Электрофизические свойства пленок металлов, полученных резистивным испарением

Изучение метода резистивного испарения металлов, нахождение скорости осаждения и определение основных электрофизических характеристик получаемых пленок. Рассмотрение электрических свойств пленок и процессов их формирования. Вакуумный универсальный пост.

Рубрика Физика и энергетика
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 19.09.2016
Размер файла 112,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

Физический факультет

Кафедра оптики

Курсовая работа

Электрофизические свойства пленок металлов, полученных резистивным испарением

Исполнитель: студент группы Ф - 33пр Щипайло А.В

Руководитель проекта:

Доцент кафедры оптики Федосенко Н.Н.

Кандидат технических наук

Гомель 2016

Содержание

  • Введение
  • 1. Теоретические сведения
  • 1.1 Резистивное испарение
  • 1.2 Тонкие пленки: виды, свойства и применение
  • 1.3 Электрические свойства пленок
  • 1.4 Конденсация в экспериментах
  • 1.5 Использование тонких пленок
  • 1.6 Процессы формирования пленок
  • 2. Вакуумный универсальный пост (ВУП-5)
  • 2.1 Назначение и состав изделия
  • 2.2 Устройство и работа изделий
  • 2.3 Виды устройств ВУП-5
  • 2.4 Контрольно-измерительные приборы
  • 2.5 Общее строение ВУП-5
  • 3. Экспериментальные данные
  • Заключение
  • Литература
  • Введение
  • испарение резистивный пленка вакуумный
  • Перспектива технологии производства изделий электронной техники требует развития и совершенствования современных методов, обеспечивающих формирование проводящих слоев в вакууме. Важными технологическими параметрами такого процесса являются скорости испарения и конденсации.
  • Нагрев электропроводящего тела, обладающего высоким электрическим сопротивлением при прохождении через него электрического тока, называют резистивным. При этом, как правило, используют переменный ток. Достоинства резистивного нагрева - низкая стоимость оборудования, безопасность в работе (низкое напряжение на зажимах) и малые габаритные размеры, а также возможность нанесения покрытий из металлов, диэлектриков, полупроводников, возможность осаждения покрытий с высокой скоростью и её регулирования в широких пределах.
  • Указанные характеристики чувствительны к основным режимам напыления, значением рабочих токов и напряжений, подаваемых на испарители.
  • Для изготовления испарителей промышленных установок используют тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал, молибден). Резистивные испарители в зависимости от их конструкции разделяют на проволочные, ленточные и тигельные. Проволочные испарители характеризуются простотой конструкции и технологии изготовления. Ленточные испарители изготавливают из тонких пластин, лент тугоплавких металлов. Тигельный испаритель представляет собой ванночку, в которую помещают металл. Тигель может быть изготовлен из материала, который не проводит электрический ток. В этом случае для достижения необходимой температуры испарения используют отдельный нагревательный элемент.
  • Условия вакуумной конденсации позволяют формировать пленки с определенными электрофизическими свойствами. Поэтому важной задачей диагностики процессов осаждения является определение таких физических характеристик пленок, как удельное поверхностное и объемное сопротивление.
  • Цель данной работы заключается изучение метода резистивного испарения металлов, нахождение скорости осаждения и определение основных электрофизических характеристик получаемых пленок.

1. Теоретические сведения

1.1 Резистивное испарение

Нагрев электропроводящего тела, обладающего высоким электрическим сопротивлением при прохождении через него электрического тока, называют резистивным. При этом, как правило, используют переменный ток. Достоинства резистивного нагрева - низкая стоимость оборудования, безопасность в работе (низкое напряжение на зажимах) и малые габаритные размеры, а также возможность нанесения покрытий из металлов, диэлектриков, полупроводников, возможность осаждения покрытий с высокой скоростью и её регулирования в широких пределах. Факторами, ограничивающими применение испарителей с резистивным нагревом, являются возможность загрязнения наносимой пленки материалом нагревателя, трудность, а в ряде случаев невозможность получения покрытий из тугоплавких металлов, высокая инерционность процесса испарения, невысокая адгезия и сплошность осаждаемых покрытий, а также малый ресурс работы из-за старения (разрушения) нагревателя, что требует его периодической (иногда довольно частой) замены. Нагрев и испарение вещества, как уже отмечалось, осуществляются с помощью испарителей. Материалы, используемые для изготовления испарителей, должны отвечать следующим требованиям. Испаряемость материала испарителя при температуре испаряемого вещества должна быть пренебрежимо малой. Для хорошего теплового контакта материал испарителя должен хорошо смачиваться расплавленным испаряемым веществом. Между материалом испарителя и испаряемым веществом не должны происходить никакие химические реакции, а также образовываться легко испаряемые сплавы, так как это приводит к загрязнению наносимых пленок и разрушению испарителей. Для изготовления испарителей промышленных установок используют тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал, молибден). Резистивные испарители в зависимости от их конструкции разделяют на проволочные, ленточные и тигельные. Проволочные испарители характеризуются простотой конструкции и технологии изготовления. В качестве материала испарителя, как правило, используются тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал и др. Форма испарителя может быть различной. Проволочные испарители имеют следующие основные недостатки: не позволяют испарять порошки; атомы испаряемого вещества распространяются по всем направлениям, что обусловливает низкий коэффициент полезного использования испаряемого материала. Ленточные испарители изготавливают из тонких пластин, лент тугоплавких металлов. Они имеют на поверхности специальные углубления, в которые помещается испаряемое вещество, просты по своей конструкции и испаряют атомы металла в широком телесном угле. Вместе с тем они менее экономичны по сравнению с проволочными испарителями. Тигельный испаритель представляет собой ванночку, в которую помещают металл. Тигель может быть изготовлен из материала, который не проводит электрический ток. В этом случае для достижения необходимой температуры испарения используют отдельный нагревательный элемент. В качестве материала тигля применяют BeO (Тпл ? 1800 °C), графит, Al2O3, W, Mo, Ta и другие тугоплавкие материалы. С помощью тигельных испарителей можно наносить толстые покрытия без применения специальных систем подачи испаряемого материала в зону испарения. В настоящее время разработано большое число конструкций испарителей подобного типа. Основной недостаток их в том, что газовые потоки вынуждены проходить сквозь объем расплавленного металла, так как температура наиболее высокая у стенок тигля. В результате при высоких температурах испарения (скорости испарения) в газовых потоках содержится капельная фаза. При осаждении капель металла на поверхность подложки резко снижаются физико-механические свойства покрытий. Устранить этот недостаток позволяет индукционный нагрев испаряемого материала (или материала тигля) токами высокой частоты. Нагрев осуществляется под действием электромагнитного поля индуктора, спираль которого, конструктивно выполненная в виде металлического трубопровода, охлаждается проточной водой. При плавлении масса металла под действием сил электромагнитного поля, создаваемого катушкой, поднимается таким образом, что поверхность соприкосновения нагретого до высокой температуры металла с тиглем оказывается минимальной. В результате происходит ослабление химических реакций между испаряемым металлом и тиглем. индукционного нагрева заключаются в отсутствии контакта с испарителем, что предотвращает разрушение испарителя при эксплуатации. К недостаткам метода следует отнести высокую стоимость оборудования и низкий электрический КПД (что обусловливает необходимость применения преобразователей частоты), а также невозможность непосредственного испарения диэлектриков (для этого приходится применять промежуточные нагреватели) и невозможность в практических условиях изменять частоту генератора, что приводит к необходимости использования специальных индукторов для испарения различных материалов. Кроме того, данный метод нанесения покрытий не обеспечивает высокую адгезию покрытия. Определенные трудности имеет процесс получения покрытий из сплавов и соединений сложного состава. Покрытия из сплавов можно наносить двумя основными способами: путем нагрева и испарения сплава, и нанесением покрытия путем испарения компонентов из отдельных испарителей. В ряде технологических решений при испарении сплавов с целью обеспечения сохранения стехиометрического состава покрытия и достижения более высоких физико-механических показателей применяют методы взрывного испарения (тепловой вспышки). В этом случае температуру испарителя устанавливают значительно выше температуры начала испарения вещества. При высокой температуре испарения образуются потоки высокой плотности, характеризующиеся высокой степенью ионизации. Такие испарители имеют систему дискретной либо непрерывной подачи вещества в зону испарения. К достоинствам метода осаждения тонких пленок термическим испарением относятся: высокая чистота осаждаемого материала (процесс проводится при высоком и сверхвысоком вакууме), универсальность процесса (наносят пленки металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков) и относительная простота его реализации. Ограничениями метода являются нерегулируемая скорость осаждения, а также низкая, непостоянная и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц.

Существует несколько разновидностей термического напыления тонких пленок. Выбор того или иного способа зависит от поставленной задачи и материала мишени. К основным методам термического напыления можно отнести обычный резистивный нагрев испарителя и лучевые методы: лазерный и электроннолучевой. Резистивный метод основан на использовании джоулевого тепла при пропускании тока через нагреватель. Лучевые методы используют энергию квантов света и энергию ускоренных электронов. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Во всех случаях вещество мишени в результате фазовых превращений переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное. Правда, имеется ряд веществ, которые могут сублимировать прямо из твердого состояния (цинк, кадмий, магний). Испарившиеся частицы мишени в условиях высокого вакуума не испытывают столкновений и оседают на подложку, которая обычно прогревается. Имея достаточную тепловую энергию частицы мишени, могут или реиспариться, или адсорбироваться на подложку, передавая ей часть своей энергии. В результате диффузионных процессов частицы могут мигрировать по поверхности подложки. Встретив на своем пути другую частицу, они могут объединиться, образуя постепенно группу, которая может стать центром кристаллизации или кластера. На начальном этапе формирования конденсата отдельные группы отдалены друг от друга. Таким образом, получается островковая структура, которая в дальнейшем трансформируется в сплошное покрытие по мере поступления конденсата. Структура покрытия на начальном этапе существенно зависит как от физических и механических свойств подложки, так и от ее температуры. Высокая температура подложки способствует миграционным процессам, т.е. увеличивается время диффузионного перемещения частиц, а значит, растет вероятность формирования более крупных образований (зерен и кластеров). В этом случае островковая структура может сохраняться достаточно долго, а вновь поступающие частицы идут на достройку зерен. На холодных и неориентированных подложках, например, аморфных, миграционные процессы менее выражены и островковая стадия заканчивается значительно раньше. При этом размер зерен меньше и пленка становится сплошной раньше, однако, в этом случае не следует ожидать от нее кристаллического строения. Более подробное описание механизма формирования тонкой пленки на различных подложках будет приведено позже.

Система вакуумного резистивного напыления включает необходимые элементы: вакуумное оборудование, испаритель, подложкодержатель, нагреватели, источники питания, контрольно-измерительные приборы и др. Испаряемое вещество-мишень размещается на испарителе в виде токопроводящих лент, лодочек, спирали, нити или тугоплавких тиглей, косвенного нагрева. Проводящие испарители изготовляются из тугоплавких металлов: молибден и вольфрам. Пока испаритель выводится в рабочий режим, подложка экранируется поворотной заслонкой. Температура подложки играет существенную роль при формировании покрытия и ее чистоты. Осаждение паров вещества на подложку с низкой температурой выше, чем на горячую подложку. Однако, время формирования структуры пленки снижается в виду низкой энергии миграции и диффузии адатомов. С другой стороны, скорость напыления на горячую подложку уменьшается в результате процессов реиспарения. Современные безмасляные вакуумные установки позволяют производить напыление при разряжении остаточных газов вплоть до 10-11 мм.рт.ст. Процесс термического резистивного напыления зависит от многих факторов: степени и чистоты вакуума, строения, чистоты и температуры подложки, химических свойств испарителя и мишени. При температуре испарения мишени, нагреватель не должен сам заметно испарятся, и вступать в химическое взаимодействие с веществом мишени. Проблему нарушения стехиометрии тонкопленочного покрытия в методе резистивного испарения можно частично решить, используя разновидности этого метода. Так в режиме реактивного испарения, когда компоненты бинарного соединения имеют значительные расхождения давлений паров при одинаковой температуре, в вакуумную камеру вводят реактивный газ (кислород, азот, хлор и др.). Молекулы газа компенсируют дефицит данных элементов в бинарном соединении на подложке и тем самым способствуют формированию стехиометрических покрытий. Такую же задачу решают методы дискретного взрывного испарения и испарения с двух и более резистивных нагревателей. В методе дискретного испарения на перегретый испаритель сбрасываются небольшие порции вещества мишени. Происходит почти мгновенное испарение, при котором бинарное соединение не успевает диссоциировать и оседает на подложку. Однако, в виду высоких тепловых энергий из испарителя могут лететь не только атомы и молекулы, но и крупные частицы, ухудшающие характеристику конденсата. Напыление из двух источников уменьшает риск загрязнения подложки продуктами химического взаимодействия вещества мишени и нагревательного элемента, т.к. компоненты химического соединения мишени испаряются отдельно. Но в этом случае требуется предварительная отработка температурных и временных режимов. Следует отметить, что метод резистивного вакуумного напыления стал развиваться раньше других вариантов и, может быть, по этой причине разработан глубже и надежнее других методов вакуумного напыления. В настоящее время этот метод является основным в производстве элементов приборов электроники и микроэлектроники.

К достоинствам данного метода напыления тонких пленок можно отнести:

- относительная техническая простота;

- технологичность;

- высокий и относительно чистый вакуум, априори, не загрязняет подложку и конденсат;

- возможны сочетания с другими способами напыления;

- непосредственный технический контроль и регулирование параметров самого процесса напыления и конечного продукта обеспечивают воспроизводимость серийного продукта.

К недостаткам самого метода в чистом виде без привлечения других средств можно отнести:

- возможность загрязнения покрытий частицами испарителя;

- трудно испарять тугоплавкие вещества;

- возможно селективное испарение сложных по химическому составу веществ;

- требуется относительно длительное время для подготовки самого процесса вакуумного напыления.

1.2 Тонкие пленки: виды, свойства и применение

Тонкие пленки -- тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра (моноатомного слоя) до нескольких микрон.

Тонкие пленки могут быть твердыми или жидкими (реже -- газообразными). Состав, структура и свойства тонких пленок могут отличаться от таковых для объемной фазы, из которой образовалась тонкая пленка. К твердым тонким пленкам относятся оксидные пленки на поверхности металлов и искусственные пленочные покрытия, формируемые на различных материалах с целью создания приборов микроэлектроники, предотвращения коррозии, улучшения внешнего вида и т. п.

Жидкие тонкие пленки разделяют газообразную дисперсную фазу в пенах и жидкие фазы в эмульсиях; образование устойчивых пен и эмульсий возможно только при наличии ПАВ в составе пленок. Жидкие тонкие пленки могут возникать самопроизвольно между зернами в поликристаллических твердых телах, если поверхностная энергия границы зерна превышает поверхностное натяжение на границе твердой и жидкой фаз более, чем вдвое (условие Гиббса-Смита). Газообразные тонкие пленки с заметным временем жизни могут возникнуть между каплей и объемной жидкостью в условиях испарения.

Определение толщины тонких пленок часто проводят методами, основанными на измерении интенсивности отраженного света, например, при помощи эллипсометрии; используют также электрические методы, основанные на определении емкости и проводимости тонких пленок. Для изучения твердых тонких пленок применяют электронную микроскопию, рентгеновскую спектроскопию и другие методы, разработанные для исследования поверхности твердых тел. Получение тонких пленок и тонкопленочных покрытий лежит в основе ряда современных областей техники, прежде всего микроэлектроники.

1.3 Электрические свойства пленок

В соответствии с современной квантовой теорией проводимость в металлах определяется электронами, а электрическое сопротивление обусловлено рассеянием электронов при взаимодействии с решеткой. Из-за своей волновой природы электроны могут проходить сквозь совершенную решетку без затухания, поэтому удельное сопротивление является мерой совершенства структуры кристаллической решетки. В реальности, по ряду причин совершенной структуры не бывает, поэтому электроны подвергаются рассеянию, среднее расстояние, которое электроны проходят между соударениями, называется средним свободным пробегом. Даже если решетка не имеет структурных дефектов, но вследствие тепловых колебаний атомов около своих средних положений решетка не будет совершенной для дрейфа электронов. Электроны будут взаимодействовать с различными видами колебаний решетки (фононами), что и будет определять электросопротивление.

Из теории следует, что при низких значения температуры T << , где
- Дебаевская температура определяется выражением = hмакс / k (h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана, макс - максимальная частота колебаний решетки, соответствующая минимальному значению длины волны порядка межатомного расстояния), удельное сопротивление изменяется как Tn (n 5), тогда как при высоких температурах (T >> ) удельное сопротивление от T изменяется линейно.

Для многих металлов Дебаевская температура примерно равна комнатной температуре или несколько ниже ее, поэтому при T > 25 С температурная зависимость удельного сопротивления будет приблизительно линейной, что позволяет измерить ТКС (температурный коэффициент сопротивления) .

= R / RT.

1.4 Конденсация в экспериментах

На процесс повторного испарения очевидно определяющим образом влияет температура подложки, если нет других энергетических воздействий на поверхность. В эксперименте соответствующую температуру при которой начинает наблюдаться конденсат называют критической Т0. При Т Т0 среднее время жизни адсорбированного атома настолько велико, что все атомы попадающие на подложку, захватываются устойчивыми зародышами и конденсация с самого начала является полной, т.е. коэффициент прилипания s = 1 даже при времени наблюдения близком к нулю. Поэтому, зависимость массы конденсата от времени с момента начала процесса нанесения пленки будет линейной (рис. 2.4). В эксперименте выявление этой линейности разумеется в сильной степени зависит от чувствительности приборов, используемых для измерения сконденсированного вещества. При Т Т0 в начальный период времени конденсация является неполной, т.е. s 1 и по мере накопления на поверхности зародышей с размером больше критического, усиливается захват атомов и присоединение их к растущим зародышам и конденсация становится полной и рассматриваемые зависимости выходят на линейный участок (рис. 2.4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.4 Зависимость массы сконденсировавшегося вещества от времени при разных температурах подложки

При увеличении температуры подложки степень пересыщения понижается, среднее время жизни адсорбированного атома уменьшается, а коэффициент поверхностной диффузии адатомов увеличивается. Рассмотрение этих эффектов в теориях позволяет определить следующие критические температуры:

- «критическая температура конденсации», выше которой невозможно наблюдать появление осадка, т.к. s 1, ta мало и площадь поверхности, покрытая зародышами и связанными с ними зонами захвата мала; при температуре выше критической конденсацию наблюдать невозможно, при температуре ниже критической она происходит быстро; с критической температурой конденсации связана температура Т0, выше которой конденсация в начальный период времени неполная, а ниже - полная с самого начала;

- температуры «переходов», соответствующие изменению размера критического зародыша, температуры «переходов» можно наблюдать только размер критического зародыша мал и добавление еще одного атома существенно меняет размер зародыша и следовательно его устойчивость;

- температура «эпитаксии», выше которой наблюдается эпитаксиальный рост осадка на монокристаллической подложке; температура «эпитаксии» в сильной степени зависит от скорости осаждения и состояния поверхности подложки.

1.5 Использование тонких пленок

Использование тонких пленок в микроэлектронике основано на методах осаждения и контроля физических свойств этих пленок, и, кроме того, на возможности распределения материала в виде точно сформированных рисунков. Стремление ко все большему усложнению и уменьшению размеров микросхем способствовало дальнейшему развитию этого направления, и в результате были достигнуты большие успехи в усовершенствовании методов создания тонкопленочных рисунков.

Использование тонкой пленки способствует повышению разрешающей способности. При толщине менее 0 1 мкм не обеспечивается достаточная сплошность и кислотостойкость фоторезисторов. Для удаления растворителей нанесенная пленка фоторезистора подвергается сушке.

Использование тонких пленок толщиной 500 - 1500 А позволило авторам фактически наблюдать распространение гигагерцевого звука (акустические частоты 10 ГГц) при комнатных температурах и определить скорости звука. Использование тонких пленок полимера приводит также к снижению высоких температур поверхностей скольжения вследствие высокой теплопроводнссти металла. Особенно широкий успех такого вида сухой пленочной смазки достигнут благодаря использованию политетрафторэтилена.

Использование тонких пленок железа как носителей пассивирующей пленки позволило применить метод прохождения электронов, как дающий наболев точные результаты. Ускоряющее напряжение при этом не измерялось; необходимое для расчетов значение удвоенного произведения длины электронной волны X на эффективную длину электронографа L, 2LX, вычислялось из положения линий железа, почти всегда присутствовавшего в образце, и имеющихся точных рентгенографических данных для постоянной а решетки железа.

Использование тонких пленок полимера приводит также к снижению высоких температур поверхностей скольжения вследствие высокой теплопроводности металла. Особенно широкий успех такого вида сухой пленочной смазки достигнут благодаря использованию политетрафторэтилена.

При использовании тонких пленок возникают качественно новые физические явления, которые не проявляются в толстых образцах и структурах. Тонкие пленки из полупроводниковых материалов ( кремния, германия, арсенида галлия и др.) обладают физическими свойствами, аналогичными свойствам тонких диэлектрических пленок.

Перспективные разработки направлены на использование тонких пленок магнитного материала для устройств памяти: предусматривается плотность записи до 1000 битов на 1 см2, а скорость выборки в 10 раз больше, чем для памяти на сердечниках.

У исследователей, заинтересованных в использовании тонких пленок, имеется широкий выбор методов их изготовления. В общем случае, эти методы могут быть разбиты на два класса. Один класс объединяет методы, основанные на физическом испарении или распылении материала из источника, например термическое испарение или ионное распыление. В другом классе собраны методы, основанные на использовании химических реакций. Сущность реакций в этом классе методов может быть различной: электрическое разделение ионов, как например при электрохимическом осаждении и анодировании, или использование тепловых эффектов, как например при осаждении из паровой фазы и термическом выращивании; в любом случае для окончательного формирования пленки необходимо обеспечить протекание определенных химических реакций.

Технология гибридных интегральных микросхем базируется на использовании толстых и тонких пленок, нанесенных на керамическое основание. Пленки изготовляются из специальных паст.

Перспективным в части уменьшения абсолютных потерь и облегчения техники печатного монтажа является использование тонких пленок из сегнетоэлектрических материалов с прямоугольной петлей гистерезиса. Снижение рабочего напряжения и сокращение времени переключения для пленок реализовать пока не удается в связи с несовершенством технологии.

При достаточно большой удельной поверхности раздела между полимером и газовой фазой (что достигается путем измельчения материала или использования тонких пленок) процесс деполимеризации можно рассматривать как псевдоравновесную реакцию. Однако это предположение справедливо лишь в случае преобладания процессов деполимеризации над процессами деструкции в результате разрывов, связанных с внутри - и межмолекулярной передачей цепи.

Размывание зоны уменьшается при ускорении процесса десорбции в неподвижной фазе. Это достигается за счет использования тонких пленок неподвижной фазы в распределительной хроматографии и частиц малого размера в эксклюзионной, адсорбционной и ионообменной хроматографии. Высокая диффузионная подвижность (увеличивает скорость десорбции.

Таким образом, размывание полосы уменьшается при ускорении процесса сорбции-десорбции в неподвижной фазе. В распределительной хроматографии это достигается использованием тонких пленок неподвижной фазы, а в адсорбционной и ионообменной - применением сорбентов с частицами малого размера.

В некоторых средах кадмий дает лучшую защиту, чем цинк, однако он стоит в десять раз дороже. Он идет вне конкуренции с цинком в качестве покрытия на изделиях, на которых должна быть достигнута высокая степень защиты путем использования тонких пленок, осажденных путем погружения в горячий расплав или напылением металла. Где допустимы тонкие покрытия 25 мкм или тоньше, более высокая защитная способность кадмия в некоторых средах делает его применение более выгодным. И так как однородное сплошное тонкое покрытие может быть получено только путем относительно дорогих процессов, таких как гальванически метод, более высокая цена кадмия будет иметь меньшее влияние на окончательную стоимость изделия.

НА - поле, соответствующее одному кванту потока в области с большой площадью А. Обнаружение второй периодичности в переходах, отстоящих друг от друга на 3 5 мм, подтверждает представление о сверхпроводящем состоянии как о действительно едином квантовом состоянии, обладающим дальним порядком. Пары переходов с использованием тонких пленок ниобия и свинца были изготовлены Эдвардом Капланом в лаборатории автора.

Дискретные резисторы на основе тонких пленок, по сравнению с объемными резисторами полупроводниковых микросхем, имеют лучшие параметры и повышенную надежность, в сопоставлении же с прецизионными проволочными резисторами они при сравнимых величинах параметров имеют меньшую стоимость. Тонкопленочные резисторы, что называется, нашли себя в области интегральных микросхем. Резисторы, имеющие наименьшие размеры 130 - 260 мкм, еще могут выгодно конкурировать с тонкими пленками, однако для изготовления прецизионных резисторов с размерами менее 130 мкм использование тонких пленок становится обязательным.

С увеличением толщины покрытия наблюдается рост адгезионной прочности. Причина такого роста объясняется особенностями метода отрыва при помощи штифтов. От сравнительно толстых покрытий отрыв штифта происходит одновременно. При использовании тонких пленок отрыв начинается от края торца штифта и распространяется к центру с определенной скоростью. Поэтому искажение результатов может быть вызвано неравномерным отрывом штифта от пленки. Кроме того, в процессе отрыва может происходить прогиб тонких пленок.

Для обеспечения высокой чувствительности и точности измерения радиоактивности желательно применять кюветы максимально возможного размера. Однако объем кювет не может быть сделан очень большим, так как он ограничен градиентом активности. Заслуживают внимания также проточные кюветы. Обычно кюветы имеют вид длинных трубок [39, 62, 102]; во избежание значительного самопоглощения желательно, чтобы слой жидкости не был слишком толстым, Лучшие результаты получаются при использовании тонких пленок, распределенных по большой площади. Для данной кюветы ошибка определения пропорциональна квадратному корню из скорости протекания.

Однако, так как диэлектрическая постоянная массивного Si3N4 ( в 9 4) выше, чем у SiO ( e 6) и SiO2 ( e 3 8), пленки нитрида кремния представляют также интерес для создания конденсаторов. Было обнаружено, что электрическая прочность пленок Si3N4, осажденных при 1000 С за счет реакции SiCl4 и NH3, выше, чем у пленок SiO и SiO2, но температура реакции слишком велика для использования при изготовлении тонкопленочных интегральных схем. Предварительные результаты показывают, что стехиометрические пленки Si3N4 могут быть получены при низких температурах подложки путем реактивного катодного распыления на постоянном токе или ВЧ распыления катода из поликристаллического кремния в атмосфере азота. Из этих двух методов ВЧ распыление более предпочтительно. Однако для использования тонких пленок нитрида при изготовлении тонкопленочных конденсаторов требуется провести большую работу.

Для повышения быстродействия необходимо обеспечивать параллельную самостоятельную работу различных устройств, но при этом возможно увеличение объема оборудования. Большой эффект дает минимизация обращения к памяти. Применение иерархической системы запоминающих устройств (внешний накопитель - буферный накопитель, оперативная память - сверхоперативная память в сочетании с групповой пересылкой данных) позволяет сочетать их большую емкость с высоким быстродействием машины. Одним из основных недостатков ЭЦВМ является низкая скорость ввода - вывода информации. Для повышения этих скоростей разрабатываются устройства с использованием тонких пленок, сверхпроводящих элементов, приборов с туннельным эффектом, а также фотографические, фотохимические и другие способы выдачи информации.

Осажденные тонкие пленки были, по-видимому, впервые получены в 1857 г. Фарадеем при проведении им опытов по взрыву металлических проволочек в инертной атмосфере. Дальнейшие эксперименты по осаждению пленок были стимулированы в XIX - м столетии интересом к оптическим явлениям, связанным с тонкими слоями вещества, и исследоиаииями кинетики и диффузии газов. В 1887 г. Нарволд на примере проволок из платины продемонстрировал возможность осаждения тонких металлических пленок в вакууме с использованием джоулева тепла. Только с совершенствованием вакуумного оборудования, которое позволило организовать массовое производство и контроль свойств тонких осажденных пленок, последние нашли промышленное применение. За последнюю четверть века области применения тонких пленок значительно расширились. В качестве примера можно привести просветляющие покрытия, зеркала, интерференционные фильтры, солнечные очки, декоративные покрытия на пластиках и тканях, использование тонких пленок в электронно-лучевых трубках и совсем недавно - в производстве микроэлектронных схем. Рассмотрение с различных сторон последнего применения и является целью написания данной книги.

1.6 Процессы формирования пленок

Синтез пленок в вакууме термическим методом, молекулярно- лучевой эпитаксией (МЛЭ) и т.п. или в газовых средах магнетронным, ионным и другими методами проходит в такой последовательности: 1) переход атомов или молекул из конденсированного вещества в парообразное состояние; 2) перенос паров до подложки; 3) конденсация атомов или молекул на подложке с образованием адатомов; 4) образование изолированных трехмерных зародышей и их рост либо послойный рост пленки. Как уже говорилось выше, на первом этапе происходит переход атомов или молекул из первоначального конденсированного вещества в парообразное состояние. В основе этого могут лежать два физических процесса: 1) парообразование; 2) выбивание атомов или молекул из мишени высокоэнергетическими частицами. Остановимся на первом процессе. Если парообразование происходит из жидкой фазы, то этот процесс называется испарением, если из твердой фазы - сублимацией, или возгонкой. Процессы парообразования нужно отличать от абляции, при которой с поверхности конденсированного вещества, под действием лазерного излучения или искрового разряда помимо паров вылетают кластеры или капли материала. На следующем этапе происходит перенос потока паров от испарителя до подложки. На этом этапе возможно взаимодействие потока паров с остаточной атмосферой вакуумной установки. Для этого необходимо минимизировать давление остаточных газов до уровней 10-5 ч 10-9, чтобы обеспечить необходимую чистоту конденсируемой пленки. На третьем этапе атомы или молекулы паров вещества долетают в вакууме до подложки и могут адсорбироваться, мгновенно отразиться или испариться с подложки. Так как энергия атомов достаточно высокая, то при осаждении они интенсивно мигрируют по подложке, теряя энергию, пока не произойдет их адсорбция с образованием адатомов.

2. Вакуумный универсальный пост (ВУП-5)

2.1 Назначение и состав изделия

Вакуумный универсальный пост ВУП-5 предназначен для подготовки объектов, исследуемых с помощью электронного микроскопа и других исследовательских приборов.

Прибор может быть применен для исследований в области физики, химии, биологии и медицины.

В полный комплект входит:

1. устройство для термического испарения с резистивных испарителей;

2. устройство для испарения углей;

3. электронный испаритель;

4. устройство для ионной обработки объектов и двухсторонней полировки;

5. устройство для нагрева столика объектов;

6. устройство для поворота и наклона объектов;

7. устройство для приварки катодов;

8. система напуска воздуха;

9. вакуумная блокировка;

10. датчик индикатора толщины напыляемого слоя;

11. устройство для осаждения пленок;

12. автоматическая система напуска газа;

13. комплект устройств для лазерного контроля толщины пленки;

14. ионизатор с ограничивающим экраном

15. дозирующее устройство;

16. система защитный экранов;

2.2 Устройство и работа изделия

Прибор выполнен одной стойкой, в которой размещены рабочий объем, предназначенный для препарирования объектов; вакуумная система, предназначенная для получения требуемого режима в рабочем объеме; блоки питания устройств и приставок и пульты управления.

Стойка разделена перегородкой на две части, в одной из которых размещена вакуумная система с электромагнитными клапанами для ее коммутации, преобразователи ПМТ-4М или ПМТ-2, ПМИ-3 для контроля вакуума и автоматического управления вакуумной системой, вентиль пьезоэлектрической и баллон с аргоном. В другой части стойки размещены блоки питания устройств и приставок и трансформаторы накала испарителей.

Для удобства монтажа, профилактических и ремонтных работ предусмотрены съемные задние и боковые щитки, а впереди открывающиеся двери обеих частей, а также легкосъемные платы управления прибором, собранные в единой кассете.

На стойке размещены рабочий объем и пульт управления и индикации режимов работы прибора.Все блоки питания, пульты управления, кассеты с печатными платами имеет электрическую связь через жгуты и кабели, уложенные в обеих частях стойки.

Операции по подготовки объектов проводятся в рабочем объеме при остаточном давлении (1,3*10-2 - 1,3*10-4) Pa. Для получения такого давления разработана классическая вакуумная система с применением механического насоса для получения для получения предварительного вакуума и паромасляного высоковакуумного насоса. Вакуумная система может работать в ручном и автоматическом режимах, то есть коммутация вакуумной системы при откачке высоковакуумного объем до доведения 1,3*10-4 Пa может производится род руководством оператора или без его вмешательства.

Оригинальным в конструкции вакуумной системы является высоковакуумный клапан. Клапан устанавливается на столике рабочего объема. Он содержит заслонку, рычаг и привод. Атмосферное давление, воздействующее на верхнюю часть плунжера, перемещает его с тягой вниз, сжимая пружину. Левая часть рычага с заслонкой поднимается и соединяет диффузионный насос с рабочим объемом.

Для подготовки к исследованию имеются устройства и приставки. Эти устройства и приставки устанавливаются в рабочем объеме в зависимости от выбора методики подготовки отбора. Каждое из устройств имеет вакуумное конструкцию и легко заменяется, одно другим. Все операции по подготовки объекта контролируются с помощью индикаторных приборов и других методов контроля. Основными операциями по подготовки объектов можно назвать термическое испарение вещества с помощью резистивных и электронного испарителей, а так же ионную обработку объектов.

2.3 Виды устройств ВУП-5

Устройство для термического испарения с резистивных испарителей. Данное устройство состоит из целого ряда разрозненных элементов, связанных между собой электрически. Трансформаторы накальные для питания испарителей и регулятор мощности испарителей расположены в правой части стойки внизу. Кнопка и сигнальная лампочка включения и отключения испарителей и ручки регулировки мощности испарителей расположены в пульте управления.

В магазине испарителей предусмотрены три установочные места для испарителей резистивного типа: корзиночки, спиральки и испарители диффузного типа.

Каждое установочное место отделено легкосъемным защитным экраном с откидными заслонками. Заслонки приводятся в действие с помощью приспособления на дугообразной рейке, которая входит в зацепление с зубчатым колесом, жестоко насаженным на вал вакуумного ввода вращения.

Вращение ввода дает возможность поочередно открывать и закрывать заслонки испарителей. Функционально защитные экраны испарителей служат для предотвращения паразитного запыления одного испарителя другим, а так же одновременно служат тепловыми экранами.

Устройство для испарения углей. Кронштейны шарнирно соединены между собой изолирующим наконечником. Кронштейн крепится на специальной заземленной стойке основания, а второй кронштейн соединяется проводом с изолированной клеммой испарителя. Угли закрепляются винтами, экран защищает внутренний объем от запыления. Груз увеличивает контакт между углями и одновременно крепит провод. Включение и работа устройства аналогичны включению и работе устройства с резистивными испарителями.

Электронный испаритель применяется для испарения сыпучих веществ, а так же в тех случаях, когда необходимо испарять большое количество вещества.

Испаритель устанавливается на заземленной стойке и крепится зажимом за специальный уголок. На тигли подается напряжение от высоковольтного выпрямителя через разъем и провод. Катоды подключаются проводами к клеммам испарителей.

В корпусе, изолированным от корпуса изолятора, установлены тигли, которые устанавливаются при испарении вещества в большом количестве или сыпучих веществ.

Устройство ионного травления устанавливается на основания, вместо заглушки, трубкой наружу. При этом конец приводного шарнира ввернуть в валик, застопорив его имеющимся на валике установочным винтом.

Устройство предназначено для обработки поверхностей объектов ионной бомбардировкой, распыления материалов, стравливания поверхностных слоев с целью получения тонких объектов для непосредственного изучения на просвет в электронном микроскопе и других целей.

Для подачи инертного газа в разрядную камеру предусмотрена система напуска, состоящая из пьезоэлектрического вентиля и источника питания. Обработка объектов может производиться при температуре столика объектов от (15-25) 0с до минус 160 0с. Регулируется температура с помощью накальной спирали.

Для приварки катодов электронных пушек электронных микроскопов изготовлена панель приварки катодов и карандаш сварочного устройства.

Приварку катода производят следующим образом:

1. установить панель приварки катодов на стойке в цинковый держатель испарителей;

2. уложить держатель катода на предусмотренное место в панели;

3. уложить катод на место приварки;

4. карандашом сварочного устройства прижать катод к ножке держателя катода и нажать педаль.

Система напуска состоит из натекателя с пьезостракционным катодом источника питания. В основу принципа работы натекателя предусматривается использование пьезострикции керамики для регулирования зазора в перепускном отверстии, а, следовательно, и величины пропуска газа в рабочие системы.

Натекатель работает следующим образом: гайкой через шайбу и стойку создается усилие, надежно закрывающее перепускное отверстие между клапаном и седловиной.Перемещение блока микроперемещений по резьбе создается противоусилие через шток.В результате этого регулируется начальная точка открывания натекателя, которая устанавливается при напряжении (500-600) V на пьезокерамических пластинах.

Вакуумная блокировка предназначена для автоматического отключения напряжения высоковольтного выпрямителя и питания испарителей при напуске газа до атмосферного давления. Блокировка состоит из корпуса, штуцера с сильфоном, микропереключателя, защитного кожуха и гайки.

Датчик индикатора толщины. Датчик состоит из корпуса, в котором расположен источник света, светопроницаемая пластина и фотодиод. Диафрагмы и полости образуют световую ловушку, которая улавливает отраженные лучи от испарителя и таким образом уничтожает влияние засветки. Для защиты источника света от запыления поставлена вторая светопроницаемая платина.

Толщину осажденного слоя можно определить после осаждения или рассчитать ее до испарения материала. Она будет зависеть от расстояния испарителя до подложки, угла наклона подложки к испарителю и массы испаряемого материала и его плотности.

Расчет можно производить по формуле:

Где M - общая масса испаряемого материала;

T - толщина осажденного слоя;

- угол наклона подложки к испарителю;

- плотность испаряемого вещества;

R - расстояние от испарителя до подложки.

Пользуясь данной формулой, можно строить график зависимости для определения толщины осажденного слоя.

Устройство для осаждения пленок. Устройство представляет собой навесной столик, закрепляемый на трёх стойках, ввинченных в основание.

Столик содержит:

1. основание;

2. корпус;

3. каретку, состоящую из зубчатого колеса с держателем подложек с маской.

Устройство для осаждения пленок позволяет производить напыление на 5 подложек диаметром до 25мм в задаваемой последовательности или на одну подложку диаметром 100мм.

2.4 Контрольно-измерительные приборы

Для контроля работы и определения технического состояния на приборе установлены индикаторы и индикаторные устройства, которые включают в себя измерительные приборы с ограничивающими сопротивлениями, масштабные усилители, блоки регистрации, световую сигнализацию.

Для индикации температуры столика образцов в качестве датчиков применяются преобразователи. Отсчет температуры производится с помощью цифрового вольтметра.

Индикатор толщины напыляемого слоя предназначен для контроля процесса напыления и отключения испарителей при достижении на контрольном стекле осажденного вещества заданной толщины. В качестве датчика в данном индикаторе заложен фотодиод, источника света-лампочка накаливания, а индикатора-цифровой вольтметр.

Второй индикатор толщины построен на принципе интерференции отраженного лазерного луча. Ионизатор, содержащий кольцевой анод с ограничивающим экраном, служит для более эффективной обработки поверхности подложек в плазме тлеющего разряда. Это достигается выбранной конфигурацией электрода и экрана. Устанавливается ионизатор в гнездо основания.

Индикатор напряжения предназначен для контроля напряжения при работе устройств ионного травления, электронного испарителя, ионизатор с ограничивающим экраном. В качестве индикатора применен микроамперметр.

Индикатор тока. Для индикации разрядного тока при работе устройства для ионного устройства для ионного травления и работы электронного испарителя применен микроамперметр со шкалой 100mA.

Контроль температуры производить с помощью индикатора температуры, состоящего из термоэлектрического преобразователя, усилителя и цифрового вольтметра.

2.5 Общее строение ВУП-5

Вакуумный универсальный пост выполнен единой стойкой, конструктивно разделенной на аналитическую (левую) и электрическую (правую) части.

Аналитическая часть состоит из рабочего объема, вакуумных насосов, датчиков остаточного давления, электромагнитных клапанов, пьезовентиля и баллона напуска аргона и комплекта приставок для препарирования.

Электрическая часть состоит из пульта управления, кассеты с комплектом печатных плат, блока распределительного, блока высоковольтного, накальных трансформаторов и трансформаторов питания, блок вентиляторов, дистанционного пульта управления, общей кроссировки.

Подключение к трехфазной сети осуществляется через блок распределительный.

В кассету входит шесть печатных плат:

1. устройство усилительное;

2. преобразователь

3. устройство решающее;

4. устройство управления;

5. тиристорный регулятор;

6. устройство коммутирующее.

7. Пульт управления состоит из панели управления и индикации и источников питания, конструктивно выполненных единым блоком, подключаемым к стойке с помощью разъемов.

Панель управления и индикации содержит потенциометры задания рабочего режима. Светодиоды индикации состояния прибора, индикатор текущего состояния подложки, индикаторы режима работы высоковольтного источника, многофункциональный цифровой индикатор, переключатели управления режима работы прибора и контроля его состояния с подсветкой ламп.

Источники питания выполнены по мостовой схеме с емкостными фильтрами. Они снабжены интегральным стабилизатором напряжения. Источник питания накала содержит выходной регулирующий транзистор. Схемы источников питания особенностей не имеют.

Входное напряжение источников питания подается через разъем из стойки прибора с трансформаторов. Вырабатываемые напряжения подаются в стойку прибора через разъем, а также на заднюю стенку пульта управления. Выходной сигнал устройства контроля толщины нужен для возможности подключения регистрирующего прибора.

3. Экспериментальные данные

образец

T0c

I,А

L,см

d,см

r,см

t,с

,г/см3

Al1

630

100

0,6

0,2

12

7

2,58

Al2

630

100

0,3

0,1

12

7

2,58

Cu

1083

200

0,3

0,12

10

10

8,8

Находим объем образца по формуле:

Находим массу образца:

г

г

г

Определение значений электрофизических параметров (удельного поверхностного и объемного сопротивления)

Удельное поверхностное сопротивление находится по формуле:

Объемное сопротивление:

Измеряем сопротивление образца Al1

N

R,Ом

N

R,Ом

N

R,Ом

N

R,Ом

1

20

16

96

31

9

46

34

2

66

17

11

32

8

47

17

3

34

18

37

33

6

48

12

4

53

19

58

34

11

49

10

5

35

20

88

35

16

50

22

6

12

21

86

36

7

51

20

7

22

22

14

37

6

52

16

8

86

23

26

38

9

53

21

9

65

24

26

39

15

54

9

10

73

25

77

40

21

55

8

11

37

26

31

41

20

56

13

12

68

27

32

42

10

57

19

13

44

28

60

43

13

58

22

14

13

29

39

44

7

59

34

15

76

30

65

45

18

60

10

Производим вычисления:

Ом

Ом

Ом

Ом

Измеряем сопротивление образца Al2

N

R,Ом

N

R,Ом

N

R,Ом

N

R,Ом

1

28

16

27

31

16

46

21

2

30

17

33

32

20

47

20

3

63

18

79

33

11

48

16

4

49

19

68

34

17

49

15

5

12

20

13

35

16

50

14

6

21

21

24

36

17

51

11

7

18

22

28

37

22

52

20

8

90

23

54

38

20

53

16

9

72

24

86

39

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.