12

Модификация поверхностых свойств материалов. Условия образования сплошных плотных поверхностых пленок.

Обработкой поверхностного слоя материала деталей можно придать ему специфические свойства: коррозионную стойкость (воронение, фосфатирование, окисление), износостойкость (цементация стали), диэлектрические свойства (окисление кремния, тантала, титана, ниобия, алюминия), стойкость к воздействию паров диффузанта (окисление кремния, германия) и ряд других свойств.

Чаще всего используют различные окисные пленки.

Механизм образования окисной пленки состоит из следующих этапов:

1. Адсорбции кислорода (или вещества, содержащего кислород) поверхностью детали.

2. Диффузии кислорода сквозь слой предварительно выращенного окисла к поверхности раздела “металла – окись металла”.

3. Реакции кислорода с металлом.

4. Диффузии продуктов побочных реакций к поверхности детали.

Таким образом, рост окисной пленки происходит у границы раздела металл-окись металла в отличие от анодирования, при котором атомы металла диффундируют сквозь окисный слой к поверхности, где и взаимодействуют с кислородом. Характер образующегося окисла может быть различным: пленки могут быть сплошными и плотными или рыхлыми, пористыми, трещиноватыми.

Качество окисных пленок прежде всего зависит от соотношения объема образовавшейся окисной пленки V_ок к объему металла, превратившегося в окисел V_мет.

Если Vок/Vме1, то образуется рыхлая пористая пленка. Если это соотношение больше 1 , то пленка может быть сплошной (это условие необходимо, но недостаточно).

Отношение Vок к Vме рассчитывается из уравнения:

Vок/Vме= (М_мет)/(m_окА)

А – атомарный вес металла

М – молекулярный вес металла

_мет, _ок – плотность

m- число атомов металла, которые вошли в молекулу окисла.

Некоторые данные об отношении Vок/Vме приведены в таблице.

Металл	K	Ba	Al	Ti	Zn	Ni	Ta	Cr	Mo	W	Co
Vок/Vм	0,48	0,73	1,31 Al2O3	1,76 TiO2	1,6 Zn2O2	1,57 NiO 2,81 Ni2O3	2,32 Ta2O5	2,02 Cr2O3	2,18 MoO2 3,45 MoO3	1,86 WO2 3,36 WO3	1,75 CoO 2,0 CoO2

При отношениях Vок/Vме>2,5 окисная пленка получается напряженной. Это приводит к растрескиванию и отслаиванию пленки окисла.

На качество окисной пленки влияет также величина адгезии пленки к поверхности металла, соотношение коэффициентов термического расширения металла и пленки. Если адгезия высокая и коэффициенты термического расширения металла и окисла близки по значению, то вероятность отслаивания пленки невелика.

При толщине окисной пленки до нескольких десятков ангстрем ее рост возможен на границе «окисел-внешняя среда» за счет туннельного эффекта, заставляющего атомы металла диффундировать сквозь слой окисла к поверхности.

Этот эффект заключается в том, что в образовавшуюся тонкую пленку окисла продолжают поступать электроны, которые создают в ней электрический заряд. Поле этого заряда и заставляет ионы металла диффундировать сквозь окисел. С увеличением толщины пленки туннельный эффект уменьшается. Такие окисные пленки отличаются высокой плотностью и используются в туннельных диодах.

Процесс роста окисных пленок описывается следующим уравнением, где h- толщина, k- коэф. скорости химической реакции, t.- время.

1. h=k*t

Описывает рост пористой окисной пленки

2. h²=k*t

описывает рост сплошной пленки в толщине >40 А

3. hⁿ=k*t

Для очень медленных процессов окисления (скорость сопоставима со скоростью диффузии)

4. h=k*lgt+c

рост очень тонких пленок

Требования, предъявляемые к оксидным пленкам кремния в производстве интегральных схем.

В полупроводниковых микросхемах пассивные пленки выполняют разнообразные сложные функции. В технологии изготовления полупроводниковых интегральных схем окисные пленки, например, кремния, выполняют следующие функции:

1. Обеспечивают защиту кремния от окружающей среды и технологической среды.

2. Пленка выполняет роль маски при проведении локальной диффузии примеси кремния.

3. Защита p-n переходов в процессе эксплуатации от внешних воздействий. Например, повышение радиационной стойкости микросхемы, снижая энергию частиц, бомбардирующих кремний.

4. Диэлектрическая изоляция кремния внутри структуры между слоями кремния и металла проводника.

5. Служит диэлектриком МДП-структуры.