WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 4 10;11;12 Влияние высоких доз имплантации и плотности ионного тока на свойства пленок полиимида 2 © В.Н. Попок,1 И.И. Азарко,1 Р.И. Хайбуллин 1 Белорусский государственный университет, 220050 Минск, Белоруссия e-mail: popok@bsu.by 2 Казанский физико-технический институт Российской академии наук, 420029 Казань, Россия e-mail: rik@kfti.knc.ru (Поcтупило в Редакцию 17 сентября 2001 г.) Тонкие пленки полиимида были имплантированы ионами Ar+ и Ar2+ с энергиями 40 и 80 keV соответственно в широком интервале доз 2.5 · 1014-1.5 · 1017 cm-2 и плотностей ионного тока 1-16 µA/cm2.

Изучено влияние режимов ионной имплантации на электрические, парамагнитные и оптические характеристики приповерхностного слоя полимера, модифицированного ионным облучением. Показано, что эффект радиационно-стимулированного термолиза полиимида и особенности его химического строения обусловливают монотонный рост электропроводности облученного слоя с увеличением плотности ионного тока при заданной дозе имплантации. Напротив, при неизменной плотности ионного тока с увеличением дозы имплантации наблюдается скачкообразный характер роста электропроводности, а также снижение концентрации парамагнитных центров и оптического пропускания модифицированного слоя полиимида.

Наблюдаемые зависимости электрофизических характеристик полимера от дозы имплантации и плотности тока интерпретируются в рамках модели структурной перестройки карбонизированной фазы полимера, формируемой в условиях ионного облучения.

Введение высокопроводящих слоев полимера предполагает проведение облучения при повышенных значениях плотноВ последнее время для решения ряда научных и сти ионного тока с целью сокращения времени ионприкладных задач микро- и оптоэлектроники в качестве ной обработки и увеличения эффективности процесса.

базового материала все шире используются электро- Однако величина плотности ионного тока неразрывно проводящие полимеры [1]. Внимание к этому классу связана с мощностью, выделяемой в облучаемом слое материалов постоянно растет, что обусловлено как успе- полимера, и является зачастую критическим параметром хами в синтезе новых проводящих полимеров, так и для органических материалов в силу их низкой радиарасширением диапазона их практического применения.

ционной и термической стойкости. С другой стороны, Полимерные пленки с металлическим типом проводи- было показано, что увеличение плотности ионного томости уже нашли применение в качестве ингибиторов ка при неизменной дозе ведет к росту проводимости коррозии, компактных конденсаторов, антистатических имплантированного слоя полимера [9]. Таким образом, покрытий для фотографических пленок и экранов мони- оптимизация параметров и режимов ионной имплантаторов. С другой стороны, открытие в начале 70-х годов и ции для формирования проводящих слоев с заданными последующее развитие методики синтеза полисопряжен- электрофизическими характеристиками является одной ных систем, при легировании которых можно получать из насущных задач технологии ионно-лучевой модифиполимерные материалы с n- или p-типом проводимости, кации полимеров.

послужили основой для создания функциональных эле- Целью настоящей работы являлось исследование влиментов электроники на органической основе, таких как яния режимов имплантации ионов аргона в полиисветодиоды, транзисторы, солнечные элементы, аккуму- мид на модификацию его электрических, парамагнитляторные батареи и т. п. [1,2]. ных и оптических свойств. Полиимид является одОдним из перспективных способов получения прово- ним из представителей наиболее термостойких полидящих полимеров является ионная имплантация [3–5]. меров, что позволяет варьировать плотность ионноВ основе метода лежит процесс формирования в имп- го тока при облучении в широких пределах, вплоть лантированном слое полимера наноструктурированной до величины 16 µA/cm2, которая не встречалась расистемы сопряжения атомов углерода в результате ра- нее в научной литературе по имплантации полимедиационного воздействия [6]. С увеличением дозы ров. С другой стороны, использование аргона позвоимплантации наблюдается монотонный рост электро- ляет исключить легирующее воздействие примеси на проводности имплантированного слоя, значение которой проводимость и исследовать в основном радиационное может меняться на 10-15 порядков величины [3,7,8]. воздействие ионов на полимер. Кроме этого, наличие Использование высоких доз имплантации для получения литературных данных по имплантации ионов Ar+ в Влияние высоких доз имплантации и плотности ионного тока на свойства пленок полиимида полиимид при других параметрах ионного пучка [9–11] случае 18 µA/cm2 для дозы 1.0 · 1016 cm-2) ведет к позволяет проводить сравнительный анализ влияния ре- локальным очагам оплавления на поверхности и вздутию жимов ионного облучения на модификацию свойств образцов.

материала.

Исследования методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) проводились на спектрометре Varian E112 в X-диапазоне (9.3 GHz) при комнатной Объекты исследования температуре. Концентрация парамагнитных центров NPC в имплантированном слое была рассчитана по стани техника эксперимента дартной методике [13] с учетом толщины радиационно-поврежденного слоя. Согласно расчетам по програмВ настоящей работе использовались пленки полиимиме SRIM-2000 [14] и анализу данных резерфордовского да (рис. 1, a) толщиной 40 µm и плотностью 1.43 g/cm3.

обратного рассеяния [15], толщина модифицированного Преимуществом данного полимера является отсутствие слоя полимера составила 80 ± 10 и 150 ± 10 nm для как такового структурного перехода в вязкоэластичное ионов аргона с энергией 40 и 80 keV соответственно.

состояние при повышении температуры. Температура Измерения поверхностного электрического сопротивлеразмягчения зависит от степени имидизации (содерния имплантированных образцов полимера проводились жания имидных групп) s, при максимальном значепо стандартной двухзондовой методике [8] измерителем нии s = 1 она превышает 500 K; температура стекэмиттанса E7-14. Электроды наносились на поверхлования составляет 590 K [12], что позволяет расность полимера мелкодисперсной серебряной пастой, сматривать полиимид как материал достаточно устойобеспечивая линейность контактов. Спектры оптическочивый к радиационно-стимулированной термодеструкции. Имплантация пленок осуществлялась ионами Ar+ го пропускания имплантированных полимерных пленок регистрировались в видимой области спектра на спекти Ar2+ с энергиями 40 и 80 keV соответственно дозами рофотометре Hitachi-330 при комнатной температуре.

D = 2.5 · 1014-1.5 · 1017 cm-2 при плотностях ионного тока j = 1-16 µA/cm2 на ионно-лучевом ускорителе ИЛУ-3 при комнатной температуре в остаточном вакуМодификация структуры полимера уме 10-5 Torr. Во избежание перегрева и разрушения ионным пучком образцов во время ионного облучения была разработана специальная кассета, обеспечивающая эффективный сток Для понимания полученных в данной работе эксионного заряда с поверхности полимера и плотный конпериментальных результатов кратко изложим основы такт пленок с металлическим основанием, охлаждаемым концепции структурной модификации полимеров при проточной водой. Визуальный контроль имплантированионном воздействии, общепринятой к настоящему моных пленок показал отсутствие каких-либо серьезных менту времени [4,6–8]. Вследствие процессов электронтермических повреждений (обугливания, гофрирования ного и ядерного торможения ионов в полимере вдоль поверхности и т. п.) при всех экспериментальных ретраектории их движения формируется пространственжимах ионного облучения. Однако было обнаружено, ная область радиационных повреждений молекулярной что ионная имплантация полиимида при некоторой криструктуры органической мишени. Заметим, что в отлитической величине плотности ионного тока (в нашем чие от неорганических материалов разрыв химических связей в полимере происходит не только при ядерном, но и при электронном торможении внедряемых ионов [16]. Влияние электронного торможения на структурную модификацию полимера значительно возрастает при имплантации ионов в гетерополицепные соединения, в нашем случае в полиимид. А именно разрушение электронных оболочек атомов и разрыв химических связей носят селективный характер и направлены в первую очередь на деструкцию более слабых поперечных (мостиковых) связей между макромолекулами и трансформацию функциональных химических групп, характеризуемых высоким уровнем делокализации электронов. Однако стержень поврежденной области полимера (латентный трек), характеризуемый наиболее высокой концентрацией радиационных дефектов, формируется в основном в результате ядерных столкновений внедряеРис. 1. Химическая формула элементарного звена полимого иона. При используемых в данной работе дозах имида (a) и схема трансформации структуры полимера при имплантации (b). имплантации латентные треки перекрываются [4], что Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 90 В.Н. Попок, И.И. Азарко, Р.И. Хайбуллин наряду с развитием каскадов электронного возбуждения и ионизации полимерной системы, так называемых пенамбр [17], приводит к масштабной фрагментации полимерных цепей с последующей радиационно-стимулированной сшивкой. Процесс торможения ионов в полимере сопровождается потерей облученным слоем легколетучих химических компонент, причем латентные треки являются каналами, обеспечивающими процесс диффузии газов к поверхности полимера. В результате дегазации происходит обогащение приповерхностного слоя атомами углерода и наблюдается формирование углеродных кластеров. Зарождение наноразмерных углеродных кластеров в полимерах при имплантации было подтверждено анализом экспериментальных данных по нейтронному рассеянию [18], электронной микроскопиРис. 2. Зависимость удельного поверхностного сопротивления ей [19], оптической спектроскопией [20] и ЭПР [21] от плотности ионного тока для образцов, имплантированных и считается общепризнанным фактом. С увеличением ионами Ar+ с энергией 40 keV и постоянной дозой 1·1016 cm-2.

дозы имплантации обычно наблюдаются рост размеров углеродных кластеров, образование связей между ними и их коагуляция вплоть до формирования квазисплошного карбонизированного слоя [22], характер электропроводности которого может меняться в зависимости от режимов облучения от полупроводникового к металлическому типу.

Зависимость электрофизических, оптических и парамагнитных параметров полиимида от плотности ионного тока Изменение электрических, оптических и магнитных свойств облученного слоя полиимида в зависимости от плотности ионного тока при фиксированной дозе имплантации 1.0 · 1016 cm-2 однозарядных ионов Ar+ Рис. 3. Зависимость спектров оптического пропускания от плотности ионного тока при тех же условиях, что и на представлено на рис. 2–4. Из рис. 2 и 3 видно, что рис. 2. Цифры у кривых — величина плотности ионного тока с ростом величины j происходит как линейный спад в µA/cm2.

величины удельного поверхностного сопротивления, так и монотонное снижение оптического пропускания модифицированного слоя полиимида. Наблюдаемая тенденция к увеличению проводимости с ростом j хорошо согласуется с данными, приведенными в работе [9], однако не представляется возможным точное сопоставление абсолютных значений сопротивления, поскольку в указанной работе они приведены в величинах /.

Далее, для всех исследуемых образцов полиимида обнаружена синглетная изотропная линия ЭПР с g-фактором 2.0025 ± 0.0005, близким к g-фактору свободного электрона. Наблюдаемый сигнал ЭПР обусловлен неспаренными -электронами, входящими в состав электронной системы углеродных кластеров, образующихся при имплантации полимера [21]. На рис. 4 представлено влияние плотности ионного тока на параметры сигналов ЭПР, а именно величина NPC монотонно падает, а ширина линии H возрастает с увеличением j. Рис. 4. Зависимость ширины линии ЭПР и концентрации парамагнитных центров от плотности ионного тока при тех же Явления роста проводимости, снижения оптического условиях, что и на рис. 2.

пропускания и концентрации парамагнитных центров, Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Влияние высоких доз имплантации и плотности ионного тока на свойства пленок полиимида а также уширение линии ЭПР в имплантированном полиимиде с увеличением плотности ионного тока при фиксированной дозе имплантации предполагают возможность структурной перестройки карбонизированной фазы полиимида в условиях возрастающего энергетического воздействия. С ростом плотности ионного тока влияние на состав и структуру поверхностного слоя полимера оказывают не только радиационные эффекты (фракционирование, сшивка, смещение атомов полимерных молекул и т. п.), но и локальный разогрев полимера вблизи латентного трека вследствие передачи кинетической энергии иона атомам полимерной матрицы (эффект теплового клина) [23]. Происходит единый в результате ионного воздействия процесс радиационного термолиза. Характеристические времена этого процесса Рис. 5. Зависимость удельного поверхностного сопротивления составляют 10-12-10-10 s после столкновения иона с от дозы для образцов, имплантированных однозарядными (1) мишенью и пространственная область вокруг трека окаE = 40 keV, j = 8 µA/cm2 и двухзарядными (2) E = 80 keV, зывается разогретой до температур свыше 1000 K [24].

j = 4 µA/cm2 ионами аргона.

Известно, что при имплантации полиимида в первую очередь деградируют эфирные связи между ароматическими циклами, при этом происходит дегазация молекул водорода и окиси углерода [8,25]. В условиях термолиза полимера имидные группы могут превращаться в иминные и амидные [11]. С увеличением плотности ионного тока, когда выделяемая мощность в полимере возрастает, логично предположить принципиальную возможность формирования пространственно протяженных поликонденсированных ароматических структур (рис. 1, b) по аналогии со структурными превращениями полиимида при пиролизе (1000-1200 K) [26]. Рост карбонизированной фазы, характеризующейся системами сопряженных связей, в имплантированном слое полиимида с увеличением j обусловливает соответственно рост его электропроводности, снижение оптического пропускания и числа парамагнитных центров. Рис. 6. Зависимость концентрации парамагнитных центров от дозы имплантации для тех же условий, что и на рис. 5.

Изменение параметров полиимида с ростом дозы имплантации Экспериментальные зависимости электрических, оптических и парамагнитных параметров облученного полиимида от дозы имплантации при постоянной мощности ионного пучка P = E · j = 0.32 W для случаев торможения однозарядных (E = 40 keV, j = 8 µA/cm2) и двухзарядных (E = 80 keV, j = 4 µA/cm2) ионов аргона, представленные на рис. 5–8, носят немонотонный характер. Для доз 5.0 · 1014-2.5 · 1016 cm-2 наблюдается:

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.