Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2024, № 11

Российская академия наук
ПОВЕРХНОСТЬ
РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ 
И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
№ 11      2024      Ноябрь
Журнал основан в 1982 году 
Выходит 12 раз в год
ISSN: 1028-0960 
Издается под руководством 
Отделения физических наук РАН
Главный редактор
Член-корреспондент РАН А.А. Левченко
Редакционная коллегия:
Г.Е. Абросимова, д.ф.-м.н. (заместитель главного редактора); В.Ю. Аристов, д.ф.-м.н.; 
А.С. Аронин, д.ф.-м.н.; А.В. Белушкин, д.ф.-м.н., член-корр. РАН; В.А. Бушуев, д.ф.-м.н.;
Н.В. Волков, д.ф.-м.н.; А.Э. Волошин, д.ф.-м.н.; С.В. Григорьев, д.ф.-м.н.;
В.П. Дмитриев, д.ф.-м.н.; А.П. Захаров, д.ф.-м.н.; В.М. Каневский, д.ф.-м.н.;
М.В. Ковальчук, д.ф.-м.н., член-корр. РАН; Д.П. Козленко, д.ф.-м.н.;
О.В. Коновалов, к.ф.-м.н.; С.В. Коновалов, д.т.н.; 
Э.А. Коптелов, д.ф.-м.н. (заместитель главного редактора);
Е.С. Клементьев, к.ф.-м.н. (ответственный секретарь); А.А. Лебедев, д.т.н.; 
Д.В. Рощупкин, д.ф.-м.н.; А.В. Солдатов, д.ф.-м.н.; В.Г. Станкевич, д.ф.-м.н.; 
Д.Ю. Чернышов, к.ф.-м.н.; Н.И. Чхало, д.ф.-м.н.; Xizhang Chen, PhD
Редакционный совет:
Председатель: В.А. Матвеев, д.ф.-м.н., академик РАН;
В.Л. Аксенов, д.ф.-м.н. член-корр. РАН; Ю.А. Владимиров, д.б.н., академик РАМН; 
О.Д. Далькаров, д.ф.-м.н.; В.В. Кведер, д.ф.-м.н., академик РАН;
Г.Н. Кулипанов, д.ф.-м.н., академик РАН; И.Г. Неизвестный, д.ф.-м.н. член-корр. РАН; 
Э.В. Суворов, д.ф.-м.н.
Заведующая редакцией Н.В. Еременко
Научные редакторы: Н.Е. Новикова, О.Н. Хрыкина
Адрес редакции: Москва, ул. Бутлерова, 17а
Телефон: +7 (499) 743-00-32
E-mail: surf@crys.ras.ru
INTERNET: http://www.issp.ac.ru/journal/surface/
Ɇ ɨɫɤɜɚ
Ɏ ȽȻɍ ɂɡɞɚɬɟɥɶɫɬɜɨ ©ɇɚɭɤɚª
© Российская академия наук, 2024
© Редколлегия журнала «Поверхность. 
Рентгеновские, синхротронные и нейронные  
исследования» (составитель), 2024

СОДЕРЖАНИЕ
Номер 11, 2024
К 40-ЛЕТИЮ ОРГАНИЗАЦИИ ЯРОСЛАВСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА
 
3
Миграция хрома по поверхности оксида кремния под действием сильного электрического поля
И. В. Уваров, Л. А. Мазалецкий  
4
Особенности физических свойств пленочных структур на основе нанопленок вольфрама 
с различным фазовым составом
А. В. Проказников, Р. В. Селюков, В. А. Папорков 
12
Формирование наноструктур на поверхности пленок алюминий–кремний бомбардировкой 
низкоэнергетическими ионами аргона плазмы индукционного ВЧ-разряда 
В. И. Бачурин, И. И. Амиров, К. Н. Лобзов, С. Г. Симакин, М. А. Смирнова 
24
Управляемое наноструктурирование тонких пленок методом наклонного напыления
О. С. Трушин, И. С. Фаттахов, М. М. Чебохин, А. А. Попов, Л. А. Мазалецкий 
32
Коэффициенты распыления для монокристаллических образцов PbX (X = S, Se, Te) с различной 
кристаллографической ориентацией
С. П. Зимин, И. И. Амиров, Л. А. Мазалецкий, Н. Н. Колесников, А. В. Тимонина 
41
Методы повышения эффективности процесса электроформовки открытых “сэндвич”-структур 
металл–диэлектрик–металл
В. М. Мордвинцев, Е. С. Горлачев, С. Е. Кудрявцев 
49
Анализ кристаллических фаз электроактивных форм композита сополимера 
поливинилиденфторида и тетрафторэтилена с нанографитом
В. И. Бачурин, Н. Г. Савинский, А. П. Храмов, М. А. Смирнова, Р. В. Селюков  
58
Самоформируемая нитрид-кремниевая наномаска и ее применения
В. К. Смирнов, Д. С. Кибалов, П. А. Лепшин, И. В. Журавлев, Г. Ф. Смирнова 
69
Окисление и травление тонких пленок рутения в кислородной плазме при низкой энергии ионов
И. И. Амиров, Н. В. Алов, П. Ю. Шаранов, Т. В. Рахимова 
81
Управление эрозией маски и коррекция профиля структур в адаптированном процессе  
глубокого реактивного ионного травления кремния
О.В. Морозов 
87
Исследование процессов внедрения и экстракции лития в тонкопленочном литий-ионном 
аккумуляторе методом резерфордовского обратного рассеяния
С. В. Курбатов, Н. C. Мелесов, Е. О. Паршин, А. С. Рудый, А. А. Мироненко, В. В. Наумов,  
А. М. Скундин, В. И. Бачурин 
99
Математическая модель радиационной проводимости и электронной эмиссии  
в широкозонных диэлектриках
А. В. Березин, В. М. Каневский, И. А. Тараканов 
109
Атомистическое моделирование сегрегации в тернарном наносплаве Pt–Pd–Ni
Н. И. Непша, Н. Ю. Сдобняков, В. М. Самсонов, И. В. Талызин, А. Ю. Колосов, Д. В. Жигунов,  
К. Г. Савина, А. А. Романов 
116
 

Contents
No. 11, 2024
ON THE 40TH ANNIVERSARY OF THE ORGANIZATION 
OF THE YAROSLAVL SCIENTIFIC CENTER
Migration of Chromium on the Silicon Oxide Surface under the Strong Electric Field
I. V. Uvarov, L. A. Mazaletsky
4
Peculiarities of Physical Properties of Film Structures Based on Tungsten Nanofilms with Various 
Phase Composition
A. V. Prokaznikov, R. V. Selyukov, V. A. Paporkov
12
Formation of Nanostructures on the Surface of Aluminium—Silicon Films by Bombardment with 
Low-Energy Argon Ions of Inductive RF Discharge Plasma
V. I. Bachurin, I. I. Amirov, K. N. Lobzov, S. G. Simakin, M. A. Smirnova
24
Controlled Nanostructuring of Thin Films by Oblique Deposition
O. S. Trushin, I. S. Fattakhov, M. M. Chebokhin, A. A. Popov, L. A. Mazaletsky
32
Sputtering Yields for Single Crystal Samples of PbX (X = S, Se, Te) with Different Crystallographic Orientations
S. P. Zimin, I. I. Amirov, L. A. Mazaletskiy, N. N. Kolesnikov, A. V. Timonina
41
Methods for Increasing the Efficiency of the Electroforming Process of Open Metal–Insulator–Metal 
Sandwich Structures
V. M. Mordvintsev, E. S. Gorlachev, S. E. Kudryavtsev
49
Analysis of Crystalline Phases of Electroactive Forms of Copolymer Composite of Polyvinylidene Fluoride 
and Tetrafluoroethylene with Nanographite
V. I. Bachurin , N. G. Savinski, A. P. Khramov , M. A. Smirnova , R. V. Selyukov
58
Self-Forming Silicon Nitride Nanomask and its Applications
V. K. Smirnov, D. S. Kibalov, P. A. Lepshin, I. V. Zhuravlev, G. F. Smirnova
69
Oxidation and Etching of Thin Ruthenium Films in Low Ion Energy Oxygen Plasma
I. I. Amirov, N. V. Alov, P. Yu. Sharanov, T. V. Rakhimova
81
Control of Mask Erosion and Correction of Structure Profile in an Adapted Process 
of Deep Reactive Ion Etching of Silicon
O. V. Morozov
87
Investigation of Intercalation and Deintercalation of Lithium Ions in Thin-Film Lithium-Ion Battery 
by Rutherford Backscattering Spectrometry
S. V. Kurbatov, N. S. Melesov, E. O. Parshin, A. S. Rudy, A. A. Mironenko, V. V. Naumov,
A. M. Skundin, V. I. Bachurin

Mathematical Model of Radiation Conductivity and Electron Emission in Wide-Gap Dielectrics
A. V. Berezin, V. M. Kanevskij, I. A. Tarakanov

Atomistic Simulation of Segregation in Ternary Pt–Pd–Ni Nanoalloy
N. I. Nepsha, N. Yu. Sdobnyakov, V. M. Samsonov, I. V. Talyzin, A. Yu. Kolosov, D. V. Zhigunov,
K. G. Savina, A. A. Romanov
116

ПОВЕРХНОСТЬ.  РЕНТГЕНОВСКИЕ,  СИНХРОТРОННЫЕ  И  НЕЙТРОННЫЕ  ИССЛЕДОВАНИЯ,  2024,  № 11,  c. 3–3
К 40-ЛЕТИЮ ОРГАНИЗАЦИИ ЯРОСЛАВСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА
В 1983 г. вышли Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 729-231 “О дальнейшем 
развитии работ в области вычислительной техники” и детализирующее его Постановление Совета 
Министров СССР № 730-232 “О мерах по обеспечению работ в области вычислительной техники и ее 
применения в народном хозяйстве”. В рамках выполнения этих постановлений в Ярославле был создан 
Научный центр Академии наук СССР. В 2024 г. исполняется 40 лет с момента образования в Научном 
центре АН СССР Института микроэлектроники, Института проблем вычислительной техники и Специального конструкторского бюро. Директором-организатором и первым руководителем Ярославского 
научного центра стал действительный член АН СССР Камиль Ахметович Валиев. В настоящее время 
преемником Научного центра является Ярославский филиал Физико-технологического института имени К.А. Валиева РАН, в котором трудятся 50 научных сотрудников, включая 9 докторов и 18 кандидатов 
наук. В 2007 г. в ЯФ ФТИАН им. К.А. Валиева РАН была организована базовая кафедра нанотехнологий 
в электронике ЯрГУ им. П.Г. Демидова, занимающаяся подготовкой специалистов по направлению 
“Электроника и наноэлектроника”. Среди 26 молодых сотрудников института большинство являются 
выпускниками этой кафедры.
В Ярославском филиале проводятся фундаментальные и прикладные исследования в области 
технологии микро- и наноэлектроники, значительную часть которых занимают работы по физике 
поверхности и тонких пленок, модификации поверхности материалов потоком заряженных частиц, 
формировании на поверхности микро- и наноструктур. 
В настоящем выпуске журнала опубликованы работы сотрудников ЯФ ФТИАН им. К.А. Валиева 
РАН, которые отражают научную тематику и результаты исследований, выполненных в последнее 
время. 

ПОВЕРХНОСТЬ.  РЕНТГЕНОВСКИЕ,  СИНХРОТРОННЫЕ  И  НЕЙТРОННЫЕ  ИССЛЕДОВАНИЯ,  2024,  № 11,  c. 4–11
УДК 537.29
МИГРАЦИЯ ХРОМА ПО ПОВЕРХНОСТИ ОКСИДА КРЕМНИЯ  
ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
© 2024 г. И. В. Уваровa, *, Л. А. Мазалецкийa
aЯрославский филиал Физико-технологического института  
им. К.А. Валиева РАН, НИЦ “Курчатовский институт”, Ярославль, 150067 Россия
*e-mail: i.v.uvarov@bk.ru
Поступила в редакцию 12.04.2024 г. 
После доработки 16.06.2024 г. 
Принята к публикации 16.06.2024 г.
Продемонстрирована миграция хрома, играющего роль адгезионного материала для планарных 
электродов МЭМС-переключателя, по поверхности термически окисленной кремниевой 
пластины. Подача импульсов напряжения приводит к образованию наноструктур из хрома 
и углерода на управляющем электроде и их росту в направлении коммутируемого электрода. 
С течением времени структуры достигают микронного размера и перекрывают межэлектродный 
зазор. Миграцию активирует электрическое поле напряженностью порядка 108 В/м. Первые 
структуры формируются после подачи 102–105 импульсов, но по мере их роста процесс ускоряется. 
В случае электродов из платины миграция проходит быстрее и требует меньшего напряжения 
по сравнению с электродами из золота. Перенос материала происходит не только в зазоре между 
электродами, но также на поверхности SiO2 вокруг положительного электрода. Материал также 
перемещается под пленками Pt и Au, вызывая их отслоение от подложки. Описанные явления 
могут выводить из строя МЭМС-переключатели с электростатическим управлением и другие 
устройства, использующие сильные электрические поля.
Ключевые слова: МЭМС, переключатель, электроды, адгезионный слой, хром, миграция, дрейф, 
оксид кремния, углерод, электрическое поле.
DOI: 10.31857/S1028096024110012, EDN: REXKJQ
ВВЕДЕНИЕ
Последние 
десятилетия 
характеризуются 
интенсивным 
развитием 
радиоэлектроники. 
Миниатюризация, снижение энергопотребления 
и увеличение быстродействия радиоэлектронной 
аппаратуры требует использования передовых 
электронных компонентов, в том числе переключателей, осуществляющих коммутацию сигналов 
ВЧ- и СВЧ-диапазонов. Широким потенциалом 
применения обладают переключатели, изготовленные по технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) [1]. Для них характерны 
различные принципы управления [2, 3], среди 
которых наиболее перспективным является электростатический принцип. В электростатическом 
переключателе подвижная балка микронных 
размеров 
располагается 
над 
управляющим 
и коммутируемым электродами планарной конфигурации. На управляющий электрод подается 
напряжение. Балка изгибается под действием 
электростатической силы и приходит в контакт 
с коммутируемым электродом, замыкая электрическую цепь. Ключ имеет латеральный размер 
порядка 100 мкм, энергопотребление на уровне 
1 мкВт и время срабатывания около 10 мкс, а по 
частотным характеристикам не уступает электромеханическим реле [4]. Таким образом, МЭМС- 
переключатели сочетают в себе достоинства традиционно применяемых электромеханических 
и полупроводниковых изделий.
Электроды 
МЭМС-переключателя 
формируются на диэлектрической подложке и обычно 

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ     № 11    2024
МИГРАЦИЯ ХРОМА ПО ПОВЕРХНОСТИ ОКСИДА КРЕМНИЯ
5
располагаются на расстоянии нескольких микрометров друг от друга. Потенциал управляющего 
электрода составляет несколько десятков вольт 
относительно балки, в то время как потенциал 
коммутируемого электрода близок к нулю [5]. 
Напряженность 
электрического 
поля 
между 
электродами достигает 108 В/м. Это значение 
не превышает электрической прочности традиционно используемых диэлектриков, таких 
как оксид [6] или нитрид кремния [7]. Однако 
сильное поле может вызвать другие эффекты, 
в том числе дрейф ионов металла [8]. В настоящей 
работе продемонстрирована миграция хрома, 
выступающего в качестве адгезионного материала 
для электродов из платины и золота. Миграция 
приводит к образованию структур микронного 
размера на поверхности SiO2 вокруг управляющего электрода, способных вывести ключ из строя. 
Подробно исследован процесс роста структур, 
и рассмотрены его возможные причины.
МЕТОДИКА
Миграция адгезионного материала была обнаружена в ходе испытаний МЭМС-переключателя, 
оснащенного механизмом активного размыкания 
[9]. Образец содержит две пары управляющих 
и коммутируемых электродов, схематично изображенных на рис. 1 (подвижная балка, расположенная над электродами, на рисунке не показана). Электроды сформированы на кремниевой 
пластине толщиной 460 мкм с удельным сопротивлением 12 Ом·см, покрытой термически выращенным слоем SiO2 толщиной 1 мкм. Они имеют 
двухслойную структуру: слой платины или золота 
толщиной 100 нм нанесен методом магнетронного распыления в среде аргона на адгезионный 
слой хрома толщиной 10 нм. Расстояние между 
управляющим и коммутируемым электродами 
составляет 2 мкм. Подробное описание образцов 
представлено в [10].
Испытание переключателя проводили в нормальных условиях без корпусирования. Балка 
и коммутируемые электроды были заземлены, а на 
управляющие электроды поочередно подавали 
прямоугольные импульсы напряжения от источников питания Keysight E36106A. Длительность 
каждого импульса составляла 0.15 с, амплитуда 
Vg — от 60 до 100 В. Ток, протекающий через 
образец, регистрировал встроенный амперметр 
с точностью 1 мкА. Работу переключателя контролировали визуально с помощью оптического 
микроскопа, оснащенного камерой Moticam 
1SP. Образцы исследовали с помощью растровых 
электронных микроскопов (РЭМ) FEI Quanta 3D 
200i и Zeiss Supra 40. Химический состав образцов 
определяли с использованием рентгеновского 
энергодисперсионного 
спектрометра 
Oxford 
Instruments INCA x-ACT, установленного в РЭМ 
Supra 40, при ускоряющем напряжении 8 кВ.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Миграция в зазоре между электродами
В ходе испытаний переключатели выходили 
из строя вследствие залипания или короткого 
замыкания после нескольких сотен или тысяч 
циклов коммутации. С целью выяснения причин 
выхода из строя балка была удалена, а импульсы 
напряжения подавали на управляющие электроды согласно описанной выше процедуре. Через 
несколько сотен циклов на краю управляющего 
электрода 
появлялись 
структуры 
размером 
несколько сотен нанометров (рис. 2). На электродах из платины структуры формировались быстрее и при меньшей амплитуде импульсов, чем 
на электродах из золота. В случае платины первые 
образования были заметны уже после подачи 500 
импульсов с Vg = 60 В (рис. 2а), в то время как 
в случае золота структуры появлялись после 105 
импульсов с Vg = 100 В (рис. 2б). Вероятно, более 
быстрому росту структур на платиновых электродах способствовали каталитические свойства 
этого металла.
По мере подачи импульсов размер структур 
увеличивался. Некоторые из них перекрывали 
зазор между электродами (рис. 3). Структура 
имеет форму полосы шириной около 500 нм и высотой 100 нм. В табл. 1 представлены результаты 
определения химического состава полосы (область 1) и соседней поверхности SiO2 (область 2). 
Оба участка содержат небольшое количество 
углерода, обусловленное контаминацией, но на 
структуре процент C примерно вдвое выше. 
В области 1 регистрируется хром, отсутствующий 
на свободной поверхности SiO2, а также пониженное содержание кислорода и кремния по сравнеРис. 1. Схематичное изображение электродов 
переключателя.

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ     № 11    2024
УВАРОВ, МАЗАЛЕЦКИЙ
6
нию с подложкой. Видимо, материал структуры 
частично экранирует SiO2 от бомбардирующих 
электронов и ослабляет рентгеновское излучение, идущее из этого слоя. Платина практически 
не детектируется в обеих областях. Эти данные 
позволяют предположить, что материалом структур является хром в комбинации с углеродом. 
Единственным источником Cr служит адгезионный слой электродов.
Полагая, что структура, изображенная на рис. 3, 
состоит из чистого хрома с удельным сопротивлением ρ = 12.5 мкОм·см [11], можно оценить ее 
сопротивление как RS = ρl/(wh) = 5 Ом, где l = 2.0, 
w = 0.5 и h = 0.1 мкм — длина, ширина и высота 
структуры. Сигнальные дорожки, соединяющие 
электроды с контактными площадками, обладают 
сопротивлением RL = 35 Ом. Общее сопротивление 
цепи между площадками должно составлять R = 
= RS + RL = 40 Ом, однако измерение дает несколько десятков мегаом. Следовательно, материал 
структур обладает удельным сопротивлением 
порядка 108 мкОм·см. Эта величина существенно 
превышает сопротивление карбидов хрома, как 
правило, находящееся в диапазоне от 10 до 103 
мкОм·см [12, 13]. Однако электрические свойства 
системы Cr–C сильно зависят от соотношения 
атомов Cr и C [12], а также от количества включений Ar и O [13]. Полученное удельное сопротивление может соответствовать богатому углеродом 
материалу с паразитными включениями.
Дальнейшая подача импульсов напряжения 
приводила к слиянию отдельных структур в более 
крупные образования высотой до 1 мкм (рис. 4). 
Химический анализ подтвердил наличие в них 
хрома и углерода, а также отсутствие платины. 
Эти данные согласуются с химическим составом 
вышеописанных структур. Столь высокие образования являлись причиной выхода переключателя из строя. Балка контактировала с ними, 
в результате происходило залипание. Кроме 
того, вследствие относительно большого размера 
сопротивление структур было достаточно малым 
для того, чтобы вызвать короткое замыкание 
управляющего и коммутируемого электродов.
Рис. 2. РЭМ-изображения электродов из платины (а) и золота (б), полученные под углом 20° к плоскости подложки.
Рис. 3. Структуры в зазоре между платиновыми электродами, сформировавшиеся в результате подачи 104 
импульсов, вид сверху. Белыми точками обозначены 
области энергодисперсионного анализа.
Таблица 1. Химический состав (ат. %) образца, изображенного на рис. 3
Химический 
элемент
Область 1
Область 2
C
2.69
1.40
O
62.80
66.59
Si
27.41
32.11
Cr
6.99
0.00
Pt
0.02
0.01

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ     № 11    2024
МИГРАЦИЯ ХРОМА ПО ПОВЕРХНОСТИ ОКСИДА КРЕМНИЯ
7
Миграция вокруг положительного электрода
Наряду с образованием структур между электродами изменялась поверхность SiO2 вокруг 
управляющего электрода и его соединительной 
дорожки. Это изменение было практически 
незаметно в оптический микроскоп, но хорошо 
наблюдалось в РЭМ. Образец показан на рис. 5а. 
Вокруг дорожки на поверхности SiO2 находится 
темная область с более темными пятнами внутри. 
Вблизи дорожки размер пятен достигает 4 мкм 
и уменьшается по мере удаления от нее. Крупные 
пятна содержат светлые полусферические структуры размером 100–200 нм (рис. 5б).
Химический 
состав 
образца 
представлен 
в табл. 2. Пятна на поверхности SiO2 (область 4) демонстрируют повышенное содержание 
Cr и C по сравнению с участком между пятнами 
(область 6). Концентрация этих элементов в полусферической структуре (область 5) еще выше 
и достигает 5.6 и 3.5% соответственно. Потемневшая поверхность SiO2 отличается от исходной 
поверхности (область 3) несколько большим 
содержанием углерода и незначительным присутствием хрома. За пределами дорожки платина 
не детектируется. Следовательно, хром в комбинации с углеродом мигрируют с образованием 
пятен и объемных структур на поверхности SiO2. 
Можно также заметить, что край дорожки темнее, 
чем центральная часть. В светлой и темной областях (зоны 1 и 2) содержание хрома составляет 
0.5 и 1.0% соответственно, хотя исходная пленка 
Cr/Pt обычно демонстрирует содержание хрома 
около 1.5%. По-видимому, хром перемещается 
от центра дорожки к краю и далее распространяется по подложке.
Модификация SiO2 сопровождалась отслоением соединительной дорожки от подложки, заметным на рис. 5а. РЭМ-исследование показало, 
что пространство под отслоившимся участком 
заполнено материалом. На вершине этого участка 
регистрируется 4.6 ат. % хрома, в то время как 
не отслоившаяся область содержит лишь 0.1 ат. %  
хрома. Таким образом, деформация дорожки 
обусловлена скоплением хрома под пленкой 
платины. Однако в отличие от ранее показанных 
структур отслоившийся участок демонстрирует 
меньшее содержание углерода по сравнению с неповрежденной областью. Следовательно, углерод 
не участвует в переносе материала под электродом 
в отличие от процессов, происходящих на открытой поверхности SiO2. Это объясняется более 
низким содержанием углеродных остатков и загрязнений под пленкой платины по сравнению 
с открытой поверхностью. 
Рис. 4. Крупные структуры, сформировавшиеся 
между платиновыми электродами в результате подачи 2 × 104 импульсов. РЭМ-изображение получено 
под углом 20° к плоскости подложки.
Рис. 5. Общий вид соединительной линии управляющего электрода после подачи 104 импульсов 
(a). Увеличенное РЭМ-изображение участка поверхности, выделенного прямоугольником (б). 
Точками 
обозначены 
области 
энергодисперсионного анализа.

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ     № 11    2024
УВАРОВ, МАЗАЛЕЦКИЙ
8
Температура и электрическое поле
Миграцию хрома можно объяснить диффузией 
атомов в результате нагрева образца электрическим током. Для оценки температуры был измерен 
ток, протекающий через электроды в процессе роста структур. Использовали платиновый образец 
с предварительно сформированными крупными 
структурами (рис. 4). Сигнальный электрод был 
заземлен, а потенциал управляющего электрода Vg 
постепенно увеличивался от нуля до 15 В в течение 30 с (рис. 6). График также иллюстрирует изменение тока I. В течение первых 5 с напряжение 
увеличивалось от нуля до 6 В, ток не превышал  
1 мкА. Подъем Vg до 8 В на шестой секунде вызвал 
скачок тока до 12 мкА и активировал образование 
структур в зазоре между электродами. С шестой 
по пятнадцатую секунды структуры продолжали 
расти, и происходило отслоение дорожки. В течение следующих 15 с напряжение постепенно 
увеличивалось до 15 В, но ток не превышал 7 мкА. 
Таким образом, ток находился на уровне нескольких микроампер, несмотря на присутствие крупных структур в межэлектродном зазоре. Малая 
величина тока объясняется большим удельным 
сопротивлением мигрирующего материала.
В ходе эксперимента через электроды протекал усредненный по времени ток I = 5 мкА. Эта 
величина была использована для оценки нагрева 
дорожки длиной 200 мкм и шириной 10 мкм 
(рис. 5a). Джоулево тепло в дорожке составляет 
Q = I2RLt = 16 нДж, где RL = 20 Ом — ее сопротивление, t = 30 с – длительность процесса. При 
отсутствии теплообмена с подложкой и окружающим воздухом это количество теплоты увеличивает температуру на ΔT = Q/(CPtξPtV) = 28 К, где 
CPt = 0.133 Дж/(г·К) и ξPt = 21.5 г/см3 — теплоемкость и плотность платины [11], V = 200 мкм3 — 
объем дорожки. Полученное изменение температуры является максимальной оценкой, поскольку 
в эксперименте имел место теплообмен.
Как правило, диффузию металлов в SiO2 
активирует нагрев до нескольких сотен градусов [14], однако наблюдаемая миграция хрома 
происходила без существенного увеличения 
температуры образца. Таким образом, тепловая диффузия отсутствовала, а перенос хрома 
происходил 
под 
действием 
электрического 
поля. Для распределения поля в слое SiO2 были 
проведены простые электростатические расчеты 
методом конечных элементов. При максимальном напряжении Vg = 100 В вблизи электрода 
напряженность поля не превышала 1.5 × 108 
В/м, а вокруг дорожки она составляла не более 
0.5 × 108 В/м [10]. Таким образом, напряженность поля не превосходила электрической 
прочности SiO2, составляющей 3.0 × 108 В/м 
[6], и локальный пробой SiO2 также не являлся 
причиной переноса материала.
ОБСУЖДЕНИЕ
Эксперименты, выполненные на образцах 
с удаленной балкой, выявили причину выхода 
МЭМС-переключателя из строя. Под действием 
Таблица 2. Химический состав (ат. %) образца, изображенного на рис. 5
Химический 
элемент
Область 1
Область 2
Область 3
Область 4
Область 5
Область 6
C
12.90
11.00
1.58
2.33
3.46
2.13
O
10.54
12.96
66.53
65.78
63.72
65.39
Si
16.63
16.98
31.94
29.45
26.04
32.06
Cr
0.47
0.99
0.00
2.03
5.58
0.02
Pt
51.19
51.20
0.00
0.00
0.00
0.00
Рис. 6. Зависимость управляющего напряжения 
и тока, протекающего через платиновые электроды, 
от времени.

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ     № 11    2024
МИГРАЦИЯ ХРОМА ПО ПОВЕРХНОСТИ ОКСИДА КРЕМНИЯ
9
импульсов напряжения хром в сочетании с углеродом формировал объемные структуры, которые 
зарождались на положительном электроде и росли по направлению к заземленному электроду. 
С ростом числа поданных импульсов структуры 
увеличивались в размере, перекрывали межэлектродный зазор и приходили в контакт с балкой, 
что вызывало короткое замыкание или залипание. 
Рост структур сопровождался миграцией хрома 
по подложке SiO2 и его агломерацией в пятна 
и полусферические образования. Хром также 
агломерировал под поверхностью электрода, 
вызывая его отслоение. Скорость роста структур 
значительно варьировалась от образца к образцу. Формирование небольших структур обычно 
требовало подачи от 102 до 105 импульсов, но с 
увеличением размера процесс ускорялся. Таким 
образом, миграция хрома снижала надежность 
МЭМС-переключателя, ограничивая срок службы весьма низкой величиной в 103–106 рабочих 
циклов. 
Ток, протекающий через электроды в ходе роста 
структур, составлял несколько микроампер и нагревал образец незначительно, поэтому тепловая 
диффузия не вносила вклад в миграцию хрома. Вероятной причиной переноса хрома являлся дрейф 
ионов металла в диэлектрике под действием электрического поля. Этот эффект включает в себя 
формирование положительных ионов на границе 
металл–диэлектрик и их последующее движение 
в направлении отрицательного электрода [8]. Его 
используют в качестве рабочего принципа резистивной памяти [15]. Приложение напряжения 
к активному электроду приводит к растворению 
металла в диэлектрике как в твердом электролите 
и формированию проводящей нити, соединяющей электроды. Ряд работ [16–19] демонстрирует 
формирование нитей в SiO2. Дрейф ионов активирован электрическим полем напряженностью 
107–108 В/м, близкой по величине к рассматриваемой системе. В качестве дрейфующих металлов 
обычно используют серебро и медь вследствие 
легкости окисления и высокой подвижности 
ионов. Благородные металлы, в том числе Au и Pt, 
не демонстрируют дрейфа вследствие их высокой 
химической инертности [15]. Именно поэтому 
они не были обнаружены в химическом составе 
структур. Титан, часто применяемый в качестве 
адгезионного материала, реагирует с поверхностью SiO2 и образует оксид титана, который выступает диффузионным барьером и препятствует 
проникновению металла [14]. Это объясняет, почему миграция не наблюдалась у переключателей 
с титановым подслоем [20].
Хром, как и титан, имеет сильное сродство 
к кислороду и образует тонкий оксидный слой 
на границе раздела Cr–SiO2 [21]. Этот слой 
предотвращает дрейф ионов в объеме SiO2 под 
действием поля. Однако в отличие от ячеек памяти, представляющих собой структуры металл–диэлектрик–металл и использующих дрейф в объеме 
диэлектрика [15], рассматриваемые электроды 
имели планарную конфигурацию. Следовательно, 
большое значение могли иметь поверхностные 
эффекты. Представленные данные свидетельствуют о том, что миграция происходила именно 
на поверхности SiO2, но окончательное подтверждение этого тезиса требует дополнительного 
исследования.
Адгезионный слой хрома широко применяется 
в электростатических МЭМС-переключателях, 
сформированных на SiO2 [22–26], но сообщения 
о миграции хрома под действием поля в литературе отсутствуют. По-видимому, этот эффект был 
обусловлен особенностями технологии изготовления образцов. В частности, плазменное травление жертвенного слоя могло активировать поверхность SiO2 и снизить потенциальный барьер 
для дрейфа ионов. В дальнейшем планируется 
выполнить детальный анализ слоя SiO2 на различных этапах процесса изготовления. Необходимо 
выяснить условия возникновения миграции, 
чтобы избежать ее нежелательных последствий 
для работоспособности переключателей и других 
МЭМС.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе продемонстрирована миграция хрома 
по поверхности термически окисленной кремниевой пластины. Эффект обнаружен на планарных 
электродах 
МЭМС-переключателя, 
изготовленных из платины и золота с адгезионным подслоем хрома. Импульсы напряжения 
вызывают появление наноструктур на управляющем электроде и их рост в направлении коммутируемого электрода. Структуры объединяются 
в образования микронного размера, выводящие 
переключатель из строя вследствие залипания 
или короткого замыкания. Энергодисперсионный анализ показывает, что структуры состоят 
из хрома и углерода. По-видимому, их рост объясняется миграцией Cr по SiO2 под действием 
электрического поля напряженностью порядка 
108 В/м. Скорость миграции существенно меняется от образца к образцу. Небольшие структуры 
появляются после 102–105 рабочих циклов, но по 
мере их роста процесс ускоряется. В случае 
платиновых 
электродов 
миграция 
проходит 
быстрее и при меньшей амплитуде импульсов