Способ формирования микропроводников высокой проводимости

 

Использование: при изготовлении элементов интегральных схем. Сущность изобретения: включает подачу постоянного напряжения между поверхностью подложки с эпоксидной смолой и погруженным в нее игольчатым электродом, перемещение электрода к подложке до возникновения туннельного тока, повышение напряжения при неподвижном электроде до появления тока короткого замыкания, отведение электрода от подложки с определенной скоростью, полимеризацию смолы при комнатной темперетуре и постоянном токе между игольчатым электродом и поверхностью подложки. При этом поставленная цель достигается тем, что выбор применяемых материалов подложки осуществляют при условии, что их напряжение пластической деформации меньше величины, зависящей от диэлектрических свойств применяемого полимера и температуры. 1 ил.

Изобретение относится к технологии изготовления элементов интегральных схем и может использоваться для создания проводников высокой проводимости.

Известен способ создания микропроводников высокой проводимости, включающий подачу постоянного напряжения между поверхностью подложки с эпоксидной смолой и погруженным в нее игольчатым электродом, где в качестве игольчатого электрода используется платиновая игла с висмутом на острие. За счет нагрева, под действием электрического поля во время перемещения игольчатого электрода в эпоксидной смоле формируется (вытягивается) проводящий микроканал, содержащий висмут, затем проводят полимеризацию эпоксидной смолы [1] Недостатком способа является необходимость нагревания висмута на острие иглы до температуры плавления. При реализации способа высокая температура формирования микропроводников вызывает термоупругие напряжения, например, между элементами микросхем, что приводит к снижению технологичности способа.

Эти недостатки устранены в способе формирования микропроводников высокой проводимости, который является прототипом предлагаемого изобретения и включает подачу постоянного напряжения между поверхностью подложки с эпоксидной смолой и погруженным в нее игольчатым электродом, перемещение игольчатого электрода к подложке до возникновения туннельного тока, повышение напряжения при неподвижном игольчатом электроде до возникновения тока короткого замыкания, перемещение электрода от подложки со скоростью, удовлетворяющей условию V ≅V_пред, где V_пред предельная скорость формирования, определяемая экспериментально исходя из предела прочности микропроводника, полимеризацию смолы при комнатной температуре и при постоянном токе между игольчатым электродом и поверхностью подложки, выбираемом из соотношения I≥I_o, где I_o минимальный ток формирования до полной стабилизации микропроводника [2] Недостаток прототипа в том, что способ позволяет формировать лишь полимерные (молекулярные) микропроводники в диэлектрической матрице, ограничен выбор материалов подложки, не учтены пластические свойства материала подложки и диэлектрические свойства эпоксидной смолы.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей способа путем формирования металлических микропроводников в диэлектрической матрице.

Это достигается тем, что в способе формирования микропроводников высокой проводимости, включающем последовательность операций прототипа, материал подложки выбирают исходя из того, что его напряжение пластической деформации меньше величины, зависящей от диэлектрических свойств применяемого полимера и температуры.

Под действием электрического поля и проходящего тока, повышаемого до тока короткого замыкания, формируется металлический проводник в диэлектрической матрице из материала подложки и эпоксидной смолы, размещенной на ее поверхности за счет локальной пластической деформации подложки, которая возникает при условии, когда величина напряженности электрического поля Е превышает критическое значение E_n E>E_n, E_n= (16πτ_n)^1/2, (1) где τ_n напряжение пластической деформации подложки.

В результате локальной пластической деформации подложки возникает металлическая перемычка между игольчатым электродом и подложкой, вызывающая короткое замыкание туннельного промежутка. После этого игольчатый электрод отводят на заданное расстояние и за счет локального пластического течения подложки между нею и электродом образуется микропроводник. Однако в электрическом поле, созданном между игольчатым электродом и подложкой, в полимере возможен конкурирующий процесс создания молекулярных каналов проводимости за счет диполь-дипольного взаимодействия молекул среды. Этот процесс характеризуется критическим полем Е_с=[(μ²+2αkT)^1/2-μ]/α, (2) где μ постоянный дипольный момент молекул полимера; k постоянная Больцмана; Т абсолютная температура; α поляризуемость молекул полимера, участвующих в процессе ориентации в электрическом поле.

Очевидно, энергетически выгодно образование металлических проводников, если поле E_n из формулы (1) будет меньше поля Е_с. Для того, чтобы между игольчатым электродом и подложкой возникали металлические микропроводники, а не молекулярные, необходимо выбирать материал подложки таким, чтобы напряжение пластической деформации удовлетворяло условию τ_n<[(μ²+2αkT)^1/2-μ]²/16πα².(3) Например, если применяется эпоксидная смола, то в качестве подложек можно использовать олово.

На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Подложка 1 диаметром 6 мм и толщиной 1 мм изготовлена из олова ( τ_n= 1,3 МПа) и отполирована с одной стороны. Высота выступов составляла R_z 0,05.0,01 мкм. Игольчатый электрод 2 изготовлен из вольфрамовой проволоки ВРН ( τ_n 4,0 ГПа) диаметром 1 мм и длиной 9 мм. На подложку 1 нанесено 9.12 мм³ эпоксидной смолы 3 марки ЭД-20 с отвердителем полиэтиленполамин 8 об. смолы.

На игольчатый электрод 2 и подложку 1 через балластный резистор 4 величиной 1 мОм подано напряжение 0,4 В от источника 5 питания с помощью потенциометра 6, которое измеряется вольтметром 7. Далее игольчатый электрод 2, погруженный в жидкую каплю эпоксидной смолы 3, подводится к подложке 1 до возникновения туннельного тока, появление которого и его величина регистрируется вольтметром 8. Расстояние между подложкой и игольчатым электродом устанавливается таким, что через туннельный промежуток протекает ток 0,1 мкА. Затем при неподвижном игольчатом электроде 2 напряжение источника повышают до появления тока короткого замыкания. При этом показания вольтметра 8 практически совпадают с показаниями вольтметра 7, так как полное сопротивление участка цепи подложка-микропроводник-игольчатый электрод составляет около 0,1 Ом, что много меньше величины балластного резистора 4. Напряжение, регистрируемое вольтметром 7 при возникновении короткого замыкания, обычно не превышает 15 В.

Благодаря применению подложки, например, из олова с нанесенной эпоксидной смолой выполняется условие: τ_n=1,3МПа<[(μ²+2αkT)^1/2- -μ] ²/16πα²= 2МПа. Это означает, что энергетически выгодное образование металлического микропроводника из подложки, чем ориентация молекул эпоксида в направлении приложенного внешнего электрического поля. Следовательно, тепловое движение молекул будет разрушать их возможную ориентацию, а металлический микропроводник из подложки будет "тянуться" за игольчатым электродом.

Затем начинают формировать микропроводник. Для этого игольчатый электрод 2 медленно отводят от подложки 1 с помощью пьезопривода 9. Скорость должна удовлетворять следующему условию: V ≅V_пред., где V_пред. предельная скорость формирования и равна для описываемых условий V_пред 1 нм/с. При этом ток и напряжение в цепи подложка-игольчатый электрод остаются неизменными.

После формирования микропроводника проводят процесс полимеризации эпоксидной смолы при напряжении источника 15 В, токе 15 мкА и расстоянии между игольчатым электродом и подложкой, равным длине сформированного микропроводника, при комнатной температуре в течение 72 ч.

Ток полимеризации I должен удовлетворять следующему условию: I≥I_o, где I_o ток, который обеспечивает стабилизацию микропроводника максимальной длины при прочих неизменных условиях.

В наших условиях I_o 15 мкА, длина микропроводника 3 мкм. После полной стабилизации проверяют резистивные свойства микропроводника. Обычно сопротивление составляет не более 0,1 Ом. Оно обусловлено не только микропроводником, но и контактным сопротивлением между ним и электродами, а также сопротивлением подводящих проводников.

Для доказательства высокой проводимости полученного микропроводника использован эффект плавкого предохранителя. Если экспериментально определить ток I_пр, при котором происходит обрыв микропроводника путем его расплавления у основания со стороны подложки, то можно найти его радиус из формулы
r_o= (I_пр²˙ρ/24π²T_пл˙λ)^1/2, где ρ,T_плиλ соответственно удельное сопротивление, температура плавления и коэффициент теплопроводности подложки.

Реальный радиус микропроводника по всей его длине должен быть меньше, поскольку он получается методом вытягивания. Многократные испытания микропроводников из олова давали значения тока I_пр 120.150 мА. Принимая среднее значение 135 мА и Т_пл 232^оС, получаем r_o ≅23,6 нм. Учитывая, что измеренное сопротивление микропроводника R_изм R_o + R_н,
где R_o сопротивление микропроводника;
R_к сопротивление подводящих проводников с электродами, находим верхнюю оценку для объемного сопротивления материала микропроводника с длиной l 3 мкм.

ρ_o=(R_изм-R_к)πr_o²/l
ρ_o≅R_измπr_o²/l
ρ_o≅5,8˙10^-9Ом˙см Следовательно, объемное сопротивление материала микропроводника более чем на три порядка ниже этой характеристики объемного материала. Определение точного значения ρ_o является трудной экспериментальной задачей. По величине удельного сопротивления микропроводник приближается к сверхпроводникам. Помещение его в магнитное поле с индукцией 1,4 Тл не приводило к изменению его проводимости.

Применение описанного способа дает следующие преимущества, обеспечивающие расширение его технологических возможностей: обеспечивается возможность образования металлических микропроводников в диэлектрической матрице; имеется возможность большего выбора материалов подложки для формирования микропроводников по найденным критериям.

Наиболее вероятно применение предлагаемого способа для создания межсоединений между макроконтактами и элементами интегральных квантовых схем.

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОПРОВОДНИКОВ ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ, включающий подачу постоянного напряжения между поверхностью подложки с эпоксидной смолой и погруженным в нее игольчатым электродом, перемещение электрода к подложке до возникновения туннельного тока, повышение напряжения при неподвижном электроде до появления тока короткого замыкания, отведение электрода от подложки со скоростью, удовлетворяющей условию v ≅ v_пред, где v_пред предельная скорость формирования, определяемая экспериментально, исходя из предела прочности микропроводника, полимеризацию смолы при комнатной температуре и при постоянном токе между игольчатым электродом и поверхностью подложки, выбираемом из соотношения I ≥ I₀, где J₀ минимальный ток формирования до полной стабилизации микропроводника, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей способа путем формирования металлических микропроводников в диэлектрической матрице, материал подложки выбирают из условия
τ_п< [(μ²+2αKT)^1/2-μ]²/16πα²,
где τ_п напряжение пластической деформации подложки;
μ постоянный дипольный момент молекул полимера;
a поляризуемость молекул полимера;
K постоянная Больцмана;
T абсолютная температура формирования микропроводников.

РИСУНКИ

Рисунок 1