Способ получения проводящего слоя в полиимиде

 

Название: способ получения проводящего слоя в полиимиде. Использование: создание проводящих контактов и термочувствительных элементов для электронной и электротехнической промышленности . Сущность изобретения: для повышения проводимости полиимид облучают последовательно ионами инертного газа с энергией 30-50 кэВ, дозой 10 - 1016 см при плотности ионного тока 10-12 мкА/см2 и затем ионами тяжелых металлов с энергией 90-100 кэВ, дозой 3 1015 - 1017 см 2 при плотности ионного тока 5-7 мкА/см , при этом конкретные значения энергий выбирают исходя из равенства глубин проникновения ионов тяжелых металлов и инертного газа.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 08 J 7/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4771127/05 (22) 22,12.89 (46) 30,11.92. Бюл. 1Ф 44 (71) Физико-технический институт им, А.Ф. Иоффе (72) А.Н.Алешин и А.В.Суворов (56) Патент США N 4491605, кл, 427/38, опублик. 1985.

J. Davenas и др. "Role of the

modifications induced by юп beam irradiation

in the optical and conducting properties of

polyimide". Nuclear Instr and Methods 1и

Physics Research., 1988, ВЗЗ, N 1 — 4, р. 136141. (54) .СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОВОДЯЩЕГО СЛОЯ В ПОЛИИМИДЕ

Изобретение относится к технологии получения тонких проводящих слоев в полимерах, в частности к получению проводящих слоев в термостой ком полимере-полиимиде путем ионного облучения. Данные пленки используются для создания проводящих приконтактных областей, а также в качестве термочувствительных элементов, Полиимид является одним из широко распространенных полимеров, обладающий высокой (до 550 С) термостойкостью и устойчивостью к агрессивным средам. Материалы класса полиимидов являются типичными диэлектриками и используются в качестве гибких диэлектрических подложек в устройствах микроэлектроники. Вместе с тем перспективным является использова Ы 1778118 А1 (57) Название: способ получения проводящего слоя в полиимиде. Использование: создание проводящих контактов и термочувствительных элементов для электронной и электротехнической промышленности. Сущность изобретения: для повышения проводимости полиимид облучают последовательно ионами инертного газа с энергией 30 — 50 кэВ, дозой 10 — 10 см при плотности ионного тока 10 — 12 мкА/см и затем ионами тяжелых металлов с энергией 90 — 100 кэВ, дозой 3 10 — 10

-2 см при плотности ионного тока 5 — 7 мкА/см, при этом конкретные значения энергий выбирают исходя из равенства глубин проникновения ионов тяжелых металлов и инертного газа. ние данного материала и в качестве проводящего.

Известные в настоящее время способы повышения проводимости полиимида, например, химическое легирование. ионное облучение, не позволяет увеличить значение проводимости выше 400 Ом см .

В связи с этим актуальным является дальнейшее усовершенствование указанных методов с целью получения в полиимиде слоев с повышенной проводимостью, приближающейся к проводимости традиционных металлических проводников, Известен способ получения проводящих слоев в полиимиде, включающий облучение пленки исходного полиимида (толщиной 125 мм) легкими ионами газа— азота с энергией 0,3-1,0 МэВ в вакууме 4

10 Торр. При этом исходный полиимид ра1778118 зогревается под действием облучения до

300-400 С. Слои, полученные в полиимиде данным способом, представляют собой тонкие толщиной до 1 мкм разупорядоченные области вблизи поверхности. Проводимость таких слоев зависит от энергии (Е) дозы облучения (0) и ионного тока (j} и для интервала энергии 0.3-1,0 МэВ дозы 1017 см 2 и плотности ионного тока 0,5 мкА/см состав2 ляет порядка 100 Ом 1 см 1.

Таким образом, недостатком слоев, полученных по способу-аналогу, является невысокая проводимость при комнатной температуре азоо

Известен также наиболее близкий по технической сущности и достигаемому положительному эффекту способ формирования проводящих слоев в полиимиде, принятой за прототип, включающий облучение исходного полиимида ускоренными легкими ионами инертного гака-неона (Ne) c энергией 150 кэВ, с дозой 2 10 см и ионным током плотностью 0,5-2 мкА/см2 в вакууме 10 Торр.

Преимуществом прототипа перед аналогом является более высокое значение проводимости облученного слоя, ее величина составляет 280 Ом cM ".

Вместе с тем недостатком пленок, полученных по способу-прототипу, является низкая, по сравнению с традиционными проводящими материалами, проводимость . 30ок

Известно облучение полиимида и ионами тяжелых инертных газов Хе; Кг, но и тогда озеро, непревышает4200м" см

Целью изобретения является повышение проводимости формируемого слоя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения проводящего слоя B полиимиде, включающем облучение исходного полиимида легкими ионами инертного газа, согласно формуле изобретения, упомянутое облучение проводят ионами с энергией 30-50 кэВ. дозой 10

10 см 2 при плотности ионного тока 10-12 мкА/см, после чего полиимид дополнительно облучают ионами тяжелых металлов с энергией 90-100 кэВ, дозой 3 101 -10 см2 при| плотности ионного тока 5-7 . мкА/см2, при этом конкретные значения энергий из укаэанных диапазонов выбирают исходя из равенства глубин проникновения ионов тяжелых материалов и инертного газа.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в результате первого этапа облучения достигается необходимая

15 глубина разупорядочения полиимида и обеспечение стока зарядов в процессе легирования. а в результате второго этапа — карбонизация и легирование. Все это приводит к повышению проводимости озоо <

Одним из существенных признаков заявленного способа является энергия облучения легкими инертными ионами инертного газа. Она должна лежать в интервале 30-50 кэВ.

Как было установлено авторами, при таких энергиях облучения происходит эффективное разупорядочение поверхности полиимида на необходимую глубину, При энергиях, лежащих < 30 кэВ, проводимость получаемых пленок ниже, чем у прототипа, а при энергиях выше 50 кэВ происходит локальный пробой облучаемой пленки, что ведет к сильным неоднородностям

20. азоо „на поверхности полиимида.

Следующим необходимым признаком является величина плотности ионного тока, которая должна ограничиваться интервалом 10-12 мкА/см2.

25 Превышение верхней границы интервала плотности тока приводит к перегреву облучаемой пленки и к процессу ее термического разложения.

При более низких, чем 10 мкА/см2, плот30 ностях тока происходит недостаточный нагрев пленки, что ведет к низкой эффективности разупорядочения.

Также необходимым признаком является доза облучения инертным газом — она

35 должна лежать в интервале 10 -10 6см .

При дозах меньше 10 см не образуется проводящий слой на поверхности полиимида, вследствие отсутствия стока зарядов при последующем облучении.

40 Использование доз более 10 6 см является нецелесообразным, поскольку это не приводит к дальнейшему увеличению

° (гзоо к в данном интервале энергий.

Кроме того, существенным для достиже45 ния цели изобретения является дополнительное облучение полиимида ионами тяжелых металлов.

При этом существенным признаком является энергия облучения, которая должна

50 лежать в интервале 90-100 кэВ.

При энергиях, меньших 90 кэВ не происходит достаточного нагрева, необходимого для карбонизации и легирования приповерхностного слоя полиимида.

При энергиях, больших 100 кэВ глубина проникновения ионов металла не будет соответствовать глубине проникновения ионов инертного газа. Кроме того, будет происходить большое выделение энергии, 1778118 которое ведет к термическому разложению пленки полиимида.

Следующим необходимым признаком является величина плотности ионного тока, которая должна ограничиваться интервалом 5 — 7 мкА.

Превышение верхней границы интервала плотности тока приводит к локальному перегреву пленки и к процессу ее термического разложения.

При более низких, чем 5 мкА/см плотностях тока. выделяемая при облучении мощность является недостаточной для карбонизации.

Также необходимым признаком является доза облучения ионами тяжелых металлов (например, Оа ), она должна ограничиваться интервалом 3 10 — 10 см .

При дозах меньших 3 10 см г не на. блюдается значительного легирования и

Озоок при этом не превосходит изоо к прототипа.

При дозах, превышающих 10 см, наблюдается насыщение значений озоо»., а также локальный перегрев и деструкция пленки.

Таким образом, для достижения цели изобретения критическим являются не только значения энергий, доз и плотности ионного тока при облучении легкими ионами инертного газа. но и значения энергий, доз и плотности ионного тока при облучении ионами тяжелых металлов, что свидетельствует о существенности перечисленных признаков способа. Повышение проводимости получаемого слоя происходит только при соответствии режимов облучения заявленным интервалом.

Авторами впервые было установлено, что последовательное облучение полиимида сначала легкими ионами инертного газа, а затем ионами тяжелых металлов при строго определяемых режимах предлагаемого способа формирует слои с более высокой проводимостью.

Что касается предлагаемых режимов первичного и дополнительного облучения, то закономерность влияния их на повышение проводимости также не была известна, а установлена авторами впервые экспериментально.

Таким образом, предложенный способ представляет собой новую совокупность неразрывных существенных признаков, которая приводит к проявлению нового свойства — обеспечению в облученных слоях одинаковой глубины проникновения легких ионов инертного газа и ионов тяжелых металлов, приводящего к новому положительному эффекту — повышению проводимости до величины 1100 Ом см

Дополнительно сущность изобретения иллюстрируется фигурой, на которой представлена зависимость проводимости формируемого слоя от дозы облучения галлием.

Примеры конкретной реализации, 1, Получение проводящего слоя в пол10

Для измерения проводимости использовались универсальные цифровые приборы

ЩЗОО, Щ68003, В7 — 21, источник питания

65 — 49.

Значения проводимости облученных слоев ПМ: Аг: Ga, как видно из фигуры, возрастала с ростом дозы облучения Ga u достигали величины 1,1 - 10 Ом 1 см 1 при

0аа = 1 10 см- . Значения озоо» более

17 г чем в 2 раза превышают значения озоо к, полученные при облучении ионами инертных газов.

S5 имиде проводилось в рабочем объеме установки ИЛУ-Ч. В качестве исходного материала использовалась пленка промыш. ленного полиимида марки ПМ, толщиной 40

15 мкм, которая закреплялась в держателе. Облучение исходного полиимида проводилось последовательно ионами разных типов в вакууме 105 тор, В качестве легких ионов инертного газа

20 использовались ионы Ar, а в качестве ионов тяжелого металла — ионы Ga .

Облучение ионами Аг велось с Е = 40 кэВ, 0 = 10 см, j = 10 мкА/смг.

Затем полиимид дополнительно облу25 чался ионами Ga+ с Е = 90 кэВ, 0 = 3 1015—

10 см, J = 7 мкА/см,.

При этих условиях глубины проникновения ионов Ar и ионов Ga, согласно данным для кристаллических полупроводников, со30 измеримы и составляли порядка 500А.

Для измерения проводимости на поверхность слоев ПИ методом термического напыления в вакууме 10 Торр наносились золотые контакты, к которым крепились

35 подводящие провода.

Измерения велись в планарной геомет. рии, при этом величина проводимости изотропного слоя определялась по формуле

1 1

o= — =—

40 R md где р- удельное сопротивление облученного слоя (Ом см);

R — сопротивление слоя (Ом):

I — длина слоя (см);

45 m — ширина слоя (см);

d — толщина слоя (см);

1778118

В полном соответствии с вышеописанным примером проводилось получение проводящих слоев и при других режимах облучения, входяиуих в интервалы, указанные в формуле из бретения. Данные по ре- 5 жимам и параметрам и.-:лученных слоев приведены в табл,1.

Таким образом, KBK ви.. о из данных, приведенных в табл.1, увеличивается более чем в 3 раза по сравнению со способом-про- 10 тотипом и величина проводимости приближается к величине материалов с металлическим характером проводимости.

Это стало возможным в результате сформирования при ионном облучении осо- 15 бой структуры проводящих слоев, в которой глубины проникновения ионов при первом и втором облучении совпадают.

Кроме того, достоинством предлагаемого способа является высокая однородность 20 в проводимости полученн „х слоев и воспроизводимость их параметров. Необходимо также отметить высокук временную стабильность свойств полученных слоев.

2, В ходе дальнейших исследований ав- 25 торами проводилось облучение полиимида другими различными типами ионов инерт+, + ного газа (Ne и тяжелых металлов (in, Pd ). Что касается режимов этих облучений, то они варьировались в пределах, представ- 30 ленных в формул.-; изобретения. При этом достигалось /величение проводимости вплотьдо ag3 ==- ;0 О:: с;:, . чтоаналогично значению провод. .::.,с и, приведенному в примере конкреп ой реализации описания изобретения, Пр,,сг".âëåèèå таблиц, аналогичных приведенным в первоначальных материалах за"";âêè, считаем нецелесообразным, поскольку они носят тождественный хара:<тер и не привносят принципиально íовой. информации, 3. Методика пс:,.бора оежимов облучения, обеспе ..;лающих равенство глубин проникновения различных ионов, заключается в следующем:

1) задается условие — создание в полиимиде проводящего слоя определенной глубины путем облучения ионами;

2) исходя из формулы, описывающей максимальный пробег ионов

Нмакс = Rp + ЬВр + А (2) где Rp — проецируемый пробег ионов при определенной энергии облучения, hRp — разброс по уровню 0 5 — распределения, А — погрешность (А м 30 А) определяется энергия облучения мишени при условии равенства RM>«для разных видов ионов.

Например, для ионов Аг+ и Ga+, указанных в примере конкретной реализации, при выбранной глубине RìÂêñ и 550 А, энергия облучения (Е) составляет (данные приведены в табл,2).

3) После чего производится формирование проводящего слоя.

Формула изобретения

Способ получения проводящего слоя в полиимиде путем облучения его ускоренными легкими. ионами инертного газа, о т л и ча ю шийся тем, что, с целью повышения проводимости получаемого слоя, облучение проводят ионами с энергией 30 — 50 кэВ, дозой 10 — 10 см при плотности ионного тока 10 — 12 мкА/см после чего полиимид

2, дополнительно облучают ионами тяжелых металлов с энергией 90-100 кэВ, дозой 3

10 — 10 см при плотности ионного тока

5 — 7мкА/см, при этом конкретные значения

2 энергий выбирают исходя из равенства глубин проникновения ионов тяжелых металлов и инертного газа.

1778118

Табли ца 1

3gо > з00к мкд/см Ом см

ЗА мкд/сма

Ео а кэВ ядр+ е см-2

Е „+ кэВ

10 10 6 1100

1110 термическое охлаждение

40

10 6

10

10 6

10"

10 6

10

10

10

10

90

40 деструкция пленки

Табли На2

Составитель Л.Платонова

Техред М.Моргентал Корректор З.Салка

Редактор

Заказ 4162 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

3 10»

10"

3 1041

11

12

110

3 1О

10 6

10п

3 10

1010 деструкция пленки

15 1100.

1140 термическое разложение

1110 деструкция пленки

1100 термическое разложение

1110