Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 12
|
|
|
2nd Reactant |
Методы получения пленок ИС.
Пленки проводников, резисторов, диэлектриков требуемого стехиометрического состава могут получаться
- из готовых порошковых или твердых материалов (физическое нанесение),
- в результате химических превращений с выделением твердой фазы на основании.
Параметры химических методов нанесения.
|
Фазы реагентов |
Активирующая энергия |
Приемы формирования потока |
Особенности |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
1 |
Газ |
Нагревание объема (пиролиз) |
Нет |
|
|
2 |
Разложение элементоорганических соединений |
Луч лазера |
||
|
3 |
Аэрогель |
Нагревание |
Направленное распыление на разогретые подложки (спрей - пиролиз) |
|
|
4 |
Жидкость |
Электрическое поле |
||
|
5 |
Аэрозоли (микрокапли) |
термически разлагающиеся соли соответствующих компонентов сложных или простых оксидов. |
||
|
6 |
Порошок |
Электронный луч |
Струя газа |
Материалы с высокой проводимостью (серебро, медь) не обладают достаточной адгезией к керамическим материалам подложки. В результате возникает необходимость дополнительного напыляемого адгезионного слоя из нихрома NiCr или палладия Pd (подслоя) между подложкой и основным слоем. Подслой, располагаясь в области высокой плотности тока, обусловливает дополнительные диссипативные потери мощности в проводнике. Золото не требует подслоя, но обладает меньшей проводимостью и слишком дорого.
Для напыления нескольких слов за один технологический цикл оборудование оснащают несколькими испарителями. Для уменьшения числа столкновений частиц с другими молекулами требуется вакуум. Это существенно увеличивает продолжительность технологического цикла. Этот недостаток отчасти нивелируется использованием оборудования непрерывного цикла (не требуется ждать окончания цикла для загрузки новой партии).
Рис. а,б – установки периодического действия, в – установки с возвратным действием, г – полунепрерывного действия, д –непрерывного действия, е – АЛ проходного типа.
Рис. Компоновка кластерного типа. а - с радиальной архитектурой, б – с линейной архитектурой, в - со смешанной архитектурой. 1 – загрузочные модули, 2 - транспортные модули, 3 – технологические модулей, 4 – вакуумный затвор, 5 – направление движения.
Для нанесения материала на основание
1) необходима энергия, стимулирующая частицы выполнить работу выхода,
2) направление частицы в сторону основания,
3) объединение с другими частицами в пленку.
Параметры физических методов нанесения.
Табл.
|
Активирующая энергия |
Приемы формирования потока |
Особенности |
|
|
1 |
Тепловая |
Экраны |
Большой расход исходного вещества |
|
2 |
Электрическое поле |
Вдоль силовых линий электрического поля Гальваническое наращивание Спинингование |
Только для проводящих мишеней |
|
3 |
Бомбардировка нейтральными частицами, ионами или электронами |
Управление с помощью электрического или магнитного полей |
Сложность регулирования энергии частиц |
|
4 |
Инжектирование с зонда сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) |
Малые размеры обрабатываемой поверхности |
(1) Для нагревания используются электрический ток, лазерное излучение, косвенный нагрев. Температура нагрева должна быть достаточно большой для активирования частиц (преодоления силы сцепления молекул), но меньше температуры распада молекулы. Таким образом, формируются температурные требования.
(2) Энергетические требования касаются кинетической энергии частиц на поверхности основания. Небольшая энергия не позволит частице достичь основания. Увеличение энергии дает возможность не только попасть на поверхность основания, но и двигаться вдоль нее в поисках зародыша или стать им. Это полезный для напыления энергетический интервал. Энергию частицы можно корректировать нагреванием основания. Большее увеличение энергии чревато переотражением частицы от поверхности или проникновением в подповерхностную зону, что полезно для другой операции – легирования. Еще большая энергия частицы может спровоцировать удаление материала основания, что используется при операции травления.
Рис. Схема воздействия частиц в зависимости от достигнутой кинетической энергии.
Кристаллизация.
Этапы кристаллизации: 1) - образование зародыша (центра кристаллизации),
2) - рост зародыша, 3) - срастание зародышей.
Этап 1. Образование зародыша.
Энергетическое состояние некоторого объема вещества как системы частиц характеризуется свободной энергией Есв. Свободная энергия зависит от температуры и различна для жидкости и твердого тела. Чем больше свободная энергия Есв, тем менее устойчива система. В соответствии с аксиомой максимальной устойчивости при минимуме энергии система переходит в то состояние, где Есв меньше.
Есв Кристалл Рис. Изменение свободной энергии
в зависимости от температуры.
Тпл - равновесная или теорети-
Жидкость ческая температура
кристаллизации.
Етв < Еж Етв=Еж Етв > Еж
Е*=Етв- Еж <0 =0 >0
При температуре, меньшей Тпл, свободная энергия твердого тела (Етв) меньше свободной энергии жидкости ( Еж ), поэтому пойдет процесс кристаллизации. Если в твердом теле расстояние устойчивого равновесия ro меньше, то объем вещества уменьшается. (Существование жидкой фазы при Т < Тпл реализуется при изменении давления, т.е. дополнительной энергии).
Потенциальная энергия взаимосвязи в твердом кристалле больше (меньше по абсолютной величине), чем в жидком состоянии, поэтому при кристаллизации начинает выделяться энергия - т.н. “скрытая теплота”. Эта энергия мешает кристаллизации. Для поддержания процесса кристаллизации необходимо переохлаждать вещество. Степень переохлаждения Т:
Т = Тпл - Тп.
Тп - реальная температура (переохлаждения), при которой начинается кристаллизация.
Т Рис. Изменение температуры во время
кристаллизации.
Тпл
Тп
Этап 2. Рост зародыша.
В процессе кристаллизации в веществе имеются 2 фазы: жидкая и твердая. Между ними - поверхность раздела с коэффициентом поверхностного натяжения .
(Внутри фазы силы притяжения и отталкивания между молекулами взаимно компенсируются. На молекулы вблизи поверхности действует нескомпенсированная результирующая сила, направленная внутрь. Для перемещения молекулы из глубины к поверхности необходимо совершить работу против результирующей силы. Молекулы на поверхности обладают определенной потенциальной энергией, называемой поверхностной энергией Еs. Если не действует внешняя сила, то поверхностная энергия минимальна и площадь поверхности S минимальна.
Поверхностным натяжением называют отношение работы Еs, требующейся для увеличения площади поверхности на S, к величине этой площади S: = Еs / S). Свойства фазы вещества вблизи поверхности раздела отличаются от ее свойств в объеме.
На образование поверхности раздела фаз площадью S требуется затрата энергии Еs:
Еs = S , Еs 0.
Разность свободных энергий Есв твердого и жидкого состояний, приходящаяся на единицу объема (удельная характеристика):
Е* = Етв - Еж.
Е* зависит от соотношения температур Тпл и Тп. При переходе из жидкого состояния в твердое вещества (зародыша) объемом V изменение свободной энергии будет
Еv = Е* V .
Результирующее изменение свободной энергии при появлении в жидкости зародыша объемом V и площадью поверхности S:
Есв = Еv + Еs = - Е* V + S .
Процесс кристаллизации может протекать только при уменьшении Есв. Поскольку Еs>0, то Еv должно скомпенсировать увеличение Еs для того, чтобы началась кристаллизация.
Из-за неоднородного распределения температуры внутри вещества образуются зародыши в точках с наименьшей температурой. Зародыши имеют разные размеры. Для сферического зародыша в системе из n частиц Есв будет:
(V = 4/3 r 3 , S = 4 r2 ) , Есв = - Е* (4/3) r3 + 4 r2 .
Есв Т1 Рис. Зависимость критического
радиуса от температуры
переохлаждения Т.
Т2 ( Т1 Т2 Т3 Т4)
Т3
r
r4 r3 Т4
- Есв
Зародыши с радиусом меньше критического ( rкр ) расти не могут. Им мешает выделение “скрытого тепла”. Зародыши расплавляются. При rrкр зародыши начинают расти. Чем больше переохлаждение, тем меньше может быть критический радиус rкр и тем быстрее протекает процесс кристаллизации.
Для определения критического радиуса выявим условия максимума, продифференцировав выражение для Есв:
d (Есв)/ dr = - Е* 4/3 3 rкр2 + 4 2 rкр = 0, rкр = 2 / Е*.
Этап 3. Срастание зародышей.
Внутри зародыша частицы соединяются между собой, как правило, путем перестройки электронных оболочек атомов при их сближении. В этом участвуют все типы связи. Внутри зародыша имеет место дальний порядок. Поверхность раздела отличается по структуре, имеет большую Есв и, часто, свободные радикалы.
Зародыши, разрастаясь, сближают поверхности разделов. Ближайшие друг к другу атомы и молекулы этих поверхностей также соединяются между собой, но нарушается регулярность структуры. Границы зерен отчетливо видны на шлифах образцов. Вся внешняя поверхность закристаллизованного вещества, внутренние границы зерен и дефектные микрообъемы обладают повышенной Есв .
Управление толщиной слоев.
Толщина проводниковых слоев большей частью определяется длиной волны λ канализируемой энергии. Обычно это 3 λ. Благодаря скин эффекту внутренний объем проводника практически не используется. А вот резисторы и конденсаторы требуют жесткой регламентации толщины слоя.
При малой толщине резистора наблюдаются дополнительные механизмы рассеяния электронов: отражение от поверхностей раздела, слабая связь между центрами кристаллизации на ее первоначальном этапе. Это «Размерный эффект» Фукса. Поверхностное сопротивление ρ□ :
ρ □ = ρ уд ∙ a / ( b ∙ h), при a = b ρ □ = ρ уд / h,
где a - длина резистора, b - ширина резистора, h – толщина резистивной пленки. Площадь резистора выбирается, исходя из требований рабочей температуры и мощности рассеяния – допустимой температуры перегрева (Тдоп).
ρ уд, α R
ρ уд
h
α R
Рис. Зависимость удельного сопротивления и α R ТКС от толщины пленки h.
Для получения требуемой величины сопротивления используются:
- изменения толщины резистивного материала (контроль по сопротивлению – свидетелю),
- высокоомные металлы (W, Fe, Pl, Ta, Re (рений)),
- сплавы,
- химические соединения: Та (танталовая технология создает проводники из чистого Та, резисторы – из нитрированного тантала, диэлектрики – из Та2 О5), Pd (частичное окисление палладия для толстопленочных резисторов), Si (частичное формирование интерметаллических соединений),
- композиты с добавками графита, непроводящих материалов, полимеров, керамики, стекла (это кроме прочего увеличивает рабочую температуру),
- легирование полупроводников.
Не требуют регламентации параметров резистивные покрытия, выполняющие функцию поглощения паразитных электромагнитных волн.
Конденсатор с параллельными электродами обладает емкостью
С = o S / d,
где S – площадь электрода, d – расстояние между электродами (толщина диэлектрического слоя). Формула характеризует емкость только непосредственно под электродами (в области проекции электродов). Не учитывается краевая емкость.
Не требуют регламентации параметров диэлектрические покрытия, выполняющие изолирующие функции.
Параметр толщины пленки регулируется временем операции, энергетическими характеристиками воздействий. Возможно нанесение заданного числа атомных слоев.
|
Операция |
Структура слоев |
Технологические особенности |
|
Нанесение (напыление, распыление) |
Слой материала мишени или результат реакции подаваемых веществ |
Прецизионный контроль параметров нанесения |
|
«Atomic layer deposition» (ALD). |
2 группы молекул для 2 разных слоев |
Отдельный технологический цикл для каждого слоя |
|
Метод Ленгмюра-Блоджетт |
1 слой амфифильных веществ |
Первоначальное формирование на поверхности субфазы и впоследствии переносится на поверхность подложки |
|
Layer-by-layer (LbL) |
Многослойные (до 300) |
Отдельный технологический цикл для каждого слоя |
Традиционные методы нанесения предусматривают формирование на подложке зерен вещества и их объединение. Контроль толщины затруднен. Толщина неравномерна.
Для реализации слоев прецизионной толщины используется технология нанесения одноатомного слоя «Atomic layer deposition» (ALD). Именно точно рассчитанное число слоев позволяет формировать транзисторы, конденсаторов большой емкости на основе диэлектрических пленок с высокой диэлектрической проницаемостью. В отличие от традиционного химического вакуумного напыления каждый атомный слой создается в 2 этапа с помощью двух разных реагентов (ALD.swf). Это самоограничивающийся (self-limited) процесс. За один цикл создается 1 слой, поэтому легко управлять толщиной пленки. Вещества подбираются таким образом, чтобы имелась сильная связь между молекулами разных слоев и слабая – в пределах слоя.
Рис. Схема одного цикла создания атомного слоя.
Рис. Изображение и структура гибкой автоматизированной линии ALD.
Enabling efficient photovoltaics from earth-abundant materials
|
Folded active layers allow for good light collection from low-cost and unconventional materials. |
Researchers at Argonne are pursuing a solar cell in which inorganic layers are effectively folded over a porous template to form a highly structured array. This design has the potential to enable a variety of low-cost and earth-abundant materials to be utilized in high efficiency photovoltaics.
The intricate geometry is accomplished by a unique, gas-phase growth method that deposits one atomic layer at a time. When performed in rapid succession, a multitude of conformal coatings may be applied over the most complex templates. This method allows the total solar cell thickness to be tuned for ample light collection, while independently controlling each layer’s thickness to ensure optimal device performance.
Солнечные ячейки при контроле структуры обладают большим КПД.
В процессе можно использовать как термическое испарение, так и плазменное нанесение.
Для мнослойного нанесения амфифильных веществ (АМФВ), например, жидких кристаллов, используется метод Ленгмюра-Блоджетт. Особенностью метода Ленгмюра-Блоджетт является то, что сплошной упорядоченный мономолекулярный слой, предварительно формируется на поверхности субфазы и впоследствии переносится на поверхность подложки. Сформированный монослой, состоящий из плотноупакованных молекул АМФВ, переносится на движущуюся вниз-вверх через поверхность воды твердую подложку. В зависимости от типа поверхности подложки (гидрофильная или гидрофобная) и последовательности пересечения подложкой поверхности субфазы с монослоем и без монослоя, можно получать пленки Ленгмюра-Блоджетт (ПЛБ) с симметричной (Y) или асимметричной (X, Z) структуры. Для получения однородной по толщине пленки Ленгмюра-Блоджетт, поверхность подложки должна иметь шероховатость Rz<=50нм.
Рис.Однослойная пленка Ленгмюра – Блоджетт.
Рис. Схема получения монослоев АМФВ.
Пленки Ленгмюра-Блоджетт (англ. Langmuir–Blodgett film) состоят из одного или более монослоев органических веществ. Метод Ленгмюра-Блоджетт позволяет без значительных экономических затрат (не требует вакуумирования и высоких температур) воспроизводимо получать молекулярные моно- и мультислои на основе органических веществ, включая и высокомолекулярные соединения (полимеры, в том числе биологически активные). Уникальность метода заключается в возможности послойно увеличивать толщину пленки, формирующейся на твердой поверхности, причем толщина каждого слоя определяется размерами молекулы используемого органического вещества, и строго контролировать структурное совершенство получаемых пленок. Уже сейчас пленки Ленгмюра-Блоджетт находят разнообразное практическое применение в различных областях науки и техники: в наноэлектронике (нанолитография с разрешением 20-50 нм, изолирующие и проводящие ультратонкие пленки, туннельные диэлектрики, пассивирующие и защитные покрытия, элементная база молекулярной электроники, матрицы с полупроводниковыми наночастицами, матрицы для создания ультратонких слоев окислов металлов), в оптике (активные слои для записи информации оптическим способом и атомно-зондовым методом, фотохромные покрытия со встроенными светочувствительными белковыми молекулами, просветляющие покрытия, дифракционные решетки, интерференционные и поляризационные светофильтры, удвоители частот, барьерные слои в фотодиодах), в прикладной химии (химия поверхности и поведения частиц на поверхности, катализ, фильтрация и обратный осмос мембран, адгезия), в микромеханике (антифрикционные покрытия), в биологии -биосенсоры и датчики (электронные и электрохимические сенсоры на основе упорядоченных молекулярных структур со встроенными активными молекулами или молекулярными комплексами). Метод был разработан в 30х годах прошлого столетия И. Ленгмюром и его ученицей К. Блоджетт. Об этом методе на довольно долгий период забыли, но затем, уже после второй мировой войны, вернулись «на новом витке спирали», чтобы использовать его возможности для конструирования сложных слоистых ансамблей из амфифильных молекул. В последующие годы интерес к пленкам Ленгмюра—Блоджетт (ЛБ-пленкам) лавинообразно возрастал: поток работ был столь велик, что вышел за рамки публикаций в различных научных журналах — стал выходить специальный журнал «Langmuir». Каждый год проводятся специальные международные конференции «ЛБ», посвященные целиком тонким организованным пленкам, на многих физических и химических симпозиумах с широкой тематикой обязательно есть разделы, посвященные ленгмюровским монослоям и ЛБ-пленкам.
Ванна для нанесения пленок Ленгмюра-Блоджетт
Many possible applications have been suggested over years for Langmuir–Blodgett films. Their characteristics are extremely thin films and high degree of structural order. These films have different optical, electrical and biological properties which are composed of some specific organic compounds. Organic compounds usually have more positive responses than inorganic materials for outside factors (pressure, temperature or gas change).
Многослойная пленка по технологии «Слой – за – слоем» предусматривает подбор 2-х типов материалов. Один из них представляет собой мицеллиновые молекулы вокруг атома проводника (золота). Второй слой выполняет функцию объединителя и слоев и отдельных молекул (полиамин). Число пар и определяет общую толщину пленки
Рис. Технология самосборки из раствора наноструктурированных слоев
«Слой–за-слоем».
Нанесение слоя металла (или другого вещества) из коллоидного раствора предусматривает испарение (evaporation) растворителя. Частицы металла без растворителя объединяются в сплошную пленку. Коллоидный раствор на первой стадии придает форму наносимому слою.
Рис. Создание пленки из коллоидного раствора.