Технология диэлектрических материалов (стр. 1 )

Технология диэлектрических материалов

Диэлектрические материалы наряду с полупроводниковыми и проводящими материалами являются неотъемлемой составной частью производства приборов и элементов микро-, опто - и наноэлектроники. Каждый материал, используемый в современном изделии электронной техники, выполняет определенную функциональную роль, что подразумевает наличие у него конкретных механических, физико-химических и электрофизических свойств. В общем и целом, основной физической нагрузкой для диэлектрических материалов является выполнение пассивных изолирующих функций. Также можно выделить обособленный класс диэлектрических материалов, которым присущи и активные функции – это, так называемые, сегнетоэлектрики. Вышеперечисленные свойства диэлектрических материалов зависят от химического состава и структурной организации образующих данный материал элементов. В конечном итоге параметры диэлектрика будут определяться химическим составом и технологией его изготовления. В этой связи технологические аспекты синтеза диэлектрических материалов являются доминирующими в материаловедении микро-, опто - и наноэлектроники.

Для понимания и восприятия достаточно объемной области технологии диэлектрических материалов можно попытаться структурировать содержательную часть по конфигурации материалов, их структуре и особенностям технологии.

По конфигурации диэлектрические материалы в зависимости от их назначения можно разделить на объемные, пленочные и кластерные. Последние представляют из себя одно - и нульмерные объекты с ограниченными областями использования, в основном это фотоника и наноэлектроника.

В зависимости от физико-химических свойств и требуемых характеристик технология диэлектрических материалов может включать в себя несколько этапов. Вначале осуществляется формовка материала для придания ему требуемых геометрических размеров и требуемого состава, например, нанесение пленок или смешение необходимых компонентов. Далее проводится обработка материала, например отжиг, с целью получения заданных электрофизических характеристик.

Наряду с химическим составом, структура диэлектрических материалов является определяющим фактором в технологии диэлектриков. От структуры материала зависят все его основные свойства: механические, химические, физико-химические, электрофизические. По структуре диэлектрические материалы можно разделить на следующие группы:

1.  Стеклообразные материалы.

2.  Стеклокристаллические материалы.

3.  Поликристаллические материалы.

4.  Монокристаллические материалы.

5.  Композиты.

Последняя группа – композиты – включает в себя значительную часть диэлектрических материалов, представляющих поликристаллические многофазные системы, состоящие из нескольких материалов с различными свойствами. В частности, к композитам относятся керамические и металлокерамические материалы.

Для более глубокого понимания задач технологии диэлектрических материалов необходимо рассмотреть природу диэлектрического состояния вещества и основные характеристики таких материалов.

Диэлектрические свойства материалов

По величине электропроводности все вещества можно разделить на три группы: проводники – вещества с удельной электропроводностью большей 105 Ом‑1см-1; полупроводники – вещества с удельной электропроводностью от 10‑9 Ом-1см-1 до 105 Ом-1см-1 и диэлектрики – вещества с удельной электропроводностью меньшей 10-9 Ом-1см-1. Такое деление веществ является условным, поскольку одно и то же вещество в различных условиях может менять величину электропроводности. Кроме того, для отнесения материала к той или иной группе существенное значение имеет знак коэффициента зависимости проводимости от температуры. Например, многие диэлектрики при высоких температурах являются проводниками, а проводники, переходя в газообразное состояние, превращаются в диэлектрики.

Различие в величине электропроводности веществ определяется различием в типе химической связи составляющих материал элементов и, как следствие, в прочности связей электрически заряженных частиц с кристаллической решеткой. Если положительные и отрицательные заряды слабо связаны, то они могут свободно перемещаться под действием электрического поля на значительные расстояния. Проводники и полупроводники имеют большую по сравнению с диэлектриками концентрацию таких слабо связанных зарядов, что обеспечивает их относительно высокую электропроводность. Если заряды в веществе прочно связаны друг с другом, то под действием внешнего электрического поля они могут лишь смещаться друг относительно друга, что приводит к возникновению в веществе внутреннего электрического поля противоположной направленности. Данное явление называют поляризацией и оно является характерной особенностью диэлектриков.

Молекулы, из которых состоят диэлектрические вещества, можно разделить на два типа. У одних молекул в отсутствие электрического поля центры тяжести составляющих их положительных и отрицательных зарядов совпадают, а у других нет. В целом, те и другие молекулы нейтральны, однако у молекул второго типа положительные заряды несколько смещены относительно отрицательных, что позволяет представить структуру таких материалов в виде диполей с электрическим (дипольным) моментом. Такие диэлектрики называют полярными. Вещества, состоящие из недипольных молекул, называются, соответственно, неполярными. В зависимости от химического состава и структуры вещества природа механизма поляризации диэлектриков различна. Можно выделить три основные вида поляризации в зависимости от способа образования диполей в материале.

1.  Электронная поляризация – смещение электронных оболочек атомов или ионов относительно тяжелых неподвижных ядер. Этот вид поляризации присущ всем диэлектрикам.

2.  Атомная поляризация – смещение атомов, составляющих молекулу, относительно друг друга. Данный вид поляризации характерен для ионных кристаллов.

3.  Ориентационная поляризация – наблюдается в молекулярных кристаллах, состоящих из дипольных молекул, изменяющих свое положение при приложении внешнего электрического поля.

В некоторых кристаллических диэлектриках, образованных из дипольных молекул, поляризованное состояние сохраняется независимо от наличия внешнего электрического поля. Такая поляризация, в отличие от наведенной (индуцированной), называется спонтанной (самопроизвольной). Диэлектрики со спонтанной поляризацией образуют класс сегнетоэлектриков.

Совокупность полей атомов, молекул или ионов при упругой поляризации диэлектрика и ориентированных диполей при релаксационной поляризации диэлектрика образует обратное поле поляризации, которое всегда меньше внешнего электростатического поля. Отношение напряженности поля в вакууме к напряженности поля в диэлектрике называется диэлектрической проницаемостью ε и является основной характеристикой диэлектрика, показывающей во сколько раз ослабевает взаимодействие электрических зарядов при переносе их из вакуума в диэлектрическую среду, если расстояние между зарядами остается неизменным. На практике диэлектрическая проницаемость определяется отношением:

,

где Сд – емкость конденсатора с диэлектриком; С0 – емкость конденсатора с воздухом (или вакуумом).

В переменном электрическом поле между диэлектрической поляризацией, определяемой как дипольный (электрический) момент единицы объема, и напряженностью поля существует сдвиг фаз, который приводит к возникновению диэлектрических потерь. В этом случае диэлектрическая проницаемость является комплексной функцией частоты ω и определяется выражением

ε(ω) = ε΄(ω) + jε˝(ω) ,

причем диэлектрические потери пропорциональны ее мнимой части ε˝(ω), а емкость – действительной ε΄(ω). Отношение ε˝(ω)/ε΄(ω), характеризующее отношение энергии, потерянной в диэлектрике, к энергии, запасенной в нем за тоже время, называется тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ.

Для каждого диэлектрического материала существует предельное значение напряженности поля Епр, при котором возникает пробой и диэлектрик теряет свои изолирующие свойства. Епр, tgδ и ε являются основными характеристиками диэлектрика и зависят от химического состава, структуры материала, типа и количества входящих в него примесей, что, в свою очередь, непосредственно связано с технологией получения данного материала. И наоборот, варьируя химический состав диэлектрика, его структуру, количество и распределение в нем примесей, можно получать диэлектрические материалы с заранее заданными свойствами, при этом уровень и соблюдение технологических операций играет основную роль при производстве конкретных изделий для микро-, опто - и наноэлектроники.

Стеклообразные диэлектрические материалы

Краткая историческая справка. Стекло – один из самых древних материалов, которые человечество использует на всем протяжении развития цивилизации. Первоначально были известны природные стекла: обсидианы (стекла вулканического происхождения), тектиты (стекла космического происхождения), янтарь. Изготавливать стекла и изделия из него человечество начало несколько тысяч лет назад. На протяжении веков производство стекла совершенствовалось, использовались все новые материалы для его производства, но долгое время процесс производства оставался искусством, секреты которого передавались из поколения в поколение. В настоящее время трудно назвать какую-либо из отраслей материального производства, в которой изделия из стекла не используются. Также трудно оценить и общий объем мирового производства стекла. Строительная промышленность, производство бытовых товаров, химическая посуда, электротехническая промышленность, микроэлектроника, оптика, декоративные материалы – это далеко не полный перечень производителей и потребителей стеклообразных материалов. Такая большая распространенность обусловлена широким диапазоном свойств стекла, которые можно изменять в широких пределах, варьируя его состав.

В России переход в изготовлении стекла от ремесленничества к научному его производству связан с именами двух выдающихся отечественных химиков: и . впервые связал свойства стекол с их химическим составом и в 1754 г по его инициативе в России была построена первая стекольная фабрика.