Тонкая пленка

Тонкий слой материала

Тонкая пленка представляет собой слой материала толщиной от долей нанометра ( монослой ) до нескольких микрометров . ^[1] Контролируемый синтез материалов в виде тонких пленок (процесс, называемый осаждением) является фундаментальным шагом во многих приложениях. Знакомый пример — домашнее зеркало , которое обычно имеет тонкое металлическое покрытие на обратной стороне листа стекла, образующее отражающую поверхность. Процесс серебрения когда-то широко использовался для производства зеркал, а в последнее время металлический слой наносится с использованием таких методов, как напыление . Достижения в области технологий нанесения тонких пленок в 20-м веке позволили совершить широкий спектр технологических прорывов в таких областях, как носители магнитной записи , электронные полупроводниковые устройства , интегрированные пассивные устройства , светодиоды , оптические покрытия (например, просветляющие покрытия), твердые покрытия на режущих инструментах. , а также для производства энергии (например, тонкопленочные солнечные элементы ) и ее хранения ( тонкопленочные батареи ). Его также применяют в фармацевтических препаратах посредством доставки лекарств в виде тонких пленок . Стопку тонких пленок называют многослойной .

Помимо прикладного интереса, тонкие пленки играют важную роль в разработке и исследовании материалов с новыми уникальными свойствами. Примеры включают мультиферроики и сверхрешетки , которые позволяют изучать квантовые явления.

Нуклеация

Зародышеобразование — важный этап роста, который помогает определить окончательную структуру тонкой пленки. Многие методы роста основаны на контроле зародышеобразования, например атомно-слоевой эпитаксии (осаждение атомного слоя). Нуклеацию можно смоделировать, охарактеризовав поверхностные процессы адсорбции , десорбции и поверхностной диффузии . ^[2]

Адсорбция и десорбция

Адсорбция – это взаимодействие атома или молекулы пара с поверхностью подложки. Взаимодействие характеризуется коэффициентом прилипания — долей входящих частиц, термически уравновешенных с поверхностью. Десорбция обращает адсорбцию, когда ранее адсорбированная молекула преодолевает энергию связи и покидает поверхность подложки.

Два типа адсорбции — физисорбция и хемосорбция — отличаются силой атомных взаимодействий. Физисорбция описывает ван-дер-ваальсову связь между растянутой или изогнутой молекулой и поверхностью, характеризующуюся энергией адсорбции . Испаренные молекулы быстро теряют кинетическую энергию и уменьшают свою свободную энергию за счет связи с поверхностными атомами. Хемосорбция описывает сильный перенос электронов (ионная или ковалентная связь) молекулы с атомами субстрата, характеризующийся энергией адсорбции . Процесс физико- и хемосорбции можно представить по зависимости потенциальной энергии от расстояния. Равновесное расстояние при физической сорбции находится дальше от поверхности, чем при хемосорбции. Переход от физикосорбированного состояния к хемосорбированному определяется эффективным энергетическим барьером . ^[2] ${\displaystyle E_{p}}$ ${\displaystyle E_{c}}$ ${\displaystyle E_{a}}$

Поверхности кристаллов имеют определенные места связи с большими значениями, которые предпочтительно заселяются молекулами пара, чтобы уменьшить общую свободную энергию. Эти стабильные места часто встречаются на краях ступенек, вакансиях и винтовых дислокациях. После того как наиболее стабильные участки заполняются, становится важным взаимодействие адатом-адатом (молекула пара). ^[3] ${\displaystyle E_{a}}$

Модели нуклеации

Кинетику нуклеации можно смоделировать, рассматривая только адсорбцию и десорбцию. Сначала рассмотрим случай, когда нет взаимных взаимодействий адатомов , кластеризации или взаимодействия с краями ступеней.

Скорость изменения поверхностной плотности адатомов , где – чистый поток, – среднее время жизни поверхности до десорбции и – коэффициент прилипания: ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle J}$ ${\displaystyle \tau _{a}}$ ${\displaystyle \sigma }$

${\displaystyle {dn \over dt}=J\sigma -{n \over \tau _{a}}}$

${\displaystyle n=J\sigma \tau _{a}\left[1-\exp \left({-t \over \tau _{a}}\right)\right]n=J\sigma \tau _{a}\left[\exp \left({-t \over \tau _{a}}\right)\right]}$

Адсорбцию также можно моделировать с помощью различных изотерм, таких как модель Ленгмюра и модель БЭТ . Модель Ленгмюра выводит константу равновесия на основе реакции адсорбции адатома пара с вакансией на поверхности подложки. Модель БЭТ расширяется и позволяет осаждать адатомы на ранее адсорбированные адатомы без взаимодействия между соседними стопками атомов. Полученное в результате покрытие поверхности определяется равновесным давлением пара и приложенным давлением. ${\displaystyle b}$

Модель Ленгмюра где – давление пара адсорбированных адатомов: ${\displaystyle P_{A}}$

${\displaystyle \theta ={bP_{A} \over (1+bP_{A})}}$

Модель БЭТ, где – равновесное давление пара адсорбированных адатомов, а – приложенное давление пара адсорбированных адатомов: ${\displaystyle p_{e}}$ ${\displaystyle p}$

${\displaystyle \theta ={Xp \over (p_{e}-p)\left[1+(X-1){p \over p_{e}}\right]}}$

Важно отметить, что поверхностная кристаллография отличается от объемной, чтобы минимизировать общую энергию свободных электронов и связей из-за разорванных связей на поверхности. Это может привести к новому положению равновесия, известному как «крайность», в котором сохраняется параллельная объемная симметрия решетки. Это явление может вызвать отклонения от теоретических расчетов нуклеации. ^[2]

Поверхностная диффузия

Поверхностная диффузия описывает боковое движение адсорбированных атомов, перемещающихся между минимумами энергии на поверхности подложки. Диффузия чаще всего происходит между позициями с наименьшими промежуточными потенциальными барьерами. Поверхностную диффузию можно измерить с помощью рассеяния ионов под скользящим углом. Среднее время между событиями можно описать следующим образом: ^[2]

${\displaystyle \tau _{d}=(1/v_{1})\exp(E_{d}/kT_{s})}$

Помимо миграции адатомов, кластеры адатомов могут сливаться или истощаться. Объединение кластеров посредством таких процессов, как оствальдовское созревание и спекание, происходит в ответ на уменьшение общей поверхностной энергии системы. Репининг Оствальда описывает процесс, при котором островки адатомов разного размера превращаются в более крупные за счет более мелких. Спекание — это механизм слияния, когда островки соприкасаются и соединяются. ^[2]

Депонирование

Процесс нанесения тонкой пленки на поверхность представляет собой осаждение тонких пленок – любой метод нанесения тонкой пленки материала на подложку или на ранее нанесенные слои. «Тонкий» — понятие относительное, но большинство методов осаждения позволяют контролировать толщину слоя в пределах нескольких десятков нанометров . Молекулярно-лучевая эпитаксия , метод Ленгмюра-Блоджетт , осаждение атомных слоев и осаждение молекулярных слоев позволяют одновременно осаждать один слой атомов или молекул.

Он полезен при производстве оптики ( например, для светоотражающих , антибликовых покрытий или самоочищающегося стекла ), электроники (слои изоляторов , полупроводников и проводников образуют интегральные схемы ), упаковки (например, ПЭТ-пленки с алюминиевым покрытием ). ), и в современном искусстве (см. работы Ларри Белла ). Подобные процессы иногда используются там, где толщина не важна: например, очистка меди гальванопокрытием и осаждение кремния и обогащенного урана с помощью CVD -подобного процесса после газофазной обработки.

Методы осаждения делятся на две большие категории, в зависимости от того, является ли процесс преимущественно химическим или физическим . ^[4]

Химическое осаждение

Здесь жидкий предшественник претерпевает химическое изменение на твердой поверхности, оставляя твердый слой. Повседневный пример — образование сажи на холодном предмете, помещенном в пламя. Поскольку жидкость окружает твердый объект, осаждение происходит на каждой поверхности, практически не обращая внимания на направление; тонкие пленки, полученные методами химического осаждения, имеют тенденцию быть конформными , а не направленными .

Химическое осаждение далее классифицируется по фазе прекурсора:

Для нанесения покрытия используются жидкие прекурсоры, часто раствор воды с солью осаждаемого металла. Некоторые процессы нанесения покрытия полностью управляются реагентами в растворе (обычно для благородных металлов ), но, безусловно, наиболее коммерчески важным процессом является гальваника . В производстве полупроводников для создания медных проводящих проводов в современных чипах теперь используется усовершенствованная форма гальванического покрытия, известная как электрохимическое осаждение, заменяя процессы химического и физического осаждения, использовавшиеся в предыдущих поколениях чипов для алюминиевых проводов ^[5].

При химическом осаждении из раствора (CSD) или химическом осаждении в ванне (CBD) используется жидкий предшественник, обычно раствор металлоорганических порошков, растворенных в органическом растворителе. Это относительно недорогой и простой тонкопленочный процесс, позволяющий получать стехиометрически точные кристаллические фазы. Этот метод также известен как золь-гель метод, поскольку «золь» (или раствор) постепенно развивается в сторону образования гелеобразной двухфазной системы.

Метод Ленгмюра -Блоджетт использует молекулы, плавающие поверх водной субфазы. Плотность упаковки молекул контролируется, а упакованный монослой переносится на твердую подложку путем контролируемого отделения твердой подложки от субфазы. Это позволяет создавать тонкие пленки из различных молекул, таких как наночастицы , полимеры и липиды, с контролируемой плотностью упаковки частиц и толщиной слоя. ^[6]

Для покрытия методом центрифугирования или центробежного литья используется жидкий предшественник или золь-гель предшественник, наносимый на гладкую плоскую подложку, которую затем центрифугируют с высокой скоростью для центробежного распределения раствора по подложке. Скорость вращения раствора и вязкость золя определяют конечную толщину осаждаемой пленки. Для увеличения толщины пленок по желанию можно проводить повторные осаждения. Термическую обработку часто проводят с целью кристаллизации аморфной пленки, покрытой центрифугированием. Такие кристаллические пленки могут проявлять определенные предпочтительные ориентации после кристаллизации на монокристаллических подложках . ^[7]

Покрытие погружением похоже на покрытие центрифугированием в том, что жидкий предшественник или золь-гель предшественник наносится на подложку, но в этом случае подложка полностью погружается в раствор, а затем извлекается в контролируемых условиях. Контролируя скорость удаления, условия испарения (в основном влажность, температуру) и летучесть/вязкость растворителя, контролируют толщину пленки, ее однородность и наноскопическую морфологию. Существует два режима испарения: капиллярная зона при очень низких скоростях отвода и зона дренажа при более высоких скоростях испарения. ^[8]

При химическом осаждении из паровой фазы (CVD) обычно используется газофазный предшественник, часто галогенид или гидрид осаждаемого элемента. В случае MOCVD используется металлоорганический газ . В коммерческих технологиях часто используется очень низкое давление газа-прекурсора.

Плазменное CVD (PECVD) использует ионизированный пар или плазму в качестве прекурсора. В отличие от приведенного выше примера с сажей, коммерческий PECVD для производства плазмы основан на электромагнитных средствах (электрический ток, микроволновое возбуждение), а не на химической реакции.

Атомно-слоевое осаждение (ALD) и родственный ему метод молекулярно-слоевого осаждения (MLD) используют газообразный прекурсор для нанесения одного слоя конформной тонкой пленки за раз. Процесс разделен на две полуреакции, которые выполняются последовательно и повторяются для каждого слоя, чтобы обеспечить полное насыщение слоя перед началом следующего слоя. Поэтому сначала осаждается один реагент, а затем второй реагент, в ходе которого на подложке происходит химическая реакция, образующая нужный состав. В результате ступенчатости процесс протекает медленнее, чем CVD, однако в отличие от CVD его можно проводить при низких температурах. При выполнении на полимерных подложках ALD может стать последовательным инфильтрационным синтезом (SIS), при котором реагенты диффундируют в полимер и взаимодействуют с функциональными группами в полимерных цепях.

Физическое осаждение

При физическом осаждении используются механические, электромеханические или термодинамические средства для создания тонкой пленки твердого вещества. Повседневный пример – образование инея . Поскольку большинство конструкционных материалов удерживаются вместе за счет относительно высоких энергий, а химические реакции не используются для хранения этой энергии, коммерческим системам физического осаждения, как правило, для правильного функционирования требуется паровая среда низкого давления; большинство из них можно классифицировать как физическое осаждение из паровой фазы (PVD).

Наносимый материал помещается в энергетическую , энтропийную среду, так что частицы материала покидают его поверхность. Напротив этого источника находится более холодная поверхность, которая забирает энергию у этих частиц по мере их прибытия, позволяя им образовывать твердый слой. Вся система хранится в вакуумной камере осаждения, что позволяет частицам перемещаться максимально свободно. Поскольку частицы имеют тенденцию следовать по прямому пути, пленки, нанесенные физическими способами, обычно являются направленными , а не конформными .

Примеры физического осаждения включают:

Островки серебра толщиной в один атом, нанесенные на поверхность палладия термическим испарением. Калибровка покрытия поверхности достигалась путем отслеживания времени, необходимого для формирования полного монослоя, с помощью туннельной микроскопии (СТМ) и появления состояний квантовой ямы , характерных для толщины пленки серебра, в фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES). Размер изображения 250 на 250 нм. ^[9]

Термический испаритель , в котором используется электрический нагреватель сопротивления для плавления материала и повышения давления его пара до полезного диапазона. Это делается в высоком вакууме, чтобы позволить пару достичь подложки, не вступая в реакцию и не рассеиваясь на других атомах газовой фазы в камере, а также уменьшить включение примесей из остаточного газа в вакуумной камере. Очевидно, что без загрязнения пленки можно наносить только материалы с гораздо более высоким давлением паров , чем у нагревательного элемента . Молекулярно-лучевая эпитаксия — это особенно сложная форма термического испарения.

Электронно -лучевой испаритель выпускает луч высокой энергии из электронной пушки , чтобы вскипятить небольшое пятно материала; поскольку нагрев не является равномерным, могут осаждаться материалы с более низким давлением пара . Луч обычно изгибается на угол 270°, чтобы гарантировать, что нить накаливания пушки не подвергается прямому воздействию потока испарителя. Типичные скорости осаждения при электронно-лучевом испарении варьируются от 1 до 10 нанометров в секунду.

При молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) медленные потоки элемента могут быть направлены на подложку, так что материал осаждает по одному атомному слою за раз. Соединения, такие как арсенид галлия, обычно осаждаются путем многократного нанесения слоя одного элемента (т. е. галлия ), затем слоя другого (т. е. мышьяка ), так что процесс является не только физическим, но и химическим; это также известно как осаждение атомного слоя . Если используемые прекурсоры являются органическими, то этот метод называется осаждением молекулярного слоя . Луч материала может быть создан либо физическими средствами (то есть с помощью печи ) , либо с помощью химической реакции ( химическая лучевая эпитаксия ).

Распыление основано на использовании плазмы (обычно благородного газа , такого как аргон ), которая выбивает материал из «мишени» по несколько атомов за раз. Мишень можно поддерживать при относительно низкой температуре, поскольку процесс не является процессом испарения, что делает этот метод одним из наиболее гибких методов осаждения. Это особенно полезно для соединений или смесей, где в противном случае различные компоненты имели бы тенденцию испаряться с разной скоростью. Отметим, что покрытие ступенек распыления более или менее конформно. Он также широко используется в оптических средах. Производство всех форматов CD, DVD и BD осуществляется с помощью этой технологии. Это быстрый метод, который также обеспечивает хороший контроль толщины. В настоящее время для распыления также используются газообразные азот и кислород.

Системы импульсного лазерного осаждения работают по принципу абляции . Импульсы сфокусированного лазерного света испаряют поверхность целевого материала и преобразуют его в плазму; эта плазма обычно превращается в газ прежде, чем достигнет подложки. ^[10]

Катодно-дуговое осаждение (arc-PVD), которое представляет собой разновидность ионно-лучевого осаждения , при котором создается электрическая дуга, которая буквально выбрасывает ионы с катода. Дуга имеет чрезвычайно высокую плотность мощности , что приводит к высокому уровню ионизации (30–100%), многозарядным ионам, нейтральным частицам, кластерам и макрочастицам (каплям). Если в процессе испарения вводится химически активный газ, во время взаимодействия с потоком ионов может произойти диссоциация , ионизация и возбуждение , и будет осаждаться составная пленка.

Электрогидродинамическое осаждение (электрораспыление) — относительно новый процесс осаждения тонких пленок. Жидкость, подлежащая осаждению, либо в виде раствора наночастиц, либо просто раствора, подается в небольшое капиллярное сопло (обычно металлическое), подключенное к высокому напряжению. Подложка, на которую должна быть нанесена пленка, заземляется. Под действием электрического поля жидкость, выходящая из сопла, принимает коническую форму ( конус Тейлора ), а на вершине конуса выделяется тонкая струя, которая распадается на очень мелкие и мелкие положительно заряженные капли под действием предела заряда Рэлея. . Капли становятся все меньше и меньше и в конечном итоге осаждаются на подложке в виде однородного тонкого слоя.

Режимы роста

Режим Франка-ван-дер-Мерве

Режим Странского–Крастанова

Режим Фольмера – Вебера

Рост Франка–ван дер Мерве ^{[11] [12] [13]} («послойно»). В этом режиме роста взаимодействия адсорбат-поверхность и адсорбат-адсорбат сбалансированы. Этот тип роста требует согласования решетки и, следовательно, считается «идеальным» механизмом роста.

Рост Странского–Крастанова ^[14] («совместные острова» или «слой-плюс-остров»). В этом режиме роста взаимодействия адсорбат-поверхность сильнее, чем взаимодействия адсорбат-адсорбат.

Фольмера–Вебера ^[15] («изолированные острова»). В этом режиме роста взаимодействия адсорбат-адсорбат сильнее, чем взаимодействия адсорбат-поверхность, поэтому сразу образуются «островки».

Эпитаксия

Подмножество процессов и применений осаждения тонких пленок сосредоточено на так называемом эпитаксиальном росте материалов, осаждении кристаллических тонких пленок, которые растут в соответствии с кристаллической структурой подложки. Термин «эпитаксия» происходит от греческих корней «эпи» (ἐπί), что означает «над», и «таксис» (τάξις), что означает «упорядоченный порядок». Его можно перевести как «организовать».

Термин гомоэпитаксия относится к конкретному случаю, когда пленка того же материала выращивается на кристаллической подложке. С помощью этой технологии, например, выращивают пленку, более чистую, чем подложка, с меньшей плотностью дефектов, а также изготавливают слои с разным уровнем легирования. Гетероэпитаксия относится к случаю, когда наносимая пленка отличается от подложки.

Методы, используемые для эпитаксиального роста тонких пленок, включают молекулярно-лучевую эпитаксию , химическое осаждение из паровой фазы и импульсное лазерное осаждение . ^[16]

Стресс и напряжение

Тонкие пленки могут быть нагружены по двум осям за счет напряжений , возникающих на границе их раздела с подложкой. Эпитаксиальные тонкие пленки могут испытывать напряжения из-за деформаций несоответствия между когерентными решетками пленки и подложки, а также из-за реструктуризации поверхностного тройного стыка. ^[17] Термическое напряжение часто встречается в тонких пленках, выращенных при повышенных температурах, из-за различий в коэффициентах теплового расширения подложки. ^[18] Различия в межфазной энергии , а также в росте и слиянии зерен способствуют возникновению внутреннего напряжения в тонких пленках. Эти внутренние напряжения могут зависеть от толщины пленки. ^{[19] [20]} Эти напряжения могут быть растягивающими или сжимающими и могут вызывать растрескивание или коробление , а также другие формы релаксации напряжений. В эпитаксиальных пленках первоначально осажденные атомные слои могут иметь когерентные плоскости решетки с подложкой. Однако при достижении критической толщины образуются дислокации несоответствия, приводящие к релаксации напряжений в пленке. ^{[18] [21]}

Измерение стресса и деформации

Напряжения в пленках, нанесенных на плоские подложки, такие как пластины, можно измерить путем измерения кривизны пластины из-за деформации пленки. Лазеры отражаются от пластины в виде сетки, а искажения сетки используются для расчета кривизны. Деформацию в тонких пленках также можно измерить с помощью дифракции рентгеновских лучей или путем фрезерования участка пленки с помощью сфокусированного ионного луча, а релаксацию наблюдать с помощью сканирующей электронной микроскопии . ^[20]

Деформационная инженерия

Напряжение и релаксация напряжений в пленках могут влиять на свойства материалов пленки, например, на массоперенос в приложениях микроэлектроники . Поэтому принимаются меры предосторожности, чтобы либо смягчить, либо вызвать такие стрессы; например, между подложкой и пленкой может быть нанесен буферный слой. ^[20] Деформационная инженерия также используется для создания различных фазовых и доменных структур в тонких пленках, таких как доменная структура сегнетоэлектрического цирконата титаната свинца (PZT). ^[22]

Многослойная среда

В физических науках многослойная или стратифицированная среда представляет собой стопку различных тонких пленок. Обычно многослойный носитель создается для определенной цели. Поскольку слои тонкие по отношению к некоторому соответствующему масштабу длины, интерфейсные эффекты гораздо более важны, чем в объемных материалах, что приводит к появлению новых физических свойств. ^[23]

Термин «многослойный» не является расширением терминов « монослой » и « двухслойный », которые описывают один слой толщиной в одну или две молекулы. Многослойная среда скорее состоит из нескольких тонких пленок.

Примеры

• Оптическое покрытие , используемое, например, в диэлектрическом зеркале , состоит из нескольких слоев, имеющих разные показатели преломления .
• Гигантское магнитосопротивление — это макроскопический квантовый эффект, наблюдаемый в чередующихся ферромагнитных и немагнитных проводящих слоях.

Приложения

Декоративные покрытия

Использование тонких пленок для декоративных покрытий, вероятно, представляет собой старейшее их применение. Это охватывает ок. Тонкие золотые листы толщиной 100 нм , которые уже использовались в древней Индии более 5000 лет назад. Под ним также можно понимать любую форму живописи, хотя этот вид работы обычно считается художественным ремеслом, а не инженерной или научной дисциплиной. Сегодня тонкопленочные материалы переменной толщины и с высоким показателем преломления, такие как диоксид титана, часто применяются, например, для декоративных покрытий на стекле, создавая вид радуги, как масло на воде. Кроме того, непрозрачные поверхности золотого цвета можно получить путем напыления нитрида золота или титана .

Оптические покрытия

Эти слои служат как в отражающих, так и в преломляющих системах. Зеркала большой площади (отражающие) стали доступны в 19 веке и производились путем напыления металлического серебра или алюминия на стекло. Преломляющие линзы для оптических инструментов, таких как камеры и микроскопы, обычно демонстрируют аберрации , то есть неидеальное преломляющее поведение. Если раньше большие наборы линз приходилось выстраивать вдоль оптического пути, то в настоящее время покрытие оптических линз прозрачными многослойными слоями диоксида титана, нитрида кремния или оксида кремния и т. д. может исправить ^{[ сомнительно ]} эти аберрации. Хорошо известным примером прогресса в оптических системах с использованием тонкопленочной технологии является объектив шириной всего несколько мм в камерах смартфонов . Другими примерами являются просветляющие покрытия на очках или солнечных панелях .

Защитные покрытия

Тонкие пленки часто наносятся для защиты основной детали от внешних воздействий. Защита может действовать путем сведения к минимуму контакта с внешней средой, чтобы уменьшить диффузию из среды в обрабатываемую деталь или наоборот. Например, пластиковые бутылки для лимонада часто покрывают антидиффузионными слоями, чтобы избежать диффузии CO ₂ , на который разлагается угольная кислота, введенная в напиток под высоким давлением. Другим примером могут служить тонкие пленки TiN в микроэлектронных чипах , отделяющие электропроводящие линии алюминия от встраиваемого изолятора SiO ₂ с целью подавления образования Al ₂ O ₃ . Часто тонкие пленки служат защитой от истирания между механически движущимися частями. Примерами последнего применения являются слои алмазоподобного углерода (DLC), используемые в автомобильных двигателях, или тонкие пленки из нанокомпозитов .

Электрически действующие покрытия

Латерально структурированный металлический слой интегральной схемы ^[24]

Тонкие слои элементарных металлов, таких как медь, алюминий, золото или серебро и т. д., а также сплавов нашли множество применений в электрических устройствах. Благодаря своей высокой электропроводности они способны передавать электрический ток или питающее напряжение. Тонкие металлические слои служат в обычных электрических системах, например, в качестве слоев меди на печатных платах , в качестве внешнего заземляющего проводника в коаксиальных кабелях и в различных других формах, таких как датчики и т. д. ^[25] Основной областью их применения стало их использование в интегрированных пассивных устройствах. устройства и интегральные схемы , ^[26] где электрическая сеть между активными и пассивными устройствами, такими как транзисторы , конденсаторы и т. д., построена из тонких слоев алюминия или меди. Эти слои имеют толщину в диапазоне от нескольких 100 нм до нескольких мкм, и их часто внедряют в тонкие слои нитрида титана толщиной в несколько нм , чтобы блокировать химическую реакцию с окружающим диэлектриком, таким как SiO ₂ . На рисунке показана микрофотография металлического пакета TiN/Al/TiN с поперечной структурой в микроэлектронном чипе. ^[24]

Гетероструктуры нитрида галлия и подобных полупроводников могут приводить к тому, что электроны связываются с субнанометрическим слоем, эффективно ведя себя как двумерный электронный газ . Квантовые эффекты в таких тонких пленках могут значительно повысить подвижность электронов по сравнению с подвижностью объемного кристалла, который используется в транзисторах с высокой подвижностью электронов .

Биосенсоры и плазмонные устройства

Тонкие пленки благородных металлов используются в плазмонных структурах, таких как датчики поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Поверхностные плазмон-поляритоны — это поверхностные волны в оптическом режиме, распространяющиеся между границами раздела металл-диэлектрик; В конфигурации Кречмана-Ретера для датчиков SPR призма покрывается металлической пленкой в ​​результате испарения. Из-за плохих адгезионных характеристик металлических пленок в качестве промежуточных слоев используются пленки германия , титана или хрома для обеспечения более прочной адгезии. ^{[27] [28] [29]} Тонкие металлические пленки также используются в конструкциях плазмонных волноводов . ^{[30] [31]}

Тонкопленочные фотоэлектрические элементы

Тонкопленочные технологии также разрабатываются как средство существенного снижения стоимости солнечных элементов . Причиной этого является то, что тонкопленочные солнечные элементы дешевле производить из-за меньших материальных затрат, затрат на электроэнергию, затрат на обработку и капитальных затрат. Это особенно проявляется при использовании процессов печатной электроники ( roll-to-roll ). Другие тонкопленочные технологии, которые все еще находятся на ранней стадии текущих исследований или имеют ограниченную коммерческую доступность, часто классифицируются как новые фотоэлектрические элементы или фотоэлектрические элементы третьего поколения и включают органические , сенсибилизированные красителями и полимерные солнечные элементы , а также квантовые элементы . точка , ^[32] сульфид меди, цинка и олова , нанокристаллические и перовскитовые солнечные элементы . ^{[33] [34]}

Тонкопленочные батареи

Технология тонкопленочной печати используется для нанесения твердотельных литиевых полимеров на различные подложки для создания уникальных батарей для специализированных применений. Тонкопленочные батареи можно наносить непосредственно на чипы или пакеты чипов любой формы и размера. Гибкие батареи можно изготовить путем печати на пластике, тонкой металлической фольге или бумаге. ^[35]

Тонкопленочные резонаторы объемных акустических волн (TFBAR/FBAR)

Для миниатюризации и более точного управления резонансной частотой пьезоэлектрических кристаллов разработаны тонкопленочные объемные акустические резонаторы TFBAR/FBAR для генераторов, телекоммуникационных фильтров и дуплексеров, а также датчиков.

Смотрите также

• Покрытие
• Диэлектрическое зеркало
• Двухполяризационная интерферометрия
• Эллипсометрия
• Гибкий дисплей
• Гибкая электроника
• Гидрогенография
• Силовой микроскоп с зондом Кельвина
• Фильм Ленгмюра-Блоджетт
• Слой за слоем
• Микрообработка
• Органический светодиод
• Сарфус
• Тонкопленочная интерференция
• Тонкопленочная оптика
• Тонкопленочный солнечный элемент
• Тонкопленочный объемный акустический резонатор
• Трансфер-матричный метод (оптика)

Рекомендации

1. «IEC 60050 - Международный электротехнический словарь - Подробности для номера IEV 523-05-02: «тонкопленочная технология»» . www.electropedia.org . Проверено 17 ноября 2023 г.
2. Оринг, Милтон (2002). Материаловедение тонких пленок: осаждение и структура (2-е изд.). Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. ISBN 9780125249751.
3. Венейблс, Джон А. (31 августа 2000 г.). Введение в процессы обработки поверхности и тонких пленок (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/cbo9780511755651. ISBN 978-0-521-78500-6.
4. Нолл, Вольфганг Нолл; Адвинкула, Ригоберто К., ред. (7 июня 2011 г.). Функциональные полимерные пленки, набор из 2 томов, 1-е издание . Вайли-ВЧ. ISBN 978-3527321902.
5. «Одна большая замена провода в 97 году все еще помогает чипам достичь крошечных масштабов» . Блог исследований IBM . 15 ноября 2017 года . Проверено 20 апреля 2021 г.
6. Арига, Кацухико; Ямаути, Юсуке; Мори, Тайдзо; Хилл, Джонатан П. (2013). «Статья, посвященная 25-летию: Что можно сделать с помощью метода Ленгмюра-Блоджетт? Последние разработки и его решающая роль в материаловедении». Передовые материалы . Дирфилд-Бич, Флорида, США: VCH Publishers (опубликовано 8 октября 2013 г.). 25 (45): 6477–6512. Бибкод : 2013AdM....25.6477A. дои : 10.1002/adma.201302283. ISSN  1521-4095. PMID  24302266. S2CID  205251007.
7. Ханаор, ДАХ; Триани, Г.; Соррелл, CC (15 марта 2011 г.). «Морфология и фотокаталитическая активность высокоориентированных тонких пленок диоксида титана смешанной фазы». Технология поверхностей и покрытий . 205 (12): 3658–3664. arXiv : 1303.2741 . doi :10.1016/j.surfcoat.2011.01.007. S2CID  96130259.
8. Фаустини, Марко; Дриско, Гленна Л; Буасьер, Седрик; Гроссо, Дэвид (1 марта 2014 г.). «Подходы к жидкостному осаждению к самоорганизующимся периодическим наномаскам». Скрипта Материалия . 74 : 13–18. doi :10.1016/j.scriptamat.2013.07.029.
9. Тронтл, В. Микшич; Плетикосич, И.; Милун, М.; Перван, П.; Лазич, П.; Шокчевич, Д.; Брако, Р. (16 декабря 2005 г.). «Экспериментальное и ab initio исследование структурных и электронных свойств пленок Ag субнанометровой толщины на Pd (111)». Физический обзор B . 72 (23): 235418. Бибкод : 2005PhRvB..72w5418T. doi : 10.1103/PhysRevB.72.235418.
10. Рашидиан Вазири, MR; Хаджиесмаилбайги, Ф.; Малеки, МЗ (24 августа 2011 г.). «Моделирование Монте-Карло режима приповерхностного роста во время импульсного лазерного осаждения». Журнал прикладной физики . 110 (4): 043304–043304–12. Бибкод : 2011JAP...110d3304R. дои : 10.1063/1.3624768.
11. Фрэнк, Фредерик Чарльз; ван дер Мерве, Дж. Х. (15 августа 1949 г.). «Одномерные дислокации. I. Статическая теория». Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 198 (1053): 205–216. Бибкод : 1949RSPSA.198..205F. дои : 10.1098/rspa.1949.0095 . JSTOR  98165.
12. Фрэнк, Фредерик Чарльз; ван дер Мерве, Дж. Х. (15 августа 1949 г.). «Одномерные дислокации. II. Несоответствующие монослои и направленное разрастание». Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 198 (1053): 216–225. Бибкод : 1949RSPSA.198..216F. дои : 10.1098/rspa.1949.0096. JSTOR  98166. S2CID  137401458.
13. Фрэнк, Фредерик Чарльз; ван дер Мерве, Дж. Х. (15 августа 1949 г.). «Одномерные дислокации. III. Влияние члена второй гармоники в потенциальном представлении на свойства модели». Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 198 (1053): 125–134. Бибкод : 1949RSPSA.200..125F. дои : 10.1098/rspa.1949.0163. JSTOR  98394. S2CID  122413983.
14. Странски, Индиана; Красстанов, Л. (10 февраля 1938 г.). «Zur Theorie der orientierten Ausscheidung von Ionenkristallen aufeinander». Monatshefte für Chemie und verwandte Teile anderer Wissenschaften . 146 (1): 351–364. дои : 10.1007/BF01798103. ISSN  0343-7329. S2CID  93219029.
15. Волмер, М.; Вебер, А. (1 января 1926 г.). «Keimbildung in übersättigten Gebilden». Zeitschrift für Physikalische Chemie . 119У (1): 277–301. дои : 10.1515/zpch-1926-11927. ISSN  0942-9352. S2CID  100018452.
16. Рашидиан Вазири, MR; Хаджиесмаилбайги, Ф.; Малеки, Миннесота (7 октября 2010 г.). «Микроскопическое описание процесса термализации при импульсном лазерном осаждении алюминия в присутствии фонового газа аргона». Журнал физики D: Прикладная физика . 43 (42): 425205. Бибкод : 2010JPhD...43P5205R. дои : 10.1088/0022-3727/43/42/425205. ISSN  1361-6463. S2CID  120309363.
17. Чжан, Сяопу; Ван, Мэнъюань; Ван, Хайлун; Упманью, Мониш; Боланд, Джон Дж. (1 января 2023 г.). «Реструктуризация возникающих границ зерен на свободных поверхностях - взаимодействие между стабилизацией ядра и возникновением упругого напряжения». Акта Материалия . 242 : 118432. doi :10.1016/j.actamat.2022.118432. hdl : 2262/101841 . ISSN  1359-6454.
18. Мураками, Масанори (1 июля 1991 г.). «Деформация тонких пленок термической деформацией». Журнал вакуумной науки и технологий А. 9 (4): 2469–2476. Бибкод : 1991JVSTA...9.2469M. дои : 10.1116/1.577258. ISSN  0734-2101.
19. Смит, Дональд Л. (22 марта 1995 г.). Нанесение тонких пленок: принципы и практика. МакГроу Хилл Профессионал. ISBN 978-0-07-058502-7.
20. Абадиас, Грегори; Чейсон, Эрик; Кекес, Йозеф; Себастьяни, Марко; Томпсон, Грегори Б.; Бартель, Этьен; Долл, Гэри Л.; Мюррей, Конал Э.; Стессель, Крис Х.; Мартину, Людвик (1 марта 2018 г.). «Обзорная статья: Напряжение в тонких пленках и покрытиях: современное состояние, проблемы и перспективы». Журнал вакуумной науки и технологий А. 36 (2): 020801. Бибкод : 2018JVSTA..36b0801A. дои : 10.1116/1.5011790 . ISSN  0734-2101.
21. Вцисло, Томаш; Домбровска-Сата, Мария; Гельчук, Лукаш (июнь 2010 г.). «Критическая толщина эпитаксиальных тонких пленок методом конечных элементов». 2010 Семинар иностранных студентов и молодых ученых «Фотоника и микросистемы» . стр. 82–85. дои : 10.1109/STYSW.2010.5714177. ISBN 978-1-4244-8324-2. S2CID  31642146.
22. Пандия, Шишир; Веларде, Габриэль А.; Гао, Ран; Эверхардт, Арну С.; Уилбур, Джошуа Д.; Сюй, Жуйцзюань; Махер, Джош Т.; Агар, Джошуа К.; Дамс, Крис; Мартин, Лейн В. (2019). «Понимание роли сегнетоупругих доменов в пироэлектрических и электрокалорических эффектах в тонких сегнетоэлектрических пленках». Передовые материалы . 31 (5): 1803312. Бибкод : 2019AdM....3103312P. дои : 10.1002/adma.201803312 . ISSN  1521-4095. ПМИД  30515861.
23. Педротти, Фрэнк Л.; Педротти, Лено М.; Педротти, Лено С. (17 апреля 2006 г.). «Глава 22 - Теория многослойных пленок». Введение в оптику (3-е изд.). Пирсон. стр. 476–490. ISBN 978-0131499331.
24. Биркхольц, М.; Эвальд, К.-Э.; Волански, Д.; Костина, И.; Баристиран-Кайнак, К.; Фрелих, М.; Бейер, Х.; Капп, А.; Лисдат, Ф. (15 марта 2010 г.). «Коррозионностойкие металлические слои, полученные методом КМОП, для биоэлектронных приложений». Технология поверхностей и покрытий . 204 (12–13): 2055–2059. doi :10.1016/j.surfcoat.2009.09.075. ISSN  0257-8972.
25. Коротценков, Геннадий (18 сентября 2013 г.). «Тонкие металлические пленки». Справочник по материалам газовых датчиков: свойства, преимущества и недостатки для применения . Интегрированные аналитические системы. Спрингер. стр. 153–166. ISBN 978-1461471646.
26. Диес-Сьерра, Хавьер; Мартинес, Алазне; Эчарри, Ион; Кинтана, Ибан (2022). «Цельнохимические проводники с покрытием YBa2Cu3O7-$\delta$ с предварительно сформированными нанокристаллами BaHfO3 и BaZrO3 на технической подложке Ni5W в промышленном масштабе». Прикладная наука о поверхности . 606 : 154844. doi : 10.1016/j.apsusc.2022.154844. hdl : 1854/LU-8719549.
27. Серрано, А.; Родригес де ла Фуэнте, О.; Гарсия, Массачусетс (2010). «Протяженные и локализованные поверхностные плазмоны в отожженных пленках Au на стеклянных подложках». Журнал прикладной физики . 108 (7): 074303–074303–7. Бибкод : 2010JAP...108g4303S. дои : 10.1063/1.3485825. hdl : 10261/87212 .
28. Фоли IV, Джонатан Дж.; Арутюнян, Айк; Розенманн, Дэниел; Диван, Ралу; Видеррехт, Гэри П.; Грей, Стивен К. (2015). «Когда возбуждаются поверхностные плазмонные поляритоны в конфигурации Кречмана-Ретера?». Научные отчеты . 5 : 9929. дои : 10.1038/srep09929 . ПМК 4407725 . ПМИД  25905685. 
29. Тодескини, Маттео; Бастос да Силва Фанта, Алиса; Дженсен, Флемминг; Вагнер, Якоб Биркедал; Хан, Анпан (2017). «Влияние адгезионных слоев Ti и Cr на ультратонкие пленки золота» (PDF) . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (42): 37374–37385. дои : 10.1021/acsami.7b10136. ПМИД  28967257.
30. Лю, Лю; Хан, Чжанхуа; Он, Парусный спорт (2005). «Новый поверхностный плазмонный волновод для высокой интеграции». Оптика Экспресс . 13 (17): 6645–6650. Бибкод : 2005OExpr..13.6645L. дои : 10.1364/OPEX.13.006645 . ПМИД  19498679.
31. Лю, Сяоюн; Фэн, Ицзюнь; Чен, Кэ; Чжу, Бо; Чжао, Цзюньмин; Цзян, Тянь (2014). «Плоские поверхностно-плазмонные волноводные устройства на основе симметричных гофрированных тонкопленочных структур». Оптика Экспресс . 22 (17): 20107–20116. Бибкод : 2014OExpr..2220107L. дои : 10.1364/OE.22.020107 . ПМИД  25321220.
32. Чен, Вэй; Чжун, Цзялин; Ли, Цзюньзи; Саксена, Нитин; Кройцер, Лукас П.; Лю, Хаочэнь; Сун, Лин; Су, Бо; Ян, Дэн; Ван, Кун; Шлипф, Йоханнес (2 мая 2019 г.). «Структура и динамика носителей заряда в коллоидных твердых частицах с квантовыми точками PbS». Журнал физической химии . 10 (9): 2058–2065. doi : 10.1021/acs.jpclett.9b00869. ISSN  1948-7185. PMID  30964305. S2CID  104297006.
33. Цзоу, Юцинь; Го, Ренджун; Буйрук, Али; Чен, Вэй; Сяо, Тяньсяо; Инь, Шаньшань; Цзян, Синьюй; Кройцер, Лукас П.; Му, Ченг; Амери, Тайебе; Шварцкопф, Матиас (25 ноября 2020 г.). «Модификация интерфейса додецилбензолсульфонатом натрия иодида метиламмония и свинца для пассивации поверхности перовскитных солнечных элементов». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 12 (47): 52643–52651. дои : 10.1021/acsami.0c14732. ISSN  1944-8244. PMID  33190484. S2CID  226973268.
34. Чен, Вэй; Го, Ренджун; Тан, Хаодун; Винхольд, Керстин С.; Ли, Нянь; Цзян, Чжэнъянь; Тан, Цзюнь; Цзян, Синьюй; Кройцер, Лукас П.; Лю, Хаочэнь; Шварцкопф, Матиас (2021). «Исследование деградации структуры операндо солнечных элементов с квантовыми точками PbS». Энергетика и экология . 14 (6): 3420–3429. дои : 10.1039/D1EE00832C. ISSN  1754-5692. S2CID  235510269.
35. «Механическая конструкция элемента — тонкопленочные батареи» . mpoweruk.com . Вудбанк Коммуникейшнс Лтд . Проверено 3 октября 2019 г.

дальнейшее чтение

Учебники

• Биркхольц, Марио; Фьюстер, Пол Ф.; Гензель, Кристоф (23 декабря 2005 г.). Анализ тонких пленок методом рентгеновского рассеяния. Вайли-ВЧ. ISBN 978-3527310524.
• Оринг, Милтон (26 октября 2001 г.). Материаловедение тонких пленок, второе издание . Академическая пресса. ISBN 978-1493301720.
• Сешан, Кришна (11 июля 2017 г.). Справочник по нанесению тонких пленок, 3-е издание . Издательство Уильяма Эндрю. ISBN 978-1437778731.

Исторический

• Мэттокс, Дональд М. (14 января 2004 г.). Основы технологии вакуумного нанесения покрытий . Издательство Уильяма Эндрю. ISBN 978-0815514954.