Влияние толщины металлических пленок на удельное поверхностное сопротивление и его температурный коэффициент
Свойства металлических пленок связаны с размерными эффектами. Так их вклад электропроводность существенен, если толщина пленки соизмерима с lср.
На рисунке 5.4 представлены типичные зависимости поверхностного сопротивления тонких пленок s и его температурного коэффициента s от толщины пленки. Поскольку взаимосвязь конструктивных (длины l, ширины b, толщины h пленки) и технологических () параметров тонкопленочного резистора (ТПР) устанавливается уравнением:
(5.7)
где
– сопротивление квадрата (или удельное
поверхностное сопротивление), то примем
традиционные обозначения
вместо s
и
вместо s.
Рис. 5.4. Характер изменения и от толщины пленки h
Рост металлических пленок сопровождается четырьмя стадиями [6]:
I – образование и рост островков металла (механизмы, ответственные за перенос заряда – термоэлектронная эмиссия и туннелирование электронов, расположенных выше уровня Ферми. Поверхностное сопротивление участков подложки, где нет металлической пленки, с ростом температуры падает, что обуславливает отрицательный пленок малой толщины);
II – касание островков между собой (момент смены знака у зависит от рода металла, условий формирования пленки, концентрации примесей, состояния поверхности подложки);
III – образование проводящей сетки, когда уменьшаются размеры и число промежутков между островками;
IV – формирование сплошной проводящей пленки, когда проводимость и приближаются к значению массивных проводников, но все-таки удельное сопротивление пленки больше, чем у объемного образца, из-за высокой концентрации дефектов, примесей, захваченных в пленку при осаждении. Поэтому пленки, окисленные по границам зерен, являются электрически прерывными, хотя физически они сплошные. Вносит вклад в рост и размерный эффект из-за снижения длины свободного пробега электронов при отражении их от поверхности образца.
5.2. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка состоит из персонального компьютера, измерительного блока и набора образцов проводниковых материалов установленных в термокамере внутри измерительного блока. Измерительные сигналы поступают в цифровом коде с измерительного блока в персональный компьютер, с помощью которого осуществляется управление процессом измерения температурной зависимости сопротивления проводниковых материалов и обработка результатов измерения.
Структурная схема измерений представлена на рисунке 5.5.
Измерительный блок подключается к персональному компьютеру (ПК) через интерфейс USB. В измерительном блоке осуществляется преобразование сопротивлений образцов в интервал времени, информация о котором передается в ПК.
Измерительная схема состоит из источника тока, коммутатора образцов, преобразователя напряжения в интервал времени.
Включение исследуемого образца в измерительную цепь осуществляется коммутатором образцов. Источник тока задает постоянный ток через образец. Падение напряжения на образце пропорционально значению его сопротивления. Далее преобразователь Utосуществляет преобразование этого напряжения в интервал времени, длительность которого определяется сопротивлением исследуемого образца. Образцы и нагреватель расположены в термокамере. С помощью схемы управления задается необходимый режим нагрева.
Рис. 5.5. Структурная схема
В ПК поступает информация о сопротивлениях всех четырех образцов. Значение температуры определяется по сопротивлению медного образца. Коррекция погрешности осуществляется путем измерения сопротивления образцового резистора в каждом цикле измерений. Программное обеспечение лабораторной установки осуществляет построение зависимости сопротивлений от температуры и расчет температурных параметров материалов.
Внешний вид измерительного блока представлен на рисунке 5.6.
Рис. 5.6. Внешний вид измерительного блока
Измерительный блок содержит термостат с установленными образцами и схему измерительных преобразователей. Расположение основных элементов блока отображено на рисунке 3, где 1 – тумблер «Сеть», 2 – индикатор включения питания. 3 – индикатор включения нагрева термостата.
Индикатор 3 включается в режиме измерения температурных зависимостей сопротивления. Нагрев осуществляется в импульсном режиме с интервалом 1-2 секунды.