Устройство для формирования поли-п-ксилиленовых покрытий

 

Использование: изобретение относится к нанесению тонких полимерных покрытий, в частности к устройствам для формирования тонких поли-пксилиленовых покрытий в газовой фазе из циклоди-п-ксипипена, и может быть использовано в микроэлектронике и биологии для уменьшения размеров и тепловой инерционности реактора, повышения равнотолщинности покрытия на поверхностях сложной конфигурации при создании герметизирующих , влагозащитных, изолирующих и других функциональных слоев. Сущность изобретения: по краям реактора дополнительно установлены внутренние или внешние кольцевые электроды, соединенные с высоковольтным источником питания. Внутри реактора между электродами установлен источник электронов Кроме того, для оперативного безынерционного регулирования скорости сублимации циклоди-п-ксилилена в зоне сублимации установлен наружный или внутренний электрод соединенный с регулятором напряжения. 1 зп.ф-лы. 2 ип

МСЕС0ЩЯЛ ГАТБ Т Ю ТИФЧЕСh ( м яют

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5026442/05 (22) 19.11.91 (46) 15.10.93 Бюл. ¹ 37-38 (71) Институт механики металлополимерных систем

АН Белоруси (72) Красовский А M. Толстопятов ЕМ; Гракович

П,Н.; Гурышев В.Н.; Меткин Н.П.; Папин М.С. (73) Институт механики металлополимерных систем

АН Белоруси (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛИ-П-КСИЛИЛЕНОВЫХ ПОКРЫТИЙ (57) Использование: изобретение относится к нанесению тонких полимерных покрытий, в частности к устройствам для формирования тонких поли-иксилиленовых покрытий в газовой фазе из циклоди-п-ксилилена, и может быть использовано в мик(19) RU (1Ц 200О850 С1 (51) 5 В 05 С 9 14 В 29 С 71 00 розлектронике и биологии для уменьшения размеров и тепловой инерционности реактора, повышения рав нот олщинности покрытия на поверхностях сло.кной конфигу>л ции )ни создании герметизи— рующих, впагозащитныХ изолирующих и других функциональных слоев. Сущность изобретения: по краям реактора дополнительно установлены внутренние или внешние кольцевые электроды, соединенные с высоковольтным источником питания.

Внутри реактора между электродами установлен источник электронов. Кроме того, для оперативного безынерционного регулирования скорости сублимации цикподи-и-ксилилена в зоне сублимации установлен наружный или внутренний электрод сое— диненный с регулятором напряжения. 1 з.п.ф-лы. 2 ип

2000850

Изобретение относится к нанесению тонких полимерных покрытий, а именно к устройствам для формирования поли-п-ксилиленовых покрытий, и может быть использовано в микроэлектронике и биологии для создания герметизирующих, влагозащитных. изолирующих и других функциональных слоев.

Поли-и-ксилилен (ППК, парилен) входит в число полимеров с наиболее ценными эксплуатационными свойствами, По термостойкости в инертной атмосфере и в вакууме, химической стойкости и диэлектрическим характеристикам он лишь немно о уступает лучшему представителю класса фторлонов — политетрафторэтилену, Особенностью технологии ППК является то, что он синтезируется только в виде покрытий in

sltU прямо на поверхности детали при малом давлении. 20

Известен способ и устройство для получения ППК-покрытий путем пиролиза иксилола в трубчатом реакторе при

1050-1300 К в вакууме при давлении до 130

Па и последующей полимеризацией образующегося и-ксилилена на охлажденной поверхности. Устройство для осуществления этого способа состоит из трубчатого реактора-пиролизатора, системы подачи и-ксилола, камеры осаждения и вакуумной системы.

Недостатком, помимо некоторой аппаратурной сложности, связанной с необходимостью изготовления высокотемпературного пиролиэатора, является малый выход полимера, не превышающий. как пра- 35 вило, 10-12 . Кроме того, формируемый полимер из-за включения в свой состав побочных продуктов высокотемпературного пиролиза обладает худшими эксплуатационными свойствами, чем ППК-покрытия, полученные другими способами.

Известен способ и устройство для получения ППК-покрытий из димера циклоди-пксилилена (ЦДП К). П роцесс формирования покрытий по этому способу состоит из не- 45 скольких стадий: а) сублимация ЦДПК при 430-470 К. б) разложение газообразного ЦДПК при температуре 820-1000 К и давлении 5-100

Па на 2 молекулы и-ксилилена; 50 в) осаждение и-ксилилена на подложку с температурой ниже 300 К

О аЮ... 170K Я 020...1000K, ао ЗООК

О (таа (Д (газ.1

Оааннанна Раманани(ас м мае нне

Устройство для реализации этого cl10coба состоит из трубчатого реактора, снабженного нагревателями для поддержания температуры 430-470 К в зоне сублимации и 820-1000 К в зоне разложения, камеры осаждения, снабженной термостатированным держателем образцов, и вакуумной системы с азотной ловушкой. ППК-покрытие образуется с высоким выходом полимера и обладает хорошими эксплуатационными свойствами.

Однако реализация этого метода связана с существенными недостатками, к числу которых можно отнести высокую температуру п-ксилилена, большое энергопотребление, тепловую инерционность и значительные размеры установки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для формирования

ППК-покрытий с использованием плазмы электрического разряда, Оно состоит из стеклянного трубчатого реактора, в запаянном конце которого расположена лодочка с

ЦДПК, проходящего через печи для сублимации и разложения, и камеры осаждения, внутри которой находится охлаждаемая медная труба с электродами и охлаждаемым держателем образцов. Выходное отверстие из реактора, отверстие для откачки и охлаждаемая медная труба расположена соосно, причем стеклянная труба реактора оканчивается на уровне начала медной трубы, Электроды установлены внутри медной трубы, причем верхний электрод изготовлен из сетки и закреплен в пластмассовой оправке, а нижний — из латунной пластины. Образцы размещаются на нижнем электроде или между электродами, В камере осаждения предусмотрен штуцер для напуска азота или другого инертного газа.

Устройство функционирует следующим образом: — в реактор помещают навеску ЦДПК, в камере осаждения размещают образцы; - реактор и камеру вакуумируют и напускают азот до давления 1,4 — 40, лучше 6,713.5 Па; — медную трубу охлаждают до температуры 230-240 К;

-- печь сублимации нагревают до температуры 370-520. лучше 370 — 470 К, а печь разложения — до 720 — 970, лучше 870 К; на электроды подают высокое напряжение с частотой 30-300 Гц и зажигают электрический разряд.

Устройство позволяет получать ППК-покрытия с высокой адгезией к подложке с заранее заданными механическими свойст2< nnr) R5)() нлл1и и Г .рл Г)стой .остью н vRv )(1-Тп л1ере локллизо(лт>, ослждение и кг<илиленл

Однако описанное ус(ройс)но обладает рядом Heänc T TKOB. ланныи <: з них связан

С ИС ПОЛ ЬЗОНЛ НИ t i Bbl COKOT ЕМ Г1ЕРЛТУРНО 0 нагревателя. имеющего значительные размеры большое;!HåpãопотрeблPíèe и значительную тл((лоную инерцию Так. для нагрева roan(10m потока на с(эдии разложения до температуры 720-970 К и обеспечения времени пребынлния молекул ЦДПК в зоне разложения порядка 0.1 1 г. требуется реактор длинои 0 5 1 5 м, снабженный мощным (1 1() к В(и более1 нагревателем. выходящим нл рабочий тепловой режим зл

0,25-1 ч и PLIIP. дольше остывающий Существенным недосгл!уом янляегся также заметная разница н скорости роста и. соотнетс Гi! 0>I I<() большая рази<этол щинность покрьiri1я при ослжде>iи(на .1зделич с рлэни(О(> (1 г >о)к>.ои ионерхн<л; Гьк) Зто связано с высоким теилосоде>)жлниел(потока мономерл сиf!L ной зависимостью скорости ослждени(< ОГ Tet<()åðëróphi Г<одлох(к(1 и т>)удносTb io э >) 1<ектин НОГ О Охлл)удениЯ (13делий с развитой понерхнос<ьу)»н глэообразной среде низко(о длвл..ния При конденсации горячеl Î (720 970 К1 потока

П-КСИЛИЛЕН,1 тЕ ЛПЕрлту(я ОтдЕfihiлст>oв иовы.IJneòсэ, что г>ринодит v, гни:ке><11IO скоро-.1I1 роста Г;ленки. При нагрев(Г(одло уки др 300 -340 К (н элнисимости От длнлени1) )глждоние пре крэ Щлетсч Hoo6)ii(e (.и пи < н»>е 06ьeK Гы Для нанесения ППК и )KpbIT<11 (миурог:Kpl1tl л(икросборуи и — и,) ОблэДэют Дос1лточно развитой повер ° ностью отдельные учлгтки которой знлчи1Г 1I нР )ээзлн <э<01 ся по эффективности Г)тнодл теплл передаваемого им в проце(:cr. конденсации и иолимериэации. КроМе ТОГО недостатком изнестнОГО устройства янл>)ется также бесполезное осажденис боль>ного колич c I Bc) полимера на холодных с Генках медной трубы Li других

ХОЛОДНЫХ ДЕГЛЛЧХ

Целью изобретен(151 чнлче Tcÿ гнижение энергопотребления уменьшение размеров и тепловой инерционности реактора. повышение раннотолц(llHI

ЦЕЛЬ ДОСTL1r, eTC(I ГЕм чтО в уетРойстве для формирования ППК-покрытии состоящем из трубчлтого р(.лк(орл;. нагревателями, камеры осаждения. Устроиств термостатиронэния образцов приспособлении для созд:->н 1 электриче(ко(о разряда в камере. сигTeм> I для нлг)у л нспол1огэтельного Гл .л и накуу>1нои с<. Ipмы по краям реактора до(1(>лнительн,с (эновлены внутренние Llfiii (.не<(>«(1 v(nt-ценые электродhl. соединенные с нhlñОKÎвОлhTHûм иг туч н ил. Ол, питания, а внутри него ме)кд(( электродами установлен источник электро нон

5 Целью является оперативное без>чнерционное регулирование скорости субли>1л ции циклоди-п-ксилиленэ. для чего н antic сублимации установлен наружный или внутренний электрод. соединенный с pprуяя>о10 рг напряжения.

Существен н ым отличием и редллгаел1ого устройства является установка по краям реактора дополнительно внутре <>IL1x или внешних кольцевых электродов, соеди»ен15 ныK с BhlсоковольTHûм источникол1 питания. л внутри него между злектродлK1LI и< Tочíi1кл электронон. Кроме этогп. в зоне сублимлt<(tè

ЦДПК дополнительно разме(цен электрод. гo(динеH>

20 Зл с:<ет этого реализуютсч технические пре ,;м;щестна устроис>ва н целом и достигаетс < знл ительное уменьшение размеров рег<к-оол его энергопотребления и теплoеc!li инерционности, повышается рлннотол25 щ<(нногть покрытия на поверхности сложнои коl<ôèróðoöèè, появляеTñя воэë1o)KiI. ñòü оперативного 6e3blHept(110I

Нл фиг 1 приведена принципилльнач

30 схемл устройства с внутренними электрода(1(1 нл фиг. 2 — T„F,1(1

Устроистно (фиг. 1, 21 состоит из стеклянного трубчатого реактора 1 с нагревлте35 f!е>1 2, Kолhöåными электродэмl1 3, элекTрl

L1cTй столик 8 с укрепленным на его поверхности образцами 9, кольцевые электроды кал1еры осаждения 10 с соответству>ощей системой питания (не показана). В зоне размещения навески ЦДПК 11 снаружи

50 ил "< внутри установлен дополнительный электрод 12, соединенный с регулятором низкочастотного или высокочастотного напряжения 13. При использовании оми <еского нагревателя и ВЧ-напряжения для

55 возбуждения разряда нагреватель соединяют с источником питания через рлзняэь>нлющие фильтры с полосой задержзния, вкл>очлющей частоту тока разряда.

Устройство работает следу ощ(1м обрл

ЗОм

2000R5I;

t, з,) I-;я> н>, и конец трубча)ого реактора .1, >; .)н)т ><,)вгс> у ЦДПК

:,:I; <ге хухкЕ 3 Па

> -iI. -ру осаждения и реак)ор напу(IlpLl необлоди>лости) аргон или дру,> 1?(с> i i1 >лз до давления 5 -50, лучше () 2 () ("

"; <. >От сисгему тепмостатироваI».ивающую температуру образл .,-3>цих Hd столике 8 в пределах

;>."»!с. 275 280 К.

i;;;. О>цью нс)гревате»я 2 нас ревают .г,,::.;. пера уры .(80 570, лучше !

, ) 3 >Г. >>L". В Г.ИС Тг I " .; i Cн<г)(3! н:if)(. яжение нп к з))ьцевые

„"»J,iрод» Ll при нег)б. ) .i т()оды ка>ле(,>.I Осаждения

< > I „I > i;) ч )ряд.,)а> амере 13 и рО

>и 3 покрытия подд:;)ж<)ва>от . I if.дел;» изменение>1)емперату..;,>н - с убли;ллции с помощьK) г>г) реваа и рil lä 1<1чии дополнительного ,.; i(О,>л э зоне сублимации пу>ем регу, > . > ил напряжеfIL!ÿ на нем (>с)ка через

: ° ": л), с I<(!tltcf" I 1!é необ)ходимого слоя () I I >я IIÎC чедо>3;) елЬНГ) FIИK?<ю <ают

>I=!KF>, исlî IHL<êà ч)>ектронов. .. >, .)1!<:><РЯ)!; IHå с злеKòPI).f)f)â.

;)с ));. Осi i- в»> IR реактора до 350

;(7,> К i! yf.,i!Iс)вv. >I »ycKdK)I воздух и извле>.,-н-)т Г бр; Зцы

О lзи IесKèè сf>!LKсл использования низ ло) емпературной плазмы электрического разряда сосгоит в замене малоэффективно>О поверхностного подвода энергии к газов о ь1 у потоку (и с и о л ь з у е гл о >л у в ,с > ро>>с)ве-про<отипе) на обьемный.

Э>О позволяет зна >ипгельно сократить ())çìf?ры зоны разло pHL1<1 ЦДПК а вместе ,:ITLIf-< И ЭНЕРГИЮ. ЗатРаЧИВаЕМУЮ На РаЗПО: ?><жается теплосод> рж;>ни<. потока мономера г>оскольку

>,) грев ионов и нейтральных молекул в плаз>.>е разряда низкого давления практически с) >су)стг<ует. а нагрев от стенок реактора в .<оно разпо>кения отсутствуе. вообще. так

> пк >;х температура такая же. KBI ll в зоне .:ублимации(порядка 430 К по сравнению с

f)7L3 I< в) просо)ипе). Естественно. что энерI.,l1 дпя нагрева и поддержания >емг>ерату()ы зоньl р)зложения R пределах 100 450 К

I ресб)ус.тсч значительно меньше чем в уст)LIC. i3f. г рС.<с >ип» (720 970 (v) Эффвкт Эа. > с I I о с K i! и с. 1 р у к > и в н ы х О с О б с. и и О с т е Й с;); в><Ос<а1.,, ус:I:IIIL)I. .Llí и дости>ает 90

:I5 3;>- з><ер и> нл г .)дде()жание

?5

55 плазмы элек<рического разряда значительно меньше и даже с учетом КПД источника питания (50-95,4 в зависимости от частоты, конструктивных особенностеи и качества согласования нагрузок) сос>авляют малую долю сэкономленной на нагревателях энер>ии. Кроме гого, плазма не обладает тепловой инерцией, ч)о значительно уменьшает время осты>>ан<<я установки.

Количество теплоты Q, переносимое потоком мономера, пропорционально разнице емперэтур в зоне разложения (T!) и осаждения (Тр):

Q = СМ(Г1 Т2), где С теплое>лкость; M — масса.

Уменьшение температуры в зо-<е разложе>;ия (Т)} с 720-970 К до 430 500 К при сохранении температуры в зоне осаждения (T ) 275 300 К приводит к снижению теплосодержания мономера в 2,5 5 раз. Это обеспе ивает уменьшение теплового потока на подложку. благодаря чему снижаемся перерев участков с затрудненнь>м теплоотводом. Выравнивание температурного поля на поверхности изделия приводит к выравниванию скорости осаждения и толщины формируе>ло>о покрытия на изделиях сложной конфигурации. Так. толщина ППК-покрытия. Осажденного на конце тонкой длиннои ножки по известно1>у и заявляв>лому способа>л отличается поч(и в 2 раза.

Дпя создания плазмы могут использоваться ис очники электрического тока различной частоты и соответсгвующие им электродные системы. При питании плазмы источником постоянного им низкочастотного тока необходимы внутренние электроды.

При использовании ВЧ-разряда электроды могут быть как внутренние, так и внешние, причем последние предпочтительнее, так как обеспечивают более высокую чистоту газовой среды и не требуют сложных вакуум-плотны . вводов в систему. Следует указать. <то если в устройстве используется спиральный зпектронагреватель, то его подключение к источнику питания должно осуществля<ься через фильтр-пробки, препятствующие отводу высокочастотной энергии из плазмы. (ф

Установлено. что плазма в парах ЦДПК неустоичива. Дпя повышения стабильности зажигания и горения разряда в зону разложения гложет подаваться вспомогательный плазмообразу>ощий газ. В качестве его может использоваться инертный газ, например арго><. который не включается в состав покрытия, или химически активный газ, моле><ула косорого (или часть ее, или отдельHый атом) после активации в плазме

Вл К) IRP)Ñ>3 Г. КИМИЧЕСKУЮ СтРУКтУРУ ПОКРЫ10

2000850 тия. Однако в большинстве случаев достигаемая таким образом стабилизация оказывается недостаточной. поскольку ЦДПК вносит неустойчивость и в плазму. горящую в иной газовой среде.

Для устранения этого недостатка в межэлектродное пространство введен источник электронов. например накаливаемая вольфрамовая нить. Могут быть использованы и другие способы введения электронов в реактор, например, с помощью электронной пушки.

По мере расходования исходного материала для поддержания постоянного потока газообразного ЦДПК необходимо повышать температуру эоны сублимации, что неудобно иэ-за значительной тепловой инерции нагревателя.

Для устранения этого недостатка и достижения оперативного безынерционного регулирования скорости сублимации ЦДПК в зоне его разложения установлен дополнительный электрод. соединенный с регулятоФормула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛИ-ПкСИлИЛЕНОВЫх flOKPbf TMA, состоЯЩее из трубчатого реактора с нагревателями, камеры осаждения, устройств термостатирования образцов, устройств для создания электрического разряда в камере, системы напуска вспомогательного газа и вакуумной системы, отличающееся тем, что по краям реактора дополнительно установлером электрического напряжения относительно ближайшего плаэмообразующего электрода. В этом случае нагреватель переводят в режим минимального рабочего на5 грева, а изменение скорости сублимации

ЦДПК (из-за неоднородности материала, уменьшение его массы в процессе сублимации и т.n.) компенсируют регулировкой тока из плазмы на дополнительный электппл эо10 ны сублимации. При протекании этого тока в»аеске ЦДПК выделяется дополнительная энергия, с помощью которой компенсируются колебания скорости сублимации.

Устройство реализуется с использова15 нием современных технических средств и может быть использовано в промышленности, в частности в технологии микроэлектроники.

20 (56) Патент США N 3178374, кл, 260-2, 1965.

Патент США N 3342754, кл. 260-2, 1967, Патент США N4500562,,кл, В 05 0 1/04, 1985. ны внутренние или внешние кольцевые электроды, соединенные с высоковольтным источником питания, а внутри него между электродами установлен источник электронов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в зоне сублимации установлен наружный или внутренний электрод, соединенный с регулятором напряжения.

Составитель О. Поздняков

Техред М,Моргентал Корректор М. Самборская

Редактор В, Трубченко

Заказ 3099

Тираж Подписное

НПО "Поиск Роспатента

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

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