Тонкие пленки часто используются для придания чувствительной поверхности некоторых дополнительных свойств. Например, для улучшения поглощающей способности тепловых излучений датчика, работающего в дальнем ИК спектральном диапазоне, его поверхность иногда покрывается материалом, обладающим высоким коэффициентом поглощения, например, нихромом. На кремниевую подложку может быть нанесен слой из пьезоэлектрика для придания ей пьезоэлектрических свойств. Толстые пленки часто используются в качестве мембран в составе датчиков давления или микрофонов. Разработано несколько методов нанесения пленок разной толщины на подложки из разных материалов. Среди них самыми популярными являются литье при вращении, термовакуумное напыление, ионное распыление, гальванический метод и трафаретная печать.
Литье при вращении
По этой технологии материал для создания пленок растворяется в летучем жидком растворителе. Получившимся раствором поливают быстро вращающийся образец. Центробежные силы разносят материал, и после испарения растворителя на поверхности образца остается тонкая пленка. Этот метод часто используется для нанесения тонких пленок из органических материалов, особенно при изготовлении датчиков влажности и химических детекторов. Толщина готовых пленок определяется растворимостью наносимого материала и скоростью вращения, и обычно она находится в диапазоне 0.1 ...50 мкм. Недостатком этого метода является неравномерность нанесения пленки, особенно если образец имеет явно выраженные неровности. В дополнение к этому нанесенный материал имеет тенденцию сжиматься при высыхании. Тем не менее, для многих практических применений этот метод вполне годится.
Термовакуумное напыление
Вэтом методе металл предварительно превращается в газ, который осаждается на поверхность образца, формируя на его поверхности тонкую пленку. Система напыления состоит из вакуумной камеры (рис. 18.5); диффузионного насоса, обеспечивающего давление в камере порядка Ю-6... Ю-7 торр; держателя образца, тигля и заслонки. Наносимый материал помещается в керамический тигель, нагреваемый вольфрамовой нитью накаливания до температуры плавления металла. Альтернативным методом нагревания является использование электронного луча.
По команде от блока управления заслонка открывается, позволяя оторвавшимся атомам металла осаждаться на образце. Части образца, защищаемые маской, остаются непокрытыми. Толщина пленки определяется временем напыления и давлением паров металла. Чем ниже температура плавления материала, тем легче его напылять (например, алюминий). Как правило, пленки, нанесенные методом вакуумного напыления, обладают большим остаточным напряжением, поэтому этот метод применяется только для нанесения тонких пленок.
двигатель
держатель образца
образец
колпак
маска
заслонка
тигель
нагреватель
расплав металла
Рис. 18.5. Напыление тонкой металлической пленки в вакуумной камере
диффузионный
насос
Поскольку расплавленный материал является практически точечным источником атомов, возникают две проблемы: неравномерность нанесения пленок и эффект затенения - нечеткость краев пленки по границе маски. Для снижения этих явлений применяются следующие методы: используются либо несколько тиглей (3 или 4), либо вращение образца.
При использовании метода вакуумного напыления необходимо следить за тем, чтобы в камеру не попадали посторонние вещества. Поскольку даже небольшое количество масла (например, от насоса) может привести к возгоранию органических материалов или к осаждению на образце таких нежелательных компонентов, как углеводы.
Ионное распыление
источник питания
ионы,
индуцирующие -вторичную эмиссию
бомбардирующий ион
наполняемый атом
образец
электроны, индуцированные вторичной эмиссий
вакуумная камера
Рис. 18.6. Ионное распыление в вакуумной камере
Также как и вакуумное напыление, ионное распыление проводится в вакуумной камере (рис. 18.6). Однако здесь после откачивания воздуха в камеру вводится инертный газ (аргон или гелий) под давлением 2• Ю-6...5• 106 торр. На катод (мишень), изготовленный из распыляемого материала, подается высокое постоянное или переменное напряжение. Образец крепится на анод, расположенный на некотором расстоянии от
катода. Высокое напряжение раскаляет плазму инертного газа, и быстрые газовые ионы начинают бомбардировать мишень. Кинетическая энергия бомбардирующих ионов достаточно высока, чтобы заставить отдельные атомы оторваться от поверхности катода. Некоторые из этих атомов, долетая до образца, формируют на его поверхности тонкую пленку.
Пленки, наносимые методом ионного распыления, обладают большей равномерностью, особенно при введении в камеру магнитного поля, направляющего ионы прямо на поверхность образца. Поскольку в этом методе нет необходимости в сильном нагреве мишени, распыляться могут практически любые материалы, включая органические. Более того, распыляться могут материалы одновременно с нескольких мишеней. Например, при формировании нихромовых электродов на поверхности пироэлектричесих датчиков распыляются ионы Ni и Сr от двух разных мишеней.