氣相沉積聚合聚酰亞胺薄膜及其在電子器件中的應(yīng)用研究.pdf

1、聚酰亞胺(Polyimide,簡寫為PI)是分子結(jié)構(gòu)中含有酰亞胺基團(tuán)的芳雜環(huán)類高分子化合物,已發(fā)現(xiàn)了100多年,但真正獲得大規(guī)模應(yīng)用直到二十世紀(jì)中葉才開始。隨著航空、航天技術(shù)的發(fā)展,各行業(yè)對耐熱、高強(qiáng)、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的需求越來越迫切,促使PI成為應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的聚合物材料。
　　在早期,PI主要是作為結(jié)構(gòu)材料加以應(yīng)用,近年來,雖然PI在電子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正在快速拓展,被廣泛用于層間絕緣、器件封裝、器件抗輻照加固、器件表面鈍化

2、、集成光學(xué)波導(dǎo)等等,然而,在這些應(yīng)用中,PI仍然作為輔助材料的角色在起作用,并沒有成為器件的核心部分,因此,作為功能材料,其應(yīng)用的深度和廣度仍然有限,尤其是在典型微小型電子器件(微電子器件、微機(jī)械器件等)中的應(yīng)用潛力仍有待被發(fā)掘。
　　制約PI在微小型器件中應(yīng)用的主要障礙是PI薄膜的制備和加工技術(shù),傳統(tǒng)的“濕法”制備技術(shù)不僅難以制備質(zhì)量高、厚度較薄的PI薄膜,而且難以實(shí)現(xiàn)在微小型器件局部區(qū)域的保形涂覆,為了拓展PI薄膜在微小型電子

3、器件中應(yīng)用廣度和深度,本論文采用真空氣相沉積聚合技術(shù)(以下簡稱為:氣相沉積聚合)制備PI薄膜,并探索了PI作為器件核心部分在薄膜體聲波諧振器、壓電微機(jī)械超聲換能器及氮化鎵高電子遷移率場效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用,為此,本論文開展了以下幾方面的工作:
　　首先,本論文自行設(shè)計并搭建了一套多元共蒸發(fā)PI薄膜材料制備裝置,本裝置除真空獲得系統(tǒng)外,配備了2個熱蒸發(fā)源爐和1個電子槍,熱蒸發(fā)源爐采用分子束外延設(shè)備常配置的Knudsen cell,主要

4、用于蒸發(fā)合成PI的單體材料,電子束蒸發(fā)源采用e型電子槍(e-gun),主要用于蒸發(fā)金屬材料,為開展氣相沉積PI及其復(fù)合薄膜奠定了基礎(chǔ)。
　　在材料制備裝置搭建基礎(chǔ)上,本論文首先開展了氣相沉積聚合制備PI薄膜的工藝研究。實(shí)驗(yàn)以均苯四甲酸二酐(PMDA)和4,4’二氨基二苯醚(ODA)作為為合成單體材料,采用熱蒸發(fā)使PMDA和ODA氣化,并噴射到基片表面,再在真空環(huán)境下原位加熱基片,實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng),從而制備出PI薄膜。系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)

5、(如:PMDA和ODA的蒸發(fā)溫度、薄膜沉積時的基片溫度、薄膜沉積后的聚合溫度及聚合時間等)對所制備PI薄膜微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。
　　在掌握了PI薄膜氣相沉積聚合工藝后,論文探索了納米金屬顆粒與PI復(fù)合薄膜的制備,即:在熱蒸發(fā)PMDA和ODA的同時,采用電子束蒸發(fā)金屬鉻(以鉻為代表,也可采用其它金屬),從而使納米尺度的金屬顆粒均勻分散到所制備的PI薄膜中,系統(tǒng)研究了這種納米金屬顆粒/PI復(fù)合薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。
　

6、　在材料制備及表征研究基礎(chǔ)上,根據(jù)氣相沉積聚合制備PI薄膜的特點(diǎn),論文選擇了三種典型微小型電子器件,開展氣相沉積聚合PI薄膜在微小型電子器件中的應(yīng)用探索。
　　首先,本論文探索了氣相沉積聚合PI薄膜在微波無源器件方面中的應(yīng)用,以固態(tài)裝配型薄膜體聲波諧振器(FBAR)為研究對象,用PI薄膜替代傳統(tǒng)SiO2薄膜作為低聲學(xué)阻抗材料,與金屬M(fèi)o薄膜作為高聲學(xué)阻抗材料,構(gòu)造了兩個周期的Mo/PI多層膜作為Bragg反射層,以中頻磁控反應(yīng)濺射

7、制備的c軸擇優(yōu)取向AlN壓電薄膜為基礎(chǔ),所研制的固態(tài)裝配型FBAR機(jī)電耦合系數(shù)為5.4％,初步驗(yàn)證了氣相沉積聚合PI薄膜作為低聲學(xué)阻抗材料在FBAR中的應(yīng)用價值。
　　其次,本論文還探索了氣相沉積聚合PI薄膜在微機(jī)電器件(MEMS)中的應(yīng)用,以壓電微機(jī)械超聲換能器(pMUTs)為主要應(yīng)用對象,以PI薄膜作為支撐層和聲學(xué)阻抗匹配層,以AlN壓電薄膜作為感知聲波的敏感層材料,研制了pMUTs,研究結(jié)果顯示:PI薄膜的引入顯著提高了器件

8、性能,與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件相比,PI薄膜的引入使pMUT器件所探測到聲光信號強(qiáng)度提高了1倍,用該pMUT對嵌入頭發(fā)絲的仿生組織進(jìn)行造影演示,演示結(jié)果顯示:該pMUT在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域具有良好應(yīng)用潛力。
　　最后,本論文還探索了PI/Cr復(fù)合薄膜作為高介電常數(shù)介質(zhì)在微電子器件中的應(yīng)用,以GaN高電子遷移率晶體管為應(yīng)用對象,采用高介電常數(shù)的PI/Cr復(fù)合薄膜對GaN高電子遷移率晶體管進(jìn)行鈍化,研究結(jié)果顯示:PI/Cr復(fù)合薄膜的引入不僅提高了