МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Ивановский государственный химико-технологический университет»
Факультет неорганической химии и технологии
Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники
Утверждаю: проректор по УР
_______________ В.В. Рыбкин
« » 20 г.
Рабочая учебная программа дисциплины
Технология тонких пленок и покрытий
Направление подготовки 210100 Электроника и наноэлектроника
Профиль подготовки Микроэлектроника и твердотельная электроника
Квалификация (степень) Бакалавр
Форма обучения очная
Иваново, 2010
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины является изучение физических явлений, происходящих на различных этапах процесса напыления и роста пленок; существующих теорий роста тонких пленок, рассмотрению современных методов роста и контроля качества пленок, их возможностях и ограничениях; взаимосвязи физических свойств тонких пленок со структурой и дефектами.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина относится к дисциплинам вариативной части модуля профессиональной подготовки, базируется на результатах изучения дисциплин естественно-научного цикла и, в том числе математики, физики, химических дисциплин, информатики, а так же дисциплин профиля: «Материалы электронной техники», «Физика конденсированного состояния». Для успешного усвоения дисциплины студент должен
знать:
классификацию твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории; основные электрические, магнитные и оптические свойства твердых тел, механизмы протекания тока; особенности электронных свойств неупорядоченных и аморфных материалов;
основы физики вакуума, плазмы и твердого тела; принципы использования физических эффектов в вакууме, плазме и в твердом теле в приборах и устройствах вакуумной, плазменной, твердотельной, микроволновой и оптической электроники; их конструкции, параметры и характеристики и методы их моделирования;
уметь:
применять математические методы, физические и химические законы для решения практических задач;
владеть:
навыками практического применения законов физики, химии и экологии.
методами обработки и оценки погрешности результатов измерений;
сведениями о технологии изготовления материалов и элементов электронной техники, об основных тенденциях развития электронной компонентной базы;
Освоение данной дисциплины как предшествующей необходимо при изучении следующих дисциплин:
Вакуумно-плазменные процессы и технологии;
Процессы микро и нанотехнологий;
Технология и оборудование производства изделий твердотельной электроники;
Математическое моделирование технологических процессов;
Корпускулярно-фотонные процессы и технологии;
Нанотехнологии в электронике.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
готовностью учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3);
способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);
готовностью к применению современных технологических процессов и технологического оборудования на этапах разработки и производства материалов и изделий электронной техники (ПК-32).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать:
физические основы технологий напыления тонких плёнок и методы измерения их толщины;
специфику структуры тонких пленок, основные типы дефектов структуры тонких пленок, взаимосвязь физических свойств тонких пленок со структурой и дефектами,
область применения технологий напыления тонких плёнок;
уметь:
переносить полученных знания о технологии напыления тонких плёнок на смежные предметные области и к использованию этих знаний для построения междисциплинарных методических разработок.
определять экспериментальным или расчетным путем оптимальные режимы проведения отдельных технологических операций;
владеть:
информацией о значении тонких пленок в современной науке, технике и технологиях; областях применения и перспективах развития материалов твердотельной электроники и приборов на их основе;
методами планирования и проведения исследований и экспериментов с использованием технологии напыления тонких плёнок;
методиками работы на напылительных установках;
методами контроля параметров тонких плёнок и выбора технологических режимов.
4. Структура дисциплины Технология тонких пленок и покрытий
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единиц, 144 часов.
Вид учебной работы
|
Всего часов
|
Семестры
|
5
|
6
|
7
|
8
|
Аудиторные занятия (всего)
|
60
|
|
60
|
|
|
В том числе:
|
|
|
|
|
|
Лекции
|
30
|
|
30
|
|
|
Практические занятия (ПЗ)
|
|
|
-
|
|
|
Семинары (С)
|
4
|
|
4
|
|
|
Лабораторные работы (ЛР)
|
26
|
|
26
|
|
|
Самостоятельная работа (всего)
|
84
|
|
84
|
|
|
В том числе:
|
|
|
|
|
|
Курсовой проект (работа)
|
-
|
|
-
|
|
|
Расчетно-графические работы
|
-
|
|
-
|
|
|
Реферат
|
10
|
|
10
|
|
|
Оформление отчетов по лабораторным работам
|
20
|
|
20
|
|
|
подготовка к текущим занятиям, коллоквиумам
|
25
|
|
25
|
|
|
Подготовка к экзамену
|
29
|
|
29
|
|
|
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
|
з,э
|
|
з,э
|
|
|
Общая трудоемкость час
зач. ед.
|
144
|
|
144
|
|
|
4
|
|
4
|
|
|
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
1. Модуль 1. Особенности роста тонких пленок.
Понятия "пленка" и "тонкая пленка". Примеры свойств и возможностей применения тонких пленок. Этапы процесса осаждения пленок и их физико-химические особенности. Конденсация и образование зародышей, рост тонких пленок. Капиллярная модель зародышеобразования. Четыре стадии роста пленки. Влияние характера зарождения пленок на их структуру.
Общие технологические условия нанесения тонких пленок. Подложки пленочных микросхем. Микрогеометрия поверхности подложки. Реальная поверхность. Методы подготовки поверхности. Механическая, химическая, плазмохимическая и ионная обработка поверхности. Вакуум-термическая и химико-термическая подготовка поверхности. Методы нагрева и охлаждение подложек, измерения температуры. Плазмостойкие нагреватели. Геометрия внеосевого напыления.
2. Модуль 2. Термическое вакуумное напыление.
Нанесение пленок путем термического испарения в вакууме. Характеристики этапов испарения, переноса и конденсации. Влияние технологических факторов на свойства пленок. Этапы формирования потока, транспорта и осаждения. Проволочные и ленточные нагреватели. Индукционный и электроннолучевой нагрев. Термоионный режим холодной и горячей плазмы. Специфика технологии проводящих и диэлектрических пленок, защитных покрытий. Таблица режимов, материалов и скорости осаждения.
Вакуумно-термическое испарение, оценка степени загрязнения пленок, конструкции испарителей, испарение соединений и сплавов, распределение осажденных пленок по толщине. Скорость испарения. Энергетический спектр испаренных атомов, их угловое распределение. Расчет скорости осаждения при баллистическом и диффузионном транспорте вещества от источника к подложке. Способы нагрева загрузки и конструкции испарителей. Испарение сплавов и соединений. Загрязнения в пленках и требования к вакууму.
Лазерное испарение. Взаимодействие лазерных пучков с поверхностью материалов. Глубины проникновения, коэффициенты отражения, механизмы передачи энергии. Испарение материалов под действием лазеров. Импульсное лазерное испарение. Влияние мощности и длительности импульса.
3. Модуль 3. Ионно-плазменное распыление
Катодное вакуумное распыление. Принцип действия. Параметры катодного распыления. Физическое и реактивное катодное распыление. Влияние рабочих характеристик на параметры технологических процессов. Область применения катодного распыления.
Ионное распыление, коэффициент распыления, скорость распыления, оценка степени загрязнения при ионном распылении, диодная система распыления на постоянном токе, высокочастотное распыление, триодная система ионного распыления, магнетронное распыление магнитных и немагнитных материалов; автоэмиссионное и ионно-кластерное распыление; реактивное распыление. Контроль процесса осаждения тонких пленок.
4. Модуль 4. Методы нанесения композиционных покрытий
Механические методы нанесения покрытий: окунание, полив, протяжка, центрифугирование, трафаретная печать, пульверизация. Электрофизические методы: электростатическое распыление, электрофорез.
5. Модуль 5. Структура и свойства тонких пленок, методы их контроля
Физические свойства тонких пленок: толщина, внутренние напряжения, адгезионная прочность, электрическое сопротивление. Методы контроля: интерферометрия, эллипсометрия, микрогравиметрия, в том числе с использованием пьезокварцевых резонаторов.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№ п/п
|
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
|
№ разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
1.
|
Вакуумно-плазменные процессы и технологии
|
+
|
+
|
+
|
|
|
2.
|
Процессы микро- и нанотехнологий
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
3.
|
Математическое моделирование технологических процессов
|
+
|
+
|
+
|
+
|
|
4.
|
Корпускулярно-фотонные процессы и технологии
|
|
+
|
+
|
+
|
|
5.
|
Нанотехнологии в электронике
|
|
+
|
+
|
+
|
|
6
|
Технология и оборудование производства изделий твердотельной электроники
|
|
+
|
+
|
+
|
|
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п
|
Наименование раздела дисциплины
|
Лекц.
|
Практ.
Зан.
|
Лаб.
Зан.
|
Семин
|
СРС
|
Все-го
час.
|
1.
|
Особенности роста тонких пленок
|
4
|
|
|
|
4
|
8
|
2.
|
Термическое вакуумное напыление
|
9
|
|
6
|
1
|
20
|
36
|
3.
|
Ионно-плазменное распыление
|
9
|
|
6
|
1
|
20
|
36
|
4.
|
Методы нанесения композиционных покрытий
|
4
|
|
7
|
1
|
20
|
32
|
5.
|
Структура и свойства тонких пленок, методы их контроля
|
4
|
|
7
|
1
|
20
|
32
|
6. Лабораторный практикум
Методы очистки стеклянных подложек;
Исследование свойств тонких пленок (толщины, электрического сопротивления, спектральных характеристик);
Получение пленок методом термического вакуумного напыления;
Получение пленок методом ионно-плазменного распыления;
Получение пленок методом магнетронного распыления;
Получение люминесцентного покрытия методом электрофореза и исследование его свойств.
7. Практические занятия (семинары)
В рамках семинаров заслушиваются и обсуждаются подготовленные студентами рефераты и индивидуальные задания.
Примерные темы рефератов:
Современные методы напыления тонких пленок.
Обзор современных напылительных установок и их основных параметров.
Сравнение и анализ различных методов напыления тонких пленок.
Современные методы исследования параметров тонких пленок.
Применение тонкопленочных технологий.
Контактное и бесконтактное измерение температуры подложек.
Проблемы напыления пленок многокомпонентных оксидных соединений.
Примерные задания:
Расчет скорости напыления в зависимости от давления в диффузионном приближении.
Расчет профиля толщины пленки при термическом испарении из круглого источника.
Расчет профиля толщины пленки при магнетронном распылении при низких давлениях реакционного газа.
Расчет параметров решетки пленок по данным электронной дифракции.
Природа энергичных частиц, эмитируемых мишенью при ионном облучении.
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ)
Курсовые проекты или работы по данной дисциплине не планируются
9. Образовательные технологии и методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Чтение лекций по данной дисциплине проводится как в классической форме, так и с использованием мультимедийных презентаций. Презентация позволяет преподавателю четко структурировать материал лекции, экономить время, затрачиваемое на рисование на доске схем, написание формул и других сложных объектов, что дает возможность увеличить объем излагаемого материала. Кроме того, презентация позволяет очень хорошо иллюстрировать лекцию не только схемами и рисунками, которые есть в учебном пособии, но и полноцветными фотографиями, рисунками, портретами ученых и т.д. Электронная презентация позволяет отобразить физические и химические процессы в динамике, что позволяет улучшить восприятие материала. Студентам предоставляется возможность копирования презентаций для самоподготовки и подготовки к экзамену.
Поскольку лекции читаются для одной группы студентов (20 – 25 чел.) непосредственно в аудитории контролируется усвоение материала основной массой студентов путем тестирования по отдельным модулям дисциплины.
При проведении лабораторного практикума необходимо создать условия для максимально самостоятельного выполнения лабораторных работ. Поэтому при проведении лабораторного занятия преподавателю рекомендуется:
Провести экспресс-опрос (устно или в тестовой форме) по теоретическому материалу, необходимому для выполнения работы (с оценкой).
Проверить планы выполнения лабораторных работ, подготовленный студентом дома (с оценкой).
Оценить работу студента в лаборатории и полученные им данные (оценка).
Проверить и выставить оценку за отчет.
Любая лабораторная работа должна включать глубокую самостоятельную проработку теоретического материала, изучение методик проведения и планирование эксперимента, освоение измерительных средств, обработку и интерпретацию экспериментальных данных. При этом часть работ может не носить обязательный характер, а выполняться в рамках самостоятельной работы по курсу. В ряд работ целесообразно включить разделы с дополнительными элементами научных исследований, которые потребуют углубленной самостоятельной проработки теоретического материала.
При организации внеаудиторной самостоятельной работы по данной дисциплине преподавателю рекомендуется использовать следующие ее формы:
подготовка и написание рефератов, докладов, очерков и других письменных работ на заданные темы.
выполнение домашних заданий разнообразного характера. Это - подбор и изучение литературных источников; подбор иллюстративного и описательного материала по отдельным разделам курса в сети Интернет.
выполнение индивидуальных заданий, направленных на развитие у студентов самостоятельности и инициативы. Индивидуальное задание может получать как каждый студент, так и часть студентов группы.
10. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
Всего по текущей работе студент может набрать 50 баллов, в том числе:
лабораторные работы – 24 баллов (из расчета за 1 лабораторную работу (выполнение, отчет, защита) 8 баллов);
контрольные работы – 21 балла (планируется проведения 3 контрольные работы);
домашнее задание или реферат – 5 баллов.
Зачет проставляется автоматически, если студент набрал по текущей работе не менее 26 баллов. Минимальное количество баллов по каждому из видов текущей работы составляет половину от максимального.
Комплект заданий для самостоятельной работы, тематика рефератов по дисциплине
Самостоятельная работа по дисциплине организуется следующим образом:
Поиск данных в Интернет для пополнения имеющейся на кафедре базы.
Написание реферата. Примерная тематика рефератов приведена ниже. При подготовке реферата рекомендуется использовать современную периодическую литературу и специализированные сайты Интернет.
Комплект контрольно-измерительных материалов для текущего, промежуточного и итогового контроля
Контроль знаний студентов на всех этапах осуществляется путем компьютерного тестирования. Комплект тестовых заданий по дисциплине состоит из 400 заданий – в основном закрытого типа. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает 20 заданий по каждому модулю и генерируется с помощью специальной программы. Время проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно задание. Примеры контрольных тестов по каждому модулю приведен ниже.
Варианты тестовых заданий для контроля учебных достижений студентов
Модули 1-4.
Чтобы увеличить размер «зародышей» следует:
Улучшить вакуум в камере
Понизить температуру подложки
Повысить температуру подложки
Понизить скорость напыления
Каким способом нельзя снизить неравномерность напыляемой пленки?
Увеличение расстояния от источника
Вращение подложки частиц до подложки
Увеличение скорости напыления
Придание подложке сферической формы
Из какого материала рекомендуют изготавливать маски-трафареты?
Нержавеющая сталь
Олово
Свинец
Пластик
Какой из металлов имеет наибольшую скорость распыления при электронно-лучевом методе напыления?
Титан
Вольфрам
Молибден
Алюминий
При каком давлении производится ионное распыление в диодной системе?
760 Торр
порядка 10-3 Торр
менее 10-6 Торр
порядка 10-5 Торр
Что не относится к преимуществам напыления пленок методом ионного распыления?
Большая площадь распыляемой мишени
Мишень представляет собой источник длительного действия частиц наносимого материала
Поток осаждаемых на поверхность подложки частиц является хаотическим
Большая энергия конденсирующихся атомов
Какой способ применяется для распыления диэлектрических материалов?
Радиочастотный магнетрон
Диодная конструкция
Магнетрон
Какой способ применяется для реактивного распыления?
Термический
Диодная конструкция
Магнетрон
Радиочастотный магнетрон
Недостаток реактивного распыления?
Неравномерность наносимой пленки
Внутренние дефекты пленки
Низкая скорость распыления
Шероховатость полученной пленки
В какой области магнетронного распылителя концентрация плазмы наибольшая?
По всех поверхности катода
Возле анода
Во всем промежутке между подложкой и катодом
В области максимальной концентрации электрического и магнитного поля
Модуль 5.
При каком свете измерение толщины пленки методом многолучевой интерферометрии будет точнее?
Красный
Зеленый
Синий
Для чего охлаждают кварцевый датчик?
Для увеличения адгезии пленки
Для исключения погрешности связанной с резонансной частотой кварцевого элемента
Для повышения равномерности пленки
Какой из факторов не влияет на величину адгезии пленки к подложке?
Толщина полученной пленки
Материал пленки
Скорость напыления
Температура подложки
Итоговый экзамен по дисциплине проводится в две ступени:
- тестовый экзамен (32 закрытых задания, каждое задание оценивается в 1 балл), на котором студент должен набрать не менее 26 баллов – оценка «удовлетворительно»;
- письменный экзамен, который проводится по вопросам, приводимым ниже. Экзаменационный билет включает шесть вопросов из приводимого ниже перечня. Ответ на каждый вопрос оценивается из 3 баллов. Студент на письменном экзамене может набрать до 18 баллов.
Результат экзамена (максимум 50 баллов) определяется как сумма тестовой и письменной частей.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ по дисциплине
ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК И ПОКРЫТИЙ
Капиллярная модель зародышеобразования в тонких пленках.
Модель малых зародышей Уолтона и Родина.
Зависимость размера зародыша от природы пленки и подложки.
Роль поверхностной диффузии и энергии связи с подложкой.
Роль температуры и скорости осаждения.
Четыре стадии роста пленки.
Образование дефектов в процессе роста.
Термическое вакуумное испарение. Распределение осажденных пленок по толщине.
Получение тонких пленок вакуумным напылением. Факторы, влияющие на чистоту и равномерность толщины пленок на подложке.
Вакуумное испарение соединений, сплавов, смесей.
Катодное вакуумное распыление: физическое и реактивное.
Устройства и принцип действия электронно-лучевого испарителя.
принцип действия диодной распылительной системы.
Особенности метода ионно-плазменного распыления. Факторы, влияющие на скорость распыления.
Ионно-плазменное высокочастотное распыление диэлектриков.
Влияние условий напыления на структуру и электрофизические свойства пленок.
Особенность и реализация метода магнетронного распыления.
Кольцевой планарный магнетрон, отличия овально-протяженный магнетрон от кольцевого.
Преимущества трехэлектродных и магнетронных систем распыления.
Методы контроля толщины пленок. Резистивный и емкостной методы контроля.
Методы контроля толщины пленок. Цветовой метод определения толщины диоксида кремния.
Методы контроля толщины пленок. Эллипсометрия.
Механические методы измерения адгезии.
Методы измерения напряжений.
11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература:
Основная:
Берлин Е.В., Двинин С.А., Сейдман Л.А. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок. – М.: Техносфера, 2007.
Технология тонких пленок. Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. 1970. Т.1,2.
Минайчев В.Е. Нанесение пленок в вакууме. – М.: Высшая школа, 1989.
Берлин Е.В., Сейдман Л.А. Ионно-плазменные процессы в тонкопленочной технологии. М.: Техносфера, 2010. – 528с.
Пасынков В.В. Материалы электронной техники: Учеб.для вузов по спец.электрон.техники / В.В. Пасынков; В.В.Пасынков, В.С.Сорокин. - 3-е изд. - СПб.: Лань, 2001. 367с.
Кротова Г.Д., Дубровин В.Ю., Титов В.А., Шикова Т.Г. Технология материалов и изделий электронной техники. Лаб. практикум. ГОУВПО ИГХТУ. Иваново. 2007. 156с.
б) дополнительная литература:
Дополнительная:
Минаков В.И., Коган М.З. Производство тонкопленочных микросхем. Учебное пособие. Л.: Энергия, 1973, 176с.
Материаловедение. Технология конструкционных материалов : учеб. пособие для вузов по направлению "Электроника, электротехника и электротехнологии" / А.В. Шишкина и др.; под ред. В. С. Чередниченко. - 2-е изд., перераб. - М. : [Омега-Л] , 2006. - 751 с.
5. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ.
5.1.Базы данных по технологии производства материалов и изделий электронной техники.
в) программное обеспечение
СИСТЕМНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Windows XP, Microsoft Vista
ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Office 2007 Pro, FireFox
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ: СДО Moodle, SunRAV BookOffice Pro, SunRAV TestOfficePro.
Электронные учебные ресурсы:
- тренировочные и контрольные тесты по каждому модулю;
- текст лекций с контрольными вопросами для самопроверки;
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:
-базы данных по технологии производства материалов и изделий электронной техники.
12. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
Лекции по дисциплине проводятся в аудитории, оснащенной видеопроектором. Практические занятия проводятся в дисплейном классе кафедры (10 ПЭВМ типа Pentium).
При проведении лабораторного практикума используется дисплейный класс кафедры (10 ПЭВМ типа Pentium), а так же лаборатория технологии (80 кв.м.) оснащенная стендами и установками для
исследования свойств тонких пленок (толщины, электрического сопротивления, спектральных характеристик);
получения пленок методом термического вакуумного напыления;
получения пленок методом ионно-плазменного распыления;
получения пленок методом магнетронного распыления;
получения люминесцентного покрытия методом электрофореза и исследование его свойств.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки .
Автор (Холодкова Н.В.)
Заведующий кафедрой (Светцов В.И.)
Рецензент (ы)
(подпись, ФИО)
Программа одобрена на заседании научно-методического совета факультета неорганической химии и технологии ИГХТУ от «_____» ________ 201__ года, протокол № ____.
Председатель НМС _______________ (ФИО)
|
