Проводящие и СВЧ-отражающие свойства тонких металлических и металл-диэлектрических плёнок с включениями

Макаров, Павел Андреевич

Проводящие и СВЧ-отражающие свойства тонких металлических и металл-диэлектрических плёнок с включениями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Макаров, Павел Андреевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Сыктывкар МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Проводящие и СВЧ-отражающие свойства тонких металлических и металл-диэлектрических плёнок с включениями»

Автореферат диссертации на тему "Проводящие и СВЧ-отражающие свойства тонких металлических и металл-диэлектрических плёнок с включениями"

На правах рукописи

і/

Макаров Павел Андреевич

ПРОВОДЯЩИЕ И СВЧ-ОТРАЖАЮЩИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЁНОК

С ВКЛЮЧЕНИЯМИ

01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

1 2 ДПРШ

Челябинск — 2012

005018298

Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники ФГБОУ ВПО «Сыктывкарский государственный университет».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Котов Леонид Нафанаилович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Голенищев-Кутузов В. А.

Ведущая организация: Воронежский государственный технический

университет

Защита состоится 27 апреля 2012 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.296.03 в Челябинском государственном университете по адресу: 454001, г. Челябинск, ул. Бр. Кашириных, 129, ауд. А -17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного университета.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации, просьба направлять по указанному адресу в двух экземплярах не позднее, чем за две недели до защиты.

Автореферат разослан 26 марта 2012. Учёный секретарь диссе]

кандидат физико-математических наук, Анзулевич А. П.

ного совета, доктор математических наук, профі

Е. А. Беленков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Изучение проводящих и СВЧ свойств низкоразмерных систем является одним из важнейших направлений современной физики конденсированного состояния, которое включает в себя исследование тонких плёнок, поверхностей, различных мультислойных и композитных структур, и имеет первостепенное значение для их практического использования.

Многослойные и композитные структуры широко исследуются в настоящее время в связи с разнообразием проявляемых ими аномальных электрических [1-5] и магнитных [6-12] свойств. Особенности микро- и наноструктуры подобных объектов непосредственно обуславливают их материальные параметры (диэлектрическую, магнитную проницаемость, проводимость), а вместе с ними и отражение, прохождение и поглощение СВЧ электромагнитных волн в данных системах [А1-А9] [13-18].

Интерес к изучению микро- и наносистем связан также с решением различных фундаментальных проблем. Исследования в этой области подкрепляются как открытием новых явлений, таких, например, как квантовые эффекты Холла, Зенона, так и появлением принципиально новых технологий получения планарных структур, позволяющих изготавливать многослойные структуры из самых различных материалов. Всё это приводит к развитию новых идей и принципов, которые вызывают потребность в более глубоком и детальном теоретическом анализе, а также в постановке комплексных экспериментальных исследований.

Большое значение имеют исследования пространственных неод-нородностей низкоразмерных структур, обусловленных как несовершенством поверхности подложек, так и технологей получения плёнок. Зачастую неоднородности и включения делают достаточно сложными, а во многих случаях невозможным наблюдение «тонких» эффектов, усложняют понимание физической природы наблюдаемых явлений. В силу данных причин наблюдается бурное развитие техники и аппаратуры для измерений структурных, электрических и магнитных свойств

низкоразмерных структур и влияния на них неоднородностей и включений [19, 20]. Степень неоднородностей планарных структур, а также характер распределения их по поверхности являются важными факторами, влияющими на предельно достижимые параметры и надежность работы многих устройств на их основе. Поэтому большой практический интерес вызывает исследование влияния неоднородности структуры плёночных систем на их электродинамические свойства.

Изучение свойств тонких плёнок играет большую роль для создания и усовершенствования различных СВЧ устройств, таких как фазированные антенные решетки, перестраиваемые фильтры, гетеродины с низким уровнем фазового шума, параметрические усилители, генераторы, а так же преобразователи частоты: смесители, делители, умножители [21-23].

Тонкоплёночные технологии находят применение и в интегральной электронике, при создании различных активных и пассивных элементов высокой стабильности и точности, например, в гибридных и монолитных интегральных микросхемах применяются тонкоплёночные транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, интегрирующие и дифференцирующие КС-цепи [24-26]. Замена диффузионных резисторов на тонкоплёночные дает целый ряд преимуществ: низкий температурный коэффициент сопротивления, низкую паразитную емкость, более высокую радиационную стойкость, более высокую точность номинала.

Изучение проводящих и СВЧ отражающих свойств тонких плёнок толщиной порядка 10 - 500 нм имеет большое значение в области обработки и хранения информации [12].

Тема настоящей диссертационной работы соответствует перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований, утверждённых Президиумом РАН (раздел 1.2. — «Физика конденсированного состояния вещества», подраздел 1.2.5. — «Физика твёрдотельных наноструктур, мезоскопия»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре радиофизики и электроники ФГБОУ ВПО Сыктывкарского государственного университета при финансовой поддержке Министерства образования и науки

(темплан НИР, 2008 - 2011 гг.) и грантов РФФИ (06-02-17302, 09.-02-9800_р_север_а, 10-02-01327).

Объект и предмет исследования

Объект исследования — металлические, металл-диэлектрические плёнки с включениями и композитными структурами. Предметом исследования является вопрос взаимосвязи включений с проводимостью, диэлектрической проницаемостью и отражающими свойствами в СВЧ-диапазоне двухслойных металлодиэлектрических плёнок. Цели и задачи настоящего исследования

Целью настоящей работы является комплексное исследование электрических и СВЧ- отражающих свойств тонких металлических и металлодиэлектрических плёнок с включениями и композитными структурами на диэлектрической подложке, включающее в себя как теоретическое моделирование, так и экспериментальное исследование их проводящих и отражающих свойств в СВЧ-диапазоне. Для достижения выбранной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование поведения СВЧ электромагнитного поля в неоднородных средах;

2. Изучение диэлектрической проницаемости и проводимости композитных слоёв;

3. Расчет коэффициентов отражения, прохождения и поглощения в многослойных структурах с включениями;

4. Изготовление серий тонких плёнок Ре, (Ре^ВаРг)^, (Ре)1(А1)у, (Ре)з;(\¥Оз)!/1 (Ре)х(МоО)у с разной толщиной;

5. Экспериментальное исследование проводящих и СВЧ-отражающих свойств полученных плёнок и влияние на них окисления слоя Ре и включений, возникающих при напылении диэлектрического слоя.

Научная новизна

1. Получены аналоги волновых уравнений электромагнитного поля в стационарных изотропных неоднородных средах.

2. На основе приближений Максвелла — Гарнетта, Полдера — ван Сантена, фон Бруггемана проанализирована эффективная диэлектрическая проницаемость и проводимость композитных сред в зависимости от концентрации включений.

3. Предложена методика расчета коэффициентов отражения, прохождения и поглощения СВЧ-волн в многослойных неоднородных композитных средах.

4. Проведен анализ влияния включений в составе многослойной системы на её проводящие и отражающие свойства.

5. Изготовлены образцы нанокомпозитных металлических и металло-диэлектрических плёнок Ре, (Ре)х(ВаР2)у, (Ре)1(А1)г/, (Ре)х(Ш03)!/, (Ре)г(МоО)у, исследованы их проводящие и СВЧ-отражающие свойства, а также наноструктура плёнок Ре, (Ре)1(ВаР2)г/.

6. Измерено изменение массы плёнок от времени в процессе и после напыления.

Практическая значимость работы

Результаты диссертационной работы могут быть использованы для создания плёнок с заданными диэлектрической проницаемостью и проводимостью, и соответственно, коэффициентами отражения, а также для совершенствования технологии получения многослойных плёнок.

Методика расчета коэффициентов отражения, прохождения и поглощения может быть эффективно использована для оперативной диагностики тонкоплёночных материалов, в том числе контроля концентрации и проводимости включений.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Зависимость диэлектрической проницаемости, проводимости композитных слоёв от концентрации включений;

2. Методика расчета коэффициентов отражения, прохождения и поглощения СВЧ-волн в многослойных плёнках с композитными слоями;

3. Зависимости проводящих и СВЧ-отражающих свойств плёнок Ре, (Ре)х(ВаЕг)у от толщины слоев и концентрации включений;

4. Методика определения концентрации и проводимости включений в металлических и металл -диэлектрических плёнках.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях, школах и семинарах:

• X, XII Всероссийской научной конференции студентов радиофизиков (Санкт-Петербург, 2006, 2007);

• 1 Всероссийской молодежной научной конференции (Сыктывкар, 2008);

• молодёжной научной конференции памяти Н. А. Фролова (Сыктывкар, 2009);

• XIV Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых учёных (Кемерово, 2009);

• международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2009);

• ХЫУ зимней школе ПИЯФ РАН, секция физики конденсированного состояния (Санкт-Петербург, 2010);

• молодёжной научной конференции памяти Ф. А. Бабушкина (Сыктывкар, 2008, 2010);

• университетских конференциях «Февральские чтения» (Сыктывкар, 2009 - 2012);

• научных семинарах кафедры радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 работах, в том числе в 2 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ и в 2 статьях в сборниках работ международных конференций. Список публикаций по материалам диссертации приведён в конце автореферата до списка цитируемой литературы.

Личный вклад автора заключается в выборе и постановке задач исследований, теоретическом моделировании диэлектрической проницаемости, проводимости и СВЧ-отражения композитных плёнок, а также в проведении экспериментов и анализе результатов экспериментальных исследований.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка авторской и цитированной литературы. Общий объем диссертации —119 страниц, включая 36 рисунков и 1 таблицу. Библиографический список содержит 123 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи работы, приведены основные положения, выносимые на защиту. Раскрыта научная новизна и практическая значимость выполненной работы. Описана структура диссертации.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приводятся различные свойства и параметры тонких композитных плёнок. Приведены физические принципы, на основе которых используются низкоразмерные структуры. Также рассмотрены различные типы отражения, прохождения, рассеяния и поглощения энергии электромагнитных волн в данных системах с использованием феноменологического подхода. Описаны основные результаты работ [15,17] по изучению связи проводящих и СВЧ свойств тонких многослойных структур.

Рассмотрена вспомогательная задача об отклике сферического включения на внешнее электромагнитное поле в трёх случаях: в стати-

песком приближении, в переменном поле невысокой частоты и высокочастотном поле, когда необходимо учитывать скин-эффект [27-29]. Дня данных случаев выводятся поляризуемости частиц.

Последняя часть главы посвящена приближениям теории эффективной среды. Рассматриваются диэлектрическая проницаемость и проводимость композитных сред для моделей Максвелла, Максвелла — Гар-нетта, Полдера — ван Сантена, фон Бруггемана [30-32].

Вторая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию распространения электромагнитных волн СВЧ-диапазона через низкоразмерные структуры — многослойные плёнки с включениями.

В первой части главы выводится уравнение для вектора напряжённости электрического Е поля в неоднородной стационарной изотропной среде, которое является аналогом волнового уравнения в однородной среде

А„ тт ^ ¿Б г/хЗ2 Е 4тгсг/*дЕ т

где вектор и определяет пространственную неоднородность среды:

и = еегас!- + «ггас! —, (2)

е м

ей ц — диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.

Под Д в уравнении (1) понимается оператор Лапласа, а производная вектора по вектору определена следующим образом:

11а да, да, да -рг = -5~0х + + —с сПо дх ду " дг

Во второй части главы на основе моделей Максвелла — Гарнетта, Полдера — ван Сантена и фон Бруггемана рассчитываются эффективная диэлектрическая проницаемость и проводимость сред в зависимости от концентрации включений.

Третья часть главы содержит описание рекуррентного метода определения коэффициентов отражения Я, прохождения Т и поглощения электромагнитных волн при распространении через многослойные системы.

Поставленная задача решается в два этапа. Первоначально, используя закон Снеллиуса и считая материальные параметры е^,/^, <7, всех

оа и а и а . .

= — Ьх + —Ьу + (3)

сред, а также угол падения во известными, определяются волновые числа Щ и углы преломления в] во всех средах:

_ _w

Oj = arcsin

G/W—)'

j = l,2,...,iV + l. (4)

На втором этапе последовательно выражаются амплитудные коэффициенты отражения и прохождения:

rf+l^ ci2k,di соа ■f+^j'

2C,f+l gi'Ajdj cosflj

Г+- — x ±

Cj+i + ^j+iCj

J-L ______

J+l /"J. i J./1 piii+idjcos0i+1 i r± e-ifcj+idjcosflJ+l'

4?+l ^ j+l^j ' j+1

j = N,N- 1,...,0. (5)

Символами С обозначены поверхностные импедансы сред при укаг занной поляризации волны:

СХ = —^-д» ^-Соовв, С=Д (6)

cost' Vе

где 0 — угол между волновым вектором и нормалью к поверхности раздела. Множитель xj~+i позволяет выразить коэффициенты отражения и прохождения от j-той границы раздела сред через коэффициент отражения от всей структуры после (j +1) - ой границы, таким образом учитываются многократные переотражения волны внутри многоплёночной системы

JL _ __ J+1__(7\

J+1 giAj+idjcosflj+i rj-^e-iki+idjCosej+i' V '

Амплитудные коэффициенты отражения Го и прохождения to многослойной системы последовательно определяются из системы (5). При ЭТОМ необходимо учесть, ЧТО Гдч-l = 0 И tfi+1 = 1, т. к. отражение в j!V +1 среде отсутствует. Также в формулах (5) следует положить ¿о = 0.

Конечный результат — «энергетические» коэффициенты отражения R, прохождения Т и поглощения Q определяются системой уравне-

ний

'д-ы2,

< Г = (8)

д = 1-(л+т).

В третьей главе описана методика изготовления плёнок, техника эксперимента, приведены экспериментальные результаты и их обсуждение.

В вакуумной установке ВУП - 2, в камере которой находились два независимых резистивных испарителя из тонкой пластины молибдена, выращены плёнки Fe, (Ре)г(ВаГ2)у, (Fe)x(Al)„, (Fe)x(W03)v, (Fe)x(MoO)y) толщиной 10 -160 нм, приготовленные методом термического вакуумного осаждения на диэлектрической полимерной подложке при комнатной температуре [33-35].

Контроль вакуума производился по вакуумметру ионизационно-термопарному ВИТ - 3, при этом использовались термопарный и ионизационный датчики ПМТ-2 и ПМИ-2, соответственно. Давление остаточных газов в камере составляло 10~5 Topp. Средняя скорость осаждения варьировалась в пределах 0,1 - 3,1 нм/с. Для осаждения использовались порошки железа, алюминия, а также фтористый барий, WQj, МО в таблетках для вакуумного испарения, степень чистоты которых не ниже 99,9%.

В качестве подложек для плёнок использовалась полимерная плёнка, толщина которой составляла 0,20 ± 0,05 мм, а относительная диэлектрическая проницаемость с — 1,5. Для очистки поверхности, подложки помещались в раствор щелочи NaOH в ультразвуковую ванну УЗВ2-1.6/18.

Исследование плёнок методом рентгеноструктурного анализа показало полное отсутствие дифракционных максимумов, характерных для кристаллического состояния, из чего можно заключить, что плёнки являются рентгеноаморфными.

Исследование морфологии поверхности плёнок проводилось с помощью атомно-силового микроскопа ARIS-3500 с максимальным полем

сканирования 70 х 70 мкм (Burleigh Instrument Со, США). В качестве зондов использовались стандартные кремниевые кантилеверы (Burleigh) пирамидальной формы с радиусом закругления кончика ~ 10 нм и жесткостью 0,1 Н/м. Все изображения поверхности были получены в комнатных условиях. Съемки проводились как при постоянной высоте, так и при постоянной силе взаимодействия зонд - подложка в контактном (уровень сил ~ 109 Н) режиме. С целью получения точных метрических данных в плоскости XY и по высоте осуществлялась калибровка масштабов изображения с помощью сертифицированных тестовых образцов.

Для определения проводимости плёнок в зависимости от толщины в процессе напыления использовался вольтметр универсальный цифровой В7 - 8 в режиме измерения сопротивления, что позволяло судить о проводимости плёнок от толщины. Верхний предел измерений вольтметра составлял 12 МОм, поэтому эффективное исследование проводимости осуществлялось, начиная с 20 См/м. Контроль проводимости плёнок на воздухе осуществлялся тераомметром Е6-13А, позволяющим проводить исследование проводимости, начиная с 0,2 См/м.

Толщина плёнок определялась методом «кварцевых весов». При осаждении испаряемого вещества на пластину кристалла кварца, его масса увеличивалась и, как следствие, уменьшалась частота колебаний генератора. Изменение частоты сигнала генератора определялось частотомером электронно-счетным 43-57. Калибровка толщин плёнок, полученных с использованием «кварцевых весов» происходила с помощью атомно- силового микроскопа ARIS - 3500. В процессе напыления все данные эксперимента (время напыления, частота кварца и сопротивление) заносились в память компьютера (скорость записи около 200 - 250 экспериментальных данных в минуту).

Коэффициент отражения СВЧ сигнала от металлических плёнок при нормальном падении волны измерялся в диапазоне частот 8-12 ГГц. Исследуемая плёнка помещалась в прямоугольный волновод сечением 10 х 24 мм перпендикулярно его продольной оси. Пленка перекрывала все сечение волновода. На другом конце волновода, позади плёнки, находилась согласованная нагрузка, поглощающая прошедшую волну.

>55.1 Г.

1 .'1.1 J L

Рис. 1. ACM - изображения поверхностей плёнок.

п- 00 85Й 1 1ТО0.1 >55П0 .41« 0

В качестве генератора качающей частоты использовался ГКЧ 61, входящий в состав комплекса панорамного измерителя коэффициента стоячих волн (КСВН). Зависимость КСВН от частоты для данного образца отображалась на индикаторе КСВН и ослабления Я2Р-67.

Вторая часть третьей главы посвящена описанию результатов эксперимента. Большое внимание уделено интерпретации физических явлений и эффектов, наблюдаемых во время измерений. Проведен подробный анализ влияния неоднородностей (областей окислов, диэлектриков) и наноструктуры плёнок на их проводимость и отражающие свойства в СВЧ-диапазоне.

На рис. 1 показаны изображения поверхности тонких плёнок Fe (а) и (Fe)1-(BaF2)i/ (б), полученные с помощью атомно-силового микроскопа. На рис. 16 АСМ - изображения показывают упорядоченное гранулированное строение плёнки. Зёрна выстроены в линейные цепочки, ориентированные в одном направлении на значительных участках поверхности (площадью до десятков мкм2), перекрывающиеся аналогичными линейными цепочками, расположенными в ином направлении (рис. 2а). Осмотр изображения на рис. 26 показывает, что формирующие плёнку зёрна можно разделить по морфологическим признакам на два типа. Первый тип представлен округлыми частицами с фрагментами огранен-

;550.Э

rm i л

SS1J .1

U.J nm

0.0 850.0 1700.0 2550.0 34С0.0 б) (PeWBaFj),

а) упорядоченное зёренное строение б) типы частиц, формирующие плёнку

Рис. 2. Наноструктура плёнок (Fe^Bai^),,.

ных форм величиной 100 - 150 нм, образующих обособленные скопления до 300 нм в диаметре. При меньшем увеличении (например, аналогично рис. 2а) эти скопления воспринимаются как зёрна. Наряду с ними наблюдаются угловатые частицы величиной также около 300 нм, неправильной формы. Помимо размеров, частицы этого типа отличаются пористостью поверхности, на которой имеется от одной до нескольких пор. Пористые частицы и агрегаты близки по размерам, что позволяет им формировать регулярные структуры.

В отличие от плёнок (Ре)ж(ВаГ2)у, плёнки железа сложены однородными округлыми частицами размерами от 50 до 70 нм (рис. 1а). Эти частицы, агрегируясь в цепочки, формируют многослойные шестигранные «соты», диаметром до 500 нм, которые фрагментами, либо целиком, наблюдаются практически на всей поверхности плёнки.

Образование плёнки характеризуется тремя стадиями:

а) зарождение островков осажденного материала;

б) их изолированный рост;

в) слияние островков и формирование трёхмерной плёнки.

Наблюдаемые зёрна в начале можно интерпретировать островками,

которые, сливаясь в процессе роста, формируют почти сплошные плёнки. Их размеры и форма определяются значениями поверхностных энергий на границах взаимодействующих фаз в процессе формирования плёнки и определяющих эффекты смачивания, агрегации и т. д.

Подводя итог описанию наноструктуры плёнок Ре и (Ре^ВаРг)^ следует отметить, что малые округлые частицы плёнок железа соединяются в более крупные зёрна шестигранной формы (рис. 1а), а слой ВаРг, напыленный сверху окутывает эти зёрна, еще более увеличивая их размеры и заполняя промежутки между малыми частицами (рис. 16). Таким образом, ВаР2 располагается не только на поверхности плёнок (Ре)1(ВаРг)у, но и проникает вглубь слоя Ре, образуя некоторый композитный слой. Эти особенности строения плёнок (ЕеЦВаР2)у в значительной мере определяют как их проводящие, так и отражающие свойства.

На рис. 3 показана зависимость удельной проводимости плёнки чистого железа в вакууме (черные квадратики, кривая 1) и плёнки (Ре);г(ВаР2)у (при этом толщина слоя железа составляла 70 нм, а слоя ВаРг — 75 нм) (темные кружки, кривая 2) от их толщины. Как следует из рисунка, начиная с толщины 10 нм, проводимость плёнок железа резко увеличивается в пределах пяти порядков, при изменении толщины всего на 20 нм, что указывает на процесс слияния островков и формироваг ния сплошной металлической плёнки. Дальнейшее увеличение толщины приводит к насыщению проводимости, при котором ее значение не превышает 8 • 105 См/м.

Двухслойная плёнка формировалась путем напыления слоя ВаРг на плёнку железа толщиной 70 нм, которая находилась на полимерной подложке. Как видно из вида кривой 2 на рис. 3 напыление диэлектрика незначительно уменьшает проводимость плёнки (до 2 • 105 См/м в насыщении).

Рис. 3 также иллюстрирует зависимости проводимости от толщины двухслойной плёнки (№)х(ВаР2)у и слоя железа из состава этой структуры в воздушной среде (кривые 4 и 3, соответственно). Качественно ход кривых, описывающих проводящие свойства двухслойных плёнок, совпадает с кривой проводимости плёнок железа. Однако, рост проводи-

Рис. 3. Зависимость удельной проводимости от толщины для: 1 — плёнка железа в вакууме, 2 — слой (ВаРг)^ из плёнки (Fe)x(BaF2)!/, 3 — слой железа из состава (Fe)I(BaF2)s,, 4 — плёнка (Fe)a:(BaF2)!/.

мости наблюдается, начиная с толщины 25 нм, и продолжается в большем интервале толщин, чем для плёнок железа. В насыщении значение проводимости для двухслойных структур составляет ~ 105 См/м. Поднятие кривой <x(d) для слоя железа из состава (Fe).T(BaF2):!/ происходит параллельно кривой a(d) для двухслойной структуры, имея смещение от неё по толщине ~ 20 нм. Это свидетельствует о том, что проводящие свойства двухслойной плёнки (Fe),x(Bap2)y определяются в основном содержанием в ней железа. Так, при толщинах 25 - 30 нм отличие в проводимости составляет около четырех порядков (0,2 См/м для двухслойной структуры и 7-102 См/м для железа из её состава). При толщинах плёнок около 50 нм — чуть менее двух порядков (6-102 См/м и 3-104 См/м, соответственно), а в области насыщения значения проводимости совпадают. Однако, даже в области насыщения проводимость слоя железа плёнки (Fe)x(BaF2)j, в 4 - 5 раз меньше проводимости плёнок железа (рис. 3). Это объясняется особенностью наноструктуры двухслойных плёнок. Как было показано выше, BaF2 частично проникает вглубь Fe, поэтому на

проводящие свойства железа из состава структуры значительное влияние оказывает диэлектрик, которого нет в плёнках чистого железа.

На рис. 4 показаны зависимости коэффициента отражения плёнок Ре, Ре из состава (Ре)т(ВаР2)у и плёнок (Ре)х(ВаР2)и от их толщины при нормальном падении СВЧ волны на частоте 10 ГГц. На рисунке отчетливо просматриваются три области, описывающие поведение коэффициента отражения с толщиной:

• первая характеризуется отсутствием зависимости как таковой — тонкий слой плёнки, который не «чувствует» волна, поэтому отражение в этой области определяется свойствами диэлектрической подложки,

• вторая соответствует резкому росту коэффициента отражения, вызванному увеличением проводимости в этой области за счёт увеличения толщины плёнки,

• третья — область насыщения коэффициента отражения, связанная с формированием отражающего слоя, способного максимально отражать СВЧ волны.

Необходимо отметить, что значение коэффициента отражения Я в насыщении составляет 0,85, что согласуется с результатами работы [15], т.к. из рис. 3 следует, что проводимость плёнок железа в насыщении не превышает 8 • 105 См/м (кривая 1), тогда как, согласно [17], значение проводимости, позволяющее плёнке полностью отражать СВЧ волну должно быть больше на порядок. Значение коэффициента отражения для плёнок (Ре)х(ВаРг)у во всех трёх областях (даже в насыщении) меньше, чем для плёнок железа. Это объясняется тем, что при одинаковых толщинах содержание железа в плёнках (Ре)х(ВаРг)у значительно меньше, так как в эту толщину входит как слой Ре, так и слой ВаРг. Но если на малых толщинах (до 40 - 45 нм) коэффициент отражения для плёнок железа до 5 раз превышает значение на аналогичных толщинах для плёнок (К>)х(ВаРа)„, то в области насыщения отличие составляет не более 5-10%. Это объясняется тем, что на малых толщинах у плёнок

*(с!)

(1, нм

Рис. 4. Зависимость коэффициента отражения от толщины плёнок: квадратики — железо, кружки — (Ре)х(ВаР2)г/, треугольники — железо из состава (Ре)х(ВаР2)г

(Ре)а;(ВаР2)у и без того небольшой слой металла покрыт ещё и слоем ВаР2, поэтому пока на этих толщинах для плёнок железа наблюдается рост коэффициента отражения с толщиной, у плёнок (Ре)ж(Вар2)„ малые значения коэффициента отражения определяется сначала свойствами подложки, а затем слоем ВаР2. В результате вторая область для плёнок (Ре)ж(ВаР2)!/ начинается на существенно больших толщинах (с 45 нм), чем у плёнок чистого железа (с 10 нм).

В следующем разделе описана методика определения концентрации и проводимости включений в метталло-диэлектрических плёнках. Для этого используются экспериментальные зависимости проводимости и отражения плёнок от толщины. Установлено, что в исследованных плёнках железа концентрация включений варьировалась в пределах от 0,6 до 0,7, а средняя проводимость включений менялась в пределах 104 — 105 См/м (рис. 5).

Показано, что для сравнительно тонких плёнок железа слой диэлектрика ВаР2 оказывает влияние на коэффициент отражения плё-

R(d)

II 0,6

0.8-

n ••. 0,7

0.6-

0.4-

0.2-

.2- fj

// к (РеМВйУу

о i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i

О 20 40 60 80 100 120 140 160

d, ни

Рис. 5. Теоретические и экспериментальные зависимости коэффициента отражения плёнок Fe от толщины при разных концентрациях включений

нок, изменяя эффективную проводимость слоя Fe за счет включений из диэлектрика, в то время как свойства толстых плёнок от слоя BaFa практически не зависят.

В последней части главы описаны результаты исследований зависимостей массы на единицу поверхности и электрического сопротивления плёнок Fe, (Pe)s(W03)„, (Fe)I(Mo03)!/, (Fe)I(Al)y от времени нахождения их в вакуумной камере с остаточным давлением Ю-5 Topp и на воздухе. Выявлено, что тонкие плёнки Fe, толщиной до 10 нм начинают окисляться уже при напылении, находясь в вакуумной камере с остаточным давлением газа 10~5 Topp, и окисляются полностью на воздухе в течение нескольких секунд. Более толстые плёнки с толщиной, большей 20 нм, полностью не окисляются, однако слой окисла занимает значительную часть плёнки и увеличивается со временем. Основная часть железа, находясь на воздухе, окисляется в течение 200 секунд, однако, процесс окисления продолжается и далее.

Показано, что из исследованных веществ: металла AI и диэлектриков WO3, М0О3, которые использовались для создания второго слоя,

уменьшающего скорость окисления слоя железа, оптимальным является металлическое покрытие из А1, которое в исследованном временном интервале защищает плёнку Ре от окисления. Покрытие из диэлектрика защищает плёнки железа от окисления значительно хуже, а увеличение толщины диэлектрической фазы из WQз и М0О3 лишь замедляет скорость окисления.

В заключении приводятся основные выводы по диссертационной работе и положения, выносимые автором на защиту.

Поставленная цель, состоящая в комплексном исследовании электрических и СВЧ-отражающих свойств тонких металлических и металлодиэлектрических плёнок с включениями и композитными структурами, достигнута. Решены следующие задачи:

1. Исследовано поведение СВЧ электромагнитного поля в неоднородных средах;

2. Изучена диэлектрическая проницаемость и проводимость композитных слоев;

3. Выполнен расчет коэффициентов отражения, прохождения и поглощения в многослойных структурах с включениями;

4. Изготовлены серии тонких плёнок Ре, (Ге)1(ВаР2)у, (Ре)1(А1)у, (Ре)1(ШОз)у, (Ре)г(МоО)у с разной толщиной;

5. Экспериментальное исследованы проводящие и СВЧ - отражающие свойства полученных плёнок и определено влияние на них окисления слоя Ре и включений, возникающих при напылении диэлектрического слоя.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Зависимость диэлектрической проницаемости, проводимости композитных слоев от концентрации включений;

3. Зависимости проводящих и СВЧ-отражающих свойств плёнок Ре, (Ре)г(ВаР2)у от толщины слоёв и концентрации включений;

Список публикаций по материалам диссертации

[А1] Наноструктура, проводящие и отражающие свойства тонких пленок железа и (.Ре)х{ВаР2)у / И. В. Антонец, Л. Н. Котов, П. А. Макаров, Е. А. Голубев // ЖТФ. - 2010. - Т. 80, № 9. - С. 134-140.

[А2] Сопротивление и окисление плёнок железа и влияние верхнего слоя из диэлектриков и металла / Л. Н. Котов, И. В. Антонец, Р. И. Королев, П. А. Макаров // Вестник Челябинского государственного университета. Физика. Вып. 12. - 2011. - Т. 39 (254). - С. 57-62.

[АЗ] Макаров, П. А. Электродинамические исследования отражающих свойств многослойных тонкопленочных структур / П. А. Макаров, Л. Н. Котов, И. В. Антонец // Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах. Сборник трудов международной конференции. — Махачкала: 2009. — С. 87-90.

[А4] Антонец, И. В. Проводящие и отражающие свойства тонких пленок железа и (Ре)1(ВаР2)!/ / И. В. Антонец, П. А. Макаров // Магнитные фазовые переходы. Сборник трудов IX международного семинара. — Махачкала: 2009. — С. 79-82.

[А5] Макаров, П. А. Исследование высокочастотных отражающих свойств тонкой двухслойной структуры / П. А. Макаров // X Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков: Тез. докл. — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. — С. 57-59.

[А6] Макаров, П. А. Исследование обратных волн в тонких изотропных слоях / П. А. Макаров // Сборник тезисов, материалы Тринадцатой Всероссийской научной конференции студенов-физиков и молодых

ученых (ВНКСФ-13, Ростов-на-Дону, Таганрог): Материалы конференции, тезисы докладов. — Екатеринбург — Ростов-нагДону — Таганрог: АСФ России, 2007. - С. 565-566.

[А7] Макаров, П. А. Электродинамические исследования тонких многослойных структур / П. А. Макаров // Сборник тезисов, материалы Пятнадцатой Всероссийской научной конференции студенов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15, Кемерово — Томск): материалы конференции, тезисы докладов. — Екатеринбург — Кемерово: АСФ России, 2009. - С. 136-137.

[А8] Макаров, П. А. Исследование электромагнитных свойств композитных сред / П. А. Макаров // Материалы докладов I Всероссийской молодежной научной конференции «Молодежь и наука на Севере». - Т. 1. - Сыктывкар: 2008. - С. 42-43.

[А9] Макаров, П. А. Коэффициенты отражения и прохождения электромагнитных СВЧ волн для многослойных тонкопленочных структур / П. А. Макаров // Тезисы докладов XLIV Зимней школы ПИЯФ РАН, секция физики конденсированного состояния. — СПб.: 2010. - С. 66-68.

Литература

[1] Dielectric, ferroelectric, magnetic, and magnetoelectric properties of mul-tiferroic laminated composites / N. Cai, J. Zhai, C.-W. Nan et al. // Physical Review B. - 2003. - Vol. 68. - P. 224103.

[2] Complex permittivity, permeability and electromagnetic wave absorption of a-Fe/C(amorphous) and Fe2B/C(amorphous) nanocomposites / Jiu Rong Liu, Masahiro Itoh, Takashi Horikawa et al. // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2004. - Vol. 37. - Pp. 2737-2741.

[3] Состав, структура и свойства наноструктурных плёнок боридов тантала / А. А. Гончаров, П. И. Игнатенко, В. В. Петухов и др. // ЖТФ. - 2006. - Т. 76, № 10. - С. 87-90.

[4] Антонец, И. В. Распространение волн через тонкие слои и пленки / И. В. Антонец, В. И. Щеглов. — Сыктывкар: Изд-во Сыктывкарского гос. ун-та, 2010. - С. 132.

[5] Исследование эффективной диэлектрической проницаемости композитного материала CaSCU • 2НгО — графит / И. В. Бычков, Д. В. Дубровских, И. С. Зотов, А. А. Федий // Вестник Челябинского государственного университета. — 2011. — Т. 7, № 9. — С. 7-15.

[6] Изотов, А. В. Исследование восприимчивости и магнитных неод-нородностей тонких плёнок методом ферромагнитного резонанса: Автореф. дис... канд. ф.-м. наук: 01.04.11 / Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН. — Красноярск, 2003. - С. 22.

[7] Сукстанский, А. Л. Доменная структура в ультратонкой ФМ пленке. Трехпараметрическая модель / A. JL Сукстанский, К. И. Примак // Физика твердого тела. - 2003. — Т. 45, № 1. - С. 105-112.

[8] Cochrana, J. F. Ferromagnetic resonance in very thin films / J. F. Cochrana, V. Kambersky // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2006. - Vol. 302. - Pp. 348—361.

[9] de Cos, D. Ferromagnetic resonance in gigahertz magneto-impedance of multilayer systems / D. de Cos, A. Garcia-Arribas, J. M. Barandiaran // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2006. — Vol. 304. — Pp. 218-221.

[10] Особенности частотного спектра нелинейного магнитоимпеданса многослойных пленочных структур / Н. А. Бузников, А. С. Антонов, A. JI. Дьячков, А. А. Рахманов // ЖТФ. - 2004. - Т. 74, № 5. - С. 56-61.

[11] de Sihues, М. Diaz. A ferromagnetic resonance study of NiFe alloy thin films / M. Diaz de Sihues, C. A. Durante-Rincón, J. R. Fermin // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2007. — Vol. 316. — Pp. e462— -e465.

[12] Thermal evolution of the ferromagnetic resonance in Fe^Os/SiCb nanocomposites for magneto-optical sensors / D. Ortega, J. S. Garitao-nandi, C. Barrera-Solano, M. Dominguez // Sensors and Actuators A. — 2008. - Vol. 142. - Pp. 554-560.

[13] Гранулированные нанокомпозиты металл — диэлектрик с аморфной структурой / Ю. Е. Калинин, А. Т. Пономаренко, А. В. Ситников, О. В. Стогней // Физика и химия обработки материалов. — 2001. - № 5. - С. 14-20.

[14] Бучелъников, В. Д. Коэффициент отражения электромагнитных волн от поверхности пластины феррита кубической симметрии / В. Д. Бучельников, А. В. Бабушкин, И. В. Бычков // Физика твердого тела. - 2003. - Т. 45, № 4. - С. 663-672.

[15] Проводящие и отражающие свойства тонких металлических пленок / И. В. Антонец, Л. Н. Котов, С. В. Некипелов, Е. Н. Карпушов // ЖТФ. - 2004. - Т. 74, № 11. - С. 102-106.

[16] Высокочастотное спин-зависящее туннелирование в нанокомпози-тах / А. Б. Грановский, А. А. Козлов, Т. В. Багмут и др. // Физика твердого тела. — 2005. - Т. 47, № 4. — С. 713-715.

[17] Проводящие и отражающие свойства пленок нанометровых толщин из различных металлов / И. В. Антонец, Л. Н. Котов, В. Г. Шавров, В. И. Щеглов // Радиотехника и электроника. — 2006. — Т. 51, № 12. - С. 1394-1401.

[18] Coey, J. М. D. Magnetism and Magnetic Materials / J. M. D. Coey. — New York: Cambridge University Press, 2010. — P. 632.

[19] Zhang, Z. Observation of ferromagnetic resonance in a microscopic sample using magnetic resonance force microscopy / Z. Zhang, P. C. Hammel, P. E. Wigen // Applied Physics Letters. — 1996. — Vol. 68, no. 14. — Pp. 2005-2007.

[20] JJnguris, J. Scanning Electron Microscopy with Polarization Analysis (SEMPA) and its Applications / J. Unguris // Magnetic Imaging and

its Applications to Materials / Ed. by Maxe De Graef, Yimei Zhu. — Academic Press, 2000. - Pp. 271-303.

[21] Трубецков, Д. И. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. / Д. И. Трубецков, А. Е. Храмов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.

- Т. 2. - С. 648.

[22] Применение наноразмерных плёнок титаната бария-стронция для перестраиваемых сверхвысокочастотных устройств / Вас. М. Мухор-тов, С. И. Масычев, Ю. И. Головко и др. // ЖТФ. - 2006. - Т. 76, № 10. - С. 106-109.

[23] Ряды устройств для преобразования частоты на основе многофункциональной GaAs МИС / Ю. М. Богданов, В. Г. Красник, В. Г. Лапин и др. // Электронная техника. Сер. 1, СВЧ-техника. — 2007. — № 1(489). - С. 50-57.

[24] Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов / И. П. Бушминский, О. Ш. Даутов, А. П. Достанко и др.; Под ред. А. П. Достанко, Ш. М. Чабдарова.

- М.: Радио и связь, 1989. - С. 624.

[25] Overview of Nanoelectronic Devices / David Goldhaber-Gordon, Michael S. Montemerlo, J. Christopher Love et al. — The Proceedings of the IEEE, 1997. - P. 34.

[26] Designs for ultra-tiny, special-purpose nanoelectronic circuits / Shamik Das, Alexander J. Gates, Hassen A. Abdu et al. // IEEE Transactions on Circuts and Systems — I: Regular Papers. — 2007. — Vol. 54, no. 11. - Pp. 2528-2540.

[27] Хюлст, Ван de. Рассеяние света малыми частицами / Ван де Хюлст.

- М.: Издательство иностранной литературы, 1961. — С. 536.

[28] Нагаев, Э. JI. Малые металлические частицы / Э. Л. Нагаев // УФЕ.

- 1992. - Т. 162, № 9. - С. 49-124.

[29] Карпов, А. А. Моделирование переноса электромагнитного излучения в аэрозольных облаках / А. А. Карпов, В. В. Чередов // Математическое моделирование. — 1999. — Т. 11, № 3. — С. 13-22.

[30] Sihvola, Ari Н. Effective Permittivity of Dielectric Mixtures / Ari H. Si-hvola, Jin Au Kong // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 1988. - Vol. 26, no. 4. - Pp. 420-429.

[31] Sarabandi, Kamal Numerical Scattering Analysis for Two-Dimensional Dense Random Media: Characterization of Effective Permittivity / Kama! Sarabandi, Paul R. Siqueira // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 1997. - Vol. 45, no. 5. - Pp. 858-867.

[32] Сушко, M. Я. Метод компактных групп в теории диэлектрической проницаемости гетерогенных систем / М. Я. Сушко, С. К. Крись-кив // ЖТФ. - 2009. - Т. 79, № 3. - С. 97-101.

[33] Ерюхин, А. В. Основы вакуумных измерений / А. В. Ерюхин. — М.: Машиностроение, 1977. — С. 40.

[34] Технология тонких пленок. Справочник / Под ред. JI. Майссела, Р. Глэнга. — М.: «Советское радио», 1977. - Т. 1. — С. 664.

[35] Кеменов, В. Н. Вакуумная техника и технология / В. Н. Кеменов, С. Б. Нестеров. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - С. 84.

ИПО СыктГУ. Заказ № 85. Тираж 100 экз. Усл. п. л. 1,6.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Макаров, Павел Андреевич, Сыктывкар

61 12-1/992

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФБГОУ ВПО

«СЫКТЫВКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Макаров Павел Андреевич

ПРОВОДЯЩИЕ И СВЧ-ОТРАЖАЮЩИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЁНОК С ВКЛЮЧЕНИЯМИ

01.04.07 — физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико - математических наук

Научный руководитель доктор физико - математических наук профессор Л. Н. Котов

Сыктывкар 2012

Оглавление

Введение 3

Глава 1. Обзор литературы 10

1.1. Практическое значение многослойных тонкопленочных структур 10

1.2. Формирование и структурные особенности тонких плёнок .... 17

1.3. Распространение ЭМВ в тонких плёнках.............19

1.4. Теория эффективной среды.....................27

1.5. Постановка задачи..........................36

Глава 2. ЭМВ в мнослойных плёнках с включениями 38

2.1. Волновые уравнения для неоднородной среды..........39

2.2. Кинетические коэффициенты сред с включениями........44

2.3. Граница раздела двух сред.....................49

2.4. Распространение СВЧ- излучения в многоплёночных системах . 55

Глава 3. Методика эксперимента и результаты исследований 75

3.1. Методика и техника эксперимента.................75

3.2. Результаты эксперимента и их обсуждение................80

Заключение 99

Авторский список литературы 102

Литература 104

Введение

Актуальность проблемы

Изучение проводящих и СВЧ - отражающих свойств низкоразмерных систем является одним из важнейших направлений современной физики конденсированного состояния, которое включает в себя исследование тонких плёнок, поверхностей, различных мультислойных и композитных структур, и имеет первостепенное значение для их практического использования.

Многослойные и композитные структуры широко исследуются в настоящее время в связи с разнообразием проявляемых ими аномальных электрических [1-8] и магнитных [2,9-20] свойств. Особенности микро - и наноструктуры подобных объектов непосредственно обуславливают их материальные параметры (диэлектрическую, магнитную проницаемость, проводимость), а вместе с ними и отражение, прохождение и поглощение электромагнитных волн в данных системах [А1-А9] [4,8,21-25,25-31].

Интерес к изучению микро - и наносистем связан также с решением различных фундаментальных проблем. Исследования в этой области подкрепляются как открытием новых явлений, таких, например, как квантовые эффекты Холла, Зенона, так и появлением принципиально новых технологий получения планарных структур, позволяющих изготавливать многослойные структуры из самых различных материалов. Всё это приводит к развитию новых идей и принципов, которые вызывают потребность в более глубоком и детальном теоретическом анализе, а также в постановке комплексных экспе-

риментальных исследований.

Большое значение имеют исследования пространственных неодно-родностей низкоразмерных структур [32, 33], обусловленных как несовершенством поверхности подложек, так и технологей получения плёнок. Зачастую подобные неоднородности делают достаточно сложным, а во многих случаях невозможным наблюдение «тонких» эффектов, усложняют понимание физической природы наблюдаемых явлений. В силу данных причин наблюдается бурное развитие техники и аппаратуры для измерений структурных, электрических и магнитных свойств низкоразмерных систем [34,35]. Степень неоднородности планарных структур, характер распределения дефектов по их поверхности являются важными факторами, влияющими на предельно достижимые параметры и надежность работы многих устройств на основе тонких плёнок. В связи с этим большой практический интерес вызывает исследование влияния неоднородности структуры плёночных систем на их электродинамические свойства.

Тема настоящей диссертационной работы соответствует перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований, утверждённых Президиумом РАН (раздел 1.2. — «Физика конденсированного состояния вещества», подраздел 1.2.5. — «Физика твёрдотельных наноструктур, ме-зоскопия»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре радиофизики и электроники ФГБОУ ВПО «Сыктывкарский государственный университет» при финансовой поддержке Министерства образования и науки (темплан НИР 2008 - 2011) и грантов РФФИ (06-02-17302, 09.-02-9800_р_север_а, 10-02-01327).

Объект и предмет исследования

Объект исследования — металлические, металл - диэлектрические плён-

ки с включениями и композитными структурами. Предметом исследования является вопрос взаимосвязи включений с проводимостью, диэлектрической проницаемостью и отражающими свойствами в СВЧ - диапазоне двухслойных металлодиэлектрических плёнок.

Цели и задачи настоящего исследования

Целью настоящей работы является комплексное исследование электрических и СВЧ - отражающих свойств тонких металлических и металлодиэлектрических плёнок с включениями и композитными структурами на диэлектрической подложке, включающее в себя как теоретическое моделирование, так и экспериментальное исследование их проводящих и отражающих свойств в СВЧ-диапазоне. Для достижения выбранной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование поведения СВЧ электромагнитного поля в неоднородных средах;

2. Изучение диэлектрической проницаемости и проводимости композитных слоёв;

3. Расчет коэффициентов отражения, прохождения и поглощения в многослойных структурах с включениями;

4. Изготовление серий тонких плёнок Ре, (Ре)ж(ВаР2)у, (Ре)ж(А1)2/, (Ре)ж(\¥Оз)у, (Ре)ж(МоОз)2/ с разной толщиной;

5. Экспериментальное исследование проводящих и СВЧ - отражающих свойств полученных плёнок и влияние на них окисления слоя Ре и включений, возникающих при напылении диэлектрического слоя.

Научная новизна

2. На основе приближений Максвелла — Гарнетта, Полдера — ван Сан-тена, фон Бруггемана проанализирована эффективная диэлектрическая проницаемость и проводимость композитных сред в зависимости от концентрации включений.

3. Предложена методика расчета коэффициентов отражения, прохождения и поглощения СВЧ - волн в многослойных неоднородных композитных средах.

4. Проведен анализ влияния включений в составе многослойной системы на её проводящие и отражающие свойства.

5. Изготовлены образцы нанокомпозитных металлических и металло-диэлектрических плёнок Бе, (Бе)ж(ВаБ2)у, (Бе)ж(А1)2/, (Бе^^Юз)?,, (Бе)а;(МоОз)?/, исследованы их проводящие и СВЧ - отражающие свойства, а также наноструктура плёнок Бе, (Бе^ВаБг)^.

6. Измерено изменение массы плёнок от времени в процессе и после напыления.

Практическая значимость работы

Методика расчета коэффициентов отражения, прохождения и поглощения может быть эффективно использована для оперативной диагностики тон-

коплёночных материалов, в том числе контроля концентрации и проводимости включений.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Зависимость диэлектрической проницаемости, проводимости композитных слоёв от концентрации включений;

3. Зависимости проводящих и СВЧ - отражающих свойств плёнок Ре, (Ре)ж(ВаР2)у от толщины слоёв и концентрации включений;

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях, школах и семинарах: X, XII Всероссийской научной конференции студентов радиофизиков (Санкт-Петербург, 2006, 2007); 1 Всероссийской молодежной научной конференции (Сыктывкар, 2008); молодёжной научной конференции памяти Н. А. Фролова (Сыктывкар, 2009); XIV Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых учёных (Кемерово, 2009); международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2009); ХЫУ зимней школе ПИЯФ РАН, секция физики конденсированного состояния (Санкт-Петербург, 2010); молодёжной научной конференции памяти Ф.А.Бабушкина (Сыктывкар, 2008, 2010); университетских конференциях «Февральские чтения» (Сыктывкар, 2009 - 2012); научных семинарах ка-

федры радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета.

Публикации

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка авторской и цитированной литературы. Общий объем диссертации — 119 страниц, включая 36 рисунков и 1 таблицу. Библиографический список содержит 123 наименования.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приводятся различные свойства и параметры тонких композитных плёнок. Приведены физические принципы, на основе которых используются низкоразмерные структуры. Также рассмотрены различные типы отражения, прохождения, рассеяния и поглощения энергии электромагнитных волн в данных системах с использованием феноменологического подхода. Описаны основные результаты работ [8,36] по изучению связи проводящих и СВЧ свойств тонких многослой-

ных структур.

Рассмотрена вспомогательная задача об отклике сферического включения на внешнее электромагнитное поле в трёх случаях: в статическом приближении, в переменном поле невысокой частоты и высокочастотном поле, когда необходимо учитывать скин-эффект [37-39]. Для данных случаев выводятся поляризуемости частиц.

Последняя часть главы посвящена приближениям теории эффективной среды. Рассматривается диэлектрическая проницаемость композитных сред для модели Максвелла [40-42].

Приведён рекуррентный метод определения коэффициентов отражения Я, прохождения Т и поглощения электромагнитных волн при распространении через многослойные системы.

В заключении приводятся основные выводы по диссертационной работе и положения, выносимые автором на защиту.

Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Практическое значение многослойных тонкопленочных структур

Изучение свойств тонких пленок играет большую роль для создания и усовершенствования различных СВЧ устройств, таких как фазированные антенные решетки, перестраиваемые фильтры, гетеродины с низким уровнем фазового шума, параметрические усилители, генераторы, а так же преобразователи частоты: смесители, делители, умножители [43-46].

Тонкопленочные технологии находят применение и в интегральной электронике, при создании различных активных и пассивных элементов высокой стабильности и точности, например, в гибридных и монолитных интегральных микросхемах применяются тонкопленочные транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, интегрирующие и дифференцирующие ЯС-цепи [18,47-50]. Замена диффузионных резисторов на тонкоплёночные дает целый ряд преимуществ: низкий температурный коэффициент сопротивления, низкую паразитную ёмкость, более высокую радиационную стойкость, более высокую точность номинала.

Изучение проводящих и отражающих свойств тонких пленок толщиной порядка 10 - 500 нм в СВЧ диапазоне имеет большое значение в области обработки и хранения информации [17].

Рассмотрим подробнее некоторые применения многослойных тонкопленочных структур.

СВЧ - техника

Для изготовления оконечных нагрузок и аттенюаторных пластин используются поглощающие материалы. Для печатных полосковых линий применяются: объемные, пленочные (поверхностные) и комбинированные нагрузки.

Плёночные поглощающие элементы представляют собой проводящие пленки из нихрома, ферросиллиция, сурьмы, препаратов графита и т.д., нанесенные на диэлектрические основания: слюду, керамику, тонкие органические пленки и прочие диэлектрические материалы.

Комбинированные поглощающие материалы представляют собой сочетание объемного и пленочного поглощающих элементов. В качестве основания для проводящей пленки используются пластины из поглощающей массы. Комбинированные поглотители имеют наибольшее поглощение на единицу длины по сравнению с другими материалами. Нанесение проводящих плёнок производится методами технологии изготовления пленочных микросхем [51,52].

Тонкопленочные технологии в интегральной электронике

Большое достоинство тонкоплёночной технологии — гибкость, выражающаяся в возможности выбора материалов с оптимальными параметрами и характеристиками и в получении практически любой требуемой конфигурации и параметров пассивных элементов. При этом допуски, с которыми выдерживаются отдельные параметры элементов, могут быть доведены до 1 -2%. Это достоинство особенно эффективно проявляется в тех случаях, когда точное значение номиналов и стабильность параметров пассивных компонен-

тов имеют решающее значение (например, при изготовлении линейных схем, резистивных и резистивно - ёмкостных схем, некоторых видов фильтров, фа-зочувствительных и избирательных схем, генераторов и т.п.) [48,50,53-57].

Плёночные элементы

В совмещённых и гибридных интегральных микросхемах пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, распределённые RC - структуры) изготавливаются по плёночной технологии путём напыления или нанесения многослойных резистивных, проводящих и изолирующих плёнок на поверхности подложки. В качестве подложки в гибридных микросхемах обычно применяют силикатные стёкла и их модификации — ситаллы. На такой керамической пластине, которая одновременно используется в качестве подложки для сборки всей микросхемы, располагаются плёночные резисторы и конденсаторы. В совмещённых микросхемах подложкой служит кремниевый кристалл, поверхность которого покрывается окисным слоем, пассивирующим активные элементы.

Резисторы

Резисторы характеризуются сопротивлением, температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), допуском на сопротивление и допустимой мощностью рассеяния.

Номинальное сопротивление тонкоплёночных резисторов рассчитывается по формуле

r = p*2> (L1)

где ps = p/h — удельное сопротивление квадрата резистивной плёнки;

р — удельное сопротивление материала; к, I и 4 — соответственно толщина, длина и ширина плёнки.

Конденсаторы

Емкость плёночного конденсатора тоже определяется как произведение удельной ёмкости Суд и площади обкладок т. е. С = Суд»*?. Удельная ёмкость плёночного конденсатора (ёмкость, приходящаяся на квадратный сантиметр поверхности подложки) рассчитывается по формуле

Суд = 0,0884^, (1.2)

где (1 — толщина диэлектрика; еА — диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Предельное значение удельной ёмкости ограничено минимально допустимой толщиной диэлектрика определяемой электрической прочностью материала, условием теплоотвода и микрорельефом нижней обкладки.

Распределённые КС - структуры

В гибридных интегральных микросхемах используются распределённые ЫС- структуры, представляющие собой элементы, состоящие из плёночного резистора Л, напылённого на подложку с большой диэлектрической проницаемостью, совмещенного с конденсатором С, обкладками которого служат с одной стороны подложки резистивная плёнка й, а с другой стороны — проводящая или также резистивная плёнка. В последнем случае образуется ЖЖИ,- структура.

В микросхемах Г1С- структуры используются в качестве интегрирующих, дифференцирующих цепей, в виде фильтров (рис. 1.1) и т.д.

о-

-1У у у у у у л-

2 -о

3 о-

а)

б)

в)

Рис. 1.1. Схемы включения ЫС- с