Размещено на http://www.allbest.ru

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Ивановский государственный химико-технологический университет

Г.Д. Кротова, В.Ю. Дубровин, В.А. Титов, Т.Г. Шикова

ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Лабораторный практикум

Иваново 2007

УДК 621. 382

Технология материалов и изделий электронной техники: Лабораторный практикум / Г.Д. Кротова, В.Ю. Дубровин, В.А. Титов, Т.Г. Шикова; ГОУ ВПО Иван. Гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2007. 156 с.

ISBN 5-9616-0186-2

Лабораторный практикум включает описание 12 лабораторных работ и необходимый для их выполнения теоретический материал по всем модулям курса. В ряде работ сознательно опущены конкретные параметры проведения того или иного процесса. Студенту предлагается самому спланировать ход работы, выбрать режимы проведения процесса и тем самым работа приобретает учебно-исследовательский характер. Элементы исследования содержат и другие работы, представленные в пособии.

Лабораторный практикум предназначен для студентов специальности 240306, изучающих дисциплину "Технология материалов и изделий электронной техники".

Общие разделы и описания к лабораторным работам 1,2,3,5,6 подготовлены Кротовой Г.Д., работа 4 -Дубровиным В.Ю., работа 7 - Петровым Ю.И. Методика по контролю свойств поверхностей в работе 1 подготовлена Титовым В.А., методы изучения свойств тонких пленок - Шиковой Т.Г. В подготовке работ по модулю "Технология люминофоров и люминесцирующих покрытий" принимали участие Прик К. Е. и Петров Ю.И.

Табл. 11. Ил. 31. Библиогр.: 12 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУ ВПО Ивановского государственного химико-технологического университета

Рецензенты: кандидат химических наук Е.М. Александров (Ивановский государственный химико-технологический университет), доктор технических наук В.К. Семенов (Ивановский государственный энергетический университет).

© ГОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет, 2007

1. ОЧИСТКА ПОДЛОЖЕК ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ И ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ

Лабораторная работа № 1

В процессе создания электронных приборов достаточно чистые материалы попадают в условия, когда их поверхность загрязняется. Загрязнения происходят за счет адсорбции примесей из технологических сред, на обрабатываемых поверхностях остаются частицы полировальных паст, продукты разложения фоторезиста, продукты травления поверхности и т.д. Следы этих веществ вносят нежелательные коррективы в технологические параметры процессов изготовления приборов и, как следствие, уменьшают долговечность, резко снижают надежность приборов. Особенно опасны поверхностные загрязнения в полупроводниковых приборах и ИМС.

Все способы очистки поверхностей условно делят на две группы: физические и химические. В практической технологии они часто неразделимы и дополняют друг друга. В зависимости от вида загрязнений или их совокупности применяются в различной последовательности следующие способы очистки: обезжиривание (в органических растворителях или щелочных растворах), химическое, или плазмохимическое травление, ультразвуковая обработка, отмывка, сушка. Эффективным фактором очистки является высокотемпературный отжиг в соответствующей среде. Этот вид очистки, так же как и плазмохимическое травление, используется на финишных этапах обработки деталей. Из-за большого числа загрязнений, широкого выбора очищающих реагентов очистка является скорее эмпирическим искусством, чем наукой. Надо понимать, что поверхность любого твердого вещества сделать абсолютно чистой невозможно. Какие бы методы очистки мы не применяли, поверхность всегда будет загрязнена, и при выборе метода очистки практически ставится задача удаления с поверхности лишь тех загрязнений, которые влияют на физико-химические свойства поверхности или объема. Это достигается заменой загрязнений веществами, которые можно удалить с поверхности на заключительных стадиях очистки. электровакуумный пленка катод лампа люминофор

На начальных этапах для удаления больших количеств загрязнений с поверхностей, пыли, отпечатков пальцев может применяться механическая очистка разных видов, например, протирка поверхности щеткой или тканью в моющем растворе. Затем проводится одна из важнейших операций очистки - обезжиривание. Как уже отмечалось, обезжиривание может проводиться двумя способами: 1) обезжиривание в щелочных растворах и 2) обезжиривание в органических растворителях.

В качестве растворителей при обезжиривании применяются трихлорэтилен, толуол, четыреххлористый углерод, спирт, ацетон, бензин и т.д. В результате десорбции молекулы загрязнений переходят с очищаемой поверхности в приповерхностный слой жидкости и далее диффундируют в его объем. После этого поверхность оказывается покрытой одним или несколькими слоями молекул растворителя. Диффузии десорбированных молекул примесей в объем растворителя в некоторой степени способствуют потоки или колебания жидкости около очищаемой поверхности. Поэтому обезжиривание часто проводят в потоке растворителя с применением гидродинамического или ультразвукового метода интенсификации процесса. Дополнительным способом интенсификации является и повышение температуры растворителя, однако при этом следует учитывать возможность его воспламенения или образование токсичных продуктов. Высокое качество очистки обеспечивается при обработке в парах кипящего растворителя, который, конденсируясь на поверхности подложки, растворяет загрязнения и стекает в ванну. При данном процессе отсутствует повторная адсорбция загрязнений на подложку. Особенно эффективен для обработки подложек в парах изопропиловый спирт.

Иногда в процессе очистки возникает побочный эффект взаимодействия растворителя с материалом подложки; в некоторых работах сообщается, что адгезионная способность ухудшается в случае обработки стеклянных подложек в четыреххлористом углероде и трихлорэтилене. Для выбора конкретного метода очистки необходимо знать особенности материала и способа его изготовления, а также возможные виды загрязнений на его поверхности.

Процесс обезжиривания в щелочных растворах основан на химическом взаимодействии некоторых жировых загрязнений (жирных кислот, а также животных и растительных жиров) с водными растворами щелочей. Сущность метода состоит в разложении жиров щелочью и переводе их в мыла, легко растворимые в воде. Повышение температуры, активное перемешивание, правильно подобранные реактивы и их концентрации регулируют процесс. Для повышения активности процесса химической очистки применяются нагревание реактивов и приложение ультразвуковых колебаний. Процессы с применением ультразвуковых колебаний особенно эффективны для удаления механических загрязнений (пыли) и отпечатков пальцев. Важным преимуществом ультразвуковой обработки является способность кавитационных пузырьков проникать в глубокие поры и трещины материала, которые не поддаются очистке никакими другими способами. Наиболее эффективно ультразвуковая очистка происходит при частотах 20-40 кГц. Именно при этих частотах газовые пузырьки имеют большие размеры и при кавитации выделяют больше энергии. Кроме того, при этих частотах вибрируют сами образцы, что способствует дополнительной очистке. При ультразвуковой очистке легкодеформируемых подложек целесообразны ультразвуковые колебания с частотой 400 кГц, так как применение более низких частот может деформировать или разрушить образцы. Высокочастотные ультразвуковые колебания обеспечивают высокое качество очистки изделий, имеющих отверстия, канавки и другие углубления.

При частотах около 400 кГц эффективность очистки высока на достаточно большом расстоянии от источника колебаний, в то время как при низких частотах она резко падает с увеличением расстояния от подложки до источника, что вызвано сильным поглощением энергии ультразвуковых колебаний вследствие кавитации.

При очистке подложек путем химического травления необходим обязательный контроль шероховатости обработанных подложек, так как она может значительно увеличиться. Если увеличение шероховатости подложек несущественно, искусственное повышение шероховатости может быть использовано для увеличения адгезионной прочности. Так, адгезия пленок к подложкам из керамики на основе Al₂O₃ может быть значительно повышена за счет растравливания поверхности в расплавленной щелочи NaOH.

Одной из важнейших операций очистки поверхности материалов и деталей в технологии электронных приборов является промывка деталей в особо чистой воде. Промывку в воде применяют как после обезжиривания деталей для удаления остатков растворителей, так и после травления для удаления продуктов взаимодействия поверхности с травильными жидкостями.

Для повышения эффективности отмывки часто используют гидромеханические, гидродинамические и ультразвуковые методы интенсификации процесса.

При рассмотрении практических вопросов отмывки важнейшую роль играет чистота используемой воды. Для обеспечения эффективности десорбции примесей она должна составлять 10^-5 - 10^-6 %. Поэтому при окончательной отмывке используют деионизованную воду, дополнительно очищенную с помощью мембранных фильтров.

Вымытые детали, подложки затем должны быть надежно высушены.

К сушке тоже предъявляются жесткие требования, поскольку при отсутствии тщательных предосторожностей может произойти повторное загрязнение. Сушка происходит с помощью горячего фильтрованного воздуха или азота. Посуда, используемая при очистке, должна быть безупречно чистой, а окружающая атмосфера должна быть свободна от загрязнений. Для хранения деталей используются специальные контейнеры. Время хранения не должно быть большим. Чаще всего очистку завершают непосредственно перед помещением в вакуумную систему.

Как уже говорилось, на финишных этапах очистки используются различные виды отжига (вакуумный, отжиг в водороде, азоте, инертных газах, окислительно-восстановительный отжиг и т.д.). Последний дополнительно удаляет жировые загрязнения за счет каталитического сжигания остатков органических продуктов в воздушной среде.

Поверхность с целью очистки тоже можно подвергать различным видам прокалок. Но необходимо помнить, что в каждом конкретном случае режим термообработки (температура, скорость нагрева, продолжительность) и среда должны быть строго индивидуальны. Окислительный отжиг (нагрев их в среде кислорода) должен обеспечить полное сгорание загрязнений. Кроме того, нагрев (как и в других термических процессах) должен быть однородный, иначе могут возникнуть большие механические напряжения.

Эффективным методом очистки различных поверхностей является обработка их падающими ионами, в том числе в плазме тлеющего и ВЧ разряда. Этот метод позволяет обрабатывать поверхность в вакуумной камере и тем самым исключить ее повторное загрязнение. Кроме того, данный вид обработки представляет стабильный технологический процесс, так как свойства разряда легко контролируются. Удаление примесей при ионной обработке происходит вследствие:

1) десорбции загрязнений, происходящей под ударами ионов, электронов и нейтральных частиц;

2) фотодесорбции под действием ультрафиолетового излучения из ионного источника или области тлеющего разряда;

3) термодесорбции загрязнений из-за нагрева подложки падающими частицами, а также рекомбинации на ее поверхности;

4) реакции органических загрязнений с атомарным кислородом, в результате чего образуются газообразные соединения, которые откачиваются вакуумной системой:

5) изменения структуры и фазового состава поверхности под действием быстрых частиц.

Механизм 5) обуславливает активацию поверхности детали, которая заключается в разрыве поверхностных связей, вследствие чего облегчается процесс образования новых связей.

В случае плазменной обработки главными механизмами очистки являются 4) и 5). При обработке быстрыми ионами из автономного источника превалируют механизмы 1), 4), 5).

Наибольшее распространение на практике получила очистка в тлеющем разряде. Она при равенстве площадей обрабатываемых поверхностей и электродов обеспечивает равномерную обработку всей площади. Рабочая камера должна содержать два электрода ( в некоторых случаях роль одного из электродов выполняет вакуумная камера), на которые подается потенциал 500 В и выше. Иногда на электроды подается переменное напряжение. Электроды для обработки, как правило, изготавливают из алюминия, так как при этом уменьшается вероятность загрязнения поверхности подложки из-за малого значения коэффициента распыления этого металла.

В случае проводящей подложки эффективная очистка может быть произведена распылением, если подложку соединить с отрицательным полюсом источника напряжения. В этом случае она подвергается интенсивному травлению положительными ионами разряда, имеющего энергию порядка сотен электроновольт.

Процесс очистки проводящих подложек с помощью катодного распыления разработан достаточно хорошо. Менее ясен процесс плазменной очистки подложек из диэлектрика. Для распыления диэлектрика может быть использован ВЧ-разряд, возможно также применение для очистки разряда постоянного тока. По сведениям некоторых авторов, эффективная очистка с использованием тлеющего разряда возможна только в среде кислорода. Если реакция кислорода с материалом подложки нежелательна, то очистку можно проводить в среде инертных газов.

Необходимо учитывать, что при неверно избранных параметрах плазменной обработки на поверхности может образоваться пленка полимера под действием бомбардировки электронами паров масла в вакуумной камере.

Практика показывает, что параметрами тлеющего разряда, от которых зависит эффективность очистки, являются:

геометрия расположения подложки (этим определяется зона обработки);

время обработки;

мощность разряда;

давление остаточных газов в вакуумной камере.

Эти параметры являются связанными величинами, взаимовлияющими друг на друга.

Контроль качества очистки поверхности

Принято считать, что существует большое количество различных методов по оценке качества очистки поверхности деталей. Однако большинство из них являются либо загрязняющими контролируемую поверхность, либо пригодны для относительного контроля больших партий деталей.

Остановимся кратко на некоторых методах, которые рекомендуют использовать в электровакуумной технологии. Определение следов органических загрязнений:

а) метод разрыва водной пленки. Он состоит в том, что испытуемые детали погружают на короткое время в ванну c деионизованной водой, а затем вынимают и после cтекания избытка воды наблюдают за сплошностью водной пленки на их поверхностях. Разрыв водной пленки свидетельствует о наличии на деталях гидрофобных загрязнений.

Опыт показал, что полностью доверяться этому методу нельзя. Сплошная пленка может образоваться и на загрязненных деталях, когда они плохо отмыты от моющих жидкостей, т.е. при наличии на поверхности таких деталей остатков поверхностно-активных веществ. Устранить ложную смачиваемость можно погружением деталей в слабый раствор кислоты, при этом имеющиеся остатки моющих веществ переходят в гидрофобные жирные кислоты, разрывающие водную пленку. Рассмотренный опыт вместе с дополнительным погружением в кислоту можно применять лишь для выборочного контроля. На точность метода разрыва водной пленки влияет толщина слоя воды: чем тоньше слой, тем точнее испытание. Поэтому время стекания с деталей избытка воды имеет большое значение, оно выбирается экспериментально для каждого вида деталей. Обычно оно составляет несколько десятков секунд.

б) метод распыления. По сути, он сходен с методом разрыва водной пленки и заключается в том, что на исследуемую поверхность пульверизатором напыляется чистая вода. При этом напылении капельки воды либо смыкаются, образуя непрерывную водную пленку, если поверхность чистая, либо остаются разрозненными в виде "сыпи", если на поверхности имеются гидрофобные загрязнения. Степень загрязнения поверхности данный метод позволяет выразить количественно. С этой целью берут стеклянную пластинку, на которую наложена прозрачная бумага с миллиметровыми делениями, и, расположив ее так, чтобы она не касалась капелек воды на загрязненной поверхности, очерчивают на ней контуры загрязненных участков с испытуемой поверхности, т.е., участков, покрытых каплями воды. Суммируя затем площадь квадратов, занятую капельками, и зная величину общей поверхности, находят их отношение, которое и представляет собой выраженную количественно степень загрязнения испытуемой поверхности. Погрешность этого способа составляет несколько процентов, что вполне приемлемо для практики. Контроль по этому методу необходимо производить сразу же после извлечения очищенных деталей из ванны для прополаскивания, не допуская их высыхания; иначе детали могут загрязняться органическими аэрозолями воздуха. Время от момента извлечения деталей из ванны до момента нанесения на них воды из пульверизатора подбирается экспериментально, обычно оно равно 30-60 сек. Для лучшей визуальности загрязнений применяют напыление на контрольную пластинку воды, содержащей красящий пигмент. После образования капелек пластинку сушат нагревательной лампой, и на ней возникает контрастный рисунок загрязнений, обусловленный тем, что на чистых участках в сплошной, но очень тонкой пленке воды содержится мало пигмента, а в каплях его значительно больше.

Можно указать еще дополнительные методы контроля, основанные на явлении смачиваемости поверхности водой, например, метод запотевания, метод конденсации, метод измерения угла смачивания;

в) метод измерения угла смачивания. Этот метод широко используется на кафедре ТП и МЭТ. Известно, что количественной мерой смачиваемости поверхности служит угол между касательной к пленке воды и испытуемой поверхностью.

Рис.1. Краевой угол смачивания

На рисунке 1 изображена капля жидкости, находящаяся в равновесии с твердой поверхностью и газом. В условиях равновесия сумма векторов поверхностных натяжений на всех трех межфазных поверхностях раздела равна нулю:

 (1)

В этом случае поверхностное натяжение рассматривается как сила, действующая в плоскости межфазной поверхности раздела и стремящаяся свести ее к минимальной. Переходя к проекциям векторов на границу раздела твердой и газовой фаз, получим:

, (2)

откуда следует уравнение Юнга для равновесного краевого угла-смачивания и:

(3)

Краевой угол смачивания (и) - это угол между касательной к поверхности капли жидкости в точке соприкосновения трех фаз (твердой, жидкой и газообразной) и поверхностью твердого тела, измеренный внутри жидкой фазы.

На поверхностях могут наблюдаться неполное или полное смачивание в зависимости от выбранной смачивающей жидкости и от состояния поверхности, от степени загрязнения ее, природы этих загрязнений. Измеряя угол смачивания поверхности жидкости с различным поверхностным натяжением, можно количественно оценить состояние поверхности до очистки и на разных этапах ее проведения.

В таблице 1.1 приведены жидкости, которые могут быть использованы для измерения краевых углов смачивания.

Таблица 1.1

Поверхностное натяжение некоторых жидкостей на границе с воздухом

№ п\п	Жидкость	ужг, мДж · м-2
1	Толуол	23,0
2	Ксилол	28,9
3	Нитробензол	44,0
4	Этиленгликоль	47,7
5	Формамид	58,2
6	Глицерин	63,4
7	Вода	72,5

Адгезия жидкости (смачивание поверхности) обусловлена молекулярным взаимодействием, которое возникает на границе раздела фаз жидкость-твердое тело.

Если жидкость не образует каких-либо химических связей с материалом подложки, поверхность последней электрически нейтральна, а молекулы твердого тела обладают малой поляризуемостью, работа адгезии будет включать лишь дисперсионное взаимодействие молекул твердого тела и жидкости и диполь-дипольное взаимодействие постоянных диполей смачивающей жидкости с полярными функциональными группами на твердой поверхности:

W_a = W_a^d + W_a^р (4)

При этом поверхностные натяжения твердого тела и жидкости также складываются из двух компонент:

у_тг = у_тг^d + у_тг^p; у_жг = у_жг^d + у_жг^p.

В таблице 1.2 приведены дисперсионные и полярные составляющие поверхностного натяжения ряда жидкостей. Дисперсионная составляющая поверхностного натяжения преобладает у неполярных жидкостей, диполь-дипольная (полярная) - у полярных.

Таблица 1.2

Жидкость	Поверхностное натяжение, эрг·см-2
	ужг	ужгd	ужгр
Вода	72,8	13,8	59,0
Глицерин	63,4	37,0	24,4
Формамид	53,2	39,5	18,7

Связь между краевым углом смачивания поверхности и соответствующими компонентами поверхностного натяжения жидкости и твердого тела выражается уравнением Фаукса-Юнга:

(5)

Если мы экспериментально определим углы смачивания поверхности двумя жидкостями с различными значениями дисперсионной и полярной компонент поверхностного натяжения, то получим систему двух уравнений, в которых в качестве неизвестных будут полярная и дисперсионная составляющие поверхностного натяжения твердого тела (у_тг^d и у_тг^p). Решив эту систему уравнений, получим значения у_тг^d и у_тг^p и величину поверхностного натяжения твердой фазы

у_тг= у_тг^d + у_тг^p

Проиллюстрируем процедуру расчета примером.

Измерения угла смачивания поверхности пленок ПВХ водой и глицерином дали следующие результаты : и_вода = 73°, и_{глицерина} = 66°.

Обозначим , , , , , .

Перепишем уравнение (5) в виде:

Пусть для воды и - для глицерина.

Получим систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными:

По правилу Крамера, если определитель D этой системы не равен нулю, то система имеет единственное решение:

,

где

,

а D₁ и D₂ - определители, получающиеся из D при замене элементов соответственно 1 и 2 столбца соответствующими свободными членами и :

Сведем необходимые для расчета данные в таблицу 1.3.

Таблица 1.3

Жидкость	ужгd, эрг·см-2		ужгp, эрг·см-2		и, град		, эрг·см-2
Вода	13,8	3,71	58,7	7,66	73	0,29	46,76
Глицерин	37,0	6,08	26,4	5,14	66	0,41	44,70

Получается система двух уравнений:

3,71 X₁ + 7,66 Х₂ = 46,76

6,08 X₁ + 5,14 Х₂ = 44,70,

решением которой будут:

и

; ;

; ;

.

Точность такого способа определения поверхностной энергии зависит как от точности измерения углов смачивания, так и от справедливости допущения, что поверхностная энергия складывается лишь из двух компонент - дисперсионной и диполь-дипольной (полярной).

Методы определения углов смачивания

В литературе можно найти описание целого ряда методов определения угла смачивания. Мы же остановимся на кратком описании лишь самых простых, на наш взгляд, и подробнее рассмотрим процедуру измерения и гониометрическим методом, который используется на кафедре ТП и МЭТ.

Метод проекции капли

Каплю жидкости на горизонтальной исследуемой поверхности проецируют на экран и по фотографии или рисунку определяют угол между касательной к капле в точке соприкосновения трех фаз и поверхностью образца. Точность такого определения оценивается в 1-5 градусов.

и определяют по высоте (h) капли и радиусу площади контакта капли с исследуемой поверхностью (r_к) (рис.2), пользуясь формулами:

при и < 90°

при и 90° cos и = 1 - h / r_к

Рис.2.

Для капель малого размера, когда можно пренебречь ее деформацией за счет действия гравитации:

tg и = h / r_к.

Для измерения параметров капли (h и r_к) целесообразно использовать измерительный микроскоп с горизонтальной оптической осью.

Измерение угла смачивания гониометрическим методом

На кафедре ТП и МЭТ для измерения краевых углов смачивания поверхности используется гониометр, смонтированный на основе микроскопа МИН-4. Схема гониометра показана на рис 3.

Процедура измерений угла смачивания состоит в следующем. Исследуемый образец (1) помещают на предметный столик (2) гониометра. На поверхность образца с помощью пипетки наносят каплю смачивающей жидкости (3). Радиус капли (r) не должен превышать капиллярную постоянную для данной жидкости:

,

чтобы свести к минимуму искажение формы капли за счет гравитации: _жг и _ж- поверхностное натяжение и плотность смачивающей жидкости соответственно, g - ускорение свободного падения.

Рис. 3. Схема гониометра на основе микроскопа МИН-4

1-образец, 2-предметный столик, 3-капля жидкости, 4-винт настройки резкости изображения, 5-вращающийся лимб, 6-микрометрический винт вертикального перемещения столика, 7-конус, 8-окуляр; 9-объектив.

Оценки по условию дают для воды г ? 3,8 мм (масса капли не более -230 мг, а для глицерина - г ? 3,2 мм (170 мг).

С помощью винта настройки (4) добиваются резкого изображения капли воды и проволочки, натянутой по диаметру вращающегося лимба (5). Вращая лимб (5) и микрометрический винт (6) регулирующий высоту предметного столика, совмещают изображение проволочки - диаметра с границей раздела поверхность образца - воздух, регистрируют соответствующий этому положению исходный угол поворота угломерного устройства (и₀), отсчитывая его с помощью шкалы лимба (5) и нониуса (7). Нониус позволяет отсчитывать угол с точностью до 0,1 градуса.

Вращая лимб (5) по часовой стрелке и слегка перемещая вправо или влево предметный столик с образцом, устанавливают проволочку - диаметр в положение касательной к поверхности капли в точке соприкосновения трех фаз (твердой, жидкой и газообразной). Отсчитывают соответствующий этому положению лимба угол и₁.

Результирующий угол смачивания определяется как модуль разности и₀ и и₁:

.

Опыт показывает, что равновесное (стационарное) значение краевого угла смачивания устанавливается не сразу: в течение некоторого времени и изменяется за счет растекания капли. Время установления стационарного значения угла смачивания для каждой пары поверхность - жидкость следует определять экспериментально, измеряя величину и через определенные промежутки времени после нанесения капли. Кинетика растекания жидкости по поверхности наряду с равновесным значением и может быть полезной характеристикой поверхности.

Для оценки воспроизводимости экспериментальных результатов и целесообразно измерять 5-10 раз на одной и той же поверхности, рассчитывая на основании этих измерений среднее значение и и границы доверительного интервала и.

Основным недостатком описанного выше гониометрического метода измерения угла смачивания, отмечаемым в литературе, является известный субъективизм в построении касательной к поверхности капли в точке соприкосновения фаз.

Кроме того, в силу энергетической неоднородности поверхности твердых образцов периметр смачивания может заметно отличаться от окружности, а значит, и углы смачивания в разных точках периметра капли будут различны.

Метод диаграммы отраженного света

Принципиальная схема измерений приведена на рис.4, 5, 6. Плоская пленка располагается горизонтально, капля смачивающей жидкости на ее поверхности имеет круглое сечение, угол смачивания не превышает 90^о. Параллельный пучок света распространяется горизонтально, параллельно поверхности пленки, частично срезаясь ею, и падает нормально на вертикальный экран. При освещении капли излучение отражается ее выпуклой поверхностью. Пространственная диаграмма отраженного света частично отображается на экране в виде световой картины, параметры которой связаны с величиной краевого угла. Искомый краевой угол равен в этом случае просто углу между вертикалью и периметром световой картины. Он может быть непосредственно измерен на экране или на скопированной с экрана световой картине. Последний способ и использовался в данной работе.



Рис.4. Установка для измерения краевого угла смачивания:

1 - гелий-неоновый лазер;

2 - горизонтальный столик;

3 - капля жидкости на подложке;

4 - экран.

Рис.5. Установка подложки Рис.6. Изображение, наблюдаемое

с каплей на экране

Процедура измерений заключается в следующем. На горизонтальный столик 2 устанавливается подложка, на которую из пипетки наносится капля жидкости (воды или глицерина). На экране (4) закрепляют лист бумаги. Вращая винты, устанавливают столик таким образом, чтобы луч лазера проходил строго по поверхности подложки, чуть ее касаясь. На экране появляется изображение отраженного луча в виде вертикальной линии (рис.6). Далее подложку с каплей перемещают так, чтобы луч шел по касательной к капле (рис 5). На экране появляется световая картина, являющаяся отражением луча от периметра капли. Она представляет собой линию, идущую под углом к вертикали (рис.6). Этот угол равен углу смачивания. Изображение отмечается на закрепленной бумаге карандашом, а угол измеряется транспортиром.

Так как капля неравномерно растекается по поверхности подложки, рекомендуется произвести несколько замеров, поворачивая подложку с каплей. Полученные значения усредняются. На основе найденных углов смачивания рассчитывают поверхностную энергию материала по уравнению Фаукса-Юнга (5). Методика и пример расчета изложены выше.

Подводя итог, следует отметить, что методы определения чистоты поверхности, основанные на смачивании их водой, зависят от большого числа факторов, могущих исказить результаты.

В производственных условиях в ответственных случаях используют параллельно некоторые, хотя и более грубые, но объективные методы проверки деталей на жировые загрязнения. Примером таких методов может служить метод, основанный на определении интенсивности флюоресценции масла, растворенного в трихлорэтилене, под действием УФ облучения. Контролируемые детали помещают на металлическую сетку прибора и подвергают обработке парами трихлорэтилена в течение 15 мин. Затем сравнивают оптическую проницаемость использованного трихлорэтилена с проницаемостью эталонного (чистого) и по градуировочной кривой определяют объемную концентрацию загрязнений в трихлорэтилене.

Наиболее простым методом контроля считается люминесцентный. Он основан на определении интенсивности свечения жировых загрязнений при облучении испытуемых деталей УФ светом. Интенсивность свечения можно измерить, контроль может быть и чисто визуальным для грубой оценки чистоты деталей. Метод пригоден не только для выборочного, но и для сплошного контроля деталей.

Качество очистки можно контролировать по электропроводности воды, используемой для промывки деталей на последних этапах очистки. Повышение этого параметра свидетельствует об ухудшении качества очистки. Этот метод позволяет решать многие практические задачи, в том числе и при осуществлении непрерывного контроля производства. Нередко измерение электропроводности сочетают с измерением других величин, например, плотности, вязкости, рН промывной жидкости.

Электропроводность раствора может быть найдена, если измерить активное сопротивление между погруженными в него электродами. Для измерения сопротивления пользуются переменным током, так как постоянный ток вызывает электролиз и поляризацию электродов.

Рис 7. Схема установки для измерений электропроводности жидкостей

Сопротивление раствора определяют путем сравнения с эталонным сопротивлением (рис. 7). Суть используемого в лаборатории метода определения удельного сопротивления воды состоит в том, что через ячейку с водой протекает заведомо известный ток, а с последовательно включенного сопротивления, величина которого тоже известна, снимается падение напряжения. Затем простыми расчетами устанавливается сопротивление деионизованной воды и воды, используемой для промывки.

(Ом).

При выполнении работы можно определить, сколько ополаскиваний требуется, чтобы полностью удалить следы промывных жидкостей.

Итак, целью данной работы является знакомство с наиболее распространенными методами очистки деталей ЭВП и ИМС и с доступными в условиях кафедры методами контроля степени чистоты испытуемой поверхности. Берутся либо стеклянные, либо керамические пластины. Чтобы оценка методов очистки была правомерной, предварительно необходимо спровоцировать равномерное загрязнение подложек и оценить состояние поверхности, измеряя углы смачивания, например, разными жидкостями. Проведя очистку любым из рассмотренных выше методов, вновь оцениваем по углу смачивания состояние поверхности. Можно сравнить эффективность различных способов очистки по заданию преподавателя.

2.

2. ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК

Лабораторная работа № 2. Получение тонких пленок методом термического испарения в вакууме

Для получения тонких пленок применяются следующие методы:

1. химические;

2. электрохимические;

3. термическое испарение в вакууме;

4. катодное распыление;

5. магнетронное распыление и т.д.

Из всех перечисленных методов одним из наиболее универсальных и разработанных является метод термического испарения в вакууме. В камере для осаждения создают давление не выше 10^-4 мм рт. ст. и затем нагревают испаряемое вещество в специальном испарителе. Испарением в вакууме можно получать и металлические, и диэлектрические пленки.

Температуру, при которой упругость паров испаряемого вещества достигает 10^-2 мм рт. ст., условно принято называть температурой испарения данного вещества.

Процессы, происходящие при испарении, определяются в первую очередь степенью вакуума в системе. Вакуум должен быть таким, чтобы атомы испаряемого вещества не претерпевали соударений с молекулами остаточных газов при движении к подложке. Например, длина свободного пробега молекул азота составляет 5·10^-3 см при давлении 1 мм рт. ст. Поэтому при изготовлении пленок методом термического испарения необходимо давление не выше 10^-4 мм рт. ст. В этом случае испаренные атомы распространяются прямолинейно и подчиняются известным из оптики законам Ламберта:

1. Интенсивность испускания под углом ц относительно нормали к испускающей поверхности пропорциональна cosц.

2. Скорость роста пленки (количество атомов металла, попадающих в единицу времени на 1 см² подложки) в случае точечного источника обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до подложки.

Скорость испарения, т.е. количество материала, испаряемого в 1с с 1 см² испарителя, может быть определена по следующей формуле:

где щ - скорость испарения г·см^-2·с^-1;

Р - давление насыщенного пара;

М - молекулярный вес;

Т - абсолютная температура, К.

Если на пути движения молекулярного потока испаренного вещества поместить подложку, то на ее поверхности образуется тонкая пленка сконденсированного вещества. Для большинства металлов конденсация их паров при комнатной температуре не сопровождается отражением атомов от подложки. Однако для некоторых металлов наблюдается полное или частичное отражение атомов от поверхности конденсатора. При выборе режимов испарения, а также при вычислении толщины слоя по количеству испаренного вещества большое значение приобретает вопрос о том, сколько атомов остается на подложке не отразившись. Если через V обозначить число молекул, ударившихся в единицу времени о поверхность конденсатора, то скорость конденсации молекул х = Vб, где б- коэффициент аккомодации, представляющий собой отношение числа молекул, фактически сконденсировавшихся на подложке, к числу молекул, ударяющихся о подложку в одно и то же время.

Конденсация атомного пучка на стеклянной поверхности зависит от температуры. При температуре выше критической атомы испаренного металла полностью отражаются от конденсатора. Критическая температура зависит от природы конденсируемого вещества, природы подложки, степени ее очистки и от плотности падающего атомного пучка. Критическая температура возрастает с увеличением интенсивности падающего пучка. Поэтому, кроме понятия критической температуры, существует понятие критической плотности потока.

Критической плотностью атомного пучка (потока) при данной температуре называется такая плотность, ниже которой конденсированная пленка не может быть образована. Значение критической плотности является функцией температуры подложки и широко меняется для различных металлов. Теоретически эта зависимость определена Френкелем и имеет следующий вид:

V_кр = А·е^-U/kt,

где V_кр - критическая плотность пучка;

Т - температура подложки;

U - энергия связи атома с подложкой;

А - постоянная величина, зависящая от рода испаряемого вещества.

Распределение конденсата по поверхности подложки зависит от формы испарителя, а также от расположения испарителя относительно подложки. В зависимости от формы испарителя испарение может происходить или равномерно во всех направлениях, или в каком-то определенном направлении.

С этой точки зрения испарители могут быть классифицированы следующим образом:

1. Точечные испарители. Их излучающая поверхность невелика по сравнению с расстоянием до подложки. Испарение происходит равномерно во всех направлениях.

2. Направленные испарители. Например, небольшая плоская излучающая поверхность. Испарение в этом случае происходит по закону косинуса.

3. Проволочные испарители. Излучающая поверхность представляет собой цилиндр с малым, по сравнению с другими размерами, диаметром. Если распыление производится из точечного или небольшого плоского направленного испарителя, и подложка расположена параллельно испарителю, то толщина пленки на подложке может быть определена по формуле:

где Д - толщина пленки;

m - скорость испарения;

г - удельный вес;

h - расстояние от испарителя до подложки.

Испарение вещества в вакууме может производиться несколькими способами. Для испарения легкоплавких веществ чаще всего используются тигли, нагревание которых может осуществляться токами высокой частоты, при помощи вольфрамовой спирали, путем пропускания тока через материал тигля и т.д. Для испарения тугоплавких металлов применяется проволока, покрытая испаряемым металлом электролитически и нагреваемая электрическим током. Для большинства металлов весьма простым и удобным способом является испарение из спиралей и лодочек. В этом случае навеска распыляемого материала помещается внутри спирали или лодочки. В качестве материалов нагревателя используются W, Mo, Pt.

Порядок выполнения работы

I. Подготовка подложек

Адгезия тонкой пленки к подложке определяется чистотой ее поверхности. Поэтому перед помещением в вакуумную систему подложка должна быть тщательно очищена от возможных загрязнений. Предварительная очистка поверхности стекла, металла, керамики производится в следующей последовательности:

1. Обезжиривание путем кипячения в 20%-ном растворе соды.

2. Обработка хромовой смесью. Подложки помещают в плоскую фарфоровую чашку, заливают хромовой смесью, нагревая до температуры 50-70°С, и выдерживают при этой температуре 3-5 минут.

3. Обработанную хромовой смесью подложку моют сначала водопроводной, а затем дистиллированной водой.

4. Вымытую подложку ставят в сушильный шкаф и сушат при температуре 120-130°С в течение 15-20 минут.

При обработке подложек категорически! запрещается брать их руками. Необходимо пользоваться пинцетом.

II. Получение металлических пленок на установке П0РА-1М

Термическое испарение металлов (преимущественно А1 и Cu) производится на вакуумной установке П0РА-1М, упрощенная вакуумная схема которой представлена на рис.8.

Основной частью поста является стеклянный колпак, устанавливаемый на металлической тарели через резиновую прокладку. Рабочее пространство колпака разделено на 2 камеры, в каждой из которых распыляется только один какой-то металл. Навеска металла в виде отрезка проволоки помещается под стеклянный колпак внутрь вольфрамовой спирали.

В качестве подложки используется покровное стекло, предварительно обработанное по вышеуказанной методике.

После загрузки подложек и навесок металла закрываем кран "натекатель" (9) и "напуск в форвакуумный насос, открываем водопроводный кран для охлаждения диффузионного насоса, включаем тумблер "сеть" и форвакуумный насос. При этом кран "байпас" (6) должен



Рис. 8. Схема установки ПОРА - 1М:

1- стеклянный колпак; 2,2'- вольфрамовые спирали

(2-для получения Аl; 2'-для получения Сu);

3,3'-подставки, на которые помещаются подложки

(3-для пленки Аl; 3'-для пленки Сu)

быть закрыт, а краны "высокий вакуум" (7) и (8) - открыты. При вакууме не хуже 10^-1 торр включаем нагреватель диффузионного насоса и полностью откачиваем систему приблизительно до давления 10^-4 торр. Теперь можно производить распыление образца. Для этого необходимо включить тумблер "распылитель" и, вращая рукоятку "накал испарителя"; постепенно увеличить ток через вольфрамовую спираль. Контроль тока производится косвенно по вольтметру "накал испарителя".

Нужный режим испарителя подбирается опытным путем, наблюдая за испарением через подложку. Нагреватель при этом становится невидимым, если толщина напыленной пленки около 1000 Е. После окончания процесса распыления необходимо выключить распылитель и через 10-15 минут произвести выгрузку образца. Для этого необходимо закрыть кран 7 (кран (6) закрыт), открыть кран "натекатель" (9), напустить воздух в рабочий объем, без усилия снять колпак и положить его на подставку. Подложку с нанесенной пленкой следует извлекать с помощью пинцета, а затем произвести измерение параметров полученной пленки (количества распыленного вещества, электрического сопротивления). Соответствующие методики приводятся ниже.

Не выключая поста, можно загрузить новые подложки, навески металла и произвести напыление последующих образцов (по заданию преподавателя). Для этого необходимо закрыть краны 8 и 9 (кран (7) закрыт), открыть кран 6 и откачать установку до давления 10^-1 торр, закрыть кран 6, открыть краны 7 и 8, откачать установку до рабочего давления и произвести напыление пленки.

При выполнении данной работы по заданию преподавателя можно произвести следующие исследования:

1) влияние расстояния между подложкой и испарителем на параметры и качество пленки;

2) влияние температуры испарения или напряжения накала на скорость испарения и параметры пленки;

3) зависимость электрического сопротивления пленки от ее толщины;

4) влияние степени вакуума на качество получаемых пленок.

В отчетах, кроме результатов измерений, необходимо приводить и качественное описание внешнего вида пленок.

Лабораторная работа № 3. Нанесение тонких пленок методом катодного распыления

Процесс нанесения тонких металлических пленок методом катодного распыления заключается в использовании характерного для тлеющего разряда разрушения катода под действием ионной бомбардировки.

Отличительным признаком тлеющего разряда является своеобразное распределение потенциала, характеризующееся большой величиной катодного падения потенциала (порядка нескольких сотен вольт). Это падение потенциала связано с наличием около катода объемного положительного заряда. Под действием ударов положительных ионов происходит распыление материала катода, и распыленное вещество осаждается на близлежащих холодных поверхностях. Скорость катодного распыления зависит от давления и рода газа, материала катода и параметров разряда и выражается в г-ат./А·с или в ат./ион. Рассматривая процесс катодного распыления, целесообразно разделить его на три этапа:

1. Выбивание атомов с поверхности катода.

2. Диффузия распыленного вещества к подложке.

3. Конденсация.

Рассмотрим отдельно каждый из этапов.

1. Выбивание атомов с поверхности катода под действием ионной бомбардировки

В настоящее время существует много различных теорий процесса катодного распыления. Наиболее распространенной является теория Венера, согласно которой ион, ударившийся о катод, вызывает колебания узлов кристаллической решетки, которые распространяясь в направлении поверхности металла, могут сообщить поверхностному атому энергию, достаточную для распыления. Скорость катодного распыления возрастает:

а) с увеличением катодного падения потенциала (увеличивается энергия ионов, бомбардирующих катод);

б) с увеличением тока разряда (увеличивается количество бомбардирующих частиц);

в) с увеличением массы падающего иона (увеличивается импульс бомбардирующих частиц).

Скорость катодного распыления обратно пропорциональна теплоте сублимации материала катода, которая характеризует энергию связи атомов в решетке.

Кроме этих факторов на распыление оказывает влияние состав газа. При распылении в молекулярных газах возможно образование под действием разряда химического соединения на поверхности катода (нитриды, оксиды и т. д.). В этом случае распыляется уже не сам металл, а химическое соединение. Такое распыление получило название реактивного. Реактивное распыление - один из путей получения пленок таких тугоплавких соединений, как окислы и нитриды металлов. При этом, меняя состав газовой фазы, (например, соотношение химически активной и инертной компонент) можно получить пленки различного химического состава и с разными свойствами.

2. Диффузия распыленных атомов в газовой фазе

В условиях тлеющего разряда при давлениях, которые обычно используются (0,1-5 торр), длина свободного пробега почти всегда меньше пути, проходимого распыленными частицами. При этом характер их движения является диффузионным и часть распыленных атомов, сталкиваясь с молекулами газа, изменяют свое направление и возвращаются обратно на катод. Это явление получило название обратной диффузии. В результате обратной диффузии распыленных частиц на катод изменяется скорость распыления, или, точнее, скорость конденсации уменьшается с увеличением давления и расстояния катод-подложка.

В общем случае зависимость скорости распыления от давления и параметров может быть описана эмпирической формулой вида:

где U - величина катодного падения потенциала;

i - ток разряда;

d - среднее расстояние между катодом и подложкой;

Р - давление газа;

А и В - эмпирические константы, зависящие от рода газа и материала катода.

3. Конденсация атомов на поверхности при катодном распылении

Процесс конденсации при катодном распылении существенно отличается от конденсации при термическом испарении. Так, при катодном распылении отсутствует критическая температура конденсации, и конденсация металлической пленки осуществляется практически при любых плотностях пучка. Методом катодного распыления без охлаждения подложки удается осадить такие металлы, которые при вакуумном испарении конденсируются только при дополнительном охлаждении. Энергия связи с подложкой при катодном распылении оказывается выше, чем при термическом испарении. С другой стороны, недостатком при получении пленок катодным распылением является присутствие рабочего газа. Молекулы газа, активированные разрядом, адсорбируются в напыленном слое, и пленка обычно содержит большое количество газа.

И все-таки метод катодного распыления позволяет избежать многих трудностей, возникающих при термическом испарении, и получать пленки металлов с низкими температурами конденсации, пленки тугоплавких металлов и соединений с контролируемыми свойствами.

Порядок выполнения работы

Получение пленок методом катодного распыления производится на установке, схема которой представлена на рис.9.



Рис.9. Схема установки катодного распыления

1-стеклянный колпак; 2-катод; 3-анод с подложками; 4-натекатель; 5,6,7,10-вакуумные краны; 8-паромасляный насос;9-форвакуумный насос

Основной частью поста, как и в работе №2, является стеклянный колпак (1), в котором в пространстве между катодом (2) и анодом (3) подается высокое напряжение и зажигается тлеющий разряд. Катод выполнен из медного цилиндра.

В качестве подложки используется покровное стекло, предварительно обработанное по вышеизложенной методике (см. работу №2). Подложка помещается на соответствующую подставку, служащую анодом. После загрузки при закрытом кране 4 открываем водопроводный кран для охлаждения диффузионного насоса (8), включаем форвакуумный наcoc (9). При этом кран 5 должен быть закрыт и открыты краны 6 и 7. При давлении не выше 10^-1 торр включаем нагреватель диффузионного насоса и откачиваем систему до давления порядка 10^-4 торр.

Теперь можно с помощью крана 4 из специального баллона (камеры) напустить в систему до требуемого давления соответствующий газ (Аг). Включить высокое напряжение и установить необходимый ток разряда (по миллиамперметру). Время обработки подложек, так же как и ток разряда, и расстояние от катода до подложек устанавливается преподавателем.

По истечении заданного времени выключить высокое напряжение, а после остывания катода закрыть краны 5 и 6 и напустить воздух (кран 4) в систему, произвести выгрузку и, если требуется, загрузку подложек. После загрузки новых подложек необходимо закрыть краны 4 и 7 (краны 5 и 6 закрыты), открыть кран 5, откачать установку до давления 10^-1 торр, закрыть кран 5 и открыть краны 6 и 7, откачать установку до рабочего давления и произвести напыление пленки.

Можно работать и не включая диффузионный насос, производя распыление катода в атмосфере остаточных газов. В этом случае, не открывая водопроводный кран для охлаждения диффузионного насоса, (вакуумные краны 6 и 7 закрыты), открываем кран 5 и откачиваем системy до предельно допустимого вакуума и производим распыление катода.

В процессе работы по выбору преподавателя могут быть выполнены следующие задания:

- определить толщину полученной пленки;

- вычислить скорость напыления пленок;

- исследовать зависимость скорости распыления и толщины пленки от тока разряда;

- исследовать зависимость толщины пленки от расстояния между катодом и подложкой.

При составлении отчета необходимо рассмотреть ряд вопросов:

1. Изменение параметров разряда в процессе опыта (величины изменений и как они могут сказаться на результатах).

2. Возможность термического испарения материала катода за счет его нагревания под действием разряда.

3. Подобрать аналитическое выражение, описывающее экспериментально полученную зависимость скорости распыления от параметров разряда. Найти неизвестные коэффициенты в этом выражении.

4. Обсудить влияние параметров разряда и условий получения пленки на ее толщину.