Способ формирования микропроводников высокой проводимости

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОПРОВОДНИКОВ ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ, включающий подачу постоянного напряжения между поверхностью подложки с эпоксидной смолой и погруженным в нее игольчатым электродом, перемещение его от подложки на длину формируемого микропроводника с последующей полимеризацией эпоксидной смолы, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности за счет снижения температуры формирования, после подачи напряжения игольчатый электрод перемещают к подложке до возникновения туннельного тока, затем повышают напряжение при неподвижном игольчатом электроде до возникновения тока короткого замыкания, отводят игольчатый электрод от подложки со скоростью, удовлетворяющей условию
V V_пред,
где V_пред - предельная скорость формирования, определяемая экспериментально, исходя из предела прочности микропроводника, а полимеризацию смолы проводят при комнатной температуре и при постоянном токе между игольчатым электродом и поверхностью подложки, выбираемом из соотношения I I₀, где I₀ - минимальный ток формирования до полной стабилизации микропроводника.

Изобретение относится к технологии изготовления элементов интегральных схем и может использоваться для создания проводников высокой проводимости.
Целью изобретения является повышение технологичности за счет снижения температуры формирования микропровод- ников.
На чертеже представлена схема устройства для реализации заявляемого способа.
Устройство для реализации заявляемого способа состоит из трехкоординатного пьезопривода 1, с помощью которого осуществляется пространственное перемещение игольчатого электрода 2 относительно подложки 3, на которую нанесена эпоксидная смола 4. Игольчатый электрод 2 через параллельно соединенные резистор 5 и вольтметр 6 подключен к вольтметру 7 и к движку потенциометра 8, один вывод которого через выключатель 9 подключен к источнику 10 питания, второй вывод которого соединен с вторым выводом потенциометра 8, вольтметром 7 и подложкой 3. В качестве трехкоординатного пьезопривода использован механизм перемещения туннельного микроскопа.
Пример выполнения способа.
Подложка 3 изготовлена из нержавеющей стали, диаметром 6 мм и толщиной 1 мм и отполирована с одной стороны. Высота выступа составляла R_r = 0,05-0,1 мкм. Игольчатый электрод 2 был изготовлен из вольфрамовой проволоки (ВРН) диаметром 1 мм, длиной 9 мм. Радиус острия около 2 нм получен электрохимическим травлением по известной методике. На подложку 3 была нанесена эпоксидная смола 4 марки ЭД-20 объемом 9-12 мм³ с отвердителем ПЭПА (полиэтилен полиамин) 8% от объема смолы. Эпоксидная смола была предварительно обеспечена в форвакууме и проведена электроочистка, после чего ее объемное сопротивление составило больше, чем 10¹² Ом.см.
На игольчатый электрод 2 и подложку 3 подано постоянное напряжение 0,4 В от источника 10 питания с помощью потенциометра 8, которое измеряется с помощью вольтметра 7.
Далее, игольчатый электрод 2, погруженный в жидкую каплю эпоксидной смолы с отвердителем 4, подводится к подложке 3 до возникновения туннельного тока, появление которого и его величина регистрируется вольтметром 6. Расстояние устанав- ливается таким ( 1,5 нм), чтобы вольтметр 6 показывал 0,1 В, что соответствует туннельному току 0,1 мкА в цепи подложка 3 - игольчатый электрод 2. При этом работает закономерность, чем меньше расстояние игольчатый электрод - подложка, тем больше туннельный ток.
Затем, при неподвижном игольчатом электроде 2, повышают напряжение до появления тока короткого замыкания. При этом, показания вольтметра 6 практически совпадают с показаниями вольтметра 7, так как полное сопротивление участка цепи подложка - проводящий микроканал - игольчатый электрод составляет 5-10 Ом, что много меньше мегоомного резистора 5, включенного в цепь последовательно. Напряжение короткого замыкания, которое показывают вольтметром 7 или 6, не превышает обычно 15 В.
Затем начинают формировать микропроводник. Для этого, игольчатый электрод 2 медленно отводят от подложки с помощью пьезопривода. Скорость должна удовлетворять следующему условию V V_пред, где V_пред - предельная скорость формирования и равна для описываемых условий V_пред = =3 нм/с. При этом ток и напряжение в цепи подложка - игольчатый электрод остаются неизменными. Если игольчатый электрод отводится от подложки со скоростью большей V_пред, то он обрывается, не достигнув максимально возможной длины. Предельная скорость формирования V_пред зависит от состава и температуры среды, протекающего тока между подложкой и игольчатым электродом, от радиуса острия и определяется экспериментально путем многократного формирования проводящего микро- канала максимальной длины с последовательным увеличением скорости вытягивания. Длина проводника определяется по градуировке пьезопривода и поданному на него напряжению. В конкретном примере чувствительность пьезопривода равна 3 нм/В, при поданном на пьезопривод напряжении 300 В, перемещение пьезопривода, которое определяет длину сформированного микропроводника, составляет 3 нм/В х 300 В = 900 нм.
На максимальную длину проводника влияет состав смолы, состав отвердителя, температура окружающей среды, приложенное напряжение, радиус острия игольчатого электрода. В частности, повышение температуры окружающей среды при прочих неизменных параметрах приводит к уменьшению максимальной длины микропроводника. Уменьшение радиуса острия при прочих неизменных параметрах приводит к увеличению длины микропроводника, однако менее 10 нм радиус острия игольчатого электрода обычными методами изготовить не удается. Поэтому перед формированием заданного размера целесообразно экспериментально определить предельную длину проводника, которую можно изготовить в данных условиях. Предельная длина проводника формируется при отводе игольчатого электрода 2 от подложки 3 с фиксированной скоростью и окончание этого процесса определяется как разрыв цепи тока, в результате вольтметр 6 показывает нулевое значение напряжения. Максимально гарантированная длина проводника составляет 0,9 от предельной длины.
После формирования проводящего канала необходимо провести процесс полимеризации эпоксидной смолы. Для этого, при напряжении источника 15 В и тока 15 мкА, и расстоянии между игольчатым электродом и подложкой, равном длине сформированного проводника проводят полимеризацию смолы при комнатной температуре в течение 72 ч.
Ток полимеризации I_о должен удовлетворять следующему условию: I I_o, где I_o - минимальный ток формирования, и выбирается, исходя из следующих условий. I_о - такой ток, который обеспечивает стабилизацию максимальной длины микропроводника при прочих неизменных условиях. При I<I<sub>о в процессе стабилизации возможен его обрыв даже спустя 40...50 часов после затвердевания смолы. В наших условиях I_о = 15 мкА. При токах I>>I_о происходит напрасная затрата электрической энергии при стабилизации микропроводника.
После полной стабилизации проверяют резистивные свойства микропроводника, например, омметром. Обычно сопротивление составляет 5-10 Ом и оно обусловлено контактным сопротивлением между электродами и микропроводником. Для этого отдельно было измерено контактное сопротивление (без эпоксидной смолы) участка цепи из игольчатого электрода 2, выполненного из вольфрама, и подложкой 3 из нержавеющей стали.
Величина контактного сопротивления зависела от степени их сжатия и составила 30-4,5 Ом. При этом, чем сильнее сжимались электроды, тем меньше было контактное сопротивление.
Для доказательства высокой проводимости полученного микропроводника, превышающей на несколько порядков проводимость серебра, были проведены следующие расчеты. Сопротивление микропроводника рассчитывалось по формуле:
P = 4 d T/I², где Т - радиальный перепад температуры микропроводника, обусловленный его джоулевым нагревом;
I - ток через проводник;
d - его длина;
- коэффициент теплопроводности эпоксидной смолы.
При I = 0,2 А, d = 10^-4 см, = 0,0084 Вт/см х х К, Т = 10 К, расчеты дают R < 2 10^-3 Ом.
Поскольку, при формировании микропроводника существенное значение имеет критическое электрическое поле, то радиус канала проводимости не может превышать радиуса острия игольчатого электрода r_o = =20 нм. Тогда по формуле
P = R r_o²/d можно оценить удельное сопротивление микропроводника Р. Расчет дает Р < 2 10^-10 Ом см, это, по крайней мере, на четыре порядка меньше удельного сопротивления серебра. Через такой микропроводник пропускались токи 0,2 в течение многих часов и не происходило никаких изменений. При этом плотность тока через микропроводник составляла по расчетам (r_o = = 20 нм/10¹⁰ А/см).
Из приведенных расчетов можно заключить, что микропроводники, сформированные в эпоксидной смоле предлагаемым способом, обладают высокой проводимостью, приближающейся по свойствам к сверхпроводникам. Так, помещение микропроводника в магнитное поле с индукцией 0,32 Тл не привело к изменению его проводимости.
Применение способа по сравнению с прототипом дает следующие преимущества, обеспечивающие повышение технологичности:
- снижение температуры формирования микропроводника до комнатной температуры повышает технологичность способа и расширяет возможности его использования за счет устранения термоупругих напряжений, например, между элементами микросхем;
- исключается использование проводящего материала, поэтому нет необходимости в сложном оборудовании для подачи висмута на острие игольчатого электрода.
Изобретение относится к технологии изготовления элементов интегральных схем, к способу формирования микропроводников высокой проводимости. Способ позволяет повысить технологичность за счет снижения температуры формирования микропроводников. Формируют микропроводники путем подачи постоянного напряжения между поверхностью подложки с эпоксидной смолой и погруженным в нее игольчатым электродом, отводят игольчатый электрод от подложки на длину формируемого микропроводника и проводят полимеризацию эпоксидной смолы до полной стабилизации микропроводника. 1 ил.