Свойства тонких пленок существенно отличаются от аналогичных параметров объемных образцов, что объясняется различием в структуре тонкопленочных и объемных материалов.
Для структуры поликристаллических тонких пленок характерна большая концентрация дефектов. Если в исходных материалах присутствуют загрязняющие компоненты, то в пленке возможно образование диэлектрических или полупроводниковых слоев, покрывающих проводниковые зерна. В таком случае, кроме проводимости свободных электронов, в пленке работают и термоактивационные механизмы. К ним относятся туннелирование через тонкий потенциальный барьер, термоэлектронная эмиссия, прыжковая проводимость и др. С другой стороны, тонкая пленка обладает большей удельной поверхностью Sпл/Vпл, чем удельная поверхность объемных тел Sоб/Vоб.
Если вспомнить, что сама поверхность является протяженным дефектом, то выражение (9.1) говорит о различии свойств тонкой пленки и объемного тела. Так, например, удельное сопротивление пленочного проводника больше, чем удельное сопротивление объемного.
При уменьшении толщины пленки ее удельное сопротивление растет (рис. 9.1).
0,1
Рис. 9.1. Зависимость сопротивления тонкой пленки от толщины, ρ0 – объемное сопротивление
Такой эффект можно объяснить ростом отношения (9.1) то есть увеличением вклада поверхностей (верхней и нижней) пленки в механизм электропроводности. Данный эффект носит пороговый характер и называется классическим размерным эффектом. Он возникает, если длина свободного пробега электрона λ соизмерима с толщиной пленки d≤ λ. В этом случае основным типом рассеяния электронов становится рассеяние на поверхностях. Знакомое нам правило Матиссена (5.64) приобретает третье слагаемое ρ(d) и может быть записано в виде
Слагаемое ρ(d) зависит от геометрии проводника.
В тонких металлических и полупроводниковых пленках работают также квантовые размерные эффекты. Условие возникновения таких эффектов заключается в соизмеримости толщины пленки и эффективной длины волны носителей заряда. Тогда формируются дискретные энергетические уровни в пленке, в направлении ее толщины. Для простейшей модели пленки без учета рассеяния в объеме и взаимодействия электронов проводимости, спектр энергии электрона выражается формулой
, (9.2)
где n – натуральный ряд чисел.
Одним из возможных проявлений квантовых размерных эффектов является резонансное прохождение электронов сквозь два узких потенциальных барьера, разделенных потенциальной ямой, образованной диэлектрической пленкой в структуре МДМ или ПДП (п. 9.7).
Диэлектрические тонкие пленки обладают существенной проводимостью. Она обусловлена различными механизмами, которые характерны для различных толщин пленки (табл. 9.1).
Механизмы электропроводности в диэлектрических пленках
Магнитные, сверхпроводниковые, пьезоэлектрические тонкие пленки обладают интересными свойствами, которые лежат в основе работы микроэлектронных устройств. Данные вопросы здесь не рассматриваются, и мы отсылаем читателя к дополнительной литературе, например, [10,20].
Свойства тонких пленок существенно отличаются от аналогичных параметров объемных образцов, что объясняется различием в структуре тонкопленочных и объемных материалов.
Для структуры поликристаллических тонких пленок характерна большая концентрация дефектов. Если в исходных материалах присутствуют загрязняющие компоненты, то в пленке возможно образование диэлектрических или полупроводниковых слоев, покрывающих проводниковые зерна. В таком случае, кроме проводимости свободных электронов, в пленке работают и термоактивационные механизмы. К ним относятся туннелирование через тонкий потенциальный барьер, термоэлектронная эмиссия, прыжковая проводимость и др. С другой стороны, тонкая пленка обладает большей удельной поверхностью Sпл/Vпл, чем удельная поверхность объемных тел Sоб/Vоб.
Если вспомнить, что сама поверхность является протяженным дефектом, то выражение (9.1) говорит о различии свойств тонкой пленки и объемного тела. Так, например, удельное сопротивление пленочного проводника больше, чем удельное сопротивление объемного.
При уменьшении толщины пленки ее удельное сопротивление растет (рис. 9.1).
0,1
Рис. 9.1. Зависимость сопротивления тонкой пленки от толщины, ρ0 – объемное сопротивление
Такой эффект можно объяснить ростом отношения (9.1) то есть увеличением вклада поверхностей (верхней и нижней) пленки в механизм электропроводности. Данный эффект носит пороговый характер и называется классическим размерным эффектом. Он возникает, если длина свободного пробега электрона λ соизмерима с толщиной пленки d≤ λ. В этом случае основным типом рассеяния электронов становится рассеяние на поверхностях. Знакомое нам правило Матиссена (5.64) приобретает третье слагаемое ρ(d) и может быть записано в виде
Слагаемое ρ(d) зависит от геометрии проводника.
В тонких металлических и полупроводниковых пленках работают также квантовые размерные эффекты. Условие возникновения таких эффектов заключается в соизмеримости толщины пленки и эффективной длины волны носителей заряда. Тогда формируются дискретные энергетические уровни в пленке, в направлении ее толщины. Для простейшей модели пленки без учета рассеяния в объеме и взаимодействия электронов проводимости, спектр энергии электрона выражается формулой
, (9.2)
где n – натуральный ряд чисел.
Одним из возможных проявлений квантовых размерных эффектов является резонансное прохождение электронов сквозь два узких потенциальных барьера, разделенных потенциальной ямой, образованной диэлектрической пленкой в структуре МДМ или ПДП (п. 9.7).
Диэлектрические тонкие пленки обладают существенной проводимостью. Она обусловлена различными механизмами, которые характерны для различных толщин пленки (табл. 9.1).
Механизмы электропроводности в диэлектрических пленках
Магнитные, сверхпроводниковые, пьезоэлектрические тонкие пленки обладают интересными свойствами, которые лежат в основе работы микроэлектронных устройств. Данные вопросы здесь не рассматриваются, и мы отсылаем читателя к дополнительной литературе, например, [10,20].
9.2. Контакт металл-диэлектрик. M-Д-M – структура
Прохождение тока через тонкопленочные материла, которые мы будем рассматривать, не определяется собственными параметрами диэлектриков. Зачастую эти токи определяются другими причинами, такими как процессы в контакте металл-диэлектрик. В зависимости от характера зонных структур, контакт металл-диэлектрик относится к одному из трех типов: омический, нейтральный или блокирующий контакт. На рис. 9.2 показаны исходные зонные диаграммы металла и диэлектрика, а также зонные диаграммы контактов этих материалов.
—φ0
Д
СД
Д
ФД
СД
Рис. 9.2. Зонные диаграммы металла (М), диэлектрика (Д) и контактов (М-Д): а – омический; б – нейтральный; в – блокирующий контакт
Общий заряд ОПЗ диэлектрика может быть определен из выражения
, (9.4)
где NС – эффективная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника.
Нейтральный контакт(рис. 9.2, б). Если в области контакта ОПЗ отсутствует, контакт такого типа называют нейтральным. В этом случае зоны проводимости являются плоскими.
При включении разности потенциалов катод способен снабжать диэлектрик электронами в количестве, достаточном для компенсации уходящих оттуда электронов. Ток, который может поступать из катода (металла) ограничен величиной тока насыщения электронной эмиссии (Ричардсона) через барьер. Как только этот предел достигается, процесс проводимости перестает быть омическим. Напряженность поля в диэлектрике, которая приводит к насыщению тока, можно получить, приравняв ток сквозь диэлектрик к току насыщения термоэлектронной эмиссии.
, (9.5)
где J – тепловая скорость носителей.
Выражение (9.5) является характерным для нейтрального контакта.
Блокирующий контакт(рис. 9.2, в). При χм>χд в диэлектрике образуется обедненная ОПЗ. Поскольку концентрация носителей в диэлектрике крайне мала, заряд формируется только в случае достаточной толщины диэлектрика и степень искривления зон в ОПЗ незначительна. Толщина обедненного слоя может быть определена по известной формуле
. (9.6)
Если диэлектрик легирован донорной примесью концентрации Nд, то блокирующий контакт ведет себя аналогично барьеру Шоттки (п. 7.2).
Решая уравнение Пуассона, можно определить толщину обедненной области
. (9.7)
Глубина области обеднения
Если к такому контакту приложить разность потенциалов, то толщина ОПЗ будет увеличиваться
. (9.8)
С учетом (9.8) можно определить напряженность электрического поля на границе раздела контакта
. (9.9)
Свойства структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ) будут зависеть от свойств контактов металл-диэлектрик.
1. Два омических контакта. На рис. 9.3, а изображены зонные диаграммы в случае двух одинаковых контактов и в отсутствие внешней разности потенциалов. Обогащенные области простираются вглубь диэлектрика. В результате этого дно зоны проводимости диэлектрика искривлено по всей его толщине. Максимальное значение ЕС больше χд—Ад – равновесного значения. Причиной низкого качества контактов может быть либо малая толщина диэлектрика, либо большие потенциальные барьеры. Заряд, содержащийся в плохом контакте,недостаточен для эффективного экранирования внутренней области диэлектрика от его границ.
Рис. 9.3, б иллюстрирует случай хороших и плохих омических контактов. Дно зоны проводимости диэлектрика тонкое и ограничено экранирующими ОПЗ.
ЕСД
Д
Д
СД
Е
ЕСД
ЕСД
Д
Д
Рис. 9.3. Энергетические диаграммы МДМ-структур: а, б – плохой и хороший омические контакты; в, г – плохой и хороший блокирующие контакты; д, е – одинаковые и разные нейтральные контакты
2. Два блокирующих контакта.На рис. 9.3, в, г изображены случаи блокирующих контактов к диэлектрику. В плохих контактах (рис. 9.3, в) обедненные области простираются в диэлектрик глубоко, так, что электрическое поле существует по всей толщине диэлектрика. Внутренняя область его недостаточно экранирована приконтактными зарядами. Причина плохого качества заключается либо в малой толщине диэлектрика, либо в недостаточной степени его легирования. В противоположность этому на рис. 9.3, г показан случай МДМ-структуры с хорошими блокирующими контактами. В них, как и в хороших омических контактах, внутренняя часть диэлектрика свободна от электрического поля и дно зоны проводимости является плоским.
3. Другие типы контактов. На рис. 9.3, д, е показаны случаи блокирующих контактов к собственному или очень тонкому легированному диэлектрику. Здесь никакого искривления зон не происходит, как и в нейтральных контактах. Причина этого – неспособность диэлектрика поставить сколько-нибудь значительный заряд из своего объема. Если электроды одинаковые, то дно зоны проводимости становится плоским (рис. 9.3, д).
В случае различных электродов граничные потенциальные барьеры отличаются на величину χМ1—χМ2 (рис. 9.3, е). Наличие этого внутреннего поля в отсутствие внешнего напряжения является следствием перераспределения заряда между электродами. Величина этого заряда зависит от контактной разности потенциалов Uк, площади электродов S и емкости структуры С
, (9.10)
где d – толщина диэлектрика.
Ранее мы не учитывали влияния поверхностных состояний на контакты и считали, что высота граничного барьера равна χм—А, но если такие состояния существуют на поверхности диэлектрика, их влияние на процессы в контактах и структурах может стать значительным. Поверхностный заряд создает дополнительное электрическое поле в приконтактной зоне диэлектрика, усиливающее или ослабляющее контактное поле [п. 8.2].
Структура пленок зависит от способов получения. В работе [5.10] Захаров и Князев показали, что инфракрасные спектры пленок As2Se3, полученные путем термического напыления, отличаются от таковых, полученных способом лазерного распыления. Это обстоятельство необходимо учитывать при поиске оптимальных регистрирующих материалов. [2]
Структура пленок также оказывает большое влияние на разрешающую способность фоторезистов. С увеличением однородности структуры пленки повышается разрешающая способность всего фотолитографического процесса, воспроизводятся элементы меньших размеров, повышается однородность клина травления по форме и структуре, уменьшается его величина, отсутствуют нарушения в облученных участках пленки. Влияние структуры пленки фоторезиста можно объяснить тем, что с увеличением неоднородности покрытия возрастает светорассеяние и уменьшается разрешающая способность. [3]
Структура пленки формируется вследствие коагуляции вискозы и образования геля под действием раствора электролитов. Регенерация целлюлозы при взаимодействии эфира с кислотой закрепляет имеющуюся структуру, поэтому пленка, полученная в статических условиях, не обнаруживает значительной разницы в ориентации поверхностных и внутренних слоев пленки. Такая пленка имеет плохие-физико-механические свойства. [6]
Структура пленок характеризуется в значительной степени теми же величинами, что и структура массивных образцов. [7]
Структура пленки и ее толщина зависят от соотношения скоростей образования центров кристаллизации и роста отдельных кристаллов: если скорость образования центров кристаллизации значительно превышает скорость их роста ( что имеет место при повышенной концентрации окислителей в растворе), то на поверхности быстро образуется тонкий плотный слой окисла и взаимодействие металла со щелочью прекращается. При обратном соотношении скоростей ( что имеет место при повышенной концентрации щелочи в растворе) образуются более толстые, но рыхлые пленки. При этом возможно появление красно-бурого налета гидрата окиси железа, снижающего качество покрытия. [9]
Структура пленок на грани ( 1IT) несколько отличается. При tn 640 С некоторые фигуры роста расположены в двойниковом положении. С понижением tn до 580 С число двойников растет, а их размеры уменьшаются. При еще меньших температурах образуются поликристаллические пленки. [10]
Структура пленки рыхлая, некомплектная. [13]
Структура пленок определяется температурой образования пленки. При низких температурах пленка получается аморфной и однородной. Для пассивации лучше использовать аморфные пленки, так как на границе их с подложкой возникают меньшие механические напряжения, чем на границе кристаллической пленки с подложкой. Структура поверхности пленок нитрида кремния зависит от метода получения пленки. [14]
Структура пленок значительно отличается от структуры объемного материала того же состава. Иногда пленки имеют иное кристаллическое строение по сравнению с массивным материалом. Структура пленок может меняться при изменении их толщины. В толстых пленках, осаждаемых на инородную подложку, возрастает плотность дефектов, что приводит к разупорядочению структуры. [15]
Полимерная пленка: структура, свойства, области использования
Полимерная пленка считается одним из популярнейших видов упаковочного материала на сегодняшний день. Он представляет собой цельный слой полимеров, который имеет толщину меньше 0,5 мм.
Как правило, пленку делают из синтетических полимеров, однако ее можно также получить из искусственных, природных полимеров. Исходным материалом для пленки, которая изготавливается из природного полимера, является НК, целлюлоза, белок. Наиболее востребованными являются гидрат-целлюлозные пленки, такие как целлофан.
Среди искусственных полимеров, которые используют для изготовления пленок, известны сложные и простые эфиры целлюлозы, именуемые эфироцеллюлозными пленками (к примеру, ацетатные).
Популярными являются многослойные пленки, для которых используют синтетические полимеры, состоящие из 2,3,5 или более монослоев разной природы. Одним из этих слоев может быть ткань, фольга или бумага. Полимерные пленки в зависимости от технологии, и способа получения могут подразделяться на изотропные (неориентированные), двухориентированные и слабоориентированные.
Сегодня услуги упаковки грузов в полимерную пленку пользуются большим спросом. Первую промышленную пленку выпустили достаточно давно. Их изготавливали из нитратов целлюлозы, а потом – из регенерированной целлюлозы в Великобритании (это был 1899 год). Из синтетических полимеров первую пленку сделали в США в 1946 году. Это была полиэтиленовая пленка. Первые образцы пленки из полиэтилентерефталата были получены в 1946 году. Первые устройства для экструзии термопластов, формирования пленок раздувом рукава или поливом на барабан появились в 1946-1949 гг.
Какими свойствами обладает полимерная пленка?
Полимерная пленка является эластичным и прозрачным материалом. Наиболее уникальными свойствами обладают полиэтилентерефталатные пленки, которые обладают следующими характеристиками:
У поликарбонатных и полистирольных пленок имеются отличные оптические свойства. А поливинилхлоридные и полиамидные, а также изделия из сополимеров этилена с виниловым спиртом обладают отличной масло- и жиростойкостью, запахо- и газонепроницаемостью, химической и влагостойкостью. У полиимидных, полиэфирсульфоновых, поллиэфиркетоновых пленок высокая радиационная и термостойкость.
Как правило, у многослойных пленок имеется комплекс положительных качеств, которые имеются и монопленок, однако они полностью лишены недостатков (это главный принцип изготовления многослойных пленок).
Упаковка грузов в термоусадочную пленку
Если нужна упаковка в термоусадочную пленку, услуги такого вида можно заказать в «Роспроупак». Это позволит сохранить оборудование и грузы от механических повреждений и порчи.
Огромное значение сегодня получили термоусадочные пленки, которые принимают форму объекта под тепловым воздействием. Эффект усадки обеспечивает ориентационная вытяжная пленка, которая не нуждается в последующей термофиксации. Термофиксированные пленки из полиимидов и полиэтилен-терефелата, а также неориентированные пленки из полиэфирэфиркетонов и полиэфирсульфонов характерны такие качества как высокая стабильность размеров и безусадочность при высоких температурах.
Упаковка в стрейч-пленку
Особым видом упаковочного материала являются пищевые стрейч-пленки, которые могут растягиваться, но при этом стремятся вернуться в свое исходное состояние. Благодаря этому продукты плотно ими обтягиваются. Пленки ПВХ позволяют сохранить свежесть продуктов питания. Пленки, которые имеют основу ПЭ, предназначаются для защиты продуктов от газопроникновения и влаги.
Упаковка паллетов в специальные стрейч-пленки
Чтобы качественно упаковать груз на паллетах, используют машинные стрейч-пленки, которые имеют отличное растяжение, высокий предел текучести (это способность пленок возвращаться в первоначальное состояние после растяжения), стойкость к проколам. Все это обеспечивает долгосрочность и целостность упаковки.
Полимерную пленку можно склеивать, сваривать, окрашивать в любой цвет еще на стадии синтеза полимера, переработки в пленку.
, (9.2)
, (9.2)
, (9.4)
, (9.5)
. (9.6)
. (9.7)
. (9.8)
. (9.9)
, (9.10)