ВВЕДЕНИЕ
Создание новых диэлектрических, полупроводниковых и
композиционных материалов с заданными электрофизическими свойствами с
применением различных технологий, особенно электротехнологий -
плазменного напыления, электрохимического роста пленок, кристаллов и др.,
» дальнейшее исследование изменения их свойств - диэлектрической
! проницаемости, проводимости и других, опосредованно связанных с ними, в
. зависимости от различных внешних воздействий - температуры, давления,
влажности, широкого спектра электромагнитных излучений требует
разработки оперативных бесконтактных неразрушающих методов
определения указанных характеристик материала с усреднением информации
по относительно малому объему — порядка сотых долей мм3. Очень важно,
практически на любой стадии электротехнологического процесса, иметь
возможность контроля выходных параметров материала, к которым
относится также и однородность их распределения по поверхности и в
объеме.
Особый интерес для различных областей физики и техники, в том числе и электротехнологии, составляет именно возможность исследования панорамы диэлектрической проницаемости, проводимости, толщины различных диэлектрических пленок и покрытий на проводящей подложке, а также возможность исследования процессов накопления и релаксации заряда I в них под действием различных внешний факторов в пределах всего объекта,
или на определенной траектории.
Однако, существующие подходы к математическому * описанию процессов измерения параметров емкости системы электродов с распределенными диэлектрической проницаемостью и известными геометрическими характеристиками позволяют определить диэлектрическую проницаемость всего объекта только в целом (интегрально). Как правило пользуются представлением плоскопараллельного поля.
.«.;,~ 5
Остается в стороне также вопрос о измерении проводимости материала при статическом (квазистатическом) электрическом поле, а также определении электростатических (поверхностных и объемных) зарядов в некоторых слоях (пиро-, пъезо-, электро-, опто и др.), влияние которых на электрофизические параметры значительно, но мало изучено.
В электроемкостной системе квазистатическое электрическое поле возникает в результате действия напряжений между электродами (классическое представление). Однако оно (электрическое поле) возникает и под действием точечных, линейных, поверхностных и объемных зарядов, находящихся в ней. Таким образом, имеет место явление электростатической индукции, на основе которого можно построить единую теорию электроемкостных методов измерения параметров материалов.
Существует круг задач электрофизики, электротехнологии, физики диэлектриков и полупроводников, других направлений физики и техники, решение которых без применения электроемкостных систем проблематично.
Вышеизложенное определяет актуальность данной работы.
Диапазон применения емкостных систем достаточно широк -определение диэлектрической проницаемости, толщины слоев, рельефа поверхности и его изменения, амплитуд и частот вибрации, исследования пространственного распределения этих параметров в материале. Очень важно также, что эти системы позволяют измерять неразрушающе электрический заряд, возникающий в материалах за счет внешнего влияния, что недоступно другим существующим средствам на современном этапе их развития.
Цель данной работы заключается в дальнейшем развитии теоретических представлений о электроемкостных системах и их практического применения . Для определения диэлектрической проницаемости, проводимости и толщины диэлектрических слоев, расположенных на проводящей подложке, а также электрических зарядов
6
разработке экспериментальной установки для панорамного преобразования обозначенных параметров в электрический сигнал, применении соответствующих алгоритмов и документировании информации. Особенностью является пространственная разрешающая способность (10ю м ) и чувствительность по заряду (10 Кл/м ), которая связана с точностью определения искомых параметров слоя.
В соответствии с этим, основными задачами диссертационной работы являются:
- развитие теоретических представлений о электроемкостных системах;
- практическое воплощение теоретической концепции в экспериментальной установке, реализующей некоторые возможности электроемкостных систем;
- экспериментальное подтверждение возможности определения диэлектрической проницаемости, толщины и проводимости диэлектрического слоя на проводящей подложке, а также распределений электрического заряда.
Практическая значимость работы заключается в том, что, наряду с уточнением теоретических представлений о электроемкостных системах, предложен, обоснован и экспериментально реализован новый способ определения диэлектрической проницаемости, толщины и проводимости диэлектрических слоев на проводящей подложке, заключающийся в том, что в локальной области слоя формируется поверхностный электростатический заряд (например, в поле коронного разряда) и в дальнейшем фиксируется его релаксация, а также предложен оригинальный зонд для определения анизотропных параметров материала.
Методы исследования
В диссертации использован теоретический аппарат процессов возникновения индуцированных зарядов и токов в многоэлектродной
системе при анизотропном состоянии диэлектрической среды и эксклюзивная экспериментальная установка, основные элементы которой реализованы на основе этих теоретических представлений, позволяющая наблюдать панораму распределения поверхностного электростатического заряда на слое, распложенном на проводящей подложке.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые ( по нашим * данным) в отечественной и зарубежной практике обоснована теория
электроемкостных систем с возбуждением электрического поля посредством
j
f,\ внешних источников напряжения, а также распределенных точечных,
линейных, поверхностных и объемных зарядов. Это значительно расширяет возможности их применения не только для измерения локальных значений диэлектрической проницаемости, толщины и проводимости, но и распределений электрического заряда.
Достоверность и обоснованность полученных результатов.
Теоретические результаты в диссертации достоверны, так как получены с применением методов математической физики и подтверждены экспериментальными данными при исследовании различных слоев на проводящей подложке с помощью разработанной и созданной нами установки и физической интерпретацией результатов.
ft
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Предложенные представления об электроемкостных системах позволяют наиболее полно реализовать их при определении параметров новых материалов, создаваемых с помощью электротехнологий и других способов.
2. Совокупность и анализ методов возбуждения электрического поля в системе электродов посредством формирования продольного и поперечного по отношению к слою полей расширяют область применения емкостных
8
систем за счет возможности одновременного определения нескольких параметров.
3. Метод определения поперечной составляющей проводимости слоя на проводящей подложке с использованием релаксации поверхностного электростатического заряда позволяет определять диэлектрическую проницаемость, толщину, проводимость и плотность заряда с погрешностями
*' не превышающими 5%.
4. Предложенный способ панорамного определения электрических * свойств слоев обладает линейной разрешающей способностью до 0,1 мм.
5. Автоматизированный ; экспериментальный аналого-цифровой комплекс на основе электроемкостных систем с применением АЦП, ПЭВМ и устройств отображения и регистрации информации позволяет определить основные электрофизические и геометрические параметры слоев на проводящей подложке, полученных с помощью электротехнологий.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- VI международной конференции «Кристаллы...» Г.Александров, М Владимирской обл. сентябрь 2003г.
- X Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики-' 2004) в 2004г. г. С.-Петербург, 23-24.05.2004г.
- V Всероссийской конференции «электромагнитная совместимость» сентябрь 2004г. г. С.-Петербург
- Международной юбилейной конференции, посвященной 50-ти летию ВНИИСИМС г. Александров, Владимирской обл. июнь 2004г.
- Расширенном научном семинаре кафедры физики Московского университета математики и электроники
9
- Научно-техническом совете Всесоюзного научно-исследовательского института синтеза минерального сырья (ВННИСИМС), Г.Александров, Владимирской обл.
- Расширенном семинаре кафедры «Электроника твердого тела» Самарского государственного университета.
- На конференциях профессорско-преподавательского состава СГАУ с »' приглашением ведущих специалистов Саратовского государственного
университета.
Публикации
Материалы диссертации изложены в 1 монографии (соавтор В.П. Пронин), 14 статьях, трудах и материалах международных конференций, авторский приоритет защищен свидетельством на полезную модель и патентом РФ на способ измерения параметров диэлектрических слоев на проводящей основе (всего 17 научных работ).
Личный вклад автора заключается в участии построения общих теоретических представлений о электроемкостных системах, в разработке и реализации отдельных элементов экспериментальной установки, теоретическом обосновании возможности и экспериментальной проверке определения относительной диэлектрической проницаемости, проводимости \. слоев на проводящей подложке, их толщины в локальной области и
плотности поверхностного заряда, а также в постановке задач и участии в обсуждении результатов их решения.
Структура и объем диссертационного материала.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, содержащих выводы, заключения и списка литературы. Общее количество страниц - 177, в том числе 57 рисунков.
10 ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Хорошо обосновано и известно, что напряженность поля в проводнике (первого или второго рода), помещенного в электрическое поле равна нулю. Это обусловлено перемещением свободных электрических зарядов ^ ^ (электронов или ионов) под действием внешнего поля до тех пор, пока
возникающее внутреннее поле не уравновесит внешнее. Соответственно потенциал проводника постоянен независимо от его. сплошности, по электрически замкнутой поверхности.
Иначе обстоит вопрос с диэлектриками, которые подразделяются на полярные и неполярные. В любом случае в диэлектриках отсутствуют свободные заряды, поэтому их поведение, в сущности, должно отличаться от аналогичной ситуации с проводниками. Напряженность поля внутри диэлектрика уменьшается, но никогда не равна нулю, как это имеет место в проводниках. При этом физические механизмы уменьшения напряженности электрического поля в полярных и неполярных диэлектриках различны.
1.1. Поляризация диэлектриков .
В полярных диэлектриках происходит поляризация за счет поворота
дипольных молекул в электрическом поле и уменьшения за счет этого
I внутреннего результирующего электрического поля (напряженности). В
, неполярных диэлектриках разноименные заряды попарно связаны.
Поляризация таких диэлектриков, состоящих из неполярных составляющих,
обусловлена смещением связанных зарядов друг относительно друга - тем
большим, чем больше напряженность внешнего поля.
В проводниках свободные заряды перемещаются внутри и создают ток проводимости, плотность которого равна [1,2]
11 (1.1)
V-Ю j
где V- объем, в котором существует электрический ток с плотностью j, qi и г\ - заряд i-й частицы и ее скорость.
В диэлектрике возникает ток смещения, которой как по физической сущности, так и по электрическим характеристикам отличается от тока проводимости тем, что обусловлен массовым смещением всех зарядов на небольшие расстояния, в то время как ток проводимости создается ^ сравнительно небольшим количеством зарядов по всему объему материала,
перемещающихся на относительно большие расстояния.
Интенсивность поляризации определяется либо степенью поворота диполей (в полярных диэлектриках), либо степенью возникновения дипольных моментов (в неполярных диэлектриках)
(1.2) v-»o
где -1\ плечо диполя.
В полярных диэлектриках, к которым относится подавляющее большинство твердых материалов: диэлектрик, полупроводник, композит, различают несколько видов поляризации (см. напр.[1,2]): электронную, ионную, дипольную (ориентационную), структурную, а также ионно-релаксационную.
Под электронной поляризацией понимается возникновение дипольных моментов в результате смещения электронных орбит относительно ядер атомов под действием внешнего электрического поля. Она существует в любых материалах так или иначе относящихся к диэлектрикам независимо от присутствия в них других видов поляризации. При ступенчатом изменении напряженности поля процесс установления этого вида поляризации имеет колебательный характер (рис. 1.1.)» частота которого определяется частотой собственных колебаний атомов (молекул). Поэтому электронную
12
Е.Р+
Рис. 1.1 Изменение поляризации при скачкообразном изменении напряженности электрического поля.
13
поляризацию часто определяют как упругую или резонансную, время установления которой порядка 10'16 - 10"14с.
Другим видом «упругой» поляризации является ионная, которая
характерна для твердых тел с ионными образованиями. Она объясняется
смещением упруго связанных ионов, за счет действия электрического поля
на расстояния меньшие постоянной кристаллизации решетки. Время
.'' установления поляризации зависит от частоты собственных колебаний ионов
относительно положения равновесия и имеет порядок 10~14 - 10~12с. ^могут рассматриваться как разновидности деформационной поляризации, которая представляется в виде сдвига зарядов атома (молекул) относительно друг друга.
Дипольная (ориентационная) поляризация характерна для материалов, молекулы которых обладают дипольным моментом без внешнего электрического поля (полярные молекулы). Внешнее поле вызывает ориентацию диполей, что и является причиной поляризации. Так как поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления, то дипольная поляризация связана с потерями энергии на выделение тепла. Установление поляризации этого вида носит апериодический характер (см. рис. 1.1), поэтому, по аналогии с механикой, ее 4л называют релаксацией, причем время релаксации определяется как
постоянная апериодического процесса, то есть продолжительность изменения поляризации в е раз после скачкообразного увеличения или \ уменьшения (деполяризации) напряженности электрического поля (е -
основание натурального логарифма). Дипольная релаксация свойственна, в частности, органическим материалам. Время ее существования 10~7 — 10~13с.
Для полимерных материалов теория дипольной поляризации недостаточно разработана, поэтому ее представление правомерно на основе полярных жидкостей и кристаллов [3]. В этом плане относительно, так называемой, «температуры стеклования», различают дипольно-
14
сегментальную поляризацию (а - процесс) и дипольно-групповую (3 -процесс). В первом случае при температуре, превышающей температуру стеклования, наблюдается связь между движением соседних макромолекул, а во втором при температурах ниже температуры стеклования, конформация звеньев макромолекулы оказывается «замороженной» так что сегментное движение макромолекулы прекращается и подвижными остаются только отдельные группы атомов, локализованные в сравнительно небольших объемах. Время релаксации дипольной поляризации полимерных материалов [J может значительно превышать время дипольной релаксации других
диэлектриков и достигать в некоторых случаях суток и месяцев [4].
Структурная (макроскопическая) поляризация оценивается как дополнительный механизм релаксационной поляризации в твердых телах с неоднородной структурой, а также при наличии примесей. Поляризация объясняется перемещением электронов под действием электрического поля. Такие включения из-за структурной поляризации обладают дипольным моментом и подобны гигантской поляризованной молекуле. Этот вид поляризации характерен для абсорбирующих материалов и растительных клеток. Время ее релаксации 10~8 - 10'3с.
Кроме указанных, наиболее часто встречающихся видов поляризации, возможны и другие:
Jj - ионно-релаксационная (слабо связанные ионы под действием
электрического поля смещаются на расстояния, превышающие постоянную кристаллической решетки),
- электронно-релаксационная (обусловлена избыточными «дефектными» электронами или ионами),
- спонтанная (характерна для сегнетодиэлектриков).
Схемы основных механизмов поляризации и эквивалентная схема замещения диэлектрика сложного состава с различными видами поляризации представлены на рис. 1.2.
15
а)
б)
в)
ч /• О 9
и и о.
О
г)
э О о о о
э О о о о
D о о о о
п о о о о
Со
Си
1ир
упругие
релаксационные
Рис. 1.2. Механизмы поляризации
а) - электронная, б) - ионная, в) - дипольная, г) - структурная и эквивалентная схема диэлектрика сложного состава с электронным, ионным, дипольным, структурным, ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации. Со - емкость в вакууме, Сиге соответствующими индексами - емкость и эквивалентное сопротивление потерь для этих механизмов поляризации.
16 1.2. Влияние внешних факторов на диэлектрические характеристики
Плотность электрического тока в диэлектрических материалах обусловлена как током проводимости, так и током смещения. Обе составляющие пропорциональны напряженности электрического поля и зависят в свою очередь от удельной проводимости У и диэлектрической
восприимчивости эе= ?-1 (е - относительная диэлектрическая проницаемость материала).
В диэлектриках любого типа (кроме сегнетэлектриков) вектор поляризации связан с напряженностью поля в той же точке соотношением (см. напр.[5])
Р = Е0эеЕ. (1.3.)
Для вектора электрической индукции (смещения) справедливо
D = ?oE+P. (1.4.)
В изотропных диэлектриках Р пропорционален напряженности поля и совпадает с ней по направлению. Поэтому
D = ЕЕоЕ .
Если поле Е во времени изменяется по гармоническому закону, что реализуется практически во многих случаях, плотности тока проводимости и поляризованности, в символической форме могут быть выражены соответственно
1„р = ГЕ, (1.5.)
P = Eo8e(jCQ)E,
1 *5
где со - частота изменения напряженности электрического поля, Ео = 8,85 10" Ф/м - электрическая постоянная, зе (j со) — относительная диэлектрическая восприимчивость, являющаяся комплексной величиной, учитывающая потери на релаксацию, j = V-T - мнимая единица.
17
Для вектора электрической индукции выражение плотности тока смещения будет
JCM=jcoD. (1.6.)
Электрическое смещение числено равно заряду, приходящемуся на единицу поверхности, и имеет две составляющие
D = е0 [1+ as (j ю)]Е = еое (j co)E, (1.7.)
где в (joo)- комплексная относительная диэлектрическая проницаемость, 'у учитывающая релаксационные потери.
Как уже отмечалось все виды поляризации можно условно разделить на две группы: упругую и релаксационную, которые могут быть представлены соответствующими векторами
Р — Р + Р "" х мгн ~ * рел •
Математическое описание релаксационной поляризации согласно работе [6] представляется в виде
е(j со) = е'« +1 Ae,/ 1+j cotj, (1.8.)
где е'оо - проницаемость упругой поляризации Де = ешо - ?'«> ; е^о -квазистатическое значение проницаемости (низкие частоты - О)о —»0), т - время релаксации.
Соотношение (1.8.) применимо для дискретного распределения времен релаксации, а при непрерывном изменении учитывается эта функция и вместо суммы вводится интеграл.
Таким образом, общая плотность тока в материале определяется суммой тока проводимости и двух составляющих тока смещения
j=jnp+JMrH+jpea = =?/E + j ШЕо е'оо Е + j Шбо Z Ad / 1+JGO Tj . (1.9) |
