Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В настоящей работе показывается, что электрическое разрушение используемых в качестве рабочего диэлектрика конденсаторов аморфных оксидов тантала и ниобия, проявляемое в форме электростимулированного роста кристаллов металлооксида и пробоя [1], определяется ионным транспортом, осуществляемым по имеющимся в структуре оксидов каналам, в силу присущей им нанонеоднородности строения.
О ведущей роли ионного транспорта в электростимулированном росте кристаллов металлооксида свидетельствуют результаты проведенного метода вторичной ионной масс-спектрометрии анализа распределения элементов по толщине оксидного слоя в его аморфной и кристаллических областях при введении в состав формовочного и рабочего электролитов изотопа O18 [2]. При этом показано, что состав кристаллов металлооксида оказывается обогащенным этим изотопом только при его наличии в рабочем электролите, так что рост кристаллов является следствием ионного транспорта из рабочего электролита поверхности базового металла.
На участие ионного транспорта в пробое аморфных металлооксидных пленок указывают:
Обратимся к вопросу о роли нанонеоднородности строения оксида в кинетике процессов электрического разрушения. О самом наличии нанонеоднородности, наряду с общими представлениями о ее сопряженности с неупорядоченностью структуры изучаемых материалов, свидетельствует тот факт, что при меньшем, по данным рентгеноструктурного анализа, координационном числе атомов металла, чем у схожего с аморфным материалом в ближнем порядке кристалла металлооксида, плотность аморфного оксида меньше, чем кристаллического. Это позволяет сделать вывод о наличии в строении аморфных металлооксидных пленок областей разрежения, что создает условия для наличия каналов интенсивного ионного транспорта.
Нанонеоднородность строения изучаемых материалов с определенностью проявляет себя в экспериментально установленных временных зависимостях степени кристалличности и плотности ионного тока на стадии радиального роста кристаллов, которые хорошо описываются в рамках модели двумерного роста кристаллических образований на заданном числе центров [3]:
(1)
(2)
где — концентрация центров кристаллизации на поверхности металла; v — скорость радиального роста кристаллических образований; q — величина заряда, необходимого для образования кристаллического металлооксида на единице площади поверхности металла.
В части пробоя аморфных металлооксидных пленок проявлением нанонеоднородности их строения является его локализация и характерные распределения времени развития по площади опытных образцов. Локализация характерна и при нагружении конденсаторных структур обратным напряжением. При этом, как показывают результаты рентгеноструктурного анализа, в каналах пробоя имеет место термическая кристаллизация оксида. Значимой здесь, по-видимому, является кристаллоподобная структура в областях локального разрежения, что создает условия, подобные существующим при формировании стеклокерамики.
Полученные результаты послужили основой для разработки методов диагностики конденсаторных структур на предмет их надежностных характеристик. Показано, что потенциально опасные структурные дефекты в аморфных металлоокидах могут быть выявлены с помощью инфразвуковой диэлектрической и электрофлуктуационной спектроскопии. Критериальными при этом являются присущие неоднородным диэлектрикам максимум в частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь; аномально сильное падение его величины при приложении постоянного смещающего напряжения в неомической области, в которой проводимость падает с увеличением напряженности поля; аномально высокая спектральная плотность мощности низкочастотных избыточных шумов. Полученные экспериментальные результаты показывают, что оксидные конденсаторы, отвечающие норме по стандартным параметрам-критериям годности, но проявляющие указанные аномалии, в процессе испытаний с большой вероятностью обнаруживают тенденцию к увеличению тока утечки со временем.
Исходя из развитых представлений о роли нанонеоднородностей в электрическом разрушении аморфных металлооксидов, сформулированы и апробированы рекомендации по повышению временной стабильности свойств оксидных конденсаторов посредством повышения однородности микроструктуры оксидного слоя. В качестве направленных на достижение этой цели технологических приемов предлагаются постростовая восстановительная термообработка с последующим реоксидированием, а также химико-термическая обработка в парах сильного окислителя.
Обращает на себя внимание, что при использовании указанных технологических приемов в зависимости проводимости аморфных металлооксидов от напряженности электрического поля исчезает участок падения. Это указывает на упорядочивающее влияние на структуру оксида указанных приемов [4] и является еще одним свидетельством влияния нанонеоднородности строения на необратимые процессы электрического разрушения.
