ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ТИТАНА
Молодечкина Т.В., Васюков А.В., Борская А.В. (Учреждение образования «Полоцкий государственный университет», г. Полоцк, Республика Беларусь), Молодечкин М.О. (Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», г. Минск, Республика Беларусь)
The results of studinq the coatings ТiO2. for components of electronic engineering are stated in the given paper.
В настоящее время трудно назвать область техники, где бы так или иначе не применялись пленочные покрытия. Это относится к таким относительно «старым» областям техники, как производство оптических приборов, и к «относительно молодым» областям, таким как микроэлектроника, вычислительная техника, медэлектроника и т.д. [1,2].
Применения пленочных структур очень разнообразны: защитные покрытия, отражающие зеркальные слои, просветляющие пленки, пассивные и активные элементы интегральных схем и т.д. В работе [3] сообщалось о применении тонких пленок, содержащих в своем составе диоксида титана, для получения адсорбционных датчиков, чувствительных к повышенным концентрациям газов. Авторы [4] предлагают использовать плёнки диоксида титана для упрочнения гальванических никелевых покрытий.
Расширение областей применения в основном связано с успехами в области технологии получения пленок различной природы.
Тонкопленочные покрытия диоксида титана получают в основном вакуумным напылением, катодным и электронно-лучевым распылением, газофазным осаждением, химическим осаждением из водных и органических растворов, плазмохимическим методом и т.д. [5]. В последние годы достигнуты большие успехи в области формирования тонкопленочных структур оксидов металлов золь-гель процессом.
Золь-гель процесс - это технология получения материалов с определенными химическими и физико-механическими свойствами, включая получение золя и последующий перевод его в гель. Размер частиц дисперсной фазы в стабильном золе 10-9 ÷ 10-6 м. Высококонцентрируемые дисперсные системы используют при производстве неорганических вяжущих веществ. Структура получаемых гелей сохраняется даже при таких больших размерах частиц дисперсной фазы, как 10-4 м. Это свойство используют при получении различных материалов, требующих введение в состав композиции более грубодисперсных частиц [6, 7]. Золь-гель метод является многообещающим при создании упрочняющих и просветляющих покрытий, при производстве новых материалов с регулируемыми в широком диапазоне составом и структурой.
По сообщению автора [8], разработанный их коллективом золь-гель метод синтеза оксидных структур, в отличие от традиционно используемых методов напыления пленок и спекания порошков (при формировании керамики), позволяет разнообразить структурно-фазовое состояние сложнооксидных систем за счет изменения условий синтеза, варьирования соотношения количества компонентов и условий термообработки. Это благоприятствует формированию в некоторых условиях термообработки метастабильных оксидных фаз с высокой концентрацией дефектов, стабилизации ионов в необычных степенях окисления, сильному взаимодействию между компонентами, приводящему к изменению их электронного состояния. Перечисленные особенности структуры влияют на электрофизические, адсорбционно-каталитические и газочувствительные свойства систем при использовании их в качестве сенсоров.
Все перечисленные методы требуют сложного технологического оборудования. Для получения пленок заданной структуры и свойств необходимы многократные высокотемпературные термообработки. Наконец, не решены вопросы получения толстопленочных элементов заданной конфигурации при их применении, и в настоящее время эти методы могут использоваться только для получения покрытий поверхностей деталей, лент, проволоки и т.п.
В ходе научно-исследовательской работы по созданию адсорбционных элементов для датчиков на основеTiO2, чувствительных к различным газам, нами была сделана попытка соединить воедино два направления получения пленочных покрытий: тонкопленочную и толстопленочную технологии.
При формировании чувствительных тонкопленочных элементов, для устранения недостатков, присущих тонкопленочным сенсорам газов и придания им нужной толщины свойств чувствительным толстопленочным элементам, приходилось применять способ многократного наслаивания пленок оксида титана. Этот способ достаточно трудоемкий, между наносимыми слоями возможно попадание неконтролируемых примесей из воздуха.
В то же время, изготовление толстопленочных сенсоров газов требует наличие специальных паст для трафаретной печати с контролируемым составом и структурой. Технология приготовление таких паст подразумевает наличие в их составе органического или стеклообразующего связующего компонента, пластификатора, что вносит дополнительные и нежелательные примеси.
Адгезия к подложке вожженных и подвергнутых керамизации паст часто бывает довольно низкая, что обусловлено различиями их температурных коэффициентов линейного расширения.
Применение в качестве связующего компонента и пластификатора золя дихлородиэтилата титана TiCl2(OC2H5)2 позволило эффективно создавать широкий класс толстопленочных оксидных покрытий с легко контролируемым составом примесных элементов. Причем, дисперсность вводимых элементов может быть задана от 10-9 ÷ 10-6 м до макрочастиц.
Технология создания паст совмещенным с золь – гель методом включает в себя следующие стадии:
1) приготовления золя, соответствующего состава основного элемента – Ti, Sn, Nb, Fe, Cu, W, Mo др.;
2) введение в исходный золь легирующей золь – добавки;
3) перевод золя в гель;
4) добавление в гель макро-оксида, керамико-образующего оксида металла;
5) нанесение полученной гель – пасты на подложку;
6) сушка пасты на воздухе;
7) сушка пасты в печи при температуре 100 – 2000С;
8) керамизация гель – пасты;
9) медленное охлаждение чувствительного толстопленочного элемента.
Предложенная технология получения гель – пасты для толстопленочных сенсоров позволяет не только создавать чувствительные толстопленочные элементы контролируемого состава, но и путем введения донорных или акцепторных примесей изменять проводимость полученной керамики от электронной до дырочной, в том числе изолирующего состояния.
Итак, нами предложена технология получения гель – паст для создания толстопленочных слоев, позволяющая:
1) устранить из технологии приготовления паст органические и стеклообразующие связующие и пластификаторы;
2) повысить адгезию вожженных паст к подложке;
3) создавать широкий класс толстопленочных оксидных покрытий с легко контролируемым составом примесных элементов;
4) варьировать дисперсность вводимых элементов от 10-9 ÷ 10-6 м до макрочастиц;
5) изменять проводимость полученной керамики от электронной до дырочной, в том числе изолирующего состояния.
Литература
1. Технология СБИС: В 2-х кн. / Под ред. С. Зи. – М.: Мир, 1986. – Кн.1. – С.127–146 .
2. Пат. 1799402 РФ, МКИ С 01 В 33/04. Способ осаждения тонкопленочных структур электронной техники / Н.П. Олтушец, Е.С. Харитончик, А.А. Ковалевский и др.; Опубл. 28.02.93, Бюл. № 10 // Открытия и изобретения. – 1993. – № 10.
3. Depero L. E., Ferroni M. et al. Preparation and micro-structural characterization of nanosized thin films of TiO2-wO3 as a novel material with high sensitivity towards No2//Sensors and Actuators B – 1996.-Vol. 35-36-P381-383.
6. Химическая энциклопедия: В 5т. Т. 1 / Гл. ред. И.Л. Кнунянц. – и др. – М.: Советская Энциклопедия, 1988. – 1060 с.
7. Технология тонких и толстых пленок: Ч.Е. Джоветт -М.: Металлургия, 1980. – 111с.
8. Ивановская М.И. Ультрадисперсные оксиды как носители активности полупроводниковых газовых сенсоров – Мінск: Выбраныя навуковыя працы БДУ, 2001. -С. 242-254.