К ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ (ТПК)

TO TEMPERATURE DEPENDENCE OF ELECTRICAL STRENGTH OF THIN-FILM CAPACITORS (TPK)

Anastasia Subbotina

master, Department of Physical Electronics, TUSUR,

Russia, Tomsk

Maria Sviridenko

master, Department of Physical Electronics, TUSUR,

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены проблемы определения механизма пробоя. Проанализированы температурные зависимости ТПК Al – SiO – Al и выявлены особенности перехода электрической формы пробоя к тепловой. На основе проведенного исследования выявлено, что методика определения пробивного напряжения влияет на условия возникновения пробоя и, следовательно, на механизм пробоя.

ABSTRACT

This article discusses the problem of determining the mechanism of breakdown. Analyzed the temperature dependence of the WPK Al – SiO – Al and the peculiarities of the transition electric form to the heat breakdown. On the basis of the conducted research, it was revealed that the method of determining the breakdown voltage affects the conditions of occurrence of the breakdown and, consequently, the breakdown mechanism.

Ключевые слова: тонкопленочный конденсатор, механизм пробоя, эффект «самозалечивания», тепловой пробой, электрический пробой, методика определения напряжения пробоя.

Keywords: thin-film capacitor, breakdown mechanism, the effect of "self-healing", thermal breakdown, electrical breakdown, the method of determining the breakdown voltage.

Исследованием механизма пробоя, т.е исследованием процессов, приводящих к образованию проводящего канала в диэлектрике, интенсивно занимались во второй половине прошлого столетия, однако до сих пор нет единого мнения о механизме пробоя тонких диэлектрических пленок. Если не учитывать пробой, связанный со старением диэлектрика, то существуют две основные формы пробоя: тепловой и электрический. Принципиальная разница между ними: при электрическом пробое электрическая прочность диэлектрика () не зависит от температуры окружающей среды (T), при тепловой форме пробоя  резко уменьшается при увеличении температуры [1]. И вот в этой, основной характеристике теплового пробоя, мнения разных авторов резко расходятся. Причина – разная методика определения .

Наиболее полно исследованы ТПК Al – SiO – Al, видимо, из–за дешевизны и простоты получения (термическое испарение в вакууме). Поэтому в дальнейшем мы будем опираться на результаты пробоя именно этих ТПК.

При пробое ТПК наблюдается эффект «самозалечивания»: на одном ТПК можно производить несколько десятков и даже сотен пробоев (число пробоев зависит от площади ТПК). При этом , как правило в течение первых нескольких пробоев увеличивается, достигая «полки», когда  колеблется около некоторой постоянной величины. Считается, что увеличение  связано с выбиванием слабых мест в диэлектрике, а  «полки» соответствует  бездефектной диэлектрической пленки. Поэтому многие исследователи за  принимали напряжение «полки» [2, с. 57 – 59].

В чем причина эффекта «самозалечивания»? Разрушение верхнего электрода происходит на площади большей, чем площадь канала пробоя в диэлектрике, канал пробоя оказывается изолированным от электрического поля и на ТПК снова можно подавать напряжение. Но было замечено, что наблюдаются пробои по месту предыдущего пробоя: по воздуху или по поверхности диэлектрика. Отсюда следует два вывода: 1) такие пробои никоим образом не характеризуют механизм пробоя диэлектрика; 2) места предыдущих пробоев являются новым слабым местом ТПК, что может привести даже к уменьшению U_пр (особенно это важно для практики использования ТПК в схемах).

Электронно – микроскопические исследования показали, что структуру ТПК нельзя представлять как систему из плоских диэлектрика и электродов. Микроострия на нижнем электроде (напыляемом непосредственно на подложку) есть следствие роста металлических пленок, когда пленки растут за счет слияния островков – зародышей [3]. Микроострия с верхнего электрода образуются за счет заполнения металлом впадин микротрещин и других дефектов в диэлектрической пленке. Таким образом, пробой ТПК происходит в условиях неоднородного электрического поля [4].

Видимо для исключения влияния микроострий и других дефектов ТПК, Klein N., Gafni H. [5], за напряжение пробоя принимали максимальное напряжение U_max, при котором происходило разрушение всей оставшейся от предыдущих пробоев площади верхнего электрода. Авторы [5] считали, что в этом случае пробой происходит в однородном электрическом поле. Экспериментальная зависимость E_пр.max от температуры показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Экспериментальные и расчетные зависимости E_max пленки моноокиси кремния от температуры окружающей среды на постоянном напряжении [5]

Видно существенное снижение E_пр при увеличении температуры в диапазоне ( 77 К – 400 К), что характерно для классического теплового пробоя. В то же время Budeustein P.P., Hayes P.J. [6], исследуя те же ТПК Al – SiO – Al практически в том же интервале температур (–190 – +80 ) при разной толщине диэлектрика, получили независимость E_пр от температуры (рисунок 2).

Рисунок 2. Зависимость Епр плёнки SiO от температуры при различной толщине диэлектрика

Но они за U_пр принимали среднее арифметическое из 10 – 15 первых пробоев, т.е. пробой происходил в неоднородном электрическом поле, и авторы сделали вывод об электрическом характере пробоя. Наблюдения в электронном микроскопе показали, что пробой начинается на так называемых «темных пятнах», природа которых осталась невыясненной, т.к. ТПК просматривался в электронном микроскопе на просвет сразу весь, как единая структура. При этом затруднительно было определить, чему принадлежат темные пятна: диэлектрику или электродам. Пробой без электронного луча может произойти где угодно, но если сконцентрировать электронный луч на темном пятне, то пробой произойдет обязательно в этом месте. Авторы предположили, что «темные пятна» это вкрапления кремния, и пробой развивается в результате эмиссии электронов из этого темного пятна. Уже из сравнения этих двух работ следует, что методика определения U_пр самым существенным образом влияет на интерпретацию механизма пробоя.

Учитывая, что могут происходить пробои по месту предыдущего пробоя, авторы [6] за U_пр принимали напряжение первого пробоя, этот пробой гарантировано происходил внутри диэлектрика. Напряжение первого пробоя имело значительный разброс, поэтому за U_пр принималось среднее арифметическое из 17 – 18 первых пробоев на разных ТПК. На стеклянной подложке находилось 35 ТПК Al – SiO – Al: половина из них пробивалась при комнатной температуре и определялось базовое (начальное) значение Епр (Е₀), а вторая половина конденсаторов – при исследуемой температуре (Ек). Относительное изменение  уже не зависело от технологических факторов. Интервал исследуемых температур был тот же: –190 – +200  (рисунок 3).

Рисунок 3. Температурная зависимость Епр ТПК Al – SiO – Al: 1 – при пробое на постоянном напряжении и положительной полярности верхнего электрода; 2 – при пробое на фронте импульса напряжения,

Видно, что Епр на постоянном напряжении практически не зависит от температуры в интервале –190 – +100 , а при температуре больше  120  резко уменьшается. Таким образом, при T 120 наблюдается переход от электрической формы пробоя к тепловой.

Пробой этих ТПК на фронте импульса напряжения длительностью  показал независимость Епр от температуры вплоть до +200  (рисунок 3). Ясно, что при столь малом времени воздействия напряжения тепловые процессы не играют существенной роли при формировании канала пробоя.

Изложенные факты хорошо укладываются в электронно – термический механизм пробоя, предложенный Г.А. Воробьевым. При пробое в неоднородном электрическом поле решающую роль играет эмиссия электронов из микроострий на катоде, этим и отличается этот механизм пробоя от классического теплового пробоя, где поставщиком носителей заряда является сам диэлектрик, зависимость его электропроводности от температуры.

Почему же в неоднородном поле вплоть до T 120 Е_пр практически не зависит от температуры? На рисунке 4 показана схема формирования канала пробоя, обусловленного эмиссией электронов из микроострия: формируется единственный канал пробоя диаметром единицы и десятки микрометров – теплоотвод во внешнюю среду ничтожен. Поэтому и влияние температуры внешней среды ничтожно. Здесь главную роль в формировании канала проводимости играет плотность тока, т.е. плотность выделяющегося джоулева тепла.

Рисунок 4. Схематическое изображение формирования канала проводимости в диэлектрике (3) и направление потоков тепла (4) при протекании эмиссионного тока микроострия на катоде: 1 – электрод (катод); 2 – электрод (анод)

При T  120 (для SiO) электропроводность самого диэлектрика возрастает настолько, что выделяющееся тепло по всей площади ТПК становится соизмеримым с возможностями теплоотвода и наблюдается резкое снижение Е_пр с увеличением температуры окружающей среды (рисунок 3).

Пробой в квазиоднородном электрическом поле, после нескольких десятков или даже сотен пробоев, происходит при условии, что число эмиссионных токов, приводящих к пробою по всей площади ТПК, велико (рисунок 5).

1 – электрод (катод); 2 – электрод (анод); 3 – каналы предыдущих пробоев в диэлектрике; 4 – направление эмиссионных токов; 5 – области выделения джоулева тепла; 6 – отверстия в верхнем электроде, образовавшиеся в результате предыдущих пробоев

Рисунок 5. Схематическое изображение структуры ТПК после десятков (или сотен) самозалечивающихся пробоев

Общая энергия джоулева тепла становится соизмеримой с теплоотводом, поскольку площади выделения тепла и теплоотвода примерно равны. При увеличении внешней температуры теплоотвод уменьшается, что облегчает нагрев диэлектрика и формирование каналов пробоя. Поэтому в [4] Е_пр.max начинает уменьшаться уже при низких температурах: при T–190. Таким образом, методика определения U_пр влияет на условия формирования пробоя и, следовательно, на механизм пробоя: электронно – термический или тепловой.

Заключение:

В ходе исследования было выявлено, что в неоднородном поле вплоть до T 120 Епр практически не зависит от температуры. Это обусловлено тем, что формирование канала пробоя происходит за счет эмиссии электронов с микроострия: формируется единственный канал пробоя диаметром единицы и десятки микрометров – теплоотвод во внешнюю среду ничтожен. Поэтому и влияние температуры внешней среды ничтожно. Здесь главную роль в формировании канала проводимости играет плотность тока, т.е. плотность выделяющегося джоулева тепла.

Пробой в квазиоднородном электрическом поле, после нескольких десятков или даже сотен пробоев, происходит при условии, что число эмиссионных токов, приводящих к пробою по всей площади ТПК, велико; при этом теплоотвод становится соизмеримым с выделяющимся джоулевым теплом.

Список литературы:

1. Воробьев Г.А., Мухачев В.А. Пробой тонких диэлектрических пленок. – М.: «Сов. радио», 1977. – 72 с.
2. Воробьев Г.А., Мухачев В.А., Руднев А.Н. О механизме пробоя диэлектрической пленки моноокиси кремния. – «ЖТФ», 1968. – 5 с.
3. Воробьев Г.А., Похолков Ю.П., Королев Ю.Д., Меркулов В.И. Физика диэлектриков (область сильных полей): учебное пособие. Изд – во Томского политехнического университета, 2011. – 245 с.
4. Нейгебауэр С.А. Конденсация, образование зародышей и рост тонких пленок. – М.: «Сов. радио», 1977. – 56 с.
5. Мухачев В.А., Мухачева Н.С. О температурной зависимости электрической прочности пленок моноокиси кремния. – «Изв. ВУЗов СССР, сер.физ», 1970. – 4 с.
6. Воробьев Г.А. Ободном механизме пробоя диэлектрических пленок. – «ФТТ», 1968. – 6 с.