Технічний словник Діелектрична плівка Том IV
Діелектричні плівки повинні задовольняти ряду вимог: бути однаковими по товщині і мати однорідну структуру і склад як у кожному елементі мікросхеми, так і на всіх підкладках, що обробляються на даному етапі технологічного процесу. Параметри плівок повинні бути надійно контрольованими та відтворюваними, а методи отримання плівок повинні забезпечувати можливість максимально повної автоматизації, бути економічними та безпечними. Діелектричні плівки, що використовуються в структурах МДП, повинні мати ще більш високі значення параметрів якості. Діелектричні плівки особливо чутливі до окремих дефектів, що мають місце на досконалій поверхні. Причина полягає в неоднорідності електричного поля в таких точках, що може спричинити пробій діелектрика. Діелектрична плівка, нанесена прямо на поверхню інтегральної схеми, може повністю закривати активні області. Це дає можливість використовувати мікросхему в безкорпусному вигляді або в дешевому негерметичному корпусі. Комбінація корозійно-стійкої системи металізації та пасивації поверхні нітридом кремнію робить такі схеми практично нечутливими до навколишніх умов. Білес та інші [17] запропонували подібний варіант - із захистом із SiO2, отриманим високочастотним катодним розпиленням, та з контактними майданчиками з тугоплавкого металу на поверхні діелектрика. Діелектрична плівка повинна мати такі властивості: стабільність фізичних та електричних параметрів у діапазоні робочих температур конденсатора, що виготовляється; високу електричну міцність та діелектричну проникність; малий кут діелектричних втрат; рівномірність товщини, однорідність структури та відсутність пір в осадженій плівці. Діелектричні плівкивикористовують в інтегральних схемах як ізоляційні шари ( плівкові конденсатори, МДП-транзистори, багатошаровий електричний монтаж та ін) і захисних покриттів. При формуванні діелектричних шарів застосовують моноокиси кремнію ( SiO), германію ( GeO), трисірчисту сурму ( 80283), окису титану ( ТЮ2), танталу ( TasOs), алюмінію ( АЬОз), полімерні скла, кварц, угле та ін. Найчастіше діелектриком плівкових конденсаторів служить моноокис кремнію. Діелектричні плівки знаходять широке застосування в електроніці. Вони використовуються для пасивації поверхні та стабілізації параметрів напівпровідникових приладів, як маскуючих покриттів у процесах легування напівпровідникових матеріалів, а також як діелектричних шарів при створенні плівкових конденсаторів, ізолюючих шарів при створенні багатошарових структур. Окисли у вигляді суцільних рівномірних плівок можуть бути обложені з парової фази в результаті розкладання пар таких МОС, як алкоголяти, карбокенлат, феноляти і ацетил ацстона-ти металів. Діелектрична плівка має бути хорошим пасивним шаром для резисторів. Діелектричні плівки застосовують для виготовлення конденсаторів, міжшарової ізоляції та загального захисту схеми від зовнішніх впливів. Вибір матеріалу для діелектричних плівок визначається умовами їх застосування та виробництва. Діелектричні плівки застосовуються в інтегральних мікросхемах як ізоляційні шари і захисні покриття. При формуванні цих плівок використовуються моноокиси кремнію та германію, а також трисірчиста сурма. Захисні діелектричні плівки мають різні властивості. Покриття лаком ВЛ-931 при товщині лакової плівки 002 мм не викликає помітного зростання загасання після кліматичних і механічних.впливів. Наприклад, для хвилеводу 23x10, виконаного з АТО, загасання не перевищує 0 2 дб/м, те саме відноситься і до лаку КПЕЦ. Плівкові індуктивні котушки. Ізолювальні діелектричні плівки отримують окисленням зовнішніх шарів металевих плівок або нанесенням покриттів з діелектричних матеріалів. Ця діелектрична плівка добре виконує також роль пасивуючого шару, що надійно захищає всі структури мікросхеми від впливу агресивних середовищ. Отримання діелектричних плівок для тонкоплівкових конденсаторних структур на основі методу термічного випаровування зустрічає принципові труднощі, пов'язані з трьома побічними явищами: дисоціація оксидів при випаровуванні, взаємодія з матеріалом випарника та фоновою атмосферою, поляризаційне захоплення домішок.
Пористість діелектричних плівок у більшості випадків зумовлює низьку робочу напругу та брак конденсаторів за коротким замиканням. Для зменшення пористості використовують двошарові діелектрики, в яких внаслідок малої ймовірності збігу дефектних місць зменшується шлюб за короткими замиканнями та підвищується напруга пробою конденсаторів. Товщина діелектричних плівок обмежена зверху та знизу та для більшості матеріалів лежить в межах від 0 1 до 2 мкм. Розподіл по енергіях істинно-вторинних електронів у металів (суцільні криві та максвелівський розподіл (пунктирна крива. Для діелектричних плівок крива розподілу вторинних електронів по енергіях також відмінна від такої для металів. Пористість діелектричних плівок). особливістю процесу напилення - абсорбцією залишкового газу. Залежність коефіцієнта вторинної емісії а від кута падіння первинних електронів (за 100% прийнятийкоефіцієнт вторинної емісії при перпендикулярному падінні первинних електронів Залежність коефіцієнта вторинної емісії а від енергії первинних електронів 3i для напівпровідників (а, діелектриків (о і складних катодів (в. Залежність f від енергії позитивних іонів. Значення год при - 10 ст см-мм рт. ст.) Для напівпровідникових і діелектричних плівок i зазвичай трохи більше, ніж для металів. Отримання дуже тонких безпористих діелектричних плівок виявляється перспективним для виготовлення конденсаторів, особливо багатошарових. Установка для вирощування кристалів за методом Багдасарова. міцність діелектричної плівки значною мірою залежить від процесу конденсації верхньої обкладки.Золото і срібло викликають замикання обкладок через інтенсивну дифузію атомів вздовж меж зерен діелектричної плівки через деякий час після осадження.Тому застосовують алюміній, який має малу дифузійну рухомість завдяки Основним параметром діелектричної плівки, що використовується як оптичний хвилевід, є втрати (або загасання) сигналу в дБ/см. Втрати обумовлені головним чином поверхневим і, щонайменше, об'ємним розсіюванням світла. Проходження кожного зигзагу пов'язане з відображенням від верхньої та нижньої поверхонь плівки. Випарники оптично щільного типу. При осадженні діелектричних плівок важливими вимогами є великі ємності випарника та високі швидкості випаровування. Цей випарник завантажується шматочками SiO навколо циліндра танталового, який нагрівається за рахунок пропускання через нього струму. Цей циліндр перфорований і діє як витяжна труба, якою пари SiO виходять назовні. Кришка у формікільця запобігає викиданню частинок окису кремнію. Конструкція випарника, що описується, добре продумана: він має мінімальні втрати потужності, дозволяє отримувати високі швидкості випаровування внаслідок великої внутрішньої поверхні, компактний, місткий, добре екранований і нескладний в експлуатації. В результаті цей випарник знаходить найбільш широке застосування в дослідницьких лабораторіях, оскільки обробка тан - Талової пластини товщиною 0025 - 013 мм (різання, гнуття, зварювання) легко здійсненна; існує велика різноманітність конструкцій сублімаційних випарників діелектриків з метою використання в оптиці. Максимальна товщина діелектричних плівок обмежується результуючим внутрішнім напругою і визначається величиною близько 15 000 А.
Для виготовлення діелектричних плівок застосовують такі основні методи: термовакуумне напилення, реактивне іонно-плазмове розпилення, розпилення у високочастотному розряді, термічне оксидування, анодування металевих плівок, що осаджуються на підкладку, хімічне осадження з парової фази, отримання плівок з розчинів. Чому у діелектричної плівки, яка використовується як пасивна, структура повинна бути аморфною. В якості діелектричних плівок для МДП-струк-тур досліджують оксиди металів А1203, ТЮ2, Та205 та інші, що володіють високою стабільністю властивостей і дозволяють створювати МДП-прилади з малою пороговою напругою, що підвищує швидкодію і зменшує споживану потужність. Елементи для сеткографічного друку. Для отримання діелектричної плівки без мікроотворів рекомендується дворазовий друк із проміжною сушкою. В результаті товщина діелектричного шару у відпаленому стані може досягати 40 мкм. В якості діелектричнихплівок для МДП-струк-тур досліджують оксиди металів А1203, ТЮ2, Та205 та інші, що володіють високою стабільністю властивостей і дозволяють створювати МДП-прилади з малою пороговою напругою, що підвищує швидкодію та зменшує споживану потужність. Елементи для сеткографічного друку. Для отримання діелектричної плівки без мікроотворів рекомендується дворазовий друк із проміжною сушкою. В результаті товщина діелектричного шару у відпаленому стані може досягати 40 мкм. Цікавим застосуванням захисних діелектричних плівок є їх використання для здійснення монтажу за допомогою припойних висновків. Для більшості дрібнокристалічних та аморфних діелектричних плівок tg б залежить від частоти. Чим чином, діелектрична плівка на підкладці представляє типовий фазовий об'єкт. Схема високочастотного плазмотрону для розпилення діелектриків. Схема робочого вузла електродинамічного прискорювача плазмового. / - Вакуумна камера. 3-до конденсаторної батареї та високовольтного випрямляча. 3 – центральний стрижневий електрод. 4-зовнішній циліндричний електрод. 5-металізується деталь. Є можливості отримувати діелектричні плівки методом високочастотного вакуумного розпилення на установці діодного типу при горизонтально розташованій мішені. Отримані різними методами діелектричні плівки мають, як правило, аморфну структуру. Плівки можуть містити такі дефекти: кисневі вакансії, іони кисню та інші аніони в міжвузлях, іони металів у вузлах грат і міжвузлях, пори, мікроканали та мікротріщини. При термообробці плівці з'являються кристалічні утворення - кристаліти і можлива повна кристалізація плівки. При цьому в плівці виникають внутрішні напруження, які значнозмінюють електричні характеристики плівок. Причиною виникнення внутрішніх напруг є наявність температурних градієнтів у плівці та в системі плівка - підкладка та зміна щільності плівок при термообробці. При катодному розпиленні діелектричних плівок зазвичай використовують іони інертних газів. Мета при цьому нейтралізують інтенсивним електронним променем, оскільки в іншому випадку на поверхні кварцу швидко накопичується позитивний заряд, що перешкоджає подальшому бомбардування поверхні іонами.
Розглянемо методи осадження діелектричних плівок з парогазової суміші: термічний при атмосферному та зниженому тиску та плазмохімічний. Залежність швидкості зростання плівки від температури підкладки при постійній швидкості випаровування Г. При реактивному випаровуванні діелектричних плівок, властивості яких залежать від кристалічної структури, необхідно підтримувати підвищену температуру підкладки, навіть якщо атоми металу при зіткненнях не втрачають своєї кінетичної енергії. У цих випадках фактором, який визначає швидкість зростання плівки, є реакція на поверхні або процес упорядкування атомів. Цей процес є термічно активованим на відміну механізму Риттера для Si2O3 де неактивована хемосорбція визначає ступінь впровадження кисню. Крикрріан [222] спостерігав осадження плівок, контрольоване поверхневою реакцією. Про метод отримання діелектричних плівок на алюмінії, Журі, прикл. Зазвичай для отримання діелектричних плівок використовуються реакції трьох типів: піроліз, гідроліз та окислення. Схеми конфігурацій верхніх та нижніх електродів у тонкоплівкових конденсаторах. Найбільш важливими властивостями діелектричних плівок є: діелектрична постійна, електрична міцність, діелектричні втрати,температурний коефіцієнт ємності (ТКЕ), нелінійність ємності, опір ізоляції, гладкість поверхні та стабільність усіх цих величин. Функціональна схема контролю методом. Для вимірювання характеристик діелектричних плівок використовують метод ємнісного датчика. Він ґрунтується на безпосередньому вимірі відносної зміни електричної ємності планарного конденсатора (рис. 2.23), попередньо сформованого на контрольній підкладці. Ємнісний датчик. При малих товщинах діелектричних плівок (не більше тисячних часток міліметра) зміна ємності ДС від товщини діелектрика практично має лінійний характері і характеризує чутливість приладу. Функціональна схема контролю методом. Для вимірювання характеристик діелектричних плівок використовують метод ємнісного датчика. Він ґрунтується на безпосередньому вимірі відносної зміни електричної ємності планарного конденсатора (рис. 2.23), попередньо сформованого на контрольній підкладці. Відсутність мікроотворів у діелектричній плівці забезпечується дворазовим друком і спалюванням.
У хвилеводі з діелектричною плівкою коефіцієнти зв'язку мало відрізняються від F в металевому. В якості ізоляції використовуються діелектричні плівки. При виготовленні сонячних елементів діелектричні плівки застосовуються для створення електроізоляційних та проміжних шарів між металами та напівпровідниками; крім того, вони використовуються як пасивуючі та просвітлюючі покриття. У наступних розділах коротко розглянуті властивості кількох видів діелектричних плівок, що впливають на характеристики елементів, а табл. 3.6 наведено деякі електричні та оптичні параметри цих плівок.