Физико-математическая модель диффузии кислорода в пленках резистивных структур

УДК 538.971

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИФФУЗИИ КИСЛОРОДА В ПЛЕНКАХ РЕЗИСТИВНЫХ СТРУКТУР

Аверин И. А., Аношкин Ю.В., Коновалов А.Н., Печерская Р.М.

Аннотация. Представлено описание модели диффузии кислорода в пленках резистивных структур, основанная на экспериментальных исследованиях на Фурье-спектрометре, и теоретических расчетах, обеспечивающая управление выходными параметрами чувствительных элементов датчиковой аппаратуры.

Abstract. The description of the diffusion model of oxygen in the films of resistive structures, based on experimental studies on the Fourier spectrometer, and theoretical calculations, provides control output parameters of sensors is presented.

Ключевые слова: резистивная структура, чувствительный элемент, синтез, модель, диффузия, кислород, Фурье-спектрометр, выходные параметры.

Keywords: resistive structure, the sensor element, synthesis, model, diffusion, oxygen-Fourier spectrometer, the output parameters.

Рост сопротивления резистивных структур в процессе хранения связан с самоокислением поверхности пленки, о чем свидетельствуют данные, приведенные в [1, 2], применительно к пленкам из кремния и оксида цинка. Металлическим пленкам на основе многокомпонентных систем, применяемым в качестве чувствительных элементов датчиковой аппаратуры, также характерна подобная проблема. Изменение сопротивления резистивных структур на основе хромоникелевых сплавах обусловлено двухстадийном процессом. На первой стадии происходит адсорбция кислорода на поверхности пленки с образованием сплошной окисной пленки; на второй стадии осуществляется диффузия кислорода из окисной пленки в объем пленочного резистора. Кислород в виде ловушек захватывает электроны, вызывая уменьшение электропроводности резистивной пленки. Вследствие этого дестабилизируются выходные параметры резистивных структур и нарушается работа чувствительных элементов датчиков. Поэтому, целью данной работы является контролируемое изменение содержания кислорода в пленках резистивных структур для стабилизации выходных параметров чувствительных элементов и повышения надежности работы приборов на их основе.

Резистивные структуры синтезируются методом термического испарения в вакууме на промышленной установке УВН-71 П3. В качестве исходной загрузки используется многокомпонентный сплав на основе хрома и никеля. Конденсация пленок осуществляется на ситалловые подложки. Формы и размеры резистивных структур задаются при помощи биметаллических масок. Для получения однородных по составу и толщине резистивных структур изготовлен испаритель специальной конструкции из вольфрама, а для формирования электрических контактов - проволочный испаритель из этого же материала. Для создания квазиравномерного газового потока сублимирующих молекул из ис-

парителя исходной загрузки служит отражательный экран. Пространство между испарителем и подложкой заключено в цилиндрический экран из нержавеющей стали с целью уменьшения потерь испаряемого материала в условиях динамического вакуума и радиационного нагрева деталей подколпачного устройства. После того, как температуры испарителя исходной загрузки и подложки достигают заданных значений, систему выдерживают в течение 30-45 минут для того, чтобы состав газовой фазы пришел в равновесие с твердой фазой. Затем открывается заслонка и осуществляется процесс напыления. Охлаждение полученных образцов производится в вакууме до комнатной температуры [3].

Концентрация кислорода в пленках резистивных структур определяется на основе специально разработанной методики для инфракрасного Фурье спектрометра ближневолнового диапазона.

Процесс перемещения атомов кислорода с поверхности пленки в ее объем описывается моделью диффузии для полубесконечного твердого тела, так как диффузия кислорода в пленку происходит из окружающей среды с постоянным содержанием кислорода [3].

Концентрация продиффундирующего кислорода в процессе хранения в течение времени t резистивных структур, толщиной d, определяется по формуле:

N (d, t ) = N0erfc

d

2a/D7

где N0 - концентрация кислорода на поверхности пленки в процессе хранения; D - коэффициент диффузии кислорода, который зависит от условий получения пленок.

Исходная концентрация кислорода N0 задается величиной атмосферного давления рат согласно уравнению Ван-дер-Ваальса для неидеального газа [4]:

N0 =

где Na - постоянная Авогадро; а = 0,131 Па м6/моль2 - постоянная Ван-дер-Ваальса для воздуха [4].

На рисунке представлены спектры резистивных структур на основе хромоникелевых сплавов, синтезированных в различных условиях. Штрих-пунктирной линией здесь выделена область, соответствующая колебанию атомов кислорода в ИК-области. Для этих спектров концентрация кислорода в пленках составляет от 5*10 до 1*10 м-.

В таблице представлены значения коэффициента диффузии кислорода в пленках, рассчитанные на основе результатов спектрометрических исследований и специальной программы.

Рисунок - Спектры резистивных структур многокомпонентных материалов на основе хромоникелевых сплавов

Таблица - Расчетные и экспериментальные данные

Т 1 п K Т 1 исп? K tнап, с D, м2/с

550 1480 400 2,1 • 10-17

565 1480 360 2,0Э0-17

540 1480 430 2,2Э0-17

575 1480 402 2,110-17

540 1530 173 3,610-17

580 1525 260 5,910-17

540 1530 165 3,5Э0'17

585 1530 252 6,810-17

520 1530 170 3,5Э0'17

Значения коэффициента диффузии, представленные в таблице хорошо согласуются с литературными данными [5]. установлено, что за счет режимов конденсации можно контролируемо изменять процессы диффузии кислорода в пленках. Это позволяет управлять стабильностью выходных параметров чувствительных элементов датчиковой аппаратуры.

Список использованных источников

1. Палатник, Л. С. Основы пленочного полупроводникового материаловедения / Л. С. Палатник, В. К. Сорокин - М. : Энергия, 1973. - 296 с.

2. Стабилизация электропроводности пленок оксида цинка при термообработке на воздухе / Н. Д. Васильева, В. Н. Корнетов, В. А. Ханин, Д. В. Юров // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: материалы докл. Междунар. науч.-техн. семин. - Москва,

2003. - С. 194-198.

3. Аверин И.А., Аношкин Ю.В., Печерская Р.М. Исследование поверхности слоев резистивных структур на низкоразмерном уровне / И.А.Аверин,

Ю.В.Аношкин, Р.М.Печерская // Нано- и микросистемная техника. -2010.- №1. - С. 25-26.

4. Савельев, И. В. Курс общей физики. Молекулярная физика и термодинамика / Савельев И. В. - М. : Астрель АСТ, 2005. - 208 с.

5. Черняев, В. Н. Физико-химические процессы в технологиях РЭА /

В. Н. Черняев - М. : Высш. шк., 1987. - 367 с.