ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2021 года по МПК H01L31/465 H01L33/62 

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в оптических элементах из оптической керамики для коммутации элементов электрических схем оптико-электронных приборов, в том числе космического назначения, создания контактных электродов и электрообогрева входных окон из оптической керамики.

В настоящее время в оптоэлектронике широко используют оптические элементы из оптической керамики, которая прозрачна в видимом и инфракрасном диапазонах спектра в интервале длин волн от 0,5 мкм до 13 мкм и в этой области не имеет полос поглощения.

Однако оптические элементы из оптической керамики не могут быть использованы в оптико-электронных системах для коммутации элементов электрических схем, создания контактных электродов и электрообогрева, так как до настоящего времени не разработаны электропроводящие покрытия на поверхностях из оптической керамики. Известные электропроводящие покрытия для оптических элементов (ОСТ 3-1901-95. Покрытия оптических деталей. С.72-74) предназначены для применения на поверхностях из оптического и кварцевого стекла и не могут применяться на поверхностях из оптической керамики ввиду слабой адгезии к ней.

Известно электропроводящее покрытие, описанное в способе создания электропроводящих покрытий на диэлектрических деталях электровакуумных приборов (Авторское свидетельство СССР SU 860166, опубликовано 30.08.1981, МПК H01J 9/20), состоящее из индия или сплавов на его основе, нанесенных на такие диэлектрические подложки, как стекло, фотоситалл, кварц, корунд, лейкосапфир, слюда, монокристаллы фторидов металлов, керамика ГБ-7 и 22Хс.

Известны также металлические электропроводящие покрытия, находящие применение в микроэлектронике в качестве токопроводящих дорожек микросхем (Технология тонких пленок (справочник). Под ред. Л. Майселла, Р. Глэнга. Нью-Йорк. Пер. с англ. Под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко, Т.2. М, «Сов. радио», 1977, с. 729, Б. Межсоединения, с. 730, В. Типичные материалы), которые состоят из металлического токопроводящего слоя, расположенного на подложке из кремния.

Прототипом является металлическое электропроводящее покрытие, описанное в способе создания токопроводящих дорожек (Патент RU 2494492, МПК H01L 21/28, опубликован 27.09.2013, фиг. 1). Электропроводящее покрытие (токопроводящая дорожка) на подложке из неоптической керамики (оксид алюминия, нитрид алюминия) содержит адгезионный слой из хрома, токопроводящий слой из меди, барьерный слой из никеля, служащий для защиты токопроводящего медного слоя от окисления и ограничения миграции атомов меди, и контактный слой из золота, служащий для пайки.

Общим недостатком аналогов и прототипа является то, что используемые при их получении металлы - как с хорошей электропроводимостью (алюминий, медь, серебро, индий), так и хром, используемый в качестве адгезионного слоя, обладают плохой адгезией к оптической керамике, в частности к селениду цинка и сульфиду цинка вследствие слабости сил межмолекулярного взаимодействия между ними.

Кроме того, вследствие больших внутренних напряжений использование меди в качестве токопроводящего слоя толщиной более 1000 нм в составе электропроводящего покрытия на оптической керамике, полученного методами напыления в вакууме, приводит к разрушению покрытия. Электропроводящие покрытия на оптической керамике из материалов, используемых в прототипе, непрочны, склонны к отслаиванию (не выдерживают испытания на адгезию по ГОСТ Р ИСО 9211-4-2016) и не выдерживают термического воздействия при пайке.

Также недостатком является то, что высокая миграционная активность атомов меди, используемой в качестве токопроводящего слоя, требует наличия в электропроводящем покрытии дополнительного барьерного слоя.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка электропроводящего покрытия на деталях из оптической керамики с заданным электрическим сопротивлением от 0,5 до 20 Ом, обладающего хорошей адгезией к подложкам из оптической керамики, выдерживающего термическое воздействие при пайке.

Техническая задача решается тем, что электропроводящее покрытие, содержащее нанесенные на подложку из керамики адгезионный, токопроводящий и контактный слои, согласно настоящему изобретению, дополнительно содержит буферный слой, выполненный из хрома, который расположен между адгезионным и токопроводящим слоями, и имеет хорошее сцепление с ними, при этом подложка выполнена из оптической керамики, адгезионный слой выполнен из оксида иттрия, а токопроводящий слой выполнен из алюминия. Подложка из оптической керамики может быть выполнена из селенида цинка или из сульфида цинка.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого электропроводящего покрытия (поперечный разрез).

Электропроводящее покрытие содержит нанесенные в вакууме на подложку 1 из керамики адгезионный 2, токопроводящий 4 и контактный 5 слои.

Отличием предлагаемого покрытия является то, что подложка 1, выполненная из оптической керамики, дополнительно содержит буферный слой 3, выполненный из хрома толщиной от 20 до 30 нм, который расположен между адгезионным 2 и токопроводящим 4 слоями.

Подложка 1 из оптической керамики может быть выполнена из селенида цинка или из сульфида цинка.

Адгезионный слой 2 выполнен из оксида иттрия толщиной от 8 до 20 нм, который обеспечивает надежное сцепление электропроводящего покрытия с подложкой 1 из оптической керамики.

Токопроводящий слой 4 выполнен из алюминия толщиной от 1000 до 5000 нм, обеспечивающего электропроводные характеристики покрытия. Токопроводящий слой из алюминия не требует нанесения барьерного слоя, так как по сравнению с медью алюминий не обладает большой миграционной подвижностью атомов.

Контактный слой 5 выполнен из меди толщиной от 100 до 150 нм и обеспечивает пайку электрических проводов припоями на основе олова.

Оптимальные толщины адгезионного, буферного, токопроводящего и контактного слоев, в составе электропроводящего покрытия, определены экспериментально.

Пример конкретного выполнения.

На подложку 1 из селенида цинка, размещенную в камере вакуумной установки, при давлении не менее 10^-3 Па и температуре не менее 150°С методом электронно-лучевого испарения в вакууме напыляют адгезионный слой 2 толщиной 10 нм из оксида иттрия, обладающего хорошей адгезией к селениду цинка.

После этого тем же методом при тех же условиях напыляют буферный слой 3 толщиной 25 нм из хрома, имеющего хорошее сцепление как с оксидом иттрия, так и с алюминием.

Затем при тех же условиях методом электронно-лучевого испарения в вакууме напыляют токопроводящий слой 4 толщиной 2700 нм из алюминия, имеющего высокую электропроводимость (ρ=0,028 Ом×мм²/м). Необходимая толщина токопроводящего слоя 4 рассчитана исходя из площади его сечения и заданного сопротивления (5 Ом).

Далее при тех же условиях методом электронно-лучевого испарения в вакууме поверх токопроводящего слоя 4 напыляют контактный слой 5 толщиной 100 нм из меди, обеспечивающий пайку припоями на основе олова.

Адгезионный слой 2 обеспечивает необходимое сцепление буферного слоя 3 с подложкой 1 из оптической керамики.

Буферный слой 3 обеспечивает необходимое сцепление между адгезионным 2 и электропроводящим 4 слоями.

Токопроводящий слой 4 обеспечивает необходимое значение электросопротивления.

Контактный слой 5 обеспечивает надежную пайку электрических проводов припоями на основе олова.

Предлагаемое электропроводящее покрытие, содержащее, нанесенные на подложку из оптической керамики (селенид цинка, сульфид цинка), адгезионный, буферный, токопроводящий и контактный слои, существенно превосходит покрытие-прототип по достигаемым эксплуатационным характеристикам, так как выдерживает испытание на адгезию по методу 02 ГОСТ Р ИСО 9211-4-2016 (интенсивность нагрузки 02), выдерживает термическое воздействие при пайке до температуры 250°С за счет применения адгезионного и буферного слоев.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения, благодаря наличию в электропроводящем покрытии адгезионного, буферного, токопроводящего и контактного слоев из предлагаемых материалов, позволяет получить электропроводящее покрытие с хорошей адгезией к подложкам из оптической керамики, выдерживающее термическое воздействие до 250°С и обеспечивающее коммутацию элементов электрических схем оптико-электронных приборов, в том числе космического назначения, создание контактных электродов и электрообогрев входных окон из оптической керамики.

Изобретение может быть использовано в оптических элементах из оптической керамики для коммутации элементов электрических схем оптико-электронных приборов, в том числе космического назначения, создания контактных электродов и электрообогрева входных окон из оптической керамики. Электропроводящее покрытие содержит нанесенные на подложку из керамики адгезионный, токопроводящий и контактный слои. Покрытие дополнительно содержит буферный слой, выполненный из хрома, который расположен между адгезионным и токопроводящим слоями и имеет хорошее сцепление с ними, при этом подложка выполнена из оптической керамики, адгезионный слой выполнен из оксида иттрия, а токопроводящий слой выполнен из алюминия. Подложка из оптической керамики может быть выполнена из селенида цинка или из сульфида цинка. Использование изобретения позволяет получить электропроводящее покрытие с хорошей адгезией к подложкам из оптической керамики, выдерживающее термическое воздействие до 250°С. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электропроводящее покрытие, содержащее нанесенные на подложку из керамики адгезионный, токопроводящий и контактный слои, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит буферный слой, выполненный из хрома, который расположен между адгезионным и токопроводящим слоями и имеет хорошее сцепление с ними, при этом подложка выполнена из оптической керамики, адгезионный слой выполнен из оксида иттрия, а токопроводящий слой выполнен из алюминия.

2. Электропроводящее покрытие по п. 1, отличающееся тем, что подложка из оптической керамики выполнена из селенида цинка.

3. Электропроводящее покрытие по п. 1, отличающееся тем, что подложка из оптической керамики выполнена из сульфида цинка.