Študij Ni-Cr tankih plasti z elektronsko mikroskopijo Study of Ni-Cr Thin Films by Electron Microscopy v L. Irmančnik Belič1, IEVT Ljubljana M. Remškar, IJS Ljubljana K. Požun, IEVT Ljubljana Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1996-11-22 Pri kapacitivnem senzorju vlage sta nekaj sto nanometrov debeli plasti Ni-Cr elektrodi kondenzatorja. Elektrodi morata biti električno prevodni, imeti morata majhne notranje napetosti in zadostno elastičnost, da pri nasičenju dielektrika z vodno paro ne pride do porušitve spoja Ni-Cr plasti in dielektrika. Zgornja elektroda mora biti prepustna za vodno paro. Prepustnost elektrode dosežemo z naparevanjem pod kotom. Kot naparevanja je definiran kot kot med normalama podlage in uporovne ladjice. V delu je podan študij plasti Ni-Cr z analizo TEM, AFM in AES. Tanka plast Ni-Cr je zaradi različnih parnih tlakov Ni in Cr med nanašanjem zelo nehomogena. Spreminja se sestava, prevodnost in morfologija. Plast, ki je naparjena pri kotu 0°, je razpokana, pri kotu 75° pa ima usmerjeno stebričasto strukturo, ki kompenzira napetosti. Ključne besede: kapacitivni senzor relativne vlažnosti, tanke plasti Ni-Cr, morfologija tanke plsti Ni-Cr, analiza AES tanke plasti Ni-Cr A few nm-thick Ni-Cr layer forms the capacitance humidity sensor electrodes. The electrodes must have the adequate electric resistance, low mechanical tensions and proper elasticity coefficient in order to prevent the corruption of the Ni-Cr - dielectric layer joint when the dielectric is saturated by the water vapour. The upper electrode must be permeable for the water vapour in order to permit the water vapour to diffuse into the dielectric. The sufficient permeability of the Ni-Cr film is obtained by an evaporation under the incidence angle of 75°. The deposition angle is defined as the angle between the normal of the substrate and the normal of the evaporating source. The obtained results of Ni-Cr layer analysis by the AES, AFM and TEM are presented. The thin Ni-Cr layer is nonhomogeneus due to the different vapour pressure of the Ni and Cr during the deposition process. The Ni-Cr thin film evaporated under 0° incidence angle is cracky, while the layer evaporated under 75° incidence angle has the columnar structure. Key words: capacitance humidity sensor, Ni-Cr thin films, morphology of Ni-Cr thin film, AES anayses of Ni-Cr thin film 1 Uvod Zadnjih deset let je študij tankih plast Ni-Cr zelo intenziven. Raziskovalci preučujejo predvsem fizikalne in električne lastnosti teh plasti1"5. Tanke plasti Ni-Cr so posebej pomembne v mikroelektroniki in se uporabljajo pri tankoplastnih uporih, potenciometrih, v varovalnih povezavah, za bralne pomnilnike v računalnikih (ROM) in drugje6"8. Tanke plasti Ni-Cr, ki jih predstavljamo, tvorijo elektrodi kapacitivnega senzorja vlage. Kapacitivni senzor relativne vlage je nanesen na stekleni podlagi. Polimerna kapacitivna plast, ki pri interakciji z vodno paro spremeni dielektrično konstanto, je nanesena med elektrodi Ni-Cr. Kapacitivni senzor vlage mora imeti naslednje lastnosti: dobro električno prevodnost elektrod, dolgotrajno delovanje v parah pri visoki temperaturi ter čim bolj linearno odvisnost med kapacitivnostjo in relativno vlago pri konstantni temperturi. Bistveni lastnosti senzorja sta velika občutljivost na vlago in hitra odzivnost. Odzivnost senzorske strukture je odvisna predvsem od debeline in prepustnosti vrhnje elektrode za vodno paro. Prepustnost elektrode dosežemo z naparevanjem elektrode pod določenim kotom. Elektrode smo naparevali in preizkušali pri kotih 0 = 0° in 75°. Boljše lastnosti senzorja smo dobili pri napare-vanju plasti Ni-Cr pri 6 = 75°. 1 Dr. Lidija IRMANČNIK BELIČ Inštitut za elektronsko in vakuumsko tehniko I()(X) Ljubljana. Teslova 30 2 Eksperimentalno delo Relativni kapacitivni senzor vlage, ki ga predstavljamo, je narejen na stekleni podlagi. Polimerna plast polieter-sufona (PES) je nanesena med elektrodi Ni-Cr. Polimer raztopimo v ustreznem topilu in ga z metodo nanašanja z vrtenjem nanesemo na spodnjo elektrodo, ki je naparjena na stekleno podlago. Zgornja elektroda, ki je debela 250 nm, je naparjena na polimerno plast. Na-parevanje poteka v vakuumski komori pri 10"4 Pa. Plast Ni-Cr je naparjena iz vložka s sestavo: Ni 80 mas.%, Cr 20 mas.%, raztaljenega v volframovi ladjici. Debelino naparjene plasti merimo s kalibrirano kremenovo tehtnico. Za dosego enake debeline pri naparevanju pod različnimi koti (9 = 0° in pri 0 = 75°) je čas nanosa različen. Pri naparevanju pod kotom 75° je čas nanašanja približno trikrat daljši. Debelino plasti Ni-Cr smo merili z merilnikom debeline Tencor Alpha Step 100. Za analizo kemijske sestave, kristalne zgradbe in velikosti zrn smo uporabili različne tehnike. Plasti smo nanesli na različne podlage: steklo, polimer in KC1 pod različnimi koti; podlage med naparevanjem niso bile ogrevane. Površino in profil plasti Ni-Cr smo analizirali s spektroskopijo Augerjevih elektronov (Physical Electronics Industries, SAM 545A). Statični primarni elektronski curek je imel energijo 3 keV, tok 0,5 |iA in premer 40 )tm. Vpadni kot primarnega elektronskega curka je bil 30°. Vzorci so bili jedkani s sovpadajočima curkoma ionov Ar+, ki sta rastrirala po površini 10x10 mm pod kotom 47°. Hitrost jedkanja je bila 2 nm/min in je bila določena na standardnih vzorcih večplastne strukture V2 NiCr9. Strukturne lastnosti plasti smo preiskali s presevnim elektronskim mikroskopom in difraktometrom (Philips EM 300). Plasti debeline pod 30 nm, smo naparili na o polimer in KC1. Morfologijo plasti NiCr smo ugotovili z ogljikove replike. 20 nm debelo ogljikovo plast smo j nanesli na plast Ni-Cr, naparjeno na polimerno plast, £ nato smo polimer odtopili v diklormetanu. Plasti, napar- f jene na KCI, smo od podlage ločili z raztapljanjem KC1. a Topografijo plasti nanešenih na stekleno podlago smo a ugotovili z AFM (Atomic Force Microscopy) Nanoscope * III - Digital Instruments, ki je deloval v kontaktnem načinu. -e- ni Cr -*- O — C -A- SI a 3 Rezultati in diskusija 3.1 AES Globinske profile plasti Ni-Cr, dobljene s spektroskopijo Augerjevih elektronov ob istočasnem ionskem jedkanju, prikazujeta sliki la in lb. Analizirana plast Ni-Cr je bila naparjena na stekleno podlago in je nastala z naparevanjem vložka s sestavo Ni 80 mas.%, Cr 20 mas.%, raztaljenega v volframovi ladjici. Ugotovili smo naslednje elemente: Cr, Ni. O, C, in Si. Naparevanje je potekalo pri kotu 0° in 15°. Koncentracija Cr je bila v obeh primerih višja kot v izviru. Laže hlapni Cr hitreje izpareva, v ladjici se koncentrira Ni. Izparevanje prekinemo predno naparimo ves vložek z W ladjice. Z globinskih profilov AES je razvidno, daje koncentracija Cr mnogo višja, kadar je bila plast naparjen pod kotom 0° (slika la). Pri naparevanju pod kotom 75° je bil čas naparevanja daljši. Po daljšem času naparevanja pa je izvir siromašnejši s Cr. Koncentracijski profil in količina Ni pa je podobna pri naparevanju pod obema kotoma. Razlika v koncentraciji med Ni in Cr je najbolj opazna na površini steklene podlage. Koncentracija obeh elementov proti površini plasti Ni-Cr zvezno pada in je na površini enaka 8 at.% (75°) in 10 at.% (0°). Višja koncentracija kisika v vzorcu, naparjenem pod kotom 75°, je posledica oksidacije med procesom nanašanja. Že prej smo omenili, daje proces naparevanja pri 75° daljši kot pri naparevanju pri 0°. Možno, a manj verjetno je tudi, da oksidacija poteka na zraku v času po nanosu in pred analizo plasti. 3.2 AFM 3D-posnetek vzorca, naparjenega pod kotom 0° na stekleno podlago (25 nm), je prikazan na sliki 2. Premer gručastih skupkov je med 5 in 50 nm. Posamezni krista-liti so zbani v aglomeratih večjih od 0,5 pm. Vzorec št.2: CrNI/ (kot 75 st.) Slika 2: Posnetek AFM tanke plasti Ni-Cr, naprjene pri 0 = 0° Figure 2: AFM images of the Ni-Cr thin film evaporated at 0° 100 -- Slika 1: AES profila plasti Ni-Cr. naparjene pod kotom 0° (a); 6 = 75° (b), na stekleno podlago (izvor za naparevanje je imel sestavo 80 mas.% Ni in 20 mas.% Cr) Figure 1: Auger depth profile of NiCr film evaporated at incidence angle 6 = 0° (a); 9 = 75° (b), on a glass substrate (source composition in weight percent 80% Ni - 20% Cr) 2 4 6 8 10 Čas Ionskega jedkanja [min] 100 80 60 O 0 2 4 6 8 10 12 Čas ionskega jedkanja [mini Slika 3: Posnetek TEM replike plasti Ni-Cr. naparjene pod kotom 75°, na polimerno plast Figure 3: TEM image of the carbon replica of Ni-Cr layer evaporated at 75° on polymer film 3.3 TEM Analizo plasti Ni-Cr s TEM prikazujejo slike 3, 4a in 4b. Na sliki 3 je prikazana replika zgornje elektrode, naparjene pod kotom 75°. Površina plasti je povsem gladka. Lepo je vidno, da plast Ni-Cr privzame obliko površine polimera, na katero je nanesena. Mikrostruktura plasti Ni-Cr, naparjena pod kotom 75°, je prikazana na sliki 4a. S posnetka je razvidna ste-bričasta struktura. Premer stebričkov je manjši od 10 nm. Vsi stebrički so usmerjeni v isto smer. Pripadajoči di-fraktometrski posnetek podaja fazo NiCr in čisti Cr. Slika 4b prikazuje plast Ni-Cr, naparjeno pod kotom 0°. Jasno so vidne razpoke, ki so večje od 100 nm. Njihov nastanek je verjetno posledica napetosti v plasti. Pri Tabela 1: Primerjava medmrežnih razdalj Table 1: A comparrison between interlayer distances merjen d (CrNi)" (A) hkl Mi d(Cr)" (A) hkl I/Ii 2,29 2,29 200 80 2,30 200 60 2,04 2,044 210 80 2,049 210 100 1,86 1.865 211 100 1,873 211 80 1,611 220 10 1,44 1,441 310 50 1,387 311 10 1,33 1,315 222 20 1,327 222 30 1,27 1,272 50 1,274 320 40 1,23 1,226 70 1.226 321 50 *n> **n b Slika 4: Posnetka TEM in pripadajoči uklonski obroči tankih plasti Ni-Cr naparjenih na stekleno podlago pri kotih: (a) 75°, (b) 0° Figure 4: TEM images with corresponding diffraction patterns of Ni-Cr thin film evaporated on glass substrates at the incidence angle: (a) 0°, (b) 75° naparevanju pod kotom 75° takih napetosti ni zaradi zdrsov v stebričasti strukturi. Kljub veliki podobnosti medmrežnih razdalj v kristalih NiCr in Cr je mogoče s primerjave relativnih intenzitet uklonskih obročev sklepati, da je v naših plasteh poleg faze NiCr tudi čisti Cr. Intenziteti prvih dveh u-klonskih obročev sta v čisti fazi NiCr enaki (tabela 1), medtem ko sta uklonski sliki naših plasti bližje čistemu Cr. To potrjujejo tudi meritve, dobljene z AES, ki dokazujejo, daje koncentracija Cr 70 at.%, Ni pa le 30 at.%. 4 Sklep Tanke plasti Ni-Cr smo naparili pod kotom 0° in 75° na steklo, KC1 in polimer. Kot naparevanja vpliva na kemijsko sestavo, morfologijo in topografijo plasti. Analize AES so pokazale, da imaja naparjene tanke plasti Ni-Cr drugačno sestavo od izvira naparevanja. Zaradi visokega parnega tlaka se koncentracija Cr v izviru in v plasti med naparevanjem spreminja. Plast Ni-Cr, ki je bila naparjena pod kotom 75° je bolj oksidirana. ' Posnetki AFM kažejo finozrnato strukturo plasti Ni-Cr, naparjeno pod kotom 0°. Posamezna zrna so velika od 5 do 50 nm in se združujejo v večje aglomerate. Posnetki TEM potrjujejo finozrnato strukturo in prisotnost nanorazpok ter stebričasto strukturo v plasti naparjeni pod kotom 75°. Difrakcijski posnetki plasti Ni-Cr dokazujejo prisotnost faze NiCr in prebitka Cr. 5 Literatura 1 P. Gadenne, C. Sella, M. Gasgmer and A. Benhamou, Thin Solid Films, 165, 1988, 29-48 2 M B. Vollaro and D. I. Potter, Thin Solid Films, 239, 1994, 37-46 3 L. Toth, A. Barna, G. Safran, M. Menyhard and T. Koranyi, Vacuum, 33, 1983, 111-1 15 4 P. Mengucci, M. Costato and G. Majni, Thin Solid Films, 209, 199-, 67-72 3 A S. Lim and A. Atrens, Appl Phys„ A 54, 1992, 343-349 6 A Banovec, A. Zalar, Thin Solid Films, 164, 1988. 129-133 7 A. Peled. J. Farhadyan, Y. Zloof and V. Baranauskas, Vacuum, 45, 1994,5-10 8 S. Takeda, Vacuum, 41, 1990, 1769-1771 ' B. Praček and M. Kern, Applied Surface Science, 70/71, 1993, 169-171 10 Yukawa, Faculty of Eng., Nagoja University, Yapan, Pnvate Commu- nication; ASTM 26-0429 11 Kimoto, Nishida. V. Phys. Soc. Jpn„ 22, 1967, 744, ASTM 19-0323