CC BY
50
-►
Электроника, технологии производства материалов электронной техники
УДК 666.1.037.5
B.C. Нагорный, Н.С. Пщелко
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ АДГЕЗИИ ПРОВОДЯЩИХ ЧАСТИЦ К ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОДЛОЖКАМ
Проблема повышения адгезии проводящих частиц (ферромагнетики, серебро, золото, молибден, хром, алюминий, медь, молибден, тантал и золото), содержащихся в движущихся каплях наносуспензирован-ных рабочих жидкостей, к подложкам из различных диэлектрических материалов при управляемом формировании проводящих пленочных топологий весьма актуальна.
В статье излагаются экспериментальные основы разработанного способа повышения адгезии электропроводящих слоев к диэлектрическим подложкам из ионных диэлектриков, основанного на использовании пон-деромоторных сил электрического поля. Электроадгезией называется взаимодействие объектов, например твердых тел, сопровождающееся их скреплением друг с другом в результате приложения к этим объектам электрического напряжения.
Электроадгезия есть результат электростатического (пондеромоторного) притяжения электризованных тел, при котором заряды разных знаков оказываются разделены зазором между контактирующими поверхностями или тонким слоем одного из скрепляемых объектов, обедненным носителями заряда и поэтому имеющим повышенное сопротивление вблизи поверхности раздела контакта. Соответственно большая часть приложенного напряжения падает на этот узкий слой, что и служит причиной появления больших электростатических полей и сил. Между двумя твердыми телами, имеющими различные электрические потенциалы, возникают электростатические (пон-
деромоторные) силы. На проявлении этих сил основан эффект Джонсона — Рабека, заключающийся в том, что между проводящим (металлическим или полупроводниковым) плоским объектом и пол у про водя щей подложкой из высокоомного материала, другая сторона который металлизирована, при приложении электрического напряжения возникает аномально большая адгезионная сила, намного превосходящая значение, рассчитанное по формуле плоского конденсатора. При объяснении этого явления было обращено внимание на картину потенциального рельефа: разность потенциалов между соединяемыми деталями различна в точках фактического контакта соединяемых деталей и в точках, разделенных воздушным зазором, причем в максимуме она может приближаться к значению приложенного напряжения. Объяснение эффекта Джонсона — Рабека сводится к тому, что сопротивление диэлектрической подложки хотя и велико, но обычно значительно меньше (по крайней мере, при повышенной температуре), чем сопротивление возникающего вследствие естественной шероховатости и волнистости контактирующих поверхностей воздушного зазора на контакте проводник — ионный диэлектрик. Таким образом, практически все напряжение оказывается приложенным к тонкому воздушному зазору, вследствие чего гам возникают большие электрические поля и силы закрепления. Таким образом, именно электрическое поле в воздушном зазоре между проводником и диэлектриком обеспечивает
появление больших сил притяжения, в точках же фактического контакта это поле мало из-за сравнительно большой толщины диэлектрической подложки. Однако, поскольку при взаимном притяжении соединяемых деталей доля площади их фактического контакта растет, а взаимное притяжение в этих точках мало, при комнатной температуре не удается получить усилия, достаточного для "сварки" деталей.
В случае ионного диэлектрика носителями заряда обычно являются положительные ионы, поэтому при включении напряжения они начнут перемещаться (мигрировать) к катоду. Этот процесс значительно усиливается при повышении температуры. Причем в месте, которое занимал до подачи напряжения положительный ион, у анода останется нескомпенсированный заряд вакансии. Именно этот заряд и есть причина появления больших электроадгезионных усилий в точках фактического контакта, что приводит к прочному соединению контактирующих поверхностей.
Эксперименты, связанные с изучением влияния электрического поля на адгезию тонких металлических пленок, проводились с использованием установки для получения электроадгезионных соединений (рис. 1).
Исследования проводились на ряде пар материалов, основными из которых были пленки алюминия и меди на оконном стек-
Рис. 1. Схема установки для получения электроадгезионного соединения I — источник питания; 2— вольтметр; 3 — самопишущий миллиамперметр; 4 — муфельная печь: 5 —термопара; 6 — потенциометр; 7, 10— электроды; 8— металл (полупроводник); 9— диэлектрик
ле. Оконное стекло — дешевый материал, на котором удобно выявлять закономерности, типичные для ионных диэлектриков, используемых в качестве диэлектрических подложек. Кроме того, для отдельных экспериментов с целью проверки универсальности метода использовались подложки из других широко применяемых стекол (К8, С52-1, С47-1) и ситалла СТ50-1. В качестве материалов для покрытий исследовались также молибден, хром, тантал и золото. Все эти материалы широко используются в микроэлектронике и, кроме того, обладают различной адгезионной способностью, что весьма важно для более полного изучения возможностей исследуемого метода увеличения адгезии. Пленки меди, алюминия, золота и хрома наносились методом термического испарения в вакууме. Пленки молибдена и тантала получались распылением ионной бомбардировкой.
Для количественной оценки использовался адгезиометр Кротовой и Дерягина (рис. 2) [1], приспособленный для измерения адгезии пленок: на нанесенное пленочное покрытие наклеивалась тонкая липкая лента. Из-за прочного сцепления клеящего
I
Рис. 2. Угловой адгезиометр Кротовой и Дерягина 111 / — пластина; 2— опытный образец (черной жирной линией показана пленка, отслаиваемая от подложки); 3 — груз; 4 — шкала угломера
Электроника, технологии производства материалов электронной техники^
слоя ленты с пленкой при ее отрывании грузом отслаивание происходило по границе пленка — подложка, что и позволяло сулить количественно об ее адгезии к подложке путем измерения угла отрыва (рис. 2) и плошади оторвавшейся пленки.
Работа отрыва А пленки находится при этом по выражению
Ъ V
где т — масса груза; g — ускорение свободного падения; Ь — ширина отрываемой пленки; а. — измеряемый угол, при котором начинается отрыв: 50 — обшая отрываемая площадь (плошадь липкой ленты); 5отр — фактически отслоившаяся при отрыве плошадь пленки.
Исследовалось влияние на адгезию тонких пленок к подложке таких факторов, как электрическое напряжение, температура и
время выдержки. В качестве примера на рис. 3 приведены некоторые зависимости, демонстрирующие возможность повышения адгезии. С повышением температуры, при которой получалось соединение, удалось увеличить адгезию пленок меди в четыре раза, алюминия — в шесть раз по сравнению с исходной. Адгезия пленок на контрольных образцах (к которым напряжение приложено не было) практически не изменялась.
Зависимости величины адгезии от электрического напряжения пленок алюминия, полученных вакуумным напылением в одном и том же режиме и обработанных электроадгезионным способом при различных температурах, представлены на рис. 4. Обработка производилась по схеме, показанной на рис. I. Из рис. 4 видно, что с увеличением напряжения (положительный потенциал приложен к пленке) наблюдается рост адгезии пленки к подложке, который несколько замедляется при больших
, кДж
■ ■ ]
ш2 ^оГ
► 2' / г
2" |—« * п
О 100 200 300 Т. °С
Рис. 3. Влияние на работу отрыва
медной (---) и алюминиевой (-)
пленок от подложек из оконного стекла от температуры электроадгезионной обработки Время выдержки / составляло 10 мин (/. 2 при ип = 300 В. /", 2" при и„ = 0) и 5 мин (/'. 2' при и0 = 300 В). Адгезия пленок измерялась при комнатной температуре
м 1.5
1,0
0.5
200 400 £/,„ В
Рис. 4. Влияние напряжения на работу отрыва алюминиевой пленки от подложек из оконного стекла при различных времени выдержки и температуре.
/ - Т= 300 С, t — 10 мин: 2- Т= 200 °С.
/=10 мин; 3 — Т= 350 °С, t = 5 мин;
4- Т = 250 "С. t = 5 мин
значениях напряжения. При этом адгезия пленки меди к подложке из оконного стекла при напряжениях выше 200 В начинает уменьшаться, вероятно, из-за образования под действием положительного потенциала излишне толстого непрочного слоя оксида меди.
Приложение к пленке отрицательного потенциала обычно приводило к уменьшению адгезии. По-видимому, причина уменьшения адгезии заключается в обогащении зоны контакта стекло — пленка ионами щелочных металлов, которые разрыхляют стекло и уменьшают его механическую прочность.
Большой интерес представляет возможность улучшения адгезии пленок непосредственно в процессе их конденсации; одной из мер при этом служит нагрев подложки. Однако в ряде случаев этого недостаточно. В некоторых методах нанесения пленочных покрытий, например при ионно-плазменном распылении "со смещением", предусматривается подача на подложку отрицательного потенциала относительно плазмы: положительные ионы плазмы бомбардируют подложку в течение всего процесса нанесения пленки, что по-
зволяет получать более высокие значения адгезии. Недостаток метода состоит в том, что отрицательный потенциал препятствует образованию переходного окисного слоя и в некоторых случаях приводит к получению пленок с недостаточной адгезией. Подачей небольшого положительного потенциала на первых стадиях формирования пленки удается обойти эти трудности. В данном способе разность потенциалов создается между плазмой и подложкой, а не на границе раздела между пленкой и подложкой, поэтому необходимая величина адгезии и не достигается во всех случаях.
В нашей работе представлен универсальный, пригодный для любого метода нанесения, способ увеличения адгезии пленки к подложке в процессе ее конденсации. В основе способа лежит электроадгезионное взаимодействие пленки с подложкой под действием внешнего электрического поля.
Для проведения экспериментов использовался подложкодержатель, сконструированный В.А. Приходченко и В.Н. Таировым [2, 3] (рис. 5).
Экспериментальная / и контрольная 2 подложки закреплялись на тешювыравнива-юшем медном основании 3с помощью стальных пружин 4. Через эти же пружины к экспериментальной подложке / подводился положительный потенциал. (К конгрольной подложке потенциал не подводится.) Отрицательный потенциал подавался на основание подложкодержателя 3. Подогрев подложек осуществлялся нагревателем 5 и контролировался термопарой хромель-копель 6. Для обеспечения надежного гальванического контакта проводящих пружин с образующейся пленкой на подложку заранее наносились алюминиевые контактные площадки. Осаждение алюминиевых пленок осуществлялось с вольфрамового испарителя 7в вакууме при давлении мм рт. ст. Толщина пленок составляла около 0,2 мкм. В качестве материала подложки использовалось оконное стекло. Исследовалось влияние на адгезию пленок температуры подложки и величины приложенного напряжения.
Как можно видеть на рис. 6, увеличение приложенного к пленке и подложке напряжения приводит к значительному ро-
Электроника, технологии производства материалов электронной техники.
а)
О
б)
Рис. 5. Схема и устройство для повышения адгезии электропроводящих пленок в процессе их получения (а); вид подложки / сверху (б) 1.2 — подложки; 3 — тепловыравниваюшее основание; 4 — пружина; 5— нагреватель: 6 — термопара ХК: 7— испаритель: 8 — заслонка; 9 — тепловой экран
сту адгезии по сравнению со случаями, когда пленки испытывали только нагрев.
Воздействие электрического поля на образование адгезионной связи пленка — подложка, вероятно, определяется теми же причинами, которые влияют на адгезию уже нанесенных пленок, а именно появлением большого механического давления на границе раздела пленка — подложка, вследствие
особенностей миграционной поляризации стекла и формирования промежуточного окисного слоя между пленкой и подложкой.
Однако влияние электрического поля на адгезию в момент конденсации пленки оказалось значительнее, чем на адгезию уже нанесенных пленок. Подтверждение этого факта было получено следующим образом: напряжение прикладывали к пленке после
2
I
100 200 300 400 и(), В
Рис. 6. Зависимость адгезии алюминиевой пленки от электрического напряжения, использованного при ее электроадгезионной обработке. Температура подложки Г =120 °С
конденсации в тех же условиях (вакуум, температура, напряжение), не вынимая подложкодержателя и не нарушая вакуума. Увеличение адгезии пленки к подложке в этом случае оказалось значительно меньшим. чем у образцов, где конденсация пленки производилась в электрическом поле.
Наложение электрического поля при конденсации пленки приводит, по-видимому, к дополнительной активации поверхности подложки и тем самым к появлению большого числа химических связей между адсорбированными атомами металла и материалом подложки. Электроадгезионные силы заставляют атомы металла быстрее притягиваться к подложке и занимать на ней места с минимумом потенциальной энергии, т. е. более глубокие потенциальные ямы, и за счет этого увеличивают прочность соединений пленка — подложка. Очевидно. подобный эффект должен наблюдаться и при использовании его для увеличения адгезии проводящих слоев, наносимых элект-
рокаплесгруйным способом. К подобному увеличению адгезии приводит и подвод к подложке какой-либо иной добавочной энергии, например энергии ультразвуковых колебаний.
Из изложенного следует, что возможности практической реализации электроадгезионного метода улучшения адгезии проводящих пленок к диэлектрическим подложкам перспективны для использования при формировании проводящих пленок каплями рабочих жидкостей наносуспензированных металлическими частицами. При этом появляются дополнительные возможности повышения адгезии металлических наночастиц к подложкам, поскольку в электрокаплеструйных технологиях, использующих микроЭВМ, можно сообщать капле наносуспензированной рабочей жидкости управляемый как по величине, так и по знаку электрический заряд.
Работа выполнена в соответствии с проектом № 2.1.2/6494 АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дерягин Б.В., Кротова H.A., Смилга В.П.
Адгезия твердых тел. М.: Наука. 1973. 280 с.
2. Озолс А.Р., П шел ко Н.С., Таиров В.Н.
Физические основы, расчет и применение необратимого электроадгезионного соединения твердых тел / Препринт. Ин-т орган, синтеза АН Латв. ССР. Рига. 1989. Ч. I. 46 с. Ч. II. 59 с. Ч. III. 60 с.
3. Пщелко Н.С. Поляризация приповерхностных слоев ионных диэлектриков на границе электроадгезионного контакта с проводником // Нанострутктурированные металлы и материалы (Цветные металлы). 2005. № 9. С. 44-50.
