Тонкопленочный электрический элемент и способ его изготовления - RU2049365C1
Код документа: RU2049365C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к тонкопленочным электрическим элементам, в частности к гибкому, микроминиатюрному, водонепроницаемому, биологически совместимому тонкопленочному интегральному модулю, который может быть составлен таким образом, чтобы действовать в качестве соединителя, воспринимающего элемента или другого электрического элемента. Более конкретно, изобретение относится к усовершенствованиям в операциях перемещения и придания нужной конфигурации тонкопленочному интегральному модулю во время изготовления.
Тонкая пленка обычно представляет собой пленку толщиной 0,01-0,5 мкм, нанесенную на стеклянную, керамическую или полупроводниковую подложку для образования, например, конденсатора, сопротивления, катушки или другого элемента схемы.
Тонкопленочные интегральные схемы состоят по существу из тонких пленок, нанесенных в виде определенного рисунка на соответствующую подложку.
Известен способ изготовления калиброванного резистивного элемента [1] в котором на подложку наносят изоляционной слой и покрытие, часть покрытия разрушают, получают выемку в изоляционном слое, наносят в выемку электропроводный материал.
Наиболее близким аналогом является способ изготовления электронного прибора пленочного типа [2] в котором на жесткую основу наносят водорастворимый слой, на который помещают пленку определенной конфигурации, имеющую электрические свойства, а сверху наносят нерастворимый в воде слой.
Технический результат изобретения создание усовершенствованного биологически совместимого тонкопленочного датчика или схемы, которая подходит для применения в человеческом теле. Было обнаружено, что удовлетворяющие требованиям биологически совместимые тонкопленочные датчики или схемы в основном нельзя изготавливать, основываясь исключительно на материалах и способах, используемых для изготовления обычных тонкопленочных структур.
Проверку и регистрацию многих биологических состояний в человеческом теле или в другом окружении ионной жидкости можно было бы улучшить посредством создания водонепроницаемого тонкопленочного гибкого биологического датчика миниатюрных размеров. Однако обычные тонкопленочные структуры по существу не предназначены для биологического совмещения с человеческим телом и изготавливаются с применением способов, которые не подходят для применения с биологическими материалами. Кроме того, обычные тонкопленочные структуры не являются гибкими.
Кремниевая пластина обычно образует основу, платформу или носитель, на котором выстаивается обычная тонкопленочная структура. Автоматическое оборудование используется для осуществления перемещения кремниевой пластины между участками изготовления по мере образования тонкопленочной структуры слой за слоем на кремниевой пластине. В изобретении первый тонкопленочный слой, связанный с несущей пластиной из кремния, применяется в качестве подложки для тонкопленочной структуры. После составления тонкопленочной структуры несущая пластина из кремниевой пластинки отсоединяется от подложки тонкопленочной структуры и удаляется.
Тонкопленочную структуру можно повредить во время отделения тонкопленочной структуры от несущей пластины из кремния, если структура изготовлена из какого-либо материала, который является несовместимым с кислотным травильным раствором или другим веществом для отделения, которое используется для разрыва связей, соединяющих подложку тонкопленочной структуры с ее несущей пластиной из кремниевой пластинки. Было обнаружено, что многие биологические материалы такого типа, который можно использовать при составлении биологически совместимой тонкопленочной структуры, повреждаются или теряют свое свойство под действием обычных веществ для освобождения кремниевой пластины от связей. Травильные растворы, обычно применяемые для растворения несущей пластины из кремния, не совместимы с биологическими материалами, содержащимися в биологически совместимой тонкопленочной структуре.
Было обнаружено, что тонкопленочные металлические проводники, нанесенные на полимерную подложку, связанную с несущей пластиной, могут разламываться и отслаиваться при снятии полимерной подложки с основания несущей пластины. Вероятно, что любая разница в коэффициентах теплового расширения полимерной подложки и основания его несущей пластины ведет к образованию внутренних напряжений в полимерной подложке при отверждении с нагревом, так как ее коэффициент теплового расширения отличается от коэффициента теплового расширения несущей пластины. Проблемы разлома и отслоения структуры из тонкой пленки могут возникнуть, если не учитывать коэффициенты теплового расширения материалов основания несущей пластины и подложки, используемых для составления тонкопленочной структуры.
Обычно тонкопленочные структуры содержат связующую металлическую пленку для улучшения связи пленки из благородного металла с полимерной подложкой. Такой слой пленки связующего металла является полезным связующим средством, поскольку благородные металлы, используемые для создания электрических схем в тонкопленочных структурах плохо сцепляются непосредственно с полимерными подложками. По этой причине связующий металлический слой расположен между полимерной подложкой и слоем пленки из благородного металла.
Было обнаружено, что тонкопленочные структуры утрачивают свои рабочие свойства в результате взаимной диффузии смежных примыкающих друг к другу слоев пленки связующего металла и благородного металла во время любой высокотемпературной обработки тонкопленочной структуры, например, во время отверждения с нагревом промежуточного раствора для образования полимерного изоляционного слоя на слоях металлической пленки. Утрата рабочих свойств включает в себя, например, потерю гибкости самой тонкопленочной структуры и возникновение проблем, связанных с сцеплением металлического пленочного слоя. Помимо этих механических проблем взаимная диффузия металлов может повлечь за собой изменения электрических свойств слоя благородного металла.
Обычным решением проблемы взаимной диффузии металлов в производстве полупроводников является добавление жаропрочного металлического слоя (например, слоя вольфрама или тантала) между пленочными слоями связующего и благородного металла. Этот дополнительный слой действует в качестве барьера для взаимной диффузии металлов. Обработка тонкопленочной структуры, однако, сильно усложняется из-за нанесения и размещения такого дополнительного слоя пленки жаропрочного металла.
Техническим результатом изобретения является создание биологически совместимого тонкопленочного электрического элемента, пригодного для использования в теле человека или в каком-либо другом окружении ионной жидкости.
Другим техническим результатом изобретения является создание тонкопленочного электрического элемента, выполненного в таком виде и при таком расположении, чтобы действовать в качестве биодатчика, внедряемого в медицинское устройство, имплантированное в теле человека, и способа изготовления такого тонкопленочного электрического элемента с сохранением его способности действовать в качестве биодатчика.
Также техническим результатом изобретения является создание тонкопленочной структуры, которую можно изготавливать без возникновения повреждений из-за напряжений, возникающих при снятии подложки тонкопленочной структуры с основания в виде несущей пластины.
Кроме того техническим результатом изобретения является создание тонкопленочной структуры, которую можно изолировать без взаимной диффузии слоев металлической пленки, содержащихся в тонкопленочной структуре.
В соответствии с изобретением электрический элемент включает в себя жесткую стеклянную несущую пластину, подложку, связанную с жесткой стеклянной несущей пластиной, и средство для получения электрической схемы. Подложка включает в себя полимер, образующий связи с жесткой стеклянной несущей пластиной, которые разрушаются при погружении подложки и жесткой стеклянной несущей пластины в ванну кипящей воды или ванну физиологического раствора для освобождения подложки от связи с жесткой стеклянной несущей пластиной. Средство для получения электрической схемы связуется с подложкой и не разрушается во время удаления связи подложки с жесткой стеклянной несущей пластиной.
Одним признаком изобретения является создание тонкопленочного электрического элемента, в котором полимерную подложку можно снять с ее несущей пластины без применения какого-либо снимающего вещества или способа, которые могли бы нанести повреждение биологическим материалам, содержащимся в подложке или средство для получения электрической схемы, образованном на подложке. Правильный выбор стекла для несущей пластины и полимера для подложки имеет очень важное значение. В частности, полимер, который образует связь со стеклом, которая является достаточно сильной только для того, чтобы выдержать процессы изготовления схемы, однако, которая может быть разрушена биологически совместимой кипящей водой или биологически совместимым теплым физиологическим раствором, является важным признаком изобретения.
Известно, что неизменный полиамид типа РМДА-ОДА обычно считается худшим по сравнению с другими возможными материалами подложки из-за его ограниченной связующей прочности при связи с большинством оснований несущих пластин. Таким образом, в большинстве случаев применения тонкой пленки добавляют вещества, обеспечивающие связь так, чтобы этот полиимид изменялся для улучшения связующей способности. Тем не менее, в изобретении ограниченная связующая прочность желательна для того, чтобы стеклянную несущую пластину можно было снимать с полиимидной подложки с применением снимающих веществ и способов. Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления изобретения полимерная подложка включает в себя неизмененный полиимид типа РМДА-ОДА.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения жесткая стеклянная несущая пластина включает в себя стекло с малым коэффициентом расширения, а полимер, образующий подложку, включает в себя полиимид, имеющий коэффициент теплового расширения, который эквивалентен коэффициенту теплового расширения стекла малого расширения. Такое соответствие в коэффициентах теплового расширения приводит к тому, что жесткая стеклянная несущая пластина и полимерная подложка, несущая средство для получения электрической схемы, расширяются приблизительно с одинаковой скоростью в то время, когда тонкопленочную структуру подвергают действию высокой температуры. Целесообразно избегать отделение средства для получения электрической схемы от подложки во время освобождения полимерной подложки из сцепления с жесткой стеклянной несущей пластиной.
Другим признаком изобретения является то, что стекло несущей пластины и полимер для подложки тщательно выбирают таким образом, чтобы их коэффициенты теплового расширения были приблизительно одинаковыми. Тепловое соответствие такого типа уменьшает вероятность того, что возникает серьезное разрушение или отслоение во время снятия полимерной подложки со стеклянной несущей пластины.
Еще одним признаком изобретения является создание полимерного изоляционного слоя с относительно низкой температурой отверждения. Без учета взаимной диффузии металлов логическим выбором для этого изоляционного слоя мог бы стать фотовоспроизводящий полиимид, поскольку слой можно составить без применения дополнительных стадий с использованием фоторезиста. К сожалению, для существующих в настоящее время фотовоспроизводящих полиимидов требуется большая температура отверждения (450оС) для выделения фотосенсибилизаторов. В предпочтительном примере осуществления изобретения используется полиимид ВТ А-О А с позитивным фоторезистом для создания изоляционного покрытия определенного рисунка. Этот материал можно обрабатывать при довольно низкой температуре, например 250оС, в результате чего в значительной степени сокращается взаимная диффузия и связанные с ней проблемы.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения один тип полиимида используется для образования полимерной подложки, а другой тип полиимида используется для образования полимерного изолятора. Выбор полиимида для подложки основывается на возможности его снятия и на совместимости его теплового расширения со стеклянной несущей пластиной. Например, для этого подходит полиимид РМ А-О А или ВР А-РР. С другой стороны, выбор полиимида для изолятора основан на величине температуры его отверждения в сравнении с минимальной температурой, при которой металлы в тонкопленочным электрическом элементе начинают проявлять взаимную диффузию, а также на его связующей прочности при связи с лежащим ниже полимерным и металлическим слоями. Например, как отмечалось выше, подходящим является полиимид ВТ А-О А.
Кроме того, в соответствии с изобретением предлагается способ изготовления тонкопленочного электрического элемента. Этот способ состоит из стадий создания жесткой стеклянной несущей пластины, имеющей плоскую поверхность, покрытия плоской поверхности первым промежуточным раствором полиаминовой кислоты, и отверждения первого промежуточного раствора полиаминовой кислоты с использованием тепла, имеющего первую температуру для получения слоя полиимидной пленки, связанной с плоской поверхностью. В предпочтительном варианте осуществления изобретения полиимидная пленка имеет коэффициент теплового расширения, который эквивалентен коэффициенту теплового расширения жесткой стеклянной несущей пластины и поэтому устраняется образование внутренних напряжений в полиимидной пленке во время отверждения. В других конкретных примерах осуществления изобретения можно использовать стеклянные несущие пластины и полиимидные пленки, имеющие существенно отличающиеся коэффициенты теплового расширения.
Стадия нанесения покрытия также состоит из стадий наливания первого промежуточного раствора полиаминовой кислоты на плоскую поверхность жесткой стеклянной несущей пластины и вращение жесткой стеклянной несущей пластины вокруг оси, ортогональной к плоской поверхности, для образования гладкого покрытия промежуточного раствора полиаминовой кислоты, по существу, с одинаковой толщиной по всей плоской поверхности. Это обычный процесс нанесения покрытия с вращением, который обычно используется в области изготовления полупроводников. Жесткую стеклянную несущую пластину вращают со скоростью 1000 6000 об./мин.
Способ также состоит из стадий образования средства для получения электрической схемы на полиимидной пленке и стадий действия на жесткую стеклянную несущую пластину, полиимидную пленку и средство для получения электрической схемы как ванной с горячей водой, так и ванной с физиологическим раствором, имеющей температуру тела человека, в течение периода времени, достаточного для разрушения связи, соединяющей полиимидную пленку с жесткой стеклянной несущей пластиной. Теплая ванна физиологического раствора является биологически совместимым снимающим веществом, которое действует таким образом, чтобы отсоединить полиимидную пленку от жесткой стеклянной несущей пластины без отделения средства для получения электрической схемы от полиимидной пленки.
Электрическая схема образуется в тонкопленочном электрическом элементе в результате нанесения первого связующего металлического слоя на полиимидную пленку, слоя из благородного металла на первый связующий металлический слой, и второго связующего металлического слоя на слой благородного металла таким образом, чтобы слой благородного металла находился между первым и вторым связующими металлическими слоями, и придания рисунка нанесенному слою благородного металла и первому и второму связующим металлическим слоям для определения средства на полиимидной пленке для получения электрической схемы. После этого второй промежуточный раствор полиаминовой кислоты образуют на средстве для получения электрической схемы посредством наливания второго промежуточного раствора полиаминовой кислоты на средство для получения электрической схемы, и вращения узла, включающего в себя жесткую стеклянную несущую пластину, полиимидную пленку, средство для получения электрической схемы, вокруг оси, расположенной ортогонально по отношению к плоской поверхности жесткой стеклянной несущей пластины. Узел вращают для получения покрытия второго промежуточного раствора полиаминовой кислоты на заранее определенные открытые участки полиимидной пленки и средства для получения электрической схемы.
Второй промежуточный раствор полиаминовой кислоты затем отверждают с применением тепла, имеющего вторую температуру, для получения полиимидного изоляционного покрытия на средстве для получения электрической схемы. В тех случаях, когда взаимная диффузия между слоями благородного металла и связующего металла вызывает проблемы, вторая температура меньше, чем характерная минимальная температура, при которой происходит взаимная диффузия слоя благородного металла и первого и второго связующих металлических слоев, и поэтому во время отверждения нагревом второго промежуточного раствора полиаминовой кислоты не происходит значительной взаимной диффузии между слоем благородного металла и первым и вторым связующими металлическими слоями.
Другие цели, признаки и преимущества изобретения станут очевидны специалистам в данной области техники при рассмотрении нижеследующего подробного описания предпочтительного варианта изобретения, в котором в качестве примера раскрыт лучший способ его осуществления.
На фиг. 1 представлена стеклянная несущая пластина во время нанесения полимерного промежуточного раствора на плоскую поверхность стеклянной несущей пластины, поперечный разрез; на фиг. 2 полимерная подложка на стеклянной несущей пластине, вертикальный разрез; на фиг. 3 металлический композитный проводник, состоящий из трех металлических слоев на полимерной подложке; на фиг. 4 вид элемента в плане, показывающий конфигурацию многослойного металлического проводника, образующего элемент схемы; на фиг. 5 схематическое изображение в поперечном разрезе элемента, показывающее отверстие для доступа выполненное в верхнем металлическом слое, и изоляционное покрытие, покрывающее участки металлического проводника; на фиг. 6 вид в плане компонента, показывающий пару неизолированных точек для крепления выводов; на фиг. 7 схематическое изображение в поперечном разрезе элемента, погруженного в жидкую ванну для освобождения стеклянной несущей пластины от сцепления с полимерной подложкой; на фиг. 8 схематическое изображение в поперечном разрезе элемента в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения; на фиг. 9 вид сверху элемента, показывающий пару неизолированных точек для крепления выводов.
Способ изготовления тонкопленочного электрического элемента проиллюстрирован на фиг. 1 7. Готовый элемент показан на фиг. 7. Чистая стеклянная пластина 10 (фиг. 1) используется в начале процесса изготовления для того, чтобы служить в качестве жесткой несущей пластины или основания для тонкопленочного электрического элемента. Предпочтительнее всего использовать фотомаскировочный шаблон, так как он имеет точную планшетность и гладкость, а также обладает тепловой устойчивостью. В предпочтительном варианте осуществления изобретения пластина 10 сделана из стекла с малым коэффициентом расширения, состоящего из 60% SiO2; 18% RO; 15% Al2O3; 5% B2O3; 1% Na2O и 1% К2О, где RO включения окиси неизвестного металла.
Можно использовать квадратные или круглые стеклянные пластины для получения пластины 10 с наружными размерами от 3 дюймов (7,62 см) до 6 дюймов (15,24 см) и толщиной от 0,030 дюйма (0,076 см) до 0,090 дюйма (0,228 см). Стандартный размер кремниевой пластины или фотомаски можно выбрать для пластины 10 таким образом, чтобы он подходил для устройств автоматического перемещения и обработки. Стеклянную пластину 10 можно очистить с применением обычного очистительного раствора перед использованием и ее можно использовать многократно.
Полимерная подложка 11 (фиг. 1 и 2) образована путем нанесения при вращении жидкой полиаминовой кислоты 12 на верхнюю плоскую поверхность 14 жесткой пластины 10 из кварцевого стекла при вращении пластины 10 вокруг оси 16, которая является ортогональной по отношению к плоской поверхности 14. Стеклянная несущая пластина 10 вращается со скоростью 1000-6000 об./мин. Желательно применять именно такой способ покрытия с вращением, поскольку в результате его применения образуется гладкое и равномерное покрытие.
Промежуточный раствор 12 полиаминовой кислоты на стеклянной пластине 10 имидизируется с применением двухэтапного процесса отверждения при повышенной температуре для получения полимерной подложки 11, содержащей плоский равномерный по толщине лист полиимида. Подложка 11 выполнена из полимера, который обладает необходимыми электрическими свойствами, поверхностью, на которую можно нанести металл, и необходимыми свойствами, обеспечивающими снимаемость. Полиимид типа РМДА-ОДА (пиромеллитический диангидрид оксидианалин) без добавок, способствующих сцеплению, является наиболее предпочтительным полимером. Этот материал очень быстро образует связи со стеклом и такие связи можно разрушить кипящей водой или теплым физиологическим раствором. Однако, связь между полиимидом и стеклом достаточно сильная чтобы выдержать процесс изготовления тонкопленочной схемы. Например, связь такого типа полиимида со стеклом достаточна для того, чтобы выдержать обычные фотолитографические процессы, такие как прогрев, кислотное травление, создание фоторезиста и распыление. Кроме того, коэффициент теплового расширения полиимида и приблизительно такой же, что и коэффициент теплового расширения предпочтительной стеклянной пластины 10 и поэтому проблемы, связанные с разрушением или отслоением будут оказывать отрицательное действие на тонкопленочный электрический элемент при снятии полиимидной подложки 11 со стеклянной несущей пластины 10.
Толщина полимерной подложки 11 может составлять 10 1000 мкм. Это зависит от вязкости промежуточного раствора 12 полиаминовой кислоты и скорости вращения стеклянной несущей пластины 10. Толстые покрытия (приблизительно более 25 мкм) полиимида получают в результате многократного повторения циклов покрытия и отверждения. В другом варианте осуществления изобретения заранее изготовленный лист из материала КАРТОN® используется для создания полимерной подложки 11 вместо наносимой с вращением жидкой полиаминовой кислоты 12, подвергаемой двухэтапному процессу отверждения при повышенной температуре.
Слои металла наносят в виде рисунков (фиг. 3 и 4). Гибкий проводник 18 образуют на верхней поверхности 20 полимерной подложки 11 и включает в себя первый связующий слой 22 металла, связанный с верхней поверхностью 20, слой 24 благородного металла, связанный с первым связующим слоем 22 металла и второй связующий слой 26 металла, связанный со слоем 24 благородного металла для заключения слоя 24 из благородного металла между первым и вторым связующими металлическими слоями 22, 26.
Три металлических слоя 22, 24 и 26 наносятся последовательно с применением стандартных способов вакуумного нанесения тонкой пленки. Распыление с применением магнетрона постоянного тока является наиболее целесообразным способом благодаря тому, что он обладает большой скоростью нанесения и способностью образовывать пленки, обладающие большой связующей способностью. Золото является наиболее предпочтительным благородным металлом благодаря его высокой пластичности, однако, вполне приемлемыми также являются платина и палладий. Хром является предпочтительным связующим металлом, хотя также можно использовать титан, вольфрам и тантал. Слои связующего металла имеют толщину приблизительно 0,1-0,2 мкм. Следует понимать, что не обязательно включать жаропрочный металлический слой по границе между каждым слоем связующего и благородного металла благодаря выбору полимерного изоляционного покрытия, имеющего низкую температуру отверждения, как это описано ниже.
Для создания электрического элемента на подложке 11 слоям металла 22, 24 и 26 можно придать рисунок с использованием различных стандартных фотолитографических способов (не показаны). Рисунок 27 схемы (например, резистор) показан на фиг. 4. Следует понимать, что рисунок 27 мог бы представлять любой электрический элемент, интегральную схему, датчик или другой элемент в зависимости от требующей функции тонкопленочной структуры.
Приемлемый фотолитографический способ обычно включает в себя нанесение фоторезиста или маскировочного материала посредством нанесения покрытия с применением вращения. Этот материал высушивают до полного высыхания. Затем материал подвергают воздействию ультрафиолетового света через маску, которая имеет формы схемы. Таким образом образуется фоторезист, и закрытыми остаются выбранные участки. Открытый металл можно удалить посредством влажного химического или сухого плазменного травления. Фоторезист затем можно удалить посредством погружения в растворитель или путем плазменного травления. В предпочтительном варианте осуществления изобретения используется позитивный фоторезист, влажное травление и снятие покрытия растворителем. Были получены линии и промежутки размером всего 5 мкм, но можно получить размер даже 1 мкм.
Изоляционное покрытие 28 необходимо для того, чтобы электрически изолировать проводник 20 и предотвратить воздействие жидкостей на фактически коррозионный связующий металл. Тот же самый способ нанесения рисунка, который применялся для получения электрической схемы 27 в проводнике 20 сейчас можно применить для удаления верхнего связующего металлического слоя 26 на участках проводника 20, которые будут неизолированы. Второй связующий металлический слой 26 (фиг. 5) выполнен таким образом, что включает в себя два отверстия 30 для того, чтобы делать открытой часть нижелажещего слоя 24 благородного металла для создания участка 32 крепления выводов на слое 24 благородного металла. Металл в слое 26 удаляют приблизительно на 5-10 мкм за пределы проектируемого места расположения края 34 отверстия изоляции. Это расстояние должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить покрывание края 30 связующего металла, но минимум таким, чтобы большая часть изоляционного слоя 28 находилась в контакте со связующим металлом. Полиимидная подложка и изоляционные слои 11, 28 плохо сцепляются непосредственно с благородным металлом 24. Именно эта стадия точного совмещения делает использование нанесенных с вращением подложек наиболее предпочтительным в настоящем изобретении. Сложно сохранять свободно лежащие пленки плоскими для обеспечения точности совмещения 5-10 мкм в листе от 3 дюймов (7,62 см) до 6 дюймов (15,24 см). Полиимидное покрытие (фиг. 5), определяющее изоляционное покрытие 28, включает в себя стенку 31, которая проходит в отверстие 30 для доступа, образованное во втором связующем металлическом слое 26 для контактирования со слоем 22 благородного металла.
Изоляционный слой 28 наносится и выполняется в виде нужного рисунка. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения изоляционный слой 28 выполнен из полиимида типа ВТДА-ОДА, который может отверждать при температуре всего лишь 250оС для уменьшения возможности возникновения проблем взаимной диффузии металлов в проводнике 20. Толщину покрытия 1-25 мкм можно использовать для создания изоляционного слоя 28. В качестве варианта, для создания изоляционного слоя 28 можно использовать полиимид типа РМДА-ОДА. Фотовоспроизводимые полиимиды наиболее предпочтительны, так как для фотоневоспроизводимых полиимидов требуется больше стадий обработки.
Изоляционный слой 28 образуется посредством нанесения с вращением покрытия промежуточного раствора полиаминовой кислоты на проводнике 20, установленном на полимерной подложке 11, отверждения промежуточного раствора для получения выбранного полиимида при температуре, которая меньше минимальной температуры, при которой происходит взаимная диффузия слоя 24 благородного металла и слоев 22, 26 связующего металла, нанесения светочувствительного слоя, травления и очищения. Преимущественно, значительную часть взаимной диффузии слоя 24 благородного металла и слоев связующего металла предотвращают посредством отверждения промежуточного раствора полиаминовой кислоты, образующего изоляционное покрытие 28, при низкой температуре. Следует понимать, что температура отверждения полимерного промежуточного вещества, используемого для получения полимерной подложки 11 не ограничивается такой низкой температурой, так как она отверждается перед тем, как на нее будет нанесен какой-либо из металлических слоев 22, 24 и 26.
В ходе работы было обнаружено, что если золото и хром применяют соответственно в качестве благородного и связующего металлов, взаимная диффузия (которая ведет к растрескиванию датчика) между слоями благородного и связующего металлов не происходит даже если полиимид, имеющий высокую температуру отверждения, используется для создания изоляционного слоя 28. Если используется комбинация металлов золото/хром, высоко- и низкотемпературные полиимиды можно использовать для создания изоляционного слоя 28. Было обнаружено, что проблема взаимной диффузии металлических слоев существует, если вместо золота или хрома применяются какие-либо другие благородные или связующие металлы, перечисленные выше, например, платина вместо золота или титан вместо хрома. Соответственно, в настоящее время лучшей комбинацией является комбинация золото/хром.
В другом варианте осуществления изобретения (фиг. 8 и 9) эти элементы, обозначенные позициями, идентичными позициями на фиг. 1-7, выполняют такую же или подобную функцию. Основными признаками, отличающими этот вариант осуществления от предыдущего варианта осуществления является применение вулканизации полимера при комнатной температуре для получения изоляционного слоя и отсутствие слоя связующего металла между слоем благородного металла и изоляционным слоем.
Соответствующее покрытие используется для создания изоляционного слоя 128 (фиг. 8 и 9). В предпочтительном варианте этим покрытием является синтетический полимерный эластомер, состоящий, главным образом, из кремний органической смолы, такой как диметил силоксан и связующего промотора, такого как метоксисилан. Подходящим материалом для покрытия является смола М-460мн, поставляемая фирмой "Миллер-Стефенсон кемикл компании Инк.", г. Дэенбери, шт. Коннектикут. Эта смола используется в виде раствора для нанесения с вращением или в виде аэрозоля для нанесения покрытия распылением. Применение способа распыления является наиболее предпочтительным, поскольку он более подходит для массового производства.
Кремнийорганическая смола, применяемая для получения изоляционного слоя 128 является системой из одной части, которая отверждается на месте при комнатной температуре. Эта смола является заменителем полимерам, которые отверждают при высокой температуре, которая может вызвать взаимную диффузию. Как отмечалось выше, если несколько вариантов применения тонкой пленки там где металлические проводники нельзя подвергать действию высоких температур, необходимых для отверждения пленки полимерного изоляционного слоя.
Другим преимуществом материалов для этого соответствующего покрытия, в частности кремнийорганических смол, является то, что они более гидрофобны по сравнению с другими материалами, такими как полиимиды. Гидрофобный характер этих соответствующих покрытий, в частности силиконов, приводит к тому, что впитывается меньшее количество влаги. Кроме того, предпочтительное соответственное покрытие хорошо прилипает к золоту, что устраняет необходимость использовать слой связующего металла между слоем 24 благородного металла и изоляционным слоем 128. Это уменьшает количество производственных стадий, необходимых для изготовления тонкопленочного электрического элемента, что в свою очередь, уменьшает затраты на изготовление элемента.
Отверстия 134 для доступа легко выполнить в изоляционном слое 128 после его отверждения. Эти отверстия можно создать например, используя или сухое плазменное травление, или посредством закрывания этих участков перед нанесением соответствующего покрытия на слой 24 благородного металла. Соответствующее покрытие 128 является гибким материалом, который хорошо подходит для применения в тонкопленочном электрическом элементе, который должен обладать способностью изгибаться во время применения.
Полезным этапом является снятие полимерной подложки 11 с жесткой стеклянной несущей пластины 10 (фиг. 7). Можно применять два способа: погружение на 3 ч в ванну воды с температурой 100оС или погружение на 24 ч в ванну физиологического раствора с температурой 37о С. Такое время и температура могут слегка меняться, при этом результат остается неизменным. Способ с применением кипящей воды является наиболее быстрым способом. Способ с применением физиологического раствора, имеющего температуру тела человека, используется там, где чувствительные к температуре материалы, такие как энзимы, антитела или другие биологические материалы соединялись со схемой.
Дополнительную стадию можно добавить перед снятием подложки 11 со стеклянной несущей пластины 10. Контур тонкопленочного электрического компонента можно вырезать с высокой точностью с применением лазера. Ультрафиолетовая длина волны этого лазера легко режет полиимид, но не повреждает стекло, применяемое для получения несущей пластины 10. Кроме того, этот режущий механизм не образует механического или теплового разрушения, которое может повредить биоматериалы.
Очень тонкие гибкие подложки требуются для биодатчиков. Биодатчик должен быть достаточно малых размеров для того, чтобы его можно было разместить на гиподермической игле или венозном или артериальном катетере и чтобы он выдерживал некоторое изгибание. Этот тип подложки не легко сохранять плоским и его сложно перемещать механизмами, а именно эти особенности являются обязательными для эффективного в отношении затрат, фотолитографического производства. Подложки биодатчиков должны также быть свободными от загрязнений и должны быть биологически совместимыми. Всем этим требованиям отвечает тонкопленочный электрический элемент, выполненный в соответствии с настоящим изобретением. Жидкие полимерные промежуточные материалы высокой чистоты имеются на рынке и являются относительно инертными в биологическим отношении в отвержденном виде. Стеклянные пластины обладают очень хорошей плоскостностью и их можно загрузить в различные кассетные механизмы для автоматического перемещения. Кроме того, имеется средство для снятия тонкопленочной структуры без повреждения биологических материалов.
Гибкость является основным преимуществом схематики, используемой для составления тонкопленочного электрического элемента в соответствии с изобретением. Изогнутые и трехмерные тонкопленочные структуры можно выстраивать благодаря гибкости проводника 20. Гибкость тонкопленочного электрического элемента делает легко возможным создать датчик, совпадающий с измеряемой поверхностью или соединителем. В отличие от этого обычные тонкопленочные или полупроводниковые подложки, такие как силиконовые, двуокиси алюминия и двуокиси кремния являются очень хрупкими в таких тонких секциях.
Благодаря малым размерам проводника и изолятора все устройство имеет малые размеры. Это особенно преимущественно для портативных и имплантированных устройств. Это также полезно для соединителей большой плотности, таких как те, которые непосредственно граничат с интегральной схематикой. Результатом является почти десятикратное уменьшение размера по сравнению со стандартной гибкой схематикой.
Водонепроницаемость этой схемы придает ей преимущество, которое заключается в возможности ее работы во многих неблагоприятных средах, непригодных для традиционных схем, таких как пресная вода, соленая вода, физиологический раствор (жидкость тела), кипящая вода, пар. Это позволяет найти применение в медицинской, промышленной и морской областях.
Полиимид является относительно недорогим по сравнению с кремнием и другими характерными материалами для основания микросхем. Это означает, что можно сделать соединительные проводники на той же подложке где и активная схематика, в результате чего устраняются проволочные связи и соединения. Полиимид как оказалось, является биологически инертным. Жидкая полиаминовая кислота может обладать большей чистотой, чем листовой полиимид.
Многие электрические элементы можно изготовить просто посредством придания необходимого рисунка металлическому и изоляционному слоям 22, 24, 26 и 28. К таким элементам относятся сопротивления, конденсаторы, соединители, антенны, контактные подушки, электроды, нагреватели, индукторы, предохранители и термисторы.
Кроме того, пьезоэлектрические, фоторезистивные или магнитные пленки можно наносить подвергая чувствительные элементы действию силы, света, магнитных полей. Поверхность 24 благородного металла может быть получена электролитическим способом для образования электрохимически пригодных электродов обнаружения (т. е. платина, серебро/хлорид серебра). Активные устройства (оптикоэлектронные элементы, транзисторы, интегральные схемы) могут быть подсоединены к схеме для обеспечения функций усиления, регулирования или других функций.
Областью широкого применения является имплантированные медицинские устройства. Такими устройствами могут быть датчики, электроды, или другие физические датчики для проводимости напряжения, температуры или жидкости. Также могут быть изготовлены стимулирующие электроды для ушей, сердца, головного или спинного мозга. Геометрии этих устройств позволяют встраивать их внутри катетеров малого размера, а также в гиподермические иглы.
Реферат
Использование: в качестве биодатчика как биологически совместимый электрический элемент для применения в теле человека или в другом окружении ионной жидкости. Сущность изобретения: тонкопленочный электрический элемент содержит расположенную на изолирующей пленке электропроводную пленку, выполненную из двух металлических адгезионных слоев и слоя благородного металла между ними. Проводящая пленка дополнительно изолирована полимерной оболочкой. Способ изготовления тонкопленочного электрического элемента включает формирование на поверхности подложки изолирующей пленки, электропроводящей пленки. Изолирующую пленку формируют нанесением на поверхность жесткой подложки раствора и последующим отверждением этого раствора до получения слоя полимидной пленки, а электропроводящую пленку формируют путем последовательного нанесения на изолирующую пленку первого адгезийного металлического слоя, слоя благородного металла и второго адгезионного металлического слоя. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 9 ил.
