Устройства функциональной электроники (стр. 1 из 7)
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Тульский государственный университет
Кафедра радиоэлектроники
Устройства функциональной электроники
Выполнила: Жуковская М.А.
гр. 151371
Проверил: Миронов М.М.
2011 г.
Содержание
Глава 1. Физико-химические основы зарождения и роста новой фазы
1. Анализ гомогенного и гетерогенного зарождения новой фазы
2. Влияние технологических факторов зарождения новой фазы на структуру пленок
3. Рост пленок. Эпитаксия
4. Химический рост эпитаксиальных пленок
Глава 2. Физико-химические основы поверхностных процессов
1. Термодинамика поверхностных процессов
2. Адсорбционные процессы на поверхности твердых тел
3. Факторы, влияющие на адгезию
4. Процессы очистки, промывки и пропитки поверхности
5. Электрофизические характеристики соприкасающихся поверхностей и границ раздела слоев
Глава 1. Физико-химические основы зарождения и роста новой фазы
1. Анализ гомогенного и гетерогенного зарождения новой фазы
Пленки металлов, диэлектриков и полупроводников, осажденные на различные поверхности, используют в электронной аппаратуре как функциональные элементы резисторов, конденсаторов, транзисторов, ИМС, ПП, а также различных приборов на акустических поверхностных волнах и магнитных доменах, с зарядовой связью и др. Кроме того, пленки применяют при изготовлении покрытий, обеспечивающих высокие потребительские (эстетические) качества РЭА.
Механизм процессов зарождения и роста пленок во многом определяет их кристаллическую структуру, а следовательно, и электрофизические, физико-химические, механические и эстетические свойства. Поскольку большинство ТП производства РЭА связано с осаждением или растворением пленок, необходимо рассмотреть физико-химические основы процессов зарождения и роста пленок новой фазы.
Пленки как элементы РЭА создаются на поверхности подложек при взаимодействии этих поверхностей с потоком частиц осаждаемых веществ. Результатом такого взаимодействия является появление новой фазы на поверхности подложки (пластины, детали, платы).
Потоки частиц могут иметь различный характер: молекулярные или ионные направленные пучки, потоки газовой и жидкой сред, движущиеся по законам газо- и гидродинамики, а также диффузионные потоки частиц. Процессы зарождения новой фазы могут протекать на границах различных фаз: жидкость — твердое тело, газ (пар) – твердое тело, твердое тело — твердое тело, композиционные пасты — твердое тело, жидкость — пар (газ).
Молекулярный пучок формируется, например, при испарении вещества. Этот пучок, достигая поверхности конденсации (подложки), имеющей температуру значительно ниже температуры испарения, конденсируется на ней, образуя пленку. Если температура конденсации (подложки) ниже температуры плавления вещества, то сначала образуются зародыши твердой фазы, а затем и сама твердая пленка. Если температура конденсации близка к температуре плавления вещества или выше ее, то формируется жидкая пленка. Однако в любом случае исходным материалом для создания пленки является поток частиц (молекул или атомов) от испарителя к подложке. Энергия этих частиц практически равна энергии испарения вещества.
В настоящее время существуют две теории гетерогенного образования зародышей конденсированной фазы: термодинамическая (макроскопическая) Гиббса — Фольмера и кинетическая (микроскопическая) Френкеля — Родина. Первая исходит из условий термодинамического равновесия в системе пар (газ) — зародыш — подложка, В ней используются такие термодинамические понятия, Как свободная и Поверхностная энергии, степень перенасыщения и др. Такой подход оправдан при небольших перенасыщениях пара, когда критический зародыш состоит из большого числа атомов, а следовательно, к нему применимы термодинамические законы. Однако во многих реальных процессах, когда степень перенасыщения велика (108—1040), критический зародыш оказывается состоящим из одного атома. Описывать термодинамическими уравнениями столь малые агрегаты нельзя. В таком случае возможен лишь кинетический подход. Поэтому далее рассмотрены обе теории гетерогенного образования зародышей.
Если поток частиц J формируется за счет образования ионной плазмы при катодном или другом каком-либо способе распыления, то этот поток имеет сложный состав (включая нейтральные атомы, ионы и электроны в различных пропорциях). Так как энергии этих частиц могут отличаться друг от друга, то и характер их взаимодействия с поверхностью подложки будет различным, что скажется на механизме зарождения и роста пленок.
При химическом осаждении пленок (например, из газовой фазы) характер взаимодействия частиц с поверхностью еще более усложняется. Процесс протекает в несколько стадий:
1) адсорбция взаимодействующих молекул на этой поверхности;
2) диффузия молекул;
3) химическая реакция исходных компонентов с появлением молекул осаждаемого вещества;
4) адсорбция этих молекул и выделение их в отдельную фазу на поверхности;
5) десорбция летучих продуктов реакции. Аналогичная картина наблюдается и при электрохимическом осаждении пленок из электролитов.
При рассмотрении механизма зарождения и роста пленок будем исходить из двух предпосылок: наличия потока J вещества, направленного к поверхности осаждения, и теоретически чистой поверхности.
Процесс образования зародышей заключается в возникновении и росте агрегатов молекул в результате последовательных бимолекулярных реакций по схеме
 |  |
где
- агрегаты состоящие из i молекул (атомов), 
Агрегат, содержащий i=iкр молекул, рассматривается как зародыш критического размера, который в общем случае растет или уменьшается. Другие механизмы образования зародышей (например, одновременного столкновения iкр молекул или нескольких агрегатов размерами меньше критического) считаются вероятными только для потока, имеющего высокую плотность (например, для импульсных процессов испарения).
Образование сферического зародыша новой фазы, содержащего iкр молекул, сопровождается некоторым изменением свободной энергии ДGi, связанным с появлением определенной поверхности Sпи объема новой фазы V. В отсутствие полей и зарядов этот процесс можно описать уравнениями:
где r— радиус сферического зародыша, уS— поверхностная энергия, ДGV— изменение свободной энергии при конденсации, практически равное энергии испарения, рпер— давление перенасыщенного пара, рравн — равновесное давление пара, соответствующее температуре конденсации Т; N ↓ и N ↑— число молекул, движущихся к поверхности конденсации и испаряющихся с нее.
Следовательно, уравнение (3.2) можно представить в виде
Зависимость ДGi = f(r) для различных температур поверхности конденсации показана на рис. 3.1. Как видно из рисунка, свободная энергия ДGi растет с увеличением rдо значения , а затем быстро убывает. Агрегаты радиусом r <rкр считаются нестабильными, а радиусом r> rкр — стабильными зародышами новой фазы. Последним соответствует уменьшение свободной энергии. 
Определив максимум функции (3.5) из условия , найдем радиус rкр:
Подставив значение rкр в (3.5),
Соотношения (3.6) и (3.7) были впервые получены Дж. У. Гиббсом.
Для различных веществ rкр =1ч50 нм.
Разделив объем критического зародыша на молекулярный Vm, получим число молекул
Из рис. 3.1 видно, что уравнение (3.5) справедливо в диапазоне температур от Т1 до Т4. Вне этого диапазона теорию Гиббса — Фольмера использовать нельзя.
Скорость образования зародыша
где Sп.кр—площадь поверхности критического зародыша; щ — частота столкновений молекул с этой поверхностью; ni— число молекул на единице этой поверхности, т. е. равновесная поверхностная концентрация молекул.
По изотерме Вант-Гоффа
гдеn∑— число молекул в паре.