)'

75. Eoncher ß:K Influence of phosporus the electrical propepties of Ed-М -Р amorphous alloys. J. //on- Cryst, solids} 0U, p.

76. Берман P., Теплопроводность твердых тел., M., Мир, стр.286.

77. Etamsonoy С- Ifeschpor W. Е. Plata choy l.

78. И le me r?¿o W.A. К ¡siljou/a Л.Е. Thermal conductivity of thin films. x. fHetale kunes, /9U, 63, ■ S , p. О.

79. PI ay actas t Ж E '^hatxkes M. Electrical resistivity model for external surface. EfyS. Еек /УУО¿//31 л/4,. p. 1522 ~/389.

80. Абросимов B.M., Егоров Б.Н., Лидоренко H.C., Рубзшов К.Б., Исследование теплопроводности тонких металлических пленок. Физ. твердого тела, 1969, т. II, вып. I, стр. 530 532.

81. Кафтанова Т.А., Осипов. К.А. Исследование теплопроводности и электропроводности пленок меди. Изв. АН СССР. Металлы, 1970.

82. Кафанова Т.А., Осипов К,А., Ощенков П.Ii. Изменение коэффи-. циента теплопроводности пленок меди. Электронная техника. Серия-147

83. Материалы", 1967, вып. I, стр. 44- 47.

84. Бойко Б.Т., Пугачев А-.Т., Брацыхин В.М. Определение теп- • лофизических характеристик тонких конденсированных пленок аллю-миния, Докл. .АН СССР, 1972, т. 203, стр. 340 341, №2.

85. ChiedsC.P Er/скй L.l. Poive£¿Thermalconductivity of saPidä a¿ room tempe rntz/re ahd Seto W. A/at-ionat Sure а и of standards. /973, </3//р. £>¿¿/

86. Абросимов М.Й., Егоров Б.Н., Крынкин M¿A. Размерный эф -фект кинетических коэффициентов в поликристаллических пленках висмута. Журн. экспер. и теорет. физики, 1973, т. 64, в.1,стр. 217 225.

87. Пугачев А.Т., Волков Ю.А., Чуракова Н.П., Тепло физические свойства тонких пленок металлов, йнж. физ. журнал, 1980,т. 38, № 4, стр. 606- 613.

88. Пугачев А.Т., Коваленко С.И., Чуракова Н.П., Волков Ю.А. Теплопроводность тонких пленок золота. Физ.твердого тела, 1981, т. 23, вып. 8, стр. 2469 2471.

89. MeyprE.'A. t/erßR.Q. Perforiert се ¿ti/dy of theorßitron conization gange. J. Vac. Scient and te с no P.1. W, y^. //¿t p. G3~?o\

90. Данилин Б.С,, 1!инафчев B.C., Основы конструирования вакуумных систем, 197Г, М., Энергия, стр.

91. Северин В.М., КосминскиЙ А.П., Брацыхин В.М., Дешин Б.В. Орбитронные гетеро-ионные насосы.В сб. Всесоюзного симпозиума. Опыт, разработка и перспективы развития изотонных и химических промышленных масс-спектрометров, M., 1977, стр. 9 10.

92. Миркин Л.И., Справочник по рентгеноструктуроному анализу поликристаллов, М., Физ.-мат. Гиз. ,1961, 863, стр.

93. Дрейма Р. Оптические свойства рентгеновских лучей, М., Иностранная.литература, 1950, 542, стр.

94. Меньдельсон К. Физика низких температур. М., Иностранная литература, 1963, стр. 230.

95. I- Protsenko, Severin ИЩ. £koroßoqat'ko A.F.1.vesticfatcon of the éiructure of Thin Rhenium Fi£ms.

96. Rr¿¿ta¿£ ¿snc¡ Technik, МУЗ, H, р.Ш-Ш.

97. Поварова К.Б., Тылкина М.А., Савицкий Е.М., в Сб. Диаг -раммы состояния металлических систем, М., Наука, 1969, стр.170.

98. Савицкий E.H., Бурханов Г.С.,-Металловедение сплавов тугоплавких и редких металлов, М., Наука, 1971, стр. 160.

99. Гольдшмидт. Сплавы внедрения .Вып. II, М., Мир, 1971," стр. 113, 307.

100. Корнилов И.И., Глазова В.В., Конина Е.М., В сб. Диаграмма состояния металлических систем, М., Наука, 1968, стр. 145, 166.

101. Комник Ю.Ф., Белевцев Б.И., Яцун H.A., Электрические и структурные свойства низкотемпературных пленок висмута. Журнал экспор. и теор. физики, 1972, 63, вып. 6,стр. 2226 2238.

102. Абросимов В.М., Егоров Б.Н., Крынин М.А*, Размерный эф -фект кинетических коэффициентов в поликристаллических пленках висмута. Журнал Экспер. и теор. физики, 1973, т.64, стр.217.