Ушаков_ТПЭВМ (562162), страница 29

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 29)

Хромоникелевый сплав (нихром) дает возможность изготовлять пленки толщиной 100 А при малом ТКС. Многокомпонентный металлосилицидный сплав (МЛТ) применяют для получения резисторов с хорошей воспроизводимостью и малым ТКС.

Оксидно-металлические пленки получают путем распыления в атмосфере кислорода. Наиболее часто применяют пленки на основе оксида олова. Керметы представляют собой смеси металлов, изолирующими материалами. Хорошими адгезионными свойствами, стабильностью, высокой температурной устойчивостью и хорошими механическими свойствами обладают керметы на основе оксида кремния и хрома. В зависимости от состава смеси сопротивление может варьироваться в широких пределах.

Удельное сопротивление резистивных пленок обычно не превышает 100...300 Ом/П. Этот диапазон может быть расширен до 30...1500 Ом/ П, но стоимость резисторов возрастает в два раза. При этом получаются номиналы в пределах 100 ...100 000 Ом. Такой диапазон охватывает все значения современных транзисторных схем.

Конденсаторы. Их получают в виде трехслойной структуры (рис. 15.2, а) проводник – диэлектрик - проводник. При этом нижняя обкладка 2 конденсатора выходит за периметр верхней обкладки 3, а периметр диэлектрической пленки 1 выходит за пери метр нижней обкладки. Это исключает возможность замыкания обкладки и устраняет погрешность от их смещения. Такая конструкция характерна для конденсаторов повышенной емкости (сотни - тысячи пикофарад) и имеет площадь верхней обкладки более 5 мм². Для конденсаторов небольшой емкости (десятки пикофарад) обкладки конденсаторов выполняют в виде двух взаимно пе­ресекающихся проводников 1, разделенных пленкой диэлектрика 2. Расчетная площадь конденсаторов составляет 1...5 мм² (рис 15.2,6).

Емкость конденсатора с параллельно расположенными элек­тродами

С = 0,0885 εS/d , (15.12)

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектри­ческого слоя; S - активная площадь конденсатора, равная площа­ди верхней обкладки, см², d - толщина диэлектрического слоя, см; С_о=0,0885 ε / S - удельная емкость.

Рис. 15.2. Тонкопленочпые конденсаторы:

а - повышенной емкости; б - небольшой емкости

Минимальную толщину диэлектрика определяют по формуле:

, (15.13)

где К_з =2...3 - коэффициент запаса электрической прочности; U_раб - рабочее напряжение, В; Е_пр - электрическая прочность ма­териала диэлектрика, В/мм.

При расчете конденсаторов необходимо обеспечить возможно меньшую площадь конденсатора, выбирая материал с большой диэлектрической проницаемостью. Толщину материала желатель­но свести к минимуму, который необходим для того, чтобы выдер­живать заданное напряжение. Если требуется большая емкость, то диэлектрик наносят в несколько слоев, что, однако, значительно усложняет производство. Наиболее экономичное использование ' площади обеспечивают конденсаторы квадратной формы.

Материал, используемый для изготовления диэлектрических пленок конденсатора, должен иметь хорошую адгезию с металлом, применяемым для обкладок конденсатора, не подвергаться меха­ническому разрушению при воздействии температур, обладать вы­соким пробивным напряжением и малыми диэлектрическими поте­рями, иметь высокую диэлектрическую проницаемость и обладать минимальной гигроскопичностью.

В качестве материала для диэлектрической прослойки конден­саторов применяют диоксид кремния SiO₂, оксид германия СеО, халькогенидное стекло ХГ-44, оксиды алюминия Аl₂О₃, тантала Та₂О₅, титана ТiO₂ и др. Особенно перспективны диэлектрические пленки из сложных по составу стекол. Эти материалы имеют низ­кие диэлектрические потери на разных частотах вплоть до самых высоких.

Хорошим материалом для изготовления обкладок конденсаторов является алюминий, дающий значительно меньшее по сравнению с другими металлами количество коротких замыканий. Это объясня­ется относительно низкой температурой испарения алюминия и тен­денцией к оксидированию. Поверхностный слой алюминия легко можно превратить в диэлектрик путем его оксидирования. Полу­ченные таким образом конденсаторы обладают малыми диэлектри­ческими потерями и имеют высокое пробивное напряжение.

Емкость тонкопленочного конденсатора выбирают от 10 до 10⁴ пФ. Наименьшее значение емкости зависит от толщины диэлек­трического слоя, принимаемой 0,5 мкм. В более толстых слоях об­разуются внутренние напряжения, приводящие к их отслаиванию. При точности ±20% нижним пределом является емкость в 50 пФ. Верхний предел емкости зависит от рабочего напряжения и опре­деляется наименьшей толщиной слоя диэлектрика, при которой на­ступает пробой. Кроме того, площадь, отводимая под пленочные конденсаторы, ограничена и обычно не превышает 1,6 см².

Отклонение емкости тонкопленочного конденсатора от номи­нального значения обусловлено производственными погрешностя­ми, изменением температуры и старением материала. К производ­ственным погрешностям относятся разброс емкости С_о и геометри­ческих размеров верхней обкладки конденсатора. Удельная ем­кость определяется диэлектрической проницаемостью диэлектрика и его толщиной.

Конденсаторы подгоняют путем уменьшения верхнего электро­да. При этом они должны иметь специальную топологию с подстро-ечными секциями, которые можно отключать путем удаления пе­ремычек. Отключение дополнительной секции уменьшает емкость конденсатора. Для увеличения емкости используют несколько не связанных между собой секций, которые присоединяют параллель­но друг другу.

Соединительные проводники. Соединительные проводники вы­полняют в виде проводящих пленок толщиной 0,5... 5 мкм. Более толстые пленки не обеспечивают хорошей адгезии с основанием.

Проводники должны быть по возможности короткими и широ­кими. Сопротивление проводника может влиять на эксплуатацион­ные характеристики схем, что надо учитывать при проектировании.

Материал, используемый для проводящих пленок и контактных площадок, должен иметь низкое сопротивление, высокую коррози­онную стойкость, хорошую адгезию к подложке и другим пленкам. Всем этим требованиям одновременно не удовлетворяет ни один из материалов, поэтому в настоящее время применяют двухслойный метод получения проводящих слоев и кон­тактных площадок. Эти слои получа­ют последовательно в одном процессе напыления. Один из компонентов об­разует прочную связь с подложкой (хром, марганец, титан), другой обес­печивает хорошую пайку (медь, сереб­ро, золото). Наиболее часто применя­ют сочетание марганца с серебром. В начале испаряется марганец, хоро­шо сцепляющийся с подложкой, а за­тем серебро, которое образует прово­дящую пленку. Ценным свойством этого сплава является близость коэф­фициентов линейного расширения в широком диапазоне температур.

15.3. Методы получения тонких пленок

Основными методами получения тонких пленок являются термическое напыление (испарение) в вакууме и ионное распыление.

Термическое напыление в вакууме. Такое напыление основано на свойстве атомов (молекул) металлов и некоторых других мате­риалов при испарении в условиях высокого вакуума перемещаться прямолинейно (лучеобразно) и осаждаться на поверхности, постав­ленной на пути их движения.

Установка для напыления в вакууме (рис. 15.3) состоит из плос­кой плиты 6, на которой устанавливается стеклянный или метал­лический колпак 9. В последнем случае он снабжается смотровым стеклом. На плите предусмотрены два изолированных вакуумплотных вывода 4 для питания испарителя 3. На некотором расстоя­нии от испарителя помещается подложка 10, на которую наносится тонкая пленка. Подложка нагревается и до достижения заданного режима закрыта заслонкой 1.

Рис. 15.3. Установка для терми­ческого напыления в вакууме:

1 - заслонка; 2 - испаряемый матери­ал: 3 - испаритель; 4 - вакуумплотвые выводы;

5 - герметизирующая прокладка; 6 - плита; 7 - присоедине­ние к вакуумному насосу;

8 - изоля­тор выводов; 9 - колпак; 10 - подлож­ка; 11- держатель подложки; 12 – нагреватель.

В соответствии с физическими процессами, происходящими, при испарении в вакууме, можно выделить следующие области образо­вания пленки: 1) перевод напыляемого материала в парообразное состояние; 2) перенос пара от источника испарения к подложке; 3) конденсация пара на подложке и образование пленки.

Перевод напыляемого материала в парообраз­ное состояние. В области образования паров происходит ис­парение материала, который нагревается до тех пор, пока давление его паров не превысит давления остаточных газов. При этом наи­более нагретые молекулы, обладающие высокой кинетической энергией, преодолевают силы молекулярного притяжения и отрываются от поверхности расплава. Вследствие резко пониженной теплопере­дачи в условиях высокого вакуума перегрева подложек не проис­ходит.

Для некоторых материалов условная температура испарения ниже температуры плавления. Например, хром имеет температуру плавления 1800°С, а испаряется при нагревании в вакууме при тем­пературе 1205°С. Переход вещества из твердого состояния в паро­образное минуя жидкое называется сублимацией.

Перенос пара от источника испарения к под­ложке. Область переноса паров составляет 10...20 см. Чтобы траектории молекул испаряемого вещества были прямолинейными, длина свободного пробега молекул остаточного газа должна в 5... 10 раз превышать линейные размеры области переноса паров.

Длина свободного пробега λ - расстояние, проходимое молеку­лой пара вещества без столкновения с молекулами остаточных га­зов. В высоком вакууме, когда λ d (d - расстояние от источника испарения до подложки), молекулы испаряемого вещества пролета­ют расстояние практически без соударений. Такой поток испаряе­мого вещества называется молекулярным и для его создания необ­ходим вакуум порядка 10^-5…10^-6 Па.

Конденсация пара на подложке и образование пленки. Конденсация пара зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Атомы испаряемого вещества адсор­бируются на подложке после хаотической миграции по ее поверх­ности.

При миграции атомы могут сталкиваться, образуя скопления (рис. 15.4, а), которые становятся более устойчивыми относитель­но реиспарения, так как к связи с подложкой добавляется энергия механической связи. Атомы, которые уже находились на подложке к рассматриваемому моменту времени, обозначены черными круж­ками, а белыми - атомы, которые только что попали на поверхность (рис. 15.4, б, в).

Наименьшая группа, для которой частота отрыва атомов меньше частоты присоединения, называется критическим зародышем.

Так как в процессе кристаллизации равновесие между газовой фа­зой и поверхностью смещено в сторону осаждения атомов, то кон­центрация последних на поверхности непрерывно растет. К заро­дышам присоединяются другие мигрирующие атомы (рис. 15.4, г), образуя целые агрегатные состояния. При дальнейшей конденсации островки, соединяясь между собой, образуют сплошную пленку.

Размер критических зародышей и частота их зарождения определяют структуру конденсирующейся пленки. Если в начальной стадии роста пленка состоит из мелких и многочисленных зародышей, то ее структура в дальней­шем сохраняется и сплош­ная пленка будет иметь мелкозернистую структуру. При крупных и малочислен­ных зародышах тонкая плен­ка будет иметь крупнозер­нистую структуру.

По механическим и фи­зическим свойствам тонкие пленки существенно отлича­ются от объемного материа­ла. Например, удельная прочности некоторых пле­нок примерно в 200 раз превышает прочность хорошо отожженных объемных образцов и в несколько раз - прочность материалов, подвергнутых холодной обработке. Это объясняется мелкокристаллической структурой и малой пластичностью. Температура испарения металлов лежит з пределах от нескольких сотен градусов (например 430°С у цезия) до нескольких тысяч (например, 3500°С у вольфрама). В связи с этим при вакуумном испарении применяют испарители различной конструкции. По способу нагрева вещества испарители разделяют на резистивные, электронные и индукционные.

Характеристики

Список файлов книги