Влияние физико-химических факторов на свойства пленок.

Электрофизические свойства пленок, независимо то способа их получения, зависят от: толщины, с увеличением толщины удельное сопротивление уменьшается, а теплопроводность увеличивается. Длина свободного пробега электронов в пленке оказывается меньше, чем в массивном материале, так как электроны в пленке испытывают дополнительные столкновения с границами поверхностей пленки. Для металлов удельная теплопроводность:

Удельная теплопроводность массивного металла зависит от длины свободного пробега электронов, перемещающихся между атомами кристаллической решетки. Поскольку в массивном металле длина свободного пробега электронов является постоянной величиной, его удельную теплопроводность можно считать постоянной для данного материала. В тонкой пленке, когда один из размеров проводника становится сравнимым с длиной свободного пробега электронов, начинает сказываться влияние электронов, отраженных от границы раздела металл – среда, у которых длина свободного пробега не является постоянной и изменяется с изменением толщины пленки.

Среднюю длину свободного пробега электронов определяют с учетом отражения электронов от границы раздела металл – среда, считая, что тонкие пленки имеют ту же кристаллическую структуру, как и массивный металл.

Для различных соотношений между толщиной пленки d и длинной свободного пробега  для электрона можно записать:

_п=_м(1- _м/4d) при d_п

_п=d/2 (0,5 – ln d/_м) при d_п

На структуру пленки вли­яет температура подложки в момент осаждения, поэтому удельное сопротивление зависит от температуры подложки. Если получить пленку на холодной подложке, то можно улучшить её параметры путем технологического отжига. В пленках осажденных на холодную подложку возникают механические напряжения, чтобы убрать этот дефект применяют технологический отжиг, он еще удаляет примеси попавшие в материал пленки при её нанесении. Пленки, отожженные в вакууме сразу после нанесения, являются стабильными по своим электрофизическим свойствам и обладают высокой механической прочностью. Удельное сопротивление большинства тонких металлических пле­нок после их прогрева необратимо уменьшается на 25—50%. У пле­нок, полученных термовакуумным напылением, удельное сопротив­ление уменьшается примерно от 2_м до 1,3_м (где _м — удельное со­противление массивного металла); у пленок, полученных ионно-плазменным распылением, это значение изменяется примерно от (4—10) _м до (1,5—1,8) _м.

Для каждого металла существует характерная температура, при которой происходят структурные превращения, которые сопровождаются резким уменьшением удельного сопротивления, эта температура близка к температуре рекристаллизации металла и зависит от толщины пленки d. Рекристаллизация металла – это процесс образования и роста одних зерен, за счет соседних зерен соседней фазы. Образование и рост зерен с более совершенной структурой, за счет исходных деформированных зерен с менее совершенной структурой называют первичной рекристаллизацией. На следующем этапе – который называют собирательной рекристаллизацией, идет рост одних рекристаллизованных зерен за счет таких же соседних зерен, в результате мелкокристаллическая структура преобразовывается в крупнокристаллическую.

Тонкие металлические пленки и массивные металлы существенно различаются также по плотности. Как показывают результаты экспериментального исследования, плотность тонких пленок, изго­товленных любым из двух рассматриваемых методов, значительно меньше плотности соответствующих массивных металлов. Кроме того, плотность тонких пленок зависит от условий их получения. На плотность пленки существенное влияние оказывает также скорость осаждения вещества.

Для любой толщины пленки справедливы соотношения:

m=j_пadl

R – сопротивление пленки;

_п – удельное сопротивление материала пленки;

j_п – плотность пленки;

l, a, d – длинна, ширина и толщина пленки.

из этих выражений

Следовательно, если определить соотношение между электриче­ским сопротивлением слоя и его массой, то можно найти измене­ние произведения плотности на удельное сопротивление пленки при различной толщине, меняя параметры технологического процесса и режимы обработки.

При разработке технологии изготовления тонко­пленочных элементов интегральных микросхем по значению пара­метра можно судить о правильности выбора режима термо­обработки. Если произведение для пленки сильно отличается от произведения для массивного металла, то режим термо­обработки следует выбрать более интенсивным, если близки режим выбран правильно.

TKR - определяют для стабильных пле­нок, прошедших термообработку. Установлено, что ТКR зависит от толщины пленок, причем с уменьшением толщины ТКR уменьша­ется, а при увеличении толщины приближается к значению, харак­терному для соответствующего массивного металла.

Наиболее важная задача при разработке пленочных резисторов ИМС - получение наименьшего значения TKR в диапазоне рабочих температур. Как показывают результаты иссле­дования, существует область толщин пленок, для которой харак­терен малый ТКR близкий к нулевому значению. Эта область тол­щин, называемая переходной, для данного материала определяется условиями получения пленки и может перемещаться в зависимости от этих условий.