电子薄膜与器件论文

薄膜技术在电子器件中的应用摘 要 由于薄膜技术在电子领域的推广，是电子元件在小型化，高功能，高可靠，批量生 产，低成本方面占有很大优势。类似的薄膜技术在电子元件制造领域占有相当重要的地位 而薄膜在薄膜电阻，薄膜电容，薄膜开光器件和薄膜太阳能电池和薄膜集成电路应用尤为广 泛。电子器件的小型化、多样化和性能的不断提高是光电子技术发展的重要标志，在这个发 展过程中，薄膜技术功不可没。关键词:薄膜电容 ；薄膜电阻 ；薄膜太阳能电池 ；薄膜集成电路。1 绪论薄膜是一种特殊的物质形态，由于其在厚度这一特定方向上尺寸很小，只是 微观可测的量，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质连续性发生中 断，由此使得薄膜材料产生了与块状材料不同的独特性能，现在薄膜技术在电子 元器件、集成光学、电子技术、红外技术、激光技术以及航天技术和光学仪器等 各个领域都得到了广泛的应用，它们不仅成为一间独立的应用技术，而且成为材 料表面改性和提高某些工艺水平的重要手段。当固体或液体的一维线性尺度远远 小于它的其 它二维尺度时，我们将这样的固体或液体称为膜。一般将厚度大于 1p m的膜称为厚膜，厚度小于1p m的膜称为薄膜，当然，这种划分具有一定的 任意性。薄膜的研究和制备由来已久，但在早期，技术落后使得薄膜的重复性较 差，其应用受到限制，仅用于抗腐蚀和制作镜面。自从制备薄膜的真空系统和各 种表面分析技术有了长足的进步，以及其他先进工艺（如等离子体技术）的发展， 薄膜的应用开始了迅速的拓展。目前，在光电子器件中，薄膜的使用非常普遍， 它们中大部分是化合物半导体材料，厚度低至纳米级。2薄膜电阻器薄膜电阻器是用类蒸发的方法将一定电阻率材料蒸镀于绝缘材料表面制成， 一般这类电阻常用的绝缘材料是陶瓷基板，薄膜电阻和厚膜电阻的最大区别是： 一、膜厚的区别，厚膜电路的膜厚一般大于10p m,薄膜的膜厚小于10p m,大 多处于小于1p m;二、制造工艺的区别，厚膜电路一般采用丝网印刷工艺，捷比 信薄膜电阻采用的是真空蒸发、磁控溅射等工艺方法。2.1Ni Cr 薄膜电阻NiCr 薄膜电阻。这一电阻是最早被深入研究的金属薄膜电阻，他具有温度 系数小，噪声低，寿命长等特点。常用的 Ni Cr 薄膜电阻有圆筒形和方形板型。 制造过程为：首先在绝缘衬底上由蒸发和溅射方法淀积NiCr合成膜。然后通过 修编技术来调整阻值圆形电阻用机械方法切割螺旋线来修正阻值，达到调阻目 的，平行板可采用机械或激光方法来调阻。最后焊上引线并封装即可。 钽薄膜电阻钽是熔点高金属，但单质钽的温度系数及稳定性都不太好，所以后来研究了 钽的氮化物（TaN）TaN膜一般是在高纯氮气中利用溅射方法制成，其电阻与Ni Cr 薄膜电阻膜相近，其稳定性好但是钽是稀有金属所以成本会比较高，对大量生产 不利，故分立元件推广不多，但是在会和电路中可获得非常优越的性质，被优 先考虑。2.2 技术陶瓷薄膜电阻虽然Ni Cr薄膜电阻和钽薄膜电阻的特性都具有非常高的指标，但是有一个 明显的缺点是阻值不易做高。为了弥补这一点，可采用技术和无机物混合即金属 陶瓷，根据各组成相所占百分比不同，金属陶瓷分为以陶瓷为基质和以金属为基质 两类。陶瓷基金属陶瓷主要有：氧化物基金属陶瓷。以氧化铝、氧化锆、氧化 镁、氧化铍等为基体，与金属钨、铬或钴复合而成，具有耐高温、抗化学腐蚀、 导热性好、机械强度高等特点，可用作导弹喷管衬套、熔炼金属的坩埚和金属切 削刀具。碳化物基金属陶瓷。以碳化钛、碳化硅、碳化钨等为基体，与金属钻、 镍、铬、钨、钼等金属复合而成，具有高硬度、高耐磨性、耐高温等特点，用于 制造切削刀具、高温轴承、密封环、捡丝模套及透平叶片。氮化物基金属陶 瓷。以氮化钛、氮化硼、氮化硅和氮化钽为基体，具有超硬性、抗热振性和良好 的高温蠕变性，应用较少。但是从重复性和稳定性来看目前可实用的仅限于 Cr-SiO。Cr-SiO金属陶瓷实用快速争渡方法制成，其方阻特性随Cr和SiO的比 例变化很大，一般来讲，Cr含量越高TCR越小。而方阻随Si增多而增大。而在 实际比例中为1： 1,此时方阻约为1K欧姆/，因此用同一图形做出阻值约为 Cr-SiO五倍。但寿命不是十分理想，所以此类材料只用在M欧级电阻上。 3薄膜电容电容器依着介质的不同，它的种类很多，例如：电解质电容、纸质电容、薄 膜电容、陶瓷电容、云母电容、空气电容等。但是在音响器材中使用最频繁的， 当属电解电容器和薄膜（Film）电容器。电解电容大多被使用在需要电容量很大的 地方，例如主电源部份的滤波电容，除了滤波之外，并兼做储存电能之用。而薄 膜电容则广泛被使用在模拟信号的交连，电源噪声的旁路（反交连）等地方。薄膜 电容器是以金属箔当电极，将其和聚乙酯，聚丙烯，聚笨乙烯或聚碳酸酯等塑料 薄膜，从两端重叠后，卷绕成圆筒状的构造之电容器。而依塑料薄膜的种类又被 分别称为聚乙酯电容（又称Mylar电容），聚丙烯电容（又称PP电容），聚苯乙烯 电容（又称PS电容）和聚碳酸电容。薄膜电容器由于具有很多优良的特性，因此是一种性能优秀的电容器。它的 主要等性如下：无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异（频率响应宽广），而且介 质损失很小。基于以上的优点，所以薄膜电容器被大量使用在模拟电路上。尤其 是在信号交连的部份，必须使用频率特性良好，介质损失极低的电容器，方能确 保信号在传送时，不致有太大的失真情形发生。在所有的塑料薄膜电容当中，又 以聚丙烯（PP）电容和聚苯乙烯（PS）电容的特性最为显著，当然这两种电容器的价 格也比较高。然而近年来音响器材为了提升声音的品质，所采用的零件材料已愈 来愈高级，价格并非最重要的考量因素，所以近年来PP电容和PS电容被使用在 音响器材的频率与数量也愈来愈高。读者们可以经常见到某某牌的器材，号称用 了多少某某名牌的PP质电容或PS质电容，以做为在声音品质上的背书，其道理 就在此。通常的薄膜电容器其制法是将铝等金属箔当成电极和塑料薄膜重叠后卷绕 在一起制成。但是另外薄膜电容器又有一种制造法，叫做金属化薄膜(Me tallized Film),其制法是在塑料薄膜上以真空蒸镀上一层很薄的金属以做为电极。如此 可以省去电极箔的厚度，缩小电容器单位容量的体积，所以薄膜电容器较容易做 成小型，容量大的电容 器。例如常见的 MKP 电容，就是金属化聚丙烯膜电容器 (Metailized Polypropylene Film Capacitor)的代称，而 MKT 则是金属化聚乙 酯电容(Metailized Polyester)的代称。金属化薄膜电容器所使用的薄膜有聚乙酯、聚丙烯、聚碳酸酯等，除了卷绕 型之外，也有叠层型。金属化薄膜这种型态的电容器具有一种所谓的我我复原作 用(Self Healing Act ion),即假设电极的微小部份因为电界质脆弱而引起短路 时，引起短路部份周围的电极金属，会因当时电容器所带的静电能量或短路电流， 而引发更大面积的溶 融和蒸发而恢复绝缘，使电容器再度回复电容器的作用。聚脂薄膜在普通应用中表现出良好的特性，具有高介电常数(使其在金属化 薄膜电容器中获得最高的单位体积电容量)、高绝缘强度、自我复原特点和良好 的温度稳定性。在所有各类薄膜电容器中，聚脂电容器以适度的成本实现了最佳 的体积效率，而且是解耦、阻断、旁路和噪声抑制等直流应用中最流行的选择。 而利用金属化聚丙烯薄膜制造的电容器则具有低介电损耗、高绝缘阻抗、低介电 吸收和高绝缘强度特性，是一种持久的和节省空间的解决方案，它的长期稳定性 也很好。这些特点使金属化聚丙烯薄膜电容器成为交流输入滤波器、电子镇流器 和缓冲电路等应用的重要选择。聚丙烯薄膜电容器可以提供400VAC或更高的额 定电压，满足工业三相应用和专业设备的要求。它们还可以用于开关电源、鉴频 和滤波器电路，以及能量存储和取样与保持应用等。薄膜电容器是电子产业中的重要元件，尽管相应的生产与结构技术在不断发 展以提供更大的电容量和更好的电气性能，但这些器件很少与新产品的新特性有 关。在这种情况下，由于人们往往需要迅速完成设计和元件选择，当出现特殊需 求时，电容器制造商提供一对一式的服务能够帮助解决设计问题和保证干扰滤波 器、基本信号调节电路和电子镇流器等基本功能模块的顺利完成。3.1 薄膜电容优点薄膜电容器由于具有很多优良的特性，因此是一种性能优秀的电容器。它 的主要等性如下：无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异(频率响应宽广)，而且 介质损 失很小。基于以上的优点，所以薄膜电容器被大量使用在模拟电路上。 尤其是在信号交连的部分，必须使用频率特性良好，介质损失极低的电容器，方 能确保信号在 传送时，不致有太大的失真情形发生。在所有的塑料薄膜电容当 中,又以聚丙烯(PP)电容和聚苯乙烯(PS)电容的特性最为显著，当然这两种电容 器的价格也 比较高。然而近年来音响器材为了提升声音的品质，所采用的零件 材料已愈来愈高级，价格并非最重要的考量因素，所以近年来PP电容和PS电容 被使用在音响器 材的频率与数量也愈来愈高。读者们可以经常见到某某牌的器 材，号称用了多少某某名牌的PP质电容或PS质电容，以做为在声音品质上的背 书，其道理就在此。4薄膜太阳电池薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等 不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数“m，因此在同一受 光面积之 下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量 (厚度可低于硅晶圆太 阳能电池 90%以上)，目前转换效率最高以可达 13%，薄膜电池太阳电池除了平面 之外，也 因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大，可与建筑物结 合或是变成建筑体的一部份，在薄膜太阳电池制造上，则可使用各式各样的沈积 (deposition)技术，一层又一层地把p-型或n-型材料长上去，常见的薄膜太阳 电池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和 CdTe.等。4.1 简介非晶硅(a-Si)太阳电池是在玻璃(glass)衬底上沉积透明导电膜(TCO)，然 后依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型三层a-Si，接着再蒸镀金属电极 铝(Al).光从玻璃面入射，电池电流从透明导电膜和铝引出，其结构可表示为 glass/TCO/pin/Al，还可以用不锈钢片、塑料等作衬底。硅材料是目前太阳电池的主导材料，在成品太阳电池成本份额中，硅材料占 了将近40%,而非晶硅太阳电池的厚度不到1p m,不足晶体硅太阳电池厚度的 1/100，这就大大降低了制造成本，又由于非晶硅太阳电池的制造温度很低( 200。0、易于实现大面积等优点，使其在薄膜太阳电池中占据首要地位，在制造 方法方面有电子回旋共振法、 光化学气相沉积法、直流辉光放电法、射频辉光 放电法、溅谢法和热丝法等。特别是射频辉光放电法由于其低温过程(200C), 易于实现大面积和大批量连续 生产，现成为国际公认的成熟技术。在材料研究 方面，先后研究了 a-SiC窗口层、梯度界面层、p C-SiC p层等，明显改善了电 池的短波光谱响应这是由于a-Si太阳电池光生载流子的生成主要在i层，入射 光到达i层之前部分被p层吸收，对发电是无效的而a-SiC和p C-SiC材料比 p型a-Si具有更宽的光学带隙，因此减少了对光的吸收，使到达i层的光增加; 加之梯度界面层的采用，改善了 a- SiC/a-Si 异质结界面光电子的输运特性.在 增加长波响应方面，采用了绒面TCO膜、绒面多层背反射电极(ZnO/Ag/Al)和多 带隙叠层结构，即 glass/TCO/p1i1n1/p2i2n2/p3i3n3/ZnO/Ag/Al 结构. 绒面 TCO 膜和多层背反射电极减少了光的反射和透射损失，并增 加了光在 i 层的传播路 程，从而增加了光在 i 层的吸收.多带隙结构中， i 层的带隙宽度从光入射方向 开始依次减小，以便分段吸收太阳光，达到拓宽光谱响应、提 高转换效率之目 的。在提高叠层电池效率方面还采用了渐变带隙设计、隧道结中的微晶化掺杂层 等，以改善载流子收集。4.2 发展趋势近年来,业界对以薄膜取代硅晶制造太阳能电池在 技术上已有足够的把握。 日本产业技术综合研究所于去年 2 月已经研制出目前世界上太阳能转换率最高 的有机薄膜太阳能电池，其转换率已达到现有有机薄膜太阳能 电池的 4 倍。此 前的有机薄膜太阳能电池是把两层有机半导体的薄膜接合在一起，其太阳能到电 能的转换率约为 1%。新型有机薄膜太阳能电池在原有的两层构造中 间加入一种 混合薄膜，变成三层构造，这样就增加了产生电能的分子之间的接触面积，从而 大大提高了太阳能转换率。可折叠薄膜的太阳能电池是一种利用非晶硅结合 PIN 光电二极管技术加工 而成的薄膜太阳能电池。此系列产品具有柔软便携、耐用、光电转换效率高等特 点；可广泛应用于电子消费品、远程监控/通讯、军事、野外/室内供电等领域。有机薄膜太阳能电池使用塑料等质轻柔软的材料为基板，因此人们对它的实 用化期待很高。研究人员 表示，通过进一步研究，有望开发出转换率达 20%、 可投入实际使用的有机薄膜太阳能电池。专家认为,未来 5年内薄膜太阳能电池 将大幅降低成本，届时这种薄 膜太阳能电池将广泛用于手表、计算器、窗帘甚 至服装上。5薄膜集成电路薄膜集成电路是集成电路之一。采用薄膜工艺在玻璃或陶瓷基片上制作电路 元、器件及其接线，并加以封装而成。薄膜工艺包括蒸发、溅射、化学气相淀积 等。特点为电阻、电容数值控制较精确，且数值范围宽，但集成度不高。主要用 于线性电路。薄膜集成电路是将整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容和电感 等元件以及它们之间的互连引线，全部用厚度在1微米以下的金属、半导体、金 属氧化物、多种金属混合相、合金或绝缘介质薄膜，并通过真空蒸发、溅射和电 镀等工艺制成的集成电路。薄膜集成电路中的有源器件，即晶体管。薄膜集成电 路，有两种材料结构形式：一种是薄膜场效应硫化镉或硒化镉晶体管，另一种是 薄膜热电子放大器。更多的实用化的薄膜集成电路采用混合工艺，即用薄膜技术 在 玻璃、微晶玻璃、镀釉和抛光氧化铝陶瓷基片上制备无源元件和电路元件间 的连线，再将集成电路、晶体管、二极管等有源器件的芯片和不使用薄膜工艺制 作的功率 电阻、大容量的电容器、电感等元件用热压焊接、超声焊接、梁式引 线或凸点倒装焊接等方式，就可以组装成一块完整的集成电路。在同一个基片上 用蒸发、溅射、电镀等薄膜工艺制成无源网路,并组装上分立的微型元件、器件, 外加封装而成的混合集成电路。所装的分立微型元件、器件，可以是微型元件、 半导体芯片或单片集成电路。按无源网路中元件参数的集中和分布情况，薄膜集 成电路分为集中参数和分布参数两种。前者适用范围从低频到微波波段，后者只 适用于微波波段。5.1 主要工艺薄膜混合集成电路所用基片有多种，最常用的是玻璃基片,其次是微晶玻璃 和被釉陶瓷基片,有时也用蓝宝石和单晶硅基片。为了实现紧密组装和自动化生 产，一般使用标准基片。在基片上形成薄膜有多种方法。制造薄膜网路常用物理汽相淀积（PVD）法, 有时还用阳极氧化或 电镀法。在物理汽相淀积法中，最常用的是蒸发工艺和溅 射工艺。这两种工艺都是在真空室中进行的，所以统称为真空成膜法。用这两种 方法，可以制造无源网路中 的无源元件、互连线、绝缘膜和保护膜。阳极氧化 法可以形成介质膜，并能调整电阻膜的阻值。在制造分布参数微波混合集成电路 时，用电镀法增加薄膜微带线的厚度，以减少功耗。5.2 薄膜材料在薄膜电路中主要有四种薄膜：导电、电阻、介质和绝缘薄膜。导电薄膜用 作互连线、焊接区和电容器极板。电阻薄膜形成各种微型电阻。介质薄膜是各种 微型电容器的介质层。绝缘薄膜用作交叉导体的绝缘和薄膜电路的保护层。各种 薄膜的作用不同，所以对它们的要求和使用的材料也不相同。对导电薄膜的要求除了经济性能外，主要是导电率大，附着牢靠，可焊性好 和稳定性高。因尚无一种材料能完全满足这些要求，所以必须采用多层结构。常 用的是二至四层结构，如铬-金（Cr-Au）、镍铬-金（Ni Cr-Au ）、钛-铂-金 （Ti-Pt-Au ）、钛-钯-金（Ti-Pd-Au ）、钛-铜-金（Ti-Cu-Au ）、铬-铜-铬-金 （Cr-Cu-Cr-Au） 等。微型电容器的极板对导电薄膜的要求略有不同，常用铝或钽作电容器的下极 板，铝或金作上极板。对电阻薄膜的主要要求是膜电阻范围宽、温度系数小和稳 定性能好。最常用的是铬硅系和钽基系。在 铬硅系中有镍-铬（Ni-Cr）、铬-钻 （Cr-Co）、镍-铬-硅（Ni-Cr-Si）、铬-硅（Cr-Si）、铬-氧化硅（Cr-SiO）、镍铬- 二 氧化硅（NiCr）。属于钽基系的有钽（Ta）、氮化钽（Ta2N）、钽-铝-氮（Ta AlN）、钽-硅（Ta-Si）、钽-氧-氮（Ta-O-N）、钽-硅-氧（Ta-Si-O）等。对介质薄膜要求介电常数大、介电强度高、损耗角正切值小,用得最多的仍 是硅系和钽系。即氧化硅（SiO）、二氧化硅、氧化钽和它们的双层复合结构：-SiO 和-SiO2。有时还用氧化钇，氧化铪和钛酸钡等。为了减小薄膜网路中的寄生效应，绝缘薄膜的介电常数应该很小,因而采用 氧化硅（SiO）、二氧化硅、氮化硼（BN）、氮化铝（A1N）、氮化硅等，适合于微 波电路。结语薄膜技术是研制新材料、新结构的重要方法之一，用薄膜技术制作的薄 膜材料不仅具有优良的光电性能、钝化性能、强的阻挡杂质粒子扩散以及抗水汽 渗透能力，在光电子器件中得到广泛的应用，主要用来充当绝缘层、钝化保护层 以及各种敏感膜层等，而且还具有很高的硬度和强的化学稳定性。有很好的应用 前景。