Способ получения проводящего слоя в полиимиде Советский патент 1992 года по МПК C08J7/18 

(Л

С

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.

Изобретение относится к технологии получения тонких проводящих слоев в полимерах, в частности к получению проводящихслоев в термостойком 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 использование 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 .

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 раVJ VI

00

со

зогревается под действием облучения до 300-400°С. Слои, полученные в полиимиде данным способом, представляют собой тонкие толщиной до f мкм разупорядоченные области вблизи поверхности. Проводимость таких слоев зависит от энергии (Е) дозы облучения (D) и ионного тока 0) и для интервала энергии 0.3-1,0 МэВ дозы 1017см и плотности ионного тока 0,5 мкА/см2 составляет порядка 100 Ом см .

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

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 газа-неона (NeJ с энергией 150 кэВ, с дозой 2 10 см и ионным током плотностью 0,5-2 мкА/см в вакууме 10 7Торр.

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

Вместе с тем недостатком пленок, полученных по способу-прототипу, является низкая, по сравнению с традиционными проводящими материалами, проводимость озоок Известно облучение полиимида и ионами тяжелых инертных газов Хе+; Кг, но и тогда азоо к не превышает 420 см 1Целью изобретения является повышение проводимости формируемого слоя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения проводящего слоя в 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 при плотности ионного тока 10-12 мкА/см2, после чего полиимид дополнительно облучают ионами тяжелых металлов с энергией 90-100 кэВ, дозой 3 1015-1017 см 2 при плотности ионного тока 5-7 мкА/см2, при этом конкретные значения энергий из указанных 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

0

5

0

5

глубина разупорядочения полиимида и обеспечение стока зарядов в процессе легирования, а в результате второго этапа - карбонизация и легирование. Все это приводит к повышению проводимости азоо к

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 7зоо к на поверхности полиимида.

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

0

0

5

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

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

Также необходимым признаком является доза облучения инертным газом - она 5 должна лежать в интервале 1015-1016см 2.

При дозах меньше 1015 не образуется проводящий слой на поверхности полиимида, вследствие отсутствия стока зарядов при последующем облучении.

Использование доз более 1016см является нецелесообразным, поскольку это не приводит к дальнейшему увеличению С7зоо к в данном интервале энергий.

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

При этом существенным признаком является энергия облучения, которая должна 0 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,

5

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, Ga), она должна ограничиваться интервалом 3 101 - 101 .

При дозах меньших 3 1015 см2 не наблюдается значительного легирования и С7зоок при этом не превосходит С7зоо к прототипа.

При дозах, превышающих 1017 , наблюдается насыщение значений азоо к .. 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 .

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

Примеры конкретной реализации. 1. Получение проводящего слоя в пол- имиде проводилось в рабочем объеме установки ИЛУ-Ч. В качестве исходного материала использовалась пленка промыш- . ленного полиимида марки ПМ, толщиной 40 мкм, которая закреплялась в держателе. Облучение исходного полиимида проводилось последовательно ионами разных типов в вакууме .

В качестве легких ионов инертного газа использовались ионы Аг+, а в качестве ионов тяжелого металла - ионы Ga.

Облучение ионами Аг+ велось с Е 40 кэВ, D 1015 , j 10 мкА/см2.

Затем полиимид дополнительно облу- чался ионами Ga+ с Е 90 кэВ, D 3 1015 - 1017см 2, 7мкА/см2.

При этих условиях глубины проникновения ионов Аг+ и ионов Ga , согласно данным для кристаллических полупроводников, со- измеримы и составляли порядка 500А .

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

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

-

/7

р R m d

где р- удельное сопротивление облученного слоя {Ом

R - сопротивление слоя

I - длина слоя m - ширина слоя

d - толщина слоя

Для измерения проводимости использовались универсальные цифровые приборы

ЩЗОО, Щ68003, В7-21, источник питания Б5-49.

Значения проводимости облученных слоев ПМ: Аг+ : Са+, как видно из фигуры, возрастала с ростом дозы облучения Ga+ и

достигали величины 1,1 - 103 при Оса 1 1017 см-2. Значения азоо к более чем в 2 раза превышают значения азоо к . полученные при облучении ионами инертных газов.

В полном соответствии с вышеописанным примером пригодилось получение проводящих слоев и при других режимах облучения, входящих в интервалы, указанные в формула изобретения. Данные по режимам и парамегодм гслученных слоев приведены в табл.1.

Таким образом, как видно из данных, приведенных в табл.1, увеличивается более чем в 3 раза по сравнению со способом-прототипом и величина проводимости приближается к величине материалов с металлическим характером проводимости.

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

Кроме того, достоинством предлагаемого способа является высокая однородность в проводимости получениях слоев и воспроизводимость их параметров. Необходимо также отметить высокую временную стабильность свойств полученных слоев.

вплоть до аШ к 0J О с; Г1, что аналогично значению rncbtw ости, приведенному в примере конкреп-ой реализации описания изобретения, Проставление таблиц, аналогичных приведенным в первоначальных материалах запвки, считаем нецелесообразным, поскольку они носят тождественный характер и не привносят принципиально носю# информации.

проникновения различных ионов, заключается в следующем:

1)задается условие - создание в поли- имиде проводящего слоя определенной глубины путем облучения ионами;

2)исходя из формулы, описывающей максимальный пробег ионов

Рмакс Нр + ARp + A(2)

где Rp - проецируемый пробег ионов при определенной энергии облучения,

&Rp - разброс по уровню 0,5 - распределения,

А - погрешность (А к 30 А)

определяется энергия облучения мишени при условии равенства Ямакс для разных видов ионов.

Например, для ионов Аг+ и Ga+, указанных в примере конкретной реализации, при выбранной глубине Нмакс « 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, отличающийся тем, что, с целью повышения проводимости получаемого слоя, облучение проводят ионами с энергией 30-50 кэВ, дозой 10 -1016 при плотности ионного тока 10-12 мкА/см2 после чего полиимид дополнительно облучают ионами тяжелых металлов с энергией 90-100 кэВ, дозой 3

10

15

10 см при плотности ионного тока

5-7мкА/см .при этом конкретные значения энергий выбирают исходя из равенства глубин проникновения ионов тяжелых металлов и инертного газа.

Таблица

Таблица2