Способ нанесения тонких полимерных слоев на поверхность твердых тел

 

Изобретение относится к технологии нанесения полимерных покрытий и может быть использовано в электронной технике для нанесения диэлектрических и защитных слоев, межслойной изоляции, резистов, в оптике, медицинской технике и т.д. Способ состоит в том, что полимер пленки формируется непосредственно из мономера путем его полимеризации из паровой фазы под действием пучка электронов. Процесс проводят при давлениях паров мономеров 1-30 Торр, энергиях электронов в пучке 5-100 кэВ, токах в пучке 0,5-20 мкА. Скорости роста пленок повышаются и составляют при этом 1-10³ нм/мин при коэффициенте полезного использования энергии излучения 1-5%. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области химии полимеров и может быть использовано в электронной технике, например, для нанесения диэлектрических и защитных слоев, межслойной изоляции, резистов и т.п.

Известны способы нанесения тонких полимерных пленок на твердые субстраты путем полимеризации мономеров под действием УФ-света (A.N.Wright. US Patent 3635750, 1972. A.N.Wright and R.C.Merrill. US Patent 3743532, 1973).

Однако при использовании этих методов: 1) средний коэффициент полезного использования энергии излучения очень мал и не превышает 0,1%; 2) при интенсивностях света, обеспечивающих приемлемые скорости роста пленок (≥10 нм/мин), имеет место сильный (на 150-200^oС) разогрев субстратов, что требует их специального охлаждения.

Наиболее близким к заявляемому является (I.Haller and P. White. J. Phys. Chem, v. 67, p.1784, 1963) способ нанесения тонкого слоя полибутадиена под действием пучка электронов с энергией 250 эВ в условиях, когда пары мономера находятся в той же камере, что и катод-эмиттер электронов, в связи с чем давление паров мономера не превышало 3,10^-4 Торр.

Однако известный способ (прототип) имеет серьезные недостатки, поскольку скорости роста полимерной пленки ничтожно малы и не превышают 0,1 нм/мин, в связи с чем упомянутый способ не представляет технологического интереса.

Технической задачей заявляемого способа является значительное повышение скорости роста наносимых полимерных пленок при приемлемых коэффициентах полезного использования энергии излучения (1-5%).

Поставленная техническая задача достигается тем, что субстрат, на который наносится полимерная пленка, помещается в рабочую камеру с парами мономера, отделенную от камеры с эмиттером электронов специальной мембраной, через которую вводится пучок электронов, инициирующий полимеризацию мономера на поверхности субстрата. При этом давление паров мономера в рабочей камере составляет от 10^-2 до 10 Торр, энергия пучка электронов 1-1000 кэВ, плотность тока электронного пучка, падающего на поверхность субстрата, 0,1-1000 мкА/см². При этом скорость роста полимерных пленок составляет 1-10⁴ нм/мин, а средний коэффициент полезного использования энергии электронного пучка 1-5%.

Предпочтительно, процесс ведут при давлении паров мономера 1-100 Торр, энергии пучка электронов 1-100 кэВ, плотности тока электронного пучка, падающего на поверхность твердого тела, 1-1000 мкА/см².

Предлагаемый способ нанесения тонких полимерных слоев реализован следующим образом.

1. Внутрь металлической вакуумной ячейки с тонкой мембраной размером 2х2 мм на расстоянии 5 мм от мембраны помещается твердый субстрат в виде пластины монокристаллического кремния или той же пластины с поверхностным слоем диоксида кремния, или алюминиевой фольги, или слоя золота, напыленного на кремний, и т.п. Ячейка вакуумируется при комнатной температуре, после чего в нее вводят пары метилметакрилата при давлении 10 Торр и пучок электронов с энергией 40 кэВ, сфокусированный на всю площадь мембраны, при токе в пучке 1 мкА. После облучения в течение 23 мин на поверхности пластины формируется однородная пленка из полиметилметакрилата диаметром около 4 мм. Центральная часть пятна диаметром около 3 мм имеет толщину около 0,15 мкм, причем толщина пятна слабо зависит от природы субстрата. Скорость роста пленки в ее центральной части (w) составила около 6 нм/мин, средний коэффициент полезного использования энергии излучения (k) - около 1%.

2. В ту же, что и в примере 1, вакуумную ячейку с мембраной с помещенным в нее субстратом (из перечисленных в примере 1) вводят пары тетрафторэтилена при давлении 5 Торр и сфокусированный на мембрану пучок электронов с энергией 20 кэВ при токе в пучке 6 мкА. Время облучения составило 25 мин. Получено однородное пятно политетрафторэталена толщиной в центральной части около 0,3 мкм, w=12 нм/мин, k≈5%.

3. В качестве мономера использовали стирол. При давлении паров 5 Торр, энергии электронов 40 кэВ, токе в пучке 6 мкА, времени облучения 40 мин получена полимерная пленка толщиной 2 мкм. w=50 нм/мин и k≈1%.

4. В качестве мономера использовали метилакрилат. При давлении паров 8 Торр, энергии электронов 20 кэВ, токе в пучке 6 мкА, времени облучения 12 мин получена полимерная пленка толщиной 1 мкм, w=80 нм/мин и k≈5%.

5. В качестве мономера использовали метилакрилат. При давлении паров 25 Торр, энергии электронов 40 кэВ, токе в пучке 6 мкА, времени облучения 20 мин получена полимерная пленка толщиной 10 мкм, w=500 нм/мин, k≈30%.

Использование предлагаемого способа позволяет получать однородные полимерные пленки различной толщины непосредственно из мономера в одну стадию без использования каких-либо растворителей при достаточно высоких скоростях роста пленок (до 10⁴ нм/мин) и приемлемых значениях коэффициента полезного использования энергия излучения (до 5%).

Формула изобретения

1. Способ нанесения тонких полимерных слоев на поверхность твердых тел путем формирования пленки непосредственно из мономера при его полимеризации из паровой фазы под действием пучка электронов, отличающийся тем, что процесс проводят в рабочей камере, отделенной от источника электронов, при давлениях паров мономера 10^-2-10³ Торр, энергии пучка электронов 0,1-1000 кэВ, плотности тока электронного пучка, падающего на поверхность твердого тела, 0,1-1000 мкА/см².

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс ведут при давлении паров мономера 1-100 Торр, энергии пучка электронов 1-100 кэВ, плотности тока электронного пучка, падающего на поверхность твердого тела, 1-1000 мкА/см².