Материал: Физика тонких пленок. Современное состояние исследований и технические применения. Т. 6

При последующем охлаждении начинается ожидаемое умень­ шение е' и е". Однако наиболее интересны эффекты, проявляю­ щиеся при постоянной температуре; в частности, они имеют ме­ сто при выдержке образца при температуре формирования и об­ условлены, по-видимому, отжигом дефектов. С этим же связан спад ионной проводимости со временем, рассмотренный в разд. 111,4 на основе механизма рекомбинации вакансий и меж­ узельных ионов под действием локальных электростатических полей. Однако аналогичные явления могут происходить и в ре­ зультате потерь пленками воды [165] или кислорода [166]. Для минимизации необратимых изменений при измерениях диэлек­ трических потерь в АОП необходим кратковременный отжиг образца при температуре, превышающей температуру измерения.

Низкочастотные диэлектрические потери в образцах, приго­ товленных в идентичных условиях, обычно различны. Это обус­ ловлено, вероятно, различным содержанием макродефектов (трещин и пр.), зависящим от поверхностной обработки образ­

проводимости раствора. Это естественно в тех случаях, когда электролит проникает в трещины и макропоры окисла [167]. Возможно, что материал нанесенного на поверхность окисной пленки электрода также проникает в пленку, даже при наличии трещин атомных размеров. Силкокс и Майсел [168] объясняли низкие значения пробивного поля проникновением алюминия в окисную пленку, на которую наносился алюминиевый электрод. В случае золотых электродов достигались более высокие про­ бивные поля, по-видимому, вследствие «залечивания» дефектов этим более тяжелым металлом.

б. Мостовые измерения на переменном токе и исследования переходных характеристик при ступенчатой форме импульсов напряжения. Мостовые измерения на переменном токе при ба­ лансировке моста по последовательной схеме замещения позво­ ляет непосредственно определить действительную е' и мнимую г" части комплексной диэлектрической проницаемости [3].

С целью уменьшения паразитных емкостей наиболее часто ис­ пользуют Т-образные трансформаторные мосты. С помощью не­ скольких мостовых схем для образцов с небольшой емкостью легко перекрыть частотный диапазон 5 Гц—500 кГц. При изме­ рениях на высоких частотах необходимо учитывать, что боль­ шинство реальных конденсаторов представляет собой системы с распределенными параметрами [169— 171]. Например, в тонко­ пленочных конденсаторах соответствующие эффекты прояв­ ляются при тем более низких частотах, чем выше сопротивления подложки или верхнего электрода; подобные эффекты находят даже практическое применение [172]. Измерения диэлектриче-

условливающие дисперсию и характерные времена релаксации в соответствующем диапазоне частот. Однако наличие примеси металла в структурных цепочках может приводить к образова­ нию диполей примесных ионно-катионных вакансий, что также может давать вклад в диэлектрические потери при низких ча­ стотах.

Природа относительно слабой частотной зависимости угла диэлектрических потерь в диапазоне звуковых частот, а также влияние температуры на величину tg 6 при данной частоте об­

суждаются ниже, в разд. V, 2, г, в связи с возможными процес­ сами поляризации.

Исследования переходных характеристик при ступенчатой форме импульсов напряжения заключаются в наблюдении

формы переходных характеристик тока в процессе его нараста­ ния и спада. Эта методика требует обычной тщательности, харак­ терной при измерениях слабых ( « 10~12А) токов, и вакуумной

изоляции объекта, обычно позволяющей минимизировать эф­ фекты, связанные с поглощением образцом влаги из атмосфер­ ного воздуха. Времена «зарядки» или «разрядки» образца при

Фиг. 22. Токи поляризации и деполяризации при различных температурах для системы Та—TajOs — электролит [181].

О заряд, X разряд. Площадь образца 12 см9, толщина пленки Та,О- 2003 А, напряжеяпе 5 В, положительный потенциал на Та-электроде.

наличии или отсутствии (закороченный образец) напряжения являются весьма важными параметрами. Эти времена достиже­ ния стационарного состояния должны быть велики по сравне­ нию с длительностью последующих фиксируемых переходных процессов. Поведение тока зарядки осложнено наличием тока проводимости с сильно нелинейной вольт-амперной характери­ стикой. Поэтому исследованиям поляризации наиболее адек­ ватны измерения токов разрядки. Ток заряда за вычетом тока проводимости идентичен разрядному току (фиг. 22). В прибли­ жении линейной теории переходных процессов при приложении иди снятии единичной ступеньки напряжения V действительная

и мнимые части комплексной диэлектрической проницаемости связаны со временем и с временной зависимостью тока i(t) сле­

дующими соотношениями:

ная емкость системы при замене диэлектрика между электро­ дами воздухом или вакуумом, G— статическая (на постоянном

токе) проводимость диэлектрика, со — угловая частота.

В настоящее время для получения низкочастотной зависимо­ сти в"(со) используются два метода обработки переходных ха­ рактеристик. В обоих случаях данные измерений подгоняются под эмпирическое выражение вида <p(f) = $t~n, где ф(/ ) = i(t)/V,

сматриваются только токи разрядки и поэтому в последующем величиной G пренебрегают. Проводимость на постоянном токе

сильно нелинейна по напряжению, и поэтому в случае зарядки омическая проводимость для нулевого напряжения, оцененная по кривым зарядки, будет очень завышена по сравнению со значениями, получающимися из мостовых измерений, если наб­ людаемые значения тока при данной амплитуде ступеньки на­ пряжения не экстраполировать в область малых напряжений, типичных для мостовых измерений.

При исследовании систем Та — ТагОб— металл [164 175, 181, 182] было обнаружено, что п лежит в интервале 0,9 4- 1,0. При­

чина такого различия в свойствах образцов не выяснена. Ве­ роятно, здесь сказывается либо наличие трещин в пленках, либо различие режимов отжига и формирования АОП. При п = 0,9 частотная зависимость в", вытекающая из соотношения (16), имеет вид е " = (А,р/С0)аг0>1, где К— константа, зависящая

Фиг. 23. Зависимость диэлектрических потерь от частоты (в Гц) [164]. Сравнение данных, полученных мостовым методом и методом переходных ха­ рактеристик для системы Та—Ta2Os—Au.

----- рассчитано по формуле Со^^Арю- 0 ,1 ; 0 рассчитано непосредственно по току раз­ рядки; О результаты мостовых измерений.

•p[=<p(/)fn], причем эти напряжения, по-видимому, должны

фрея и сотр. [164].

Во втором методе также используется выражение (16), при­ чем можно показать [179, 180], что если cp(f) аппроксимируется

= 0,63It из соотношения