Ячейка для измерения диэлектрических параметров тонких пленок сложных оксидов

Изобретение относится к области измерения диэлектрических параметров тонких пленок сложных оксидов, используемых в производстве литий-ионных аккумуляторов. Технический результат изобретения: повышение точности измерения, возможность многократного использования ячеек. Сущность: на подложку из ситала или поликора через фотошаблон способом вакуумного напыления наносят пленочный рисунок электродов из никеля, меди или алюминия в виде гребенчатых электродов. На поверхность контуров наносят пленку сложного оксида. Электроды выполняют из металла, нанесенного на подложку в виде гребенчатых контуров, направленных гребешками навстречу друг другу, вложенных один в другой и покрытых тонкой пленкой толщиной 0,3-0,9 мкм. 2 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к области измерения диэлектрических параметров сложных оксидов, используемых для производства тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов,

Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время - это наиболее перспективные и интенсивно развиваемые вторичные химические источники тока. Для повышения электрохимических характеристик аккумулятора большое значение имеет проводимость активных материалов тонкопленочных электродов, используемых в автономных химических источниках тока. Диэлектрические параметры пленок измеряются мостовыми (при низких и высоких частотах или волновыми методами) и резонаторными методами (на сверхвысоких частотах) с различными типами ячеек. При этом встречается ряд трудностей, приводящих к погрешности в измерениях: устройства измерения и регулировка достаточно сложны, возникают неконтролируемые воздушные зазоры, приводящие к большим случайным погрешностям, особенно когда требуется высокая точность, вследствие этого возникает необходимость иметь ячейку сложной конструкции, иногда можно измерять только относительные величины диэлектрической проницаемости, невозможность выделить диэлектрические параметры, например электродов, из общего импеданса цепей. Кроме того, стандарты на измерение электрических характеристик функциональных материалов не разработаны, поэтому обычно используют общие методики соответствующих испытаний твердых диэлектриков. Особые сложности возникают при подготовке и поддержании образцов материалов в процессе измерения при заданной влажности, так как изменение влажности зачастую влечет за собой изменение размеров образцов.

Известно устройство для измерения диэлектрической проницаемости в устройствах, включающих специальные конденсаторы. В работе [Устройство для измерения тангенса угла диэлектрических потерь и определения относительной диэлектрической проницаемости. /Э.В.Кузьмин. Пат. SU № 1597777 A1, G 01 R 27/26, 07.10.1990] использовались специальный измеряемый, измерительный конденсаторы и образцовый резистор. В работе [Устройство для измерения сопротивления проводящих пленок. /Л.М.Лыньков, В.М.Паркун, В.В.Бондаренко, А.М.Суходольский. Пат. SU №785790 A1 G 01 R 27/02, 07.12.1980] использовалось устройство, содержащее подложкодержатель с диэлектрической подложкой и закрепленными на ней через адгезионный подслой металла токоведущими и измерительными электродами. С целью повышения точности измерения оно снабжено заслонками с дополнительным слоем диэлектрика, укрепленным на поверхности токоведущих электродов.

Недостатком устройств является возникновение погрешностей измерения теплового рассеяния, которые могут достигать больших значений, соизмеримых с проводимостью образца, а также применение таких устройств для проводящих подложек.

Известна ячейка для измерения диэлектрических параметров древесины, выполненная в виде трехэлектродной системы, состоящей из высоковольтного, измерительного и охранного электродов [Торговников В.И. Диэлектрические свойства древесины. - М., Лесная промышленность, 1986. - 128 с.]. Материалом для электродов служит оловянная, свинцовая или алюминиевая фольга толщиной 10-15 мкм. Фольгу накладывают на образец, покрытый серебряной пастой, тщательно притирают ее к поверхности образца для достижения плотного контакта. При измерении диаметр потенциального электрода должен быть не менее диаметра охранного электрода. Ширина охранного электрода должна быть не менее двойной толщины образца. Рекомендуемая ширина зазора между измерительным и охранным электродами должна быть не более 2 мм. Иногда используют двухэлектродную систему, если приборы не позволяют подключения охранного электрода и поверхностной проводимостью можно пренебречь. При измерениях на частотах до 1 МГц электродные устройства (системы проводников, осуществляемых связь испытываемого образца с прибором) могут выполняться в виде рычажных или пружинных устройств и должны удовлетворять следующим требованиям: сопротивление подводящих проводов и их контактов не должно превышать 0,03 Ом на постоянном токе, давление электрода на образец должно быть 10±2 кН/м². При частотах выше 0,1 и 1 МГц рекомендуется измерительная ячейка с микрометрическим винтом. При измерении образец помещают между электродами ячейки и подвижный электрод опускают до тех пор, пока образец не будет зажат между пластинами. По микрометру отсчитывают расстояние между электродами. При наличии нанесенных на образец электродов их толщина вычитается из отсчитанного по микрометру расстояния. При втором измерении образец вынимают и устанавливают такое расстояние между электродами, чтобы емкость измерительной ячейки осталась такой же, как при измерении с образцом древесины.

Недостатком ячейки является наличие воздушных зазоров, что ведет к увеличению погрешностей, сложная подготовка образцов к исследованиям, невозможность измерения диэлектрических параметров тонких пленок.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения параметров тонких диэлектрических пленок [Устройство для измерения параметров тонких диэлектрических пленок./ Г.В.Гессен, Ю.Г.Морозов, С.Л.Эпштейн. Пат. SU 329483 A1 G 01 R 27/26 03.04.1972]. Устройство содержало два электрода с расположенной между ними пленкой, рабочая поверхность одного из электродов покрыта слоем токопроводящей резины, а рабочая поверхность другого выполнена в форме выпуклого шарового сегмента.

К недостаткам этой конструкции относится то, что при работе устройства происходит деформация пленки, поэтому оно применяется для гибких пленок. Наличие неучтенных воздушных зазоров ведет к увеличению погрешности при измерениях. Также не исключается влияние оператора на результаты измерения диэлектрических параметров образцов.

Изобретение решает задачу создания универсальной ячейки, позволяющей повысить технологичность подготовки образцов к исследованиям диэлектрических параметров тонких пленок сложных оксидов и возможность проводить исследования тонких пленок в широком интервале температур и в широком частотном диапазоне.

Технический результат заключается в следующем: повышается точность измерения, устраняется влияние газовых (воздушных) зазоров на результат измерений диэлектрических параметров пленок, появляется возможность многократного использования таких ячеек, то есть улучшается технологичность их использования. Устраняется влияние подложки на результаты измерения диэлектрических параметров и появляется возможность измерения диэлектрических параметров тонких пленок сложных оксидов. Исследование тонких пленок возможно проводить в достаточно большом интервале температур (от -196°С до 600°С) и в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до 10⁶ Гц). Исключается влияние оператора на погрешность измерений.

Для достижения указанного технического результата ячейка для измерения диэлектрических параметров тонких пленок сложных оксидов состоит из диэлектрической подложки и двух электродов. Электроды выполнены из металла, нанесенного на подложку в виде гребенчатых контуров, направленных гребешками навстречу друг другу, вложенных один в другой и покрытых тонкой пленкой исследуемого материала толщиной 0,3-0,9 мкм. При этом устраняется погрешность измерения диэлектрических параметров пленок, связанных с наличием воздушных зазоров.

Влияние диэлектрической подложки устраняется за счет мостовой схемы измерения, в которую включена измерительная ячейка без исследуемой пленки. Измерения производятся в атмосфере испаренного азота, чем устраняется влияние влажности на диэлектрические параметры пленок. Ячейка позволяет проводить исследования в широком интервале температур и частот.

На фиг.1 изображена ячейка для измерения диэлектрических параметров пленок, на фиг.2 - показаны анализируемые емкости (возникновение конденсаторов между гребенчатыми электродами).

Ячейка для измерения диэлектрических параметров тонких пленок сложных оксидов состоит из подложки 1, выполненной из диэлектрика, например из ситалла или поликора, и двух одинаковых металлических электродов 2, нанесенных на подложку 1 и выполненных в виде гребенчатого контура, направленного гребешками навстречу друг другу. Металлические гребенчатые электроды 2 покрыты тонкой пленкой сложного оксида. На поверхность гребенчатых электродов 2 пленка наносится методом погружения или центрифугирования.

Ячейка для измерения диэлектрических параметров тонких пленок сложных оксидов работает следующим образом (фиг.2). После нанесения пленочных материалов ячейка подключается в установку с мостовой схемой измерения. При измерении диэлектрических параметров нанесенных металлических электродов 2, возникающие между гребешками электродов емкости, образованные через подложку, исключаются из расчетов. Емкости c₁', c₂', c₃',... c_n' образуют в сумме конденсатор, емкость которого определяется диэлектрической проницаемостью пленки, нанесенной на поверхность электродов 2. Емкости c₁, c₂, c₃,... c_n определяются диэлектрической проницаемостью подложки 1. Таким образом, общая емкость конденсатора С_∑=_1-n∑c_n'+_1-n∑c_n. Но поскольку в мост включаются две подложки, то разбаланс моста определяется только емкостью в пленке. Измеряются емкость и тангенс угла диэлектрических потерь.

Пример 1. Ячейка использовалась для измерения параметров тонких пленок сложного оксида LiCoO₂. На подложку 1 из ситалла или поликора через фотошаблон способом вакуумного напыления или фотолитографии нанесен пленочный рисунок электродов из металла (никеля, меди или алюминия) в виде гребенчатых электродов, вложенных один в другой. К контактным площадкам электродов приварены токопроводники методом контактной микросварки. На полученную структуру (2) нанесена пленка сложного оксида LiCoO₂. Толщина пленки составляла 0,3 мкм и регулировалась нанесением определенного числа слоев. Ячейка с помощью токопроводников присоединялась к измерительной установке с мостовой схемой.

Результаты измерений проводимости пленки LiCoO₂ толщиной 0,3 мкм приведены в таблице 1.

Таблица 1
Проводимость при постоянном, переменном токе пленки LiCoO2
T°С	100	200	300	400
σ-	1,8×10-4	4,2×10-4	1×10-3	2×10-3
σ˜	4,3×10-5	7,1×10-5	3,1×10-4	7,1×10-4

Пример 2. Ячейка использовалась для измерения параметров тонких пленок сложного оксида LiCoNiO₂. На подложку 1 из ситалла или поликора через фотошаблон способом вакуумного напыления или фотолитографии нанесен пленочный рисунок электродов из металла (никеля, меди или алюминия) в виде гребенчатых электродов, вложенных один в другой. К контактным площадкам электродов приварены токопроводники методом контактной микросварки. На полученную структуру (2) нанесена пленка сложного оксида LiCoNiO₂. Толщина пленки составляла 0,9 мкм. Ячейка с помощью токопроводников присоединялась к измерительной установке с мостовой схемой.

Результаты измерений проводимости пленки LiCoNiO₂ толщиной 0,9 мкм приведены в таблице 2.

Таблица 2

Проводимость при постоянном, переменном токе пленки LiCoNiO2

T°с	100	200	300	400
σ-	6,2×10-8	4,8×10-7	6,6×10-6	3,3×10-5
σ˜	-	-	8,3×10-7	1,1×10-5

Пример 3. Ячейка использовалась для измерения параметров тонких пленок сложного оксида Li₄Ti₅O₁₂. На подложку 1 из ситалла или поликора через фотошаблон способом вакуумного напыления или фотолитографии нанесен пленочный рисунок электродов из металла (никеля, меди или алюминия) в виде гребенчатых электродов, вложенных один в другой. К контактным площадкам электродов приварены токопроводники методом контактной микросварки. На полученную структуру (2) нанесена пленка сложного оксида Li₄Ti₅O₁₂. Толщина пленки составляла 0,5 мкм. Ячейка с помощью токопроводников присоединялась к измерительной установке с мостовой схемой.

Результаты измерений проводимости пленки Li₄Ti₅O₁₂ толщиной 0,3 мкм приведены в таблице 3.

Таблица 3.
Проводимость при постоянном, переменном токе пленки Li4Ti5O12
T°С	100	200	300	400
σ-	2,2×10-4	3,3×10-4	8,3×10-4	2×10-3
σ˜	2,5×10-5	2,8×10-5	1,1×10-4	2,2×10-4

Ячейка для измерения диэлектрических параметров тонких пленок сложных оксидов, например, литий-кобальт диоксида, содержащая диэлектрическую подложку и два электрода, отличающаяся тем, что электроды выполнены из металла, нанесенного на подложку в виде гребенчатых контуров, направленных гребешками навстречу друг другу, вложенных один в другой и покрытых тонкой пленкой сложного диоксида толщиной 0,3-0,9 мкм.