RU2032961C1

RU2032961C1 - Method of recrystallization of films of high-melting oxides

Info

Publication number: RU2032961C1
Authority: RU
Inventors: И.В. Князев; Г.Я. Павлов; Л.Н. Выборнова
Original assignee: Инженерный центр "Плазмодинамика"
Priority date: 1990-02-27
Filing date: 1990-02-27
Publication date: 1995-04-10

Abstract

FIELD: obtaining insulating layers. SUBSTANCE: sublayer with the film is affected by low-temperature plasma of atmospheric pressure. Power, gas flow rate, and duration of exposure of the sublayer with film to the flow are defined by relationships presented in the invention description. EFFECT: improved quality of films. cl, dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано в технологии изготовления изоляционных, буферных и ориентирующих слоев на кремнии, сапфире, алюминии и других материалах. The invention relates to electronic equipment, in particular to microelectronics, and can be used in the technology of manufacturing insulating, buffer and orienting layers on silicon, sapphire, aluminum and other materials.

В современной технологии широко применяются процессы рекристаллизации пленок тугоплавких оксидов для получения слоев с заданными характеристиками (фазовым составом, текстурой, морфологией и др.). In modern technology, the process of recrystallization of films of refractory oxides is widely used to obtain layers with specified characteristics (phase composition, texture, morphology, etc.).

Известен способ рекристаллизации пленки оксида циркония, стабилизированного иттрием, с помощью термического отжига [1] Пленки, осажденные на подложку, нагревались со скоростью 30^оС/мин до требуемой температуры (800, 850 и 1100^оС) в кислородсодержащей среде. Затем в течение 1 ч проходил отжиг пленок при данной температуре, после чего подложки с пленкой охлаждали со скоростью 2^оС/мин до комнатной температуры. Исходная пленка состояла из тетрагональной фазы. После термического отжига при 1100^оС размер кристаллитов увеличился от 7-20 до 20-50 нм. Существенными недостатками этого метода являются высокая температура и большое время термической обработки.Known is a method of recrystallization of zirconium oxide film, yttrium stabilized by a thermal annealing [1] The films deposited on a substrate heated at a rate ^of 30 C / min up to desired temperature (800, 850 and ¹¹⁰⁰ C.) in an oxygen environment. Then for 1 h held annealing the films at a given temperature, after which the substrate with the film was cooled at a rate ^of 2 C / min to room temperature. The initial film consisted of a tetragonal phase. After the thermal annealing at 1100 ^C crystallite size increased from 7-20 to 20-50 nm. Significant disadvantages of this method are the high temperature and the long time of heat treatment.

Известен способ рекристаллизации пленок тугоплавких оксидов, включающий термическое воздействие на подложку с пленкой в кислородсодержащей среде и охлаждение подложки с пленкой после завершения процесса рекристаллизации [2] Недостатком способа является необходимость длительного нагрева подложки. A known method of recrystallization of films of refractory oxides, including thermal exposure of the substrate with the film in an oxygen-containing medium and cooling the substrate with the film after completion of the recrystallization process [2] The disadvantage of this method is the need for prolonged heating of the substrate.

Техническим результатом изобретения является снижение температуры и времени термического воздействия. The technical result of the invention is to reduce the temperature and time of thermal exposure.

Технический результат изобретения достигается тем, что пленки тугоплавкого оксида на подложке подвергаются термическому воздействию в кислородсодержащей среде, причем в качестве термического воздействия используют поток низкотемпературной плазмы атмосферного давления. Мощность Р, вводимую в плазму, и расход газа G выбирают из следующего соотношения:
n˙P/G>10⁷Дж/кг где n КПД генератора плазмы, а длительность нахождения обрабатываемого участка подложки с пленкой в зоне потока плазмы выбирают не превышающим τ_макс,определяемого в соответствии с формулой
τ_макс= Т_мин˙С/<q>, где Т_мин минимальная температура, при которой происходит разрушение материала подложки или пленки [K]
С приведенная теплоемкость подложки с пленкой [Дж/К˙ м²]
< q> средняя плотность теплового потока на границе "плазма+подложка" [Дж/c ˙ м²]
Сущность изобретения заключается в том, что пленка тугоплавкого оксида подвергается воздействию потока низкотемпературной плазмы атмосферного давления. Это воздействие носит как термический (тепловой поток высокой плотности), так и нетермический характер (воздействие излучения плазмы и возбужденных частиц). Значение потенциальной энергии возбужденных частиц близко к значению энергии активации процесса рекристаллизации. Поэтому при взаимодействии с поверхностью возбужденных частиц, когда происходит передача энергии возбуждения, начнется процесс рекристаллизации при небольших температурах нагрева пленки тугоплавкого оксида.The technical result of the invention is achieved by the fact that the films of the refractory oxide on the substrate are subjected to thermal action in an oxygen-containing medium, and a stream of low-temperature atmospheric pressure plasma is used as the thermal effect. The power P introduced into the plasma and the gas flow rate G are selected from the following relation:
n˙P / G> 10 ⁷ J / kg where n is the efficiency of the plasma generator, and the duration of the processed portion of the substrate with the film in the plasma flow zone is chosen not to exceed τ _max , determined in accordance with the formula
τ _max = T _min ˙С / <q>, where T _{min is the} minimum temperature at which the destruction of the substrate material or film occurs [K]
C reduced heat capacity of the substrate with the film [J / K˙ m ² ]
<q> average heat flux density at the plasma-substrate interface [J / s ² m ² ]
The essence of the invention lies in the fact that the film of refractory oxide is exposed to a stream of low-temperature atmospheric pressure plasma. This effect is both thermal (heat flux of high density) and non-thermal in nature (exposure to plasma radiation and excited particles). The value of the potential energy of the excited particles is close to the value of the activation energy of the recrystallization process. Therefore, when interacting with the surface of excited particles, when the excitation energy is transferred, the process of recrystallization will begin at low temperatures for heating the refractory oxide film.

Соотношение между мощностью, вводимой в плазму, и расходом газа (n P/G > 10⁷ Дж/кг) определяет условие возникновения плазмы в потоке газа при атмосферном давлении, а также условия, при которых возбужденные частицы формируются в плазме и достигают поверхности пленки тугоплавкого оксида.The ratio between the power introduced into the plasma and the gas flow rate (n P / G> 10 ⁷ J / kg) determines the condition for the appearance of the plasma in the gas flow at atmospheric pressure, as well as the conditions under which excited particles form in the plasma and reach the surface of the refractory film oxide.

Максимальная длительность нахождения обрабатываемого участка подложки с пленкой в зоне потока плазмы ограничивается условием сохранения подложки и пленки. Минимальная длительность практически равна нулю, поскольку она определяется временем начала рекристаллизации, которое при нетермическом воздействии мало. The maximum duration of the processed portion of the substrate with the film in the zone of the plasma flow is limited by the condition of preservation of the substrate and the film. The minimum duration is almost zero, because it is determined by the time of recrystallization onset, which is not large under non-thermal exposure.

Изобретение обеспечивает высокопроизводительную низкотемпературную рекристаллизацию пленок тугоплавких оксидов, расширяет диапазон применения тугоплавких оксидов за счет использования подложек с низкой температурой плавления или подложек, в которых уже сформированы структуры интегральных приборов. Например, можно создавать измерительные устройства на основе оксидных пленок, сверхпроводниковые приборы с буферными слоями из тугоплавких оксидов, защитные покрытия для интегральных микросхем. The invention provides high-performance low-temperature recrystallization of films of refractory oxides, extends the range of application of refractory oxides through the use of substrates with a low melting point or substrates in which the structures of integrated devices are already formed. For example, it is possible to create measuring devices based on oxide films, superconducting devices with buffer layers of refractory oxides, protective coatings for integrated circuits.

П р и м е р 1. Пленку оксида циркония толщиной 150 нм (либо оксида циркония, стабилизированного иттрием), нанесенную электронно-лучевым испарением в вакууме на кремниевую подложку толщиной 300 мкм, обрабатывали потоком низкотемпературной плазмы атмосферного давления в течение 0,05-0,1 с. EXAMPLE 1. A film of zirconium oxide 150 nm thick (or yttrium stabilized zirconia) deposited by electron beam evaporation in vacuum on a 300 μm thick silicon substrate was treated with a stream of low-temperature atmospheric pressure plasma for 0.05-0 , 1 sec

Структурные исследования показали, что пленка оксида циркония состояла из кубической фазы с постоянной решетки а 5,1 ±0,1 А и имела поликристаллическую структуру. Размер кристаллитов увеличился 20-50 нм. Structural studies showed that the zirconium oxide film consisted of a cubic phase with a lattice constant a of 5.1 ± 0.1 A and had a polycrystalline structure. The crystallite size increased 20-50 nm.

П р и м е р 2. Режимы обработки и нанесения пленки оксида циркония аналогичны примеру 1 за исключением того, что в качестве подложки использовалась пластина сапфира. Размер кристаллитов увеличился 10-60 нм. PRI me R 2. The modes of processing and applying a film of zirconium oxide are similar to example 1 except that a sapphire plate was used as a substrate. The crystallite size increased 10-60 nm.

П р и м е р 3. Режимы обработки пленки тугоплавкого оксида аналогичны примеру 1 за исключением того, что обрабатывалась пленка оксида магния толщиной 300 нм, нанесенная электронно-лучевым испарением в вакууме на кремниевую подложку. EXAMPLE 3. The processing conditions of the refractory oxide film are similar to Example 1 except that a 300-nm-thick magnesium oxide film deposited by electron beam evaporation in vacuum on a silicon substrate was processed.

Структурные исследования показали, что пленка оксида магния состояла из кубической фазы с постоянной решетки а 4,2 ±0,1 А и имела поликристаллическую структуру. Размер кристаллитов увеличился 5 30 нм. Structural studies showed that the magnesium oxide film consisted of a cubic phase with a lattice constant a of 4.2 ± 0.1 A and had a polycrystalline structure. The crystallite size increased 5 30 nm.

П р и м е р 4. Режимы обработки и нанесения пленки тугоплавкого оксида аналогичны примеру 1 за исключением того, что обрабатывалась пленка титаната стронция толщиной 200 нм, нанесенная электронно-лучевым испарением в вакууме на кремниевую подложку толщиной 300 мкм. Размер кристаллитов увеличился 15-40 нм. Example 4. The processing and deposition of a refractory oxide film are similar to Example 1 except that a 200 nm thick strontium titanate film was deposited by electron beam evaporation in vacuum on a 300 μm thick silicon substrate. The crystallite size increased 15-40 nm.

Способ рекристаллизации пленок тугоплавких оксидов на подложке может быть реализован на промышленной установке ДПО с кинематической производительностью более 100 пластин в 1 ч. Возможна обработка пластин диаметром 100 мм и более. The method of recrystallization of films of refractory oxides on a substrate can be implemented on an industrial DPO installation with a kinematic productivity of more than 100 plates per hour. Processing of plates with a diameter of 100 mm or more is possible.

Claims

METHOD FOR RECRYSTALLIZING REFLECTED OXIDE FILMS, including thermal exposure of a substrate with a film in an oxygen-containing medium and cooling of the substrate with a film after completion of the recrystallization process, characterized in that, in order to reduce the time and temperature of thermal exposure, the thermal effect is carried out by a stream of low-temperature atmospheric pressure plasma, the power P introduced into the plasma and the gas flow rate G are selected from the relation

where η is the efficiency of the plasma generator, and the duration of the processed portion of the substrate with the film in the flow zone is chosen not to exceed t _max , determined in accordance with the formula
τ _max = T _min C / <q>, c,
where T _m _i _{n is the} minimum temperature at which the destruction of the substrate material or film material occurs, K;
C the heat capacity of the substrate with the film, J / K · m ² ;
<q> average heat flux density at the boundary of the plasma substrate, J / (m ² · s).