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.