气相沉积聚合聚酰亚胺薄膜及其在电子器件中的应用研究

摘要

聚酰亚胺(Polyimide,简写为PI)是分子结构中含有酰亚胺基团的芳杂环类高分子化合物,已发现了100多年,但真正获得大规模应用直到二十世纪中叶才开始。随着航空、航天技术的发展,各行业对耐热、高强、轻质结构材料的需求越来越迫切,促使PI成为应用领域最广泛的聚合物材料。
　　在早期,PI主要是作为结构材料加以应用,近年来,虽然PI在电子学和光电子学领域的应用正在快速拓展,被广泛用于层间绝缘、器件封装、器件抗辐照加固、器件表面钝化、集成光学波导等等,然而,在这些应用中,PI仍然作为辅助材料的角色在起作用,并没有成为器件的核心部分,因此,作为功能材料,其应用的深度和广度仍然有限,尤其是在典型微小型电子器件(微电子器件、微机械器件等)中的应用潜力仍有待被发掘。
　　制约PI在微小型器件中应用的主要障碍是PI薄膜的制备和加工技术,传统的“湿法”制备技术不仅难以制备质量高、厚度较薄的PI薄膜,而且难以实现在微小型器件局部区域的保形涂覆,为了拓展PI薄膜在微小型电子器件中应用广度和深度,本论文采用真空气相沉积聚合技术(以下简称为:气相沉积聚合)制备PI薄膜,并探索了PI作为器件核心部分在薄膜体声波谐振器、压电微机械超声换能器及氮化镓高电子迁移率场效应晶体管中的应用,为此,本论文开展了以下几方面的工作:
　　首先,本论文自行设计并搭建了一套多元共蒸发PI薄膜材料制备装置,本装置除真空获得系统外,配备了2个热蒸发源炉和1个电子枪,热蒸发源炉采用分子束外延设备常配置的Knudsen cell,主要用于蒸发合成PI的单体材料,电子束蒸发源采用e型电子枪(e-gun),主要用于蒸发金属材料,为开展气相沉积PI及其复合薄膜奠定了基础。
　　在材料制备装置搭建基础上,本论文首先开展了气相沉积聚合制备PI薄膜的工艺研究。实验以均苯四甲酸二酐(PMDA)和4,4’二氨基二苯醚(ODA)作为为合成单体材料,采用热蒸发使PMDA和ODA气化,并喷射到基片表面,再在真空环境下原位加热基片,实现聚合反应,从而制备出PI薄膜。系统研究了工艺参数(如:PMDA和ODA的蒸发温度、薄膜沉积时的基片温度、薄膜沉积后的聚合温度及聚合时间等)对所制备PI薄膜微观结构和电学性能的影响。
　　在掌握了PI薄膜气相沉积聚合工艺后,论文探索了纳米金属颗粒与PI复合薄膜的制备,即:在热蒸发PMDA和ODA的同时,采用电子束蒸发金属铬(以铬为代表,也可采用其它金属),从而使纳米尺度的金属颗粒均匀分散到所制备的PI薄膜中,系统研究了这种纳米金属颗粒/PI复合薄膜的微观结构和电学性质。
　　在材料制备及表征研究基础上,根据气相沉积聚合制备PI薄膜的特点,论文选择了三种典型微小型电子器件,开展气相沉积聚合PI薄膜在微小型电子器件中的应用探索。
　　首先,本论文探索了气相沉积聚合PI薄膜在微波无源器件方面中的应用,以固态装配型薄膜体声波谐振器(FBAR)为研究对象,用PI薄膜替代传统SiO2薄膜作为低声学阻抗材料,与金属Mo薄膜作为高声学阻抗材料,构造了两个周期的Mo/PI多层膜作为Bragg反射层,以中频磁控反应溅射制备的c轴择优取向AlN压电薄膜为基础,所研制的固态装配型FBAR机电耦合系数为5.4％,初步验证了气相沉积聚合PI薄膜作为低声学阻抗材料在FBAR中的应用价值。
　　其次,本论文还探索了气相沉积聚合PI薄膜在微机电器件(MEMS)中的应用,以压电微机械超声换能器(pMUTs)为主要应用对象,以PI薄膜作为支撑层和声学阻抗匹配层,以AlN压电薄膜作为感知声波的敏感层材料,研制了pMUTs,研究结果显示:PI薄膜的引入显著提高了器件性能,与传统结构器件相比,PI薄膜的引入使pMUT器件所探测到声光信号强度提高了1倍,用该pMUT对嵌入头发丝的仿生组织进行造影演示,演示结果显示:该pMUT在生物医学成像领域具有良好应用潜力。
　　最后,本论文还探索了PI/Cr复合薄膜作为高介电常数介质在微电子器件中的应用,以GaN高电子迁移率晶体管为应用对象,采用高介电常数的PI/Cr复合薄膜对GaN高电子迁移率晶体管进行钝化,研究结果显示:PI/Cr复合薄膜的引入不仅提高了器件的输出特性,还显著提高了器件的耐压能力,与PI钝化的GaN HEMT器件相比,采用PI/Cr钝化使器件击穿电压提高了60％,显著提高了器件耐压能力,体现出一种类似“场板”的效应(以下简称“高介场板”)。由于PI/Cr复合薄膜与GaN器件工艺兼容性好,器件工艺简单,因此,高介电常数PI薄膜将在GaN功率器件研制中具有重要工程价值。

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第一章 绪 论

1.1引言

1.2 PI简介

1.3气相沉积聚合PI在电子器件中的应用价值分析

1.4本论文的选题意义和主要研究内容

第二章 实验方法

2.1 PI薄膜制备用多元共蒸发装置搭建

2.2薄膜材料及器件性能测试方法

2.3薄膜材料结构表征方法

第三章PI薄膜的气相沉积聚合制备研究

3.1单体材料的选择

3.2 PI薄膜气相沉积聚合制备工艺研究

3.3气相沉积聚合制备PI薄膜结构表征

3.4本章小结

第四章 高介电常数PI薄膜气相沉积聚合制备及性质研究

4.1 PI/Cr复合薄膜的气相沉积聚合制备工艺

4.2气相沉积聚合制备PI/Cr复合薄膜的结构表征

4.3气相沉积聚合制备PI/Cr复合薄膜的介电特性测试

4.4气相沉积聚合制备PI/Cr复合薄膜的记忆特性研究

4.5本章小结

第五章 气相沉积聚合PI薄膜在FBAR中的应用研究

5.1压电薄膜材料的选择

5.2 PI/Mo多层膜Bragg反射层的制备

5.3 AlN压电薄膜的制备与性能

5.4 FBAR器件研制

5.5本章小结

第六章 气相沉积聚合PI薄膜在pMUT中的应用研究

6.1 pMUT器件研制工艺

6.2 pMUT器件性能

6.3 pMUT在生物组织光声成像中的应用演示

6.4本章小结

第七章 高介电常数PI薄膜在GaN HEMTs中的应用

7.1 PI/Cr复合薄膜钝化的GaN HEMT器件研制工艺

7.2 GaN HEMT器件性能测试

7.3 PI/Cr钝化GaN HEMTs器件的电场分布仿真

7.4 PI/Cr高介电常数薄膜在GaN HEMTs器件中的应用价值讨论

7.5本章小结

第八章 结 论

8.1主要结论

8.2创新点

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果