Диссертация (1102985), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Соответственно, в процессе62переноса масс определяющим становится процесс электромиграции атомов вмежгранульных областях (или в областях с большим количеством дефектов).Стоит еще раз подчеркнуть, что рассмотренный механизм характерен длятонкихметаллическихпленок,вкоторыходновременновозможнопротекание тока большой плотности, умеренные температуры пленок (засчет эффективного отвода джоулева тепла диэлектрической подложкой) иналичие достаточно большого количества дефектов (границ гранул,примесей).Поскольку перенос массы вещества в тонкой пленке происходит путемперемещения вакансий/дефектов [74,75], то наибольший вклад в него вносятмежгранульные области, где концентрация дефектов существенно больше.При своем перемещении вакансии могут оказываться рядом друг от друга итем самым образовывать локальные полости. Такие полости играютопределяющую роль в формировании разрыва тонкой пленки. Как показанов работе [72], поток вакансий в межгранульных/приграничныхобластяхскладывается из потока атомов приграничной области и диффузии черезграницы гранул и определяется он следующим выражением:J v   DvCv  J b ,(3.5)где Dv – коэффициент диффузии вакансий в межгранульной области.Изменение концентрации вакансий Cvв межгранульной/приграничнойобласти может быть вычислено из уравнения:dCvC  Cv0, J v  vdt(3.6)где последнее слагаемое содержит отклонение концентрации вакансий отравновесного значения.

Величина  представляет среднее время жизнивакансии, которое определяется источником токапоглощении вакансии. В состоянии равновесияпри создании илиdCv 0 , т.е. Cv  Cv0  J v .dtИз этого следует, что увеличение концентрации вакансий относительноравновесного значения пропорционально увеличению63потока вакансий.Именно поэтому в местах, где зарождаются полости, процесс измененияструктуры пленки начинает протекать еще интенсивнее, и начинается"лавинообразное" разрушение структуры пленки проводника. Нарастаниескорости разрушения пленки осложняет задачу проведения контролируемогопроцесса разрыва. Однако, как будет показано ниже, своевременноеопределение начала образования в тонкопленочном проводнике полостей исужений позволяет на начальных этапах останавливать процесс разрыва ипроводить весь процесс разрыва ступенчато за несколько итераций. Такимобразом, эффект электромиграции, по сути разрушающий структуру пленки,может быть полезен и использован, например, для создания нанозазоров взолотых нанопроводах.В случае, когда проводник имеет однородную структуру и отсутствуетградиент температуры, нет расхождения потока атомов и вакансий, поэтомуразрушение материала с помощью электромиграции не происходит.

Однакобольшинство тонкопленочных проводников – это поликристаллическиепленки, содержащие в своей структуре довольно много дефектов; кроме того,температурные градиенты присутствуют всегда. Поэтому при любомлокальном изменении параметров пленки (уравнение 3.2) появляетсяразность в потоках атомов и вакансий. Разрушение структуры металлическойпленки в процессе электромиграции атомов начинается в первую очередь вобластях перенасыщенных вакансиями, при большой концентрации которыхначинают зарождаться полости.

По мере увеличения размера полостиплотность тока и температура вблизи нее будут возрастать, что повлечет засобойдальнейшееускорениепроцессаразрушения.Ростполостейсопровождается образованием уплотнений за счет перераспределениявещества пленки и в конечном итоге приводит к необратимому разрушениютонкопленочного проводника и потере электрического контакта [76]. Местообразования каждой полости является совершенно случайным, поэтомуместоположение разрыва тонкой пленки заранее предсказать невозможно.64Момент образования в пленке зазора (момент потери электрическогоконтакта) также является случайным. Однако оперативный (быстрый)контрользапроцессомреструктуризациипленки(образованиемполостей/сужений, изменением ее сопротивления) позволяет вовремяснимать внешнее воздействие и останавливать неуправляемое разрушениепленки.Длябольшейнаглядностиимеетсмыслпривестипримерынеоднородностей (дефектов) структуры тонкой пленки, с которых можетначинатьсяобразованиелокальныхполостейприпроведенииэлектромиграции.Дефектами структуры тонкой пленки можно считать: наличие в пленкегранул разного размера, разную структуру и форму самих гранул, наличиеграницгранул[77].Всеэтидефекты(неоднородности)априориприсутствуют в тонкой пленке, и именно с них начинается разрушениепленки в процессе электромиграции.

Например, при переходе от маленьких кбольшим гранулам (рисунок 26 а.) на границе этих гранул существует скачокплотности потока атомов через границу, что, соответственно, приводит кобразованию уплотнений и выпуклостей (увеличению объема пленки).[78,79]. Это объясняется тем, что у произвольной гранулы число атомов,проходящих через сторону гранулы, соприкасающуюся с маленькимигранулами, не совпадает с количеством атомов, проходящих через сторонугранулы, соприкасающуюся с большими гранулами. Помимо этого, в тонкихметаллических пленках со случайной формой гранул особенными являютсятак называемые тройные точки, места, в которых образуется большой уголмежду направлением миграции атомов и границами гранул [80].

В такихточках (рисунок 26 б.), как правило, наблюдаются отклонения от параметровпорядка (форма гранул, размер), и именно в них начинают образовыватьсяполости и уплотнения [81].Наличие инородных включений или трещин(рисунок 26 в.) в структуре пленки также приводит к локальному изменениюпараметров диффузии, энергии активации, что влияет на изменение потока65атомов и приводит к образованию локальных полостей и последующемуразрушению пленки.Рис. 26. Структурные дефекты тонкопленочного нанопровода, приводящие кобразованию локальных полостей в процессе электромиграции атомовметалла (а - наличие в пленке гранул разного морфологии; б - большой уголмежду границей раздела гранул и направлением миграции атомов; в трещины между гранулами пленки) [77].Температурный градиент вдоль тонкопленочного проводника, какправило, отсутствует, исключение составляют только места соединениянанопроводников разной геометрии (толщины, ширины) и разного материаламежду собой.

Большой температурный градиент, вызванный выделениемджоулева тепла между сильно нагретыми тонкопленочными нанопроводамии относительно холодными толстыми подводящими электродами, являетсядополнительным фактором, приводящим к образованию полостей ивыпуклостей в нанопроводах [82]. Локальный температурный градиентможет образовываться также из-за плохой адгезии (например, загрязненностиповерхности подложки под нанопроводом) или из-за разной толщины пленки66самогонанопровода.Разогревучасткатонкойпленкиувеличиваетмобильность атомов и способствует перестройке структуры пленки.Важно подчеркнуть, что перегрев пленки под действием протекающеготока может привести к плавлению пленки и ее неконтролируемомуразрушению.

Поэтому для управляемого проведения электромиграции важноосуществлять тщательный контроль за изменением состояния пленки иуспевать снимать с нее внешнее воздействие до ее перегрева и, какследствие, потери управляемости процессом.Таким образом, приведенное рассмотрение процесса электромиграцииатомов показало, что можно пробовать использовать разрушающий по своейприроде эффект электромиграции для полезных целей.

В частности, оценкипоказывают, что для создания нанозазоров в тонкопленочных проводникахиспользование этого эффекта имеет хорошие перспективы.3.1 Геометрия золотых нанопроводов для электромиграцииУспешное проведениеэлектромиграцииатомовметаллазолотогонанопровода требует, как отмечалось выше, выполнения ряда условий: вопервых, в нанопроводе должны присутствовать неоднородности илидефекты, с которых и начинается процесс электромиграции, во-вторых,необходимо создать условия протекания тока высокой плотности (более 10 6А/см2) по нанопроводу и, наконец, необходимо обеспечить эффективныйотвод тепла от нанопровода для предотвращения его возможного плавленияпод действием выделяющейся при протекании тока тепловой энергии.Первое условие (наличие неоднородностей в виде границ гранул пленки)для тонкопленочных нанопроводов выполняется автоматически за счетпредельно малой толщины напыленного металла.

Характеристики

Список файлов диссертации