制膜术交响曲

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所属分类:科学故事
摘要

当人们漫步在高科技的商品市场时,会惊奇地看到许多小巧美观、令人爱不释手的电子整机,如袖珍型电视机、盒式录相机、微型计算机等等。这些产品之所以小巧玲珑,是由于微电子技术的迅速发展。微电子技术已进入制作超大规模集成电路及其微组装阶段。在微组装中使用多层布线板、各种微型片式元件(包括各种集成电路)和表面安装技术(即纳米技术)。若剖析这些奇异的电子整机,不难发现,它们的各部分所用的材料基本上是薄膜,可见功能薄膜是微电子技术的基础。在高科技蓬勃发展的今天,向材料科学提出了特殊要求,其中之一就是要求提供性能

  当人们漫步在高科技的商品市场时,会惊奇地看到许多小巧美观、令人爱不释手的电子整机,如袖珍型电视机、盒式录相机、微型计算机等等。这些产品之所以小巧玲珑,是由于微电子技术的迅速发展。微电子技术已进入制作超大规模集成电路及其微组装阶段。在微组装中使用多层布线板、各种微型片式元件(包括各种集成电路)和表面安装技术(即纳米技术)。若剖析这些奇异的电子整机,不难发现,它们的各部分所用的材料基本上是薄膜,可见功能薄膜是微电子技术的基础。在高科技蓬勃发展的今天,向材料科学提出了特殊要求,其中之一就是要求提供性能极为稳定的控制和测量元件。宇航和生物医学要求的微型元件,特殊功能的高性能微元件,太阳能电池等,都要求制作出纯度很高,厚度是几百到几个微米的膜质优良、厚度均匀的功能膜。在高科技发展的大潮中,各种各样功能膜的制备,汇成了美妙的制膜技术交响曲。

  在制膜技术中,膜料也可按成分、结构、性能、用途和制备方法分类。按成分,现有的薄膜有元素金属膜、合金薄膜、元素半导体薄膜、化合物半导体薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜、高分子薄膜、混合物薄膜等。按组织结构则分为单晶薄膜、多晶薄膜和非晶薄膜。在实用上广泛采用按用途分类,如电子薄膜、光学薄膜、机械薄膜、装璜薄膜等。电子薄膜中又分为超导电薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导电薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、保护薄膜、铁电薄膜、磁性薄膜等。其他还有性能特殊的压电薄膜、热电薄膜、光电薄膜、电光薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。有不少薄膜具有两种或多种优良性能,它们可以有几种用途。

  展望微电子工程,从单晶硅片到晶体三极、二极管及传感器等,都需要建立高级的严密的制膜技术。要想在1/1000毫米到3/100毫米厚的单晶硅层上掺入磷或锑以变成一个半导体层,必须经过一系列制膜技术制成器件,需要按不同要求镀上膜,并在上面划出几百甚至是上千个彼此孤立的分区,这些分区都有截然不同的特性和功能,每个区域就是不同的器件,它们都承担一种结构元件的功能。可见,薄膜技术十分重要,而技术要求又是十分苛刻的。

  制膜技术有两大类,那就是用物理方法和化学方法。要制出膜质优良、性能稳定的功能薄膜,常用物理方法加工,用这种方法制膜都要在真空抽机(机械泵和油扩散泵)抽成的高真空容器中进行。目前,用化学方法制膜在膜质上还达不到要求,所以多采用物理方法,首先将要制造功能薄膜的原料(块状或片状)进行加热蒸发,形成原子蒸气,然后让它在要使用的衬底上冷凝、沉淀(衬底可用晶片、玻璃、金属片)。要使功能膜成膜均匀,具有一定的机械强度,必须精确控制真空容器中的气氛和成膜时给衬底加热的温度。改变气氛和温度,可以制备出各种不同类型、不同质量、具有特殊功能的薄膜。根据成膜的原理和蒸发源不同,按其特点可分为:电阻加热、电子束加热、激光束加热、高频电流加热、高压直流(磁控)溅射、13.56兆赫频率源的射频溅射、离子束溅射等。目前,经过改进已使用于制备半导体制膜的最完备的设备称为分子束外延设备。

  制膜技术非常奇妙而丰富地制造出许多功能膜。1975年,斯皮尔等人用硅烷直流辉光放电分解沉积制成非晶态硅薄膜。自它问世以来,这种薄膜已作为一种新能源材料,开辟了广阔的前景。以往太阳能电池主要用硅、铁化镉(CdFe)和砷化镓(GaAs)的晶体,生产晶体的工序比较复杂,材料损耗很多,价格昂贵。用非晶硅薄膜作成太阳电池吸收太阳能量比晶体硅多10倍,而电池工作区最佳厚度为0.5~0.7μm(微米),(1/1000毫米),为单晶硅电池厚度的1/500,而且在各种各样的衬底上容易成膜,如玻璃、不

  2锈钢、陶瓷、塑料薄膜等。它们的面积可以大于30×30cm(平方厘米),而且有利于发展成为多种材料的迭层式太阳能电池,大大地提高太阳能的转换效率。非晶硅薄膜还用于集成电路,制作成极灵敏的传感器元件,组成控制和检测的仪器。如用非晶态硅一氢合金膜制成的光电图像传感器,可获得非常清晰的图像。

  非晶态硒薄膜,是静电复印材料,具有可作成大面积、膜质优良、长期使用不发生结构变化、抗震、耐磨等优点,已获得广泛应用。

  运用制膜技术,可以制备出许多具有独特的电学、光学、热学、声学等性能的铁电薄膜,可望它与半导体硅和砷化镓组合在光电子学、集成光学、微电子学等高技术领域中有广泛的应用,因而引起了国际科技界、产业界、军事界以及政府部门的极大关注。因为铁电薄膜可制成随机存取存贮器,具有永久存贮的能力,断电时也能保持存贮信息,其读写周期短,抗辐射损伤能力强,存贮器体积小,适合于计算机对高速度、高密度和永久存贮的要求。美国卡利沙力公司和日本NEC公司已先后推出了16K和64K的FRAM器件。科学家们预测1995年FRAM将在国际存贮器市场中占48%。

  早在公元前,人们已发现了金刚石。本世纪80年代在制膜技术获得重大突破之后,金刚石制膜技术获得了完满的成功。早在1704年,牛顿首先提出了金刚石是碳的一种结构形态的假设,1797年,这个假想获得了实验上的证实。后来,用天然的或高压合成的金刚石颗粒制成了整流二极管、光探测器、发光管。1982年,在天然的金刚石上成功制作成双极型晶体管、横辐射探测器,用于温度2~1000K的范围内对电阻变化反应非常灵敏的热敏传感器。这样,科技界、产业界对于金刚石薄膜作为半导体材料应用于电子器件上寄托了极大的希望,金刚石薄膜可能会成为新一代的半导体材料。

  制膜技术,还可以做成像彩虹那样,使每层薄膜之间没有明显分界面的功能膜,这种材料叫梯度材料。它们各层之间,成份组成和性能(弹性、导热性、热胀性等)也是渐渐变化的。1989年,这种梯度材料已经走出了实验室,投入了应用,已取得明显效益。飞机上采用梯度功能材料是应用的一个重要方面。另外,用于医学,如假牙的制作,它可以改变假牙的结构,可作成一截坚硬、耐磨、耐腐蚀,而另一截则与牙床结合成非常吻合的结构。这样,用梯度材料做成的假牙质量优良,且使用舒适,非常令人满意。

  制膜技术还可以制备两种不同材料薄层(几个纳米至几十纳米厚)交替生长出多层结构,这就是通常所谓的超晶格(在半导体上又称量子阱)。其最典型的超晶格结构是砷化镓/砷化铝镓这种结构可以作为性质优良的半导体器件。近年来,人们还制备出非晶态半导体的超晶格结构。金属超晶格和磁性元素/非磁性元素超晶体,以及稀土金属超晶格等。人们可以利用超晶格的电性、磁性制出各种具有特性的功能器件。如钯/钴超晶格,可以成为磁光可擦写存贮或磁泡存贮器件。

  在制膜技术中,新功能膜在高科技园地犹如百花争艳,正在不断展示出它们的丰姿。

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