ВНУТРІШНІ МЕХАНІЧНІ НАПРУЖЕННЯ ТА САМООРГАНІЗАЦІЙНІ ПРОЦЕСИ В СИСТЕМІ "КРЕМНІЙ-МЕТАЛІЧНИЙ КОНДЕНСАТ"

Bohdan Koman, V. Yuzevych, R. Bihun

Анотація


Природу термічної компоненти механічних напружень σтер вивчено на сьогодні достатньо добре для багатьох металічних конденсатів. Завдяки численним дослідженням проблему її мінімізації вирішують сьогодні навіть у доволі складних системах – реальних структурах сучасної мікроелектроніки (здебільшого технологічними методами). Однак, природа власної (внутрішньої) компоненти механічного напруження і досі має дискусійний характер. Існують лише певні модельні представлення механізмів виникнення таких напружень. Відсутнє також фізичне бачення природи механічних напружень у металевих наноконденсатах.

Унікальним результатом роботи є виявлена динаміка характерного максимуму напружень σmω наноконденсатів від швидкості їх осадження. Встановлено, що максимум σmω вкладаються на пряму лінію від швидкості конденсації. На цю ж лінію, крім Cu та Al, вкладаються також значення максимальних напружень для плівок Cr та Au. Таким чином, для кремнієвої підкладки, кутовий коефіцієнт нахилу такої залежності однаковий для досліджуваних металічних конденсатів: Cr, Cu, Au, Al. Кутовий коефіцієнт нахилу прямої, має розмірність часу - час переходу металічних конденсатів від острівкової системи до суцільної плівки з просторовим каркасом по всій площі підкладки за різних швидкостей їхнього осадження стосовно заданої кристалографічної орієнтації підкладки. Для досліджуваних металів, характеристичний час однаковий і становить близько 220 с. Він відповідає, часу оствальдівського дозрівання металевого конденсату на поверхні підкладки. Укладання на одну лінію характерних максимумів напружень для різних металів, засвідчує переважаючу роль підкладки у формуванні цих напружень на початковій стадії конденсації металу. Формуванню внутрішніх механічних напружень, у металічних наноконденсатах Cu, Au, Al та Cr, зумовлене впливом процесу самоорганізації з боку підкладки, що забезпечує однакові умови розтікання нерівноважної металічної острівцевої наноплівки по поверхні кремнію.

В роботі досліджено закономірності формування внутрішніх напружень в металічних конденсатах (Cu, Al, Cr, Au) та особливості самоорганізаційних процесів у підкладках монокристалічного кремнію. Проаналізовано поведінку параметрів міжфазової взаємодії в системах “металічна плівка (Cu, Al, Cr, Au ) - кремній” та за фазового переходу “ розплав (метал) - тверда фаза (метал) ” на досліджуваній підкладці. Запропонована методика оцінювання часу формування максимальних внутрішніх напружень в металічних конденсатах на твердотільних  підкладках та механізм їх формування. Для систем “Si – мe (Cr, Cu, Au, Al)” розраховані значення енергетичних параметрів міжфазової взаємодії: міжфазового натягу, міжфазової енергії, роботи адгезії та енергії адгезійних зв’язків.

Ключові слова: міжфазова границя, міжфазова взаємодія: сила міжфазового натягу, енергія міжфазової взаємодії, робота адгезії, енергії адгезійних зв’язків.


Повний текст:

PDF (English)

Посилання


  1. Palatnyk L.S., Fuchs M.Ya., Kosevich V.M. Formation mechanism and substructure of condensed films. M.: Nauka. 1972, 320 p.
  2. Jongste J.F., Lokker J.P., Janssen M., Radelaar S., Torres J., Palleau J. Mechanical reliability of CVD-copper thin films. Microelectronic Engeniring. 1997. V. 33. P. 39–46.
  3. Richard C.R., Tellier C.R., Tosser A. J. Thermal strains in thin metallic films. J. Phys. D: Appl. Phys. 1980. N 13, P. 1325–1329.
  4. Vinci R. P., Zielinski E.M., Bravman J.C. Thermal stain and stress in copper thin films. Thin Solid Films. 1995. Vol. 262, Is.1-2. p. 15.
  5. Riedel S., Rober J., S. E. Schulz, Gebna T. Stress in copper films for interconnects. Microelectronic Engineering. 1997. vol. 37-38. p.251-156.
  6. Baron D. T., Hofmann Hannes-Peter, Schneider R. Method for minimizing warp and die stress in the production of an electronic assembly. Patent EP 1622 435 A1. 28.07.2004. P. 1-35
  7. J.F. Jongste, J.P. Lokker, G.C.A.M. Janssen, S. Radelaar, J. Torres, J. Palleau. Mechanical reliability of CVD-copper thin films. Microelectron Engineering. 1997. Vol. 33. p. 39–46.
  8. D. Gan, P.S. Ho, R. Huanga, J. Leu, J. Maiz, T. Scherban, Isothermal stress relaxation in electroplated Cu films. II. Kinetic modeling, J. Appl. Phys. 2005. 97. p. 103532.
  9. Laugier M. Adgesion and internal stress in thin films of aluminium. Thin Solid Films. 1981. V. 79. Iss. 1. p. 15–20.
  10. Janda M., Stefan O. Intrinsic in chromium thin films measured by a Novel method. Thin Solid Films. 1984. V.112, Iss.2. p. 127–137.
  11. Laugier M. The effect on ion bombardment on stress and adhesion in thin films of silver and aluminium. Thin Solid Films. 1981. V.81. Iss.1. p. 61–69.
  12. Nix W.D. Mechanical properties of thin films. Met. Trans. A. 1989. V. 20A. p. 2217–2245.
  13. Flinn P.A. Mechanical stresses in VLSI interconnections: origins, effects, measurement, and modeling. MRS Bulletin. 1995. V. 20. No. 11. p. 70–73.
  14. Leo I. Maissel and R. Glang. Handbook of Thin Film Technology. McGraw-Hill Handbooks 1-St Edition. 1970. p. 1182.
  15. Koman B.P., Balitskii O.O., Yuzevych V. M. The Nature of Intrinsic Stresses in Thin Copper Condensates Deposited on Solid State Substrates. Journ. Nano Research. 2018. V.54. p. 66-74.
  16. Koman B.P. Yuzevych V.N. Intrinsic mechanical stresses, thermodynamic and adhesion parameters in the system metallic condensate - monocrystalline silicon. Physics of Solid State. 2012. Vol. 54, № 7. P. 1335–1341. (in rus)
  17. L. Pauling. The Nature of the Chemical Bond. J. Am. Chem. Soc. 1931. Vol. 53. С. 1367-1400.
  18. Oura K., Lifshits V.G., Saraklin A.A. Introduction to surface physics. M.: Nauka, 2005. 499 p. (in rus)
  19. Lifshits V.G., Saranin A.A., Zotov A.V. Surface phases on silicon. Chichester Wiley. 1994. 450 p.
  20. Soprunyuk P.M., Yuzevych V.M. Diagnostics of materials and environments. Energy characteristics of surface layers. P.M. Soprunyuk, V.M. Yuzevych. Lviv: FMI named after G.V. Karpenko of the National Academy of Sciences of Ukraine, "SPOLOM" 2005. 292 c. (in ukr)
  21. Koman B.P. Patterns of interphase interaction in near-surface layers of solid-state electronics structures: monograph. BP Koman. Lviv: LNU named after I. Franko. 2017. 350 p. (in ukr)
  22. Tamm I.E. Fundamentals of the theory of electricity: Textbook. allowance for universities. - 11th ed., ed. and additional M.: FIZMATLYT, 2003. 616 p. (in rus)
  23. Kittel Ch. Introduction to Solid State Physics: Trans. with English M.: Nauka, 1978. c. 792 p. (in rus)
  24. Tables of physical quantities. Directory. Ed. Kikoina I. K. M.: Atomizdat, 1976. 1008p. (in rus)
  25. Bogolyubov N.N., Mitropolsky Yu.A. Asymptotic methods in the theory of nonlinear oscillations. M.: Nauka, 1974. P. 412. (in rus)
  26. Koman B.P., Rovetskyi I.M., Yuzevych V.M. AFM study of the surface of metal condensates on monocrystalline silicon and energy parameters of interphase interaction in the "metal condensate–semiconductor" system. Metal Physics and Advanced Technologies. 2015. Vol. 37, No. 11. P. 1443-1460. (in ukr)




DOI: http://dx.doi.org/10.30970/eli.21.1

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.