RU2202513C1 - Method of growing layer of hard carbon - Google Patents
Method of growing layer of hard carbon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2202513C1 RU2202513C1 RU2001126918/12A RU2001126918A RU2202513C1 RU 2202513 C1 RU2202513 C1 RU 2202513C1 RU 2001126918/12 A RU2001126918/12 A RU 2001126918/12A RU 2001126918 A RU2001126918 A RU 2001126918A RU 2202513 C1 RU2202513 C1 RU 2202513C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- ion
- hydrocarbon
- range
- layer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к прикладной физике и может быть использовано в микроэлектронной технологии нанесения алмазоподобных покрытий. Наиболее эффективно его использовать для нанесения защитного покрытия полупроводникового прибора. Оно может также использоваться при изготовлении инфракрасных светочувствительных элементов и светофильтров. The invention relates to applied physics and can be used in microelectronic technology for applying diamond-like coatings. It is most effectively used to apply a protective coating to a semiconductor device. It can also be used in the manufacture of infrared photosensitive elements and light filters.
Известен способ выращивания слоя твердого углерода (искусственного алмаза) на подложке с использованием паровой фазы, содержащей фуллерен, в том числе в смеси с инертным газом, предусматривающий активирование с помощью ионного источника по меньшей мере части молекул фуллерена до такой степени, чтобы вызвать фрагментацию. Ионизированный поток направляют на подложку, в результате соударения с которой происходит образование слоя твердого углерода в виде алмаза (см. , например, WO 94/21557, С 01 В 31/06, 1994; US 5328676, С 01 В 31/06, 1994). A known method of growing a layer of solid carbon (artificial diamond) on a substrate using a vapor phase containing fullerene, including in a mixture with an inert gas, involves activating, using an ion source, at least a portion of the fullerene molecules to such an extent as to cause fragmentation. The ionized stream is directed onto a substrate, as a result of collision with which a layer of solid carbon in the form of diamond is formed (see, for example, WO 94/21557, C 01 B 31/06, 1994; US 5328676, C 01 B 31/06, 1994 )
Однако используемое в данном способе сырье является уникальным и дорогостоящим, что приводит к значительному удорожанию целевого продукта. However, the raw materials used in this method are unique and expensive, which leads to a significant increase in the cost of the target product.
Известен также способ выращивания слоя твердого углерода в вакууме путем очистки подложки бомбардировкой ускоренными ионами с последующим нанесением подслоя металла, электродуговым вакуумным распылением графитового катода и формированием углеродной плазмы с помощью установки импульсного электродугового разряда (RU 97108626, С 23 С 14/06, 14/22, 1998). There is also a method of growing a layer of solid carbon in vacuum by cleaning the substrate by bombardment with accelerated ions, followed by applying a metal sublayer, vacuum arc spraying a graphite cathode and forming a carbon plasma using a pulsed electric arc discharge device (RU 97108626, C 23 C 14/06, 14/22 , 1998).
Данный способ сложен в отношении аппаратурного оформления и трудно управляем по режиму дугового разряда. Кроме того, в нем требуется нанесение на подложку дополнительного подслоя металла или нитрида алюминия. This method is complicated in terms of hardware design and is difficult to control by the arc discharge mode. In addition, it requires the application of an additional sublayer of metal or aluminum nitride on the substrate.
Наиболее близким к заявляемому является способ выращивания слоя твердого углерода на подложке из германия или кремния с помощью ионного источника тлеющего разряда, предусматривающий установку подложки на аноде в вакуумной камере ионного источника и бомбардировку ее ионами аргона для очистки поверхности подложки с последующей заменой аргона на углеводородсодержащий газ и созданием углеводородсодержащей плазмы для инициирования роста алмаза, прозрачного в ИК-диапазоне. При этом подложку нагревают до температуры не более 300oС (GB 8027279, С 01 В 31/06, 1980; JP 3-19164, C 01 B 31/06, C 23 C 16/26, С 30 В 29/04, H 01 L 21/31, 1991).Closest to the claimed is a method of growing a layer of solid carbon on a substrate of germanium or silicon using an ion source of a glow discharge, which involves installing the substrate on the anode in the vacuum chamber of the ion source and bombarding it with argon ions to clean the surface of the substrate, followed by replacing argon with a hydrocarbon-containing gas and the creation of a hydrocarbon-containing plasma to initiate the growth of diamond, transparent in the infrared range. In this case, the substrate is heated to a temperature of not more than 300 o C (GB 8027279, C 01 B 31/06, 1980; JP 3-19164, C 01 B 31/06, C 23 C 16/26, C 30 V 29/04, H 01 L 21/31, 1991).
Однако целевой продукт, получаемый данным способом, обладает прозрачностью только в диапазонах ИК-света 3-5 и 8-14 мкм. Этот способ ограничен использованием лишь германиевой или кремниевой подложки. Кроме того, его осуществление усложняется регулированием температуры подложки. However, the target product obtained by this method has transparency only in the ranges of infrared light 3-5 and 8-14 microns. This method is limited to using only a germanium or silicon substrate. In addition, its implementation is complicated by controlling the temperature of the substrate.
Техническая задача предлагаемого способа заключается в увеличении диапазона прозрачности целевого продукта и повышении универсальности способа в отношении арсенала используемых подложек и температурного режима. The technical task of the proposed method is to increase the transparency range of the target product and to increase the versatility of the method with respect to the arsenal of the used substrates and the temperature regime.
Решение указанной технической задачи состоит в том, что в способ выращивания слоя твердого углерода на подложке под вакуумом с помощью ионного источника, предусматривающий установку подложки на электроде ионного источника и бомбардировку ее ионами аргона с последующей заменой аргона на углеводородсодержащий газ и созданием углеводородсодержащей плазмы для инициирования роста алмаза, прозрачного в ИК-диапазоне, вносятся следующие изменения:
1) в качестве ионного источника используют ионную пушку;
2) подложку устанавливают на катоде ионной пушки;
3) вакуум поддерживают в диапазоне (1÷5)•10-2 Па.The solution to this technical problem is that in a method of growing a layer of solid carbon on a substrate under vacuum using an ion source, the substrate is mounted on an electrode of an ion source and bombarded with argon ions, followed by replacing argon with a hydrocarbon-containing gas and creating a hydrocarbon-containing plasma to initiate growth IR transparent diamond, the following changes are made:
1) use an ion gun as an ion source;
2) the substrate is mounted on the cathode of the ion gun;
3) the vacuum is maintained in the range (1 ÷ 5) • 10 -2 Pa.
Вопреки сложившейся практике использования ионной пушки для осуществления процессов травления (см., например: RU 2128381, H 01 J 3/04, 27/02, Н 05 Н 5/00; RU 96108658, G 01 F 7/00, В 44 В 5/00, 1998), в предлагаемом техническом решении ионная пушка используется по новому назначению, а именно для нанесения слоя целевого продукта. Contrary to the established practice of using an ion gun for etching processes (see, for example: RU 2128381, H 01 J 3/04, 27/02, H 05 N 5/00; RU 96108658, G 01 F 7/00, 44 V 5/00, 1998), in the proposed technical solution, the ion gun is used for a new purpose, namely for applying a layer of the target product.
Причинно-следственная связь между внесенными изменениями и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. The causal relationship between the changes made and the technical result achieved is as follows.
1. Осуществляемый в прототипном способе режим тлеющего разряда ведет к загрязнению наносимого слоя из-за присущего данному способу низкого вакуума в камере (~ 1 Па). Поэтому в предлагаемом способе ионный источник тлеющего разряда заменен на ионную пушку. Это дает возможность проведения процесса в более глубоком вакууме, чем достигается повышение качества очистки поверхности подложки и растущей пленки, и, как следствие, расширение диапазона пропускаемого ИК-света нанесенного слоя твердого углерода. Кроме того, возможность загрязнения целевого продукта в прототипном способе усугубляется из-за распыления материала катода. 1. The glow discharge mode carried out in the prototype method leads to contamination of the applied layer due to the inherent low vacuum in the chamber (~ 1 Pa). Therefore, in the proposed method, the ion source of the glow discharge is replaced by an ion gun. This makes it possible to carry out the process in a deeper vacuum than is achieved by improving the quality of cleaning the surface of the substrate and the growing film, and, as a result, expanding the range of transmitted infrared light of the deposited layer of solid carbon. In addition, the possibility of contamination of the target product in the prototype method is aggravated due to atomization of the cathode material.
2. Расположение подложки на аноде в прототипном способе приводит к низкой скорости роста целевого продукта, так как положительно заряженные ионы углерода не достигают подложки. Поэтому в предлагаемом способе подложку располагают на катоде. 2. The location of the substrate on the anode in the prototype method leads to a low growth rate of the target product, since positively charged carbon ions do not reach the substrate. Therefore, in the proposed method, the substrate is placed on the cathode.
При использовании в качестве углеводородсодержащего газа паров нафталина для обеспечения максимальной атомной плотности целевого продукта целесообразно регулировать плотность потока ионов от ионной пушки в пределах 0,15-0,25 мА/см2, что соответствует диапазону давления в вакуумной камере (1÷5)•10-2 Па.When using naphthalene vapor as a hydrocarbon-containing gas to ensure maximum atomic density of the target product, it is advisable to adjust the ion flux density from the ion gun within 0.15-0.25 mA / cm 2 , which corresponds to the pressure range in the vacuum chamber (1 ÷ 5) • 10 -2 Pa.
Возможно использование в качестве углеводородсодержащего газа петролейного эфира. В этом случае максимальное значение атомной плотности слоя твердого углерода достигают при плотности потока ионов от ионной пушки в диапазоне 0,25-0,5 мА/см2, что соответствует диапазону давления в вакуумной камере (1÷5)•10-2 Па.It is possible to use petroleum ether as a hydrocarbon-containing gas. In this case, the maximum atomic density of the solid carbon layer is reached when the ion flux density from the ion gun is in the range of 0.25-0.5 mA / cm 2 , which corresponds to the pressure range in the vacuum chamber (1 ÷ 5) • 10 -2 Pa.
При технической реализации способа разрежение в используемой вакуумной камере создают с помощью турбомолекулярного насоса. Использование паромасляного диффузионного насоса нежелательно из-за возможного загрязнения выращиваемого слоя продуктами разложения паров масла под действием ионов. In the technical implementation of the method, a vacuum in the used vacuum chamber is created using a turbomolecular pump. The use of a steam-oil diffusion pump is undesirable because of the possible contamination of the grown layer by the products of decomposition of oil vapor under the action of ions.
Экспериментально установлено, что подогрев подложки до температуры 400oС на значение технических характеристик целевого продукта не влияет. Поэтому способ проще всего вести без подогрева подложки.It was experimentally established that heating the substrate to a temperature of 400 o With the value of the technical characteristics of the target product is not affected. Therefore, the method is easiest to conduct without heating the substrate.
На чертеже приведена зависимость атомной плотности целевого продукта от используемого источника углерода и режима работы ионной пушки. В табл.1 и 2 приведены данные о выращивании слоя твердого углерода на различных подложках и при различных условиях. The drawing shows the dependence of the atomic density of the target product on the carbon source used and the mode of operation of the ion gun. Tables 1 and 2 show the data on the growth of a layer of solid carbon on various substrates and under various conditions.
Способ поясняется следующими примерами. The method is illustrated by the following examples.
Пример 1. Слой твердого углерода выращивают на подложках из кремния, ситалла, стекла, лавсана и победита под вакуумом 2•10-2 Па с помощью ионной пушки "Радикал 80". Для этого подложки устанавливают на катоде ионной пушки и очищают их поверхности бомбардировкой ионами аргона из расчета плотности потока ионов 0,4 мА/см2 в течение 2 мин. Далее аргон заменяют на углеводородсодержащий газ, в качестве которого используют пары нафталина. Создаваемая под воздействием ионной пушки углеводородсодержащая плазма инициирует рост алмаза, прозрачного в ИК-диапазоне. Операцию нанесения слоя твердого углерода проводят при плотности потока ионов 0,15 мА/см2. При этом скорость роста слоя твердого углерода составляет 0,13 мкм/мин. Длительность операции составляет 10 мин, что при данной скорости роста обеспечивает нанесение слоя твердого углерода толщиной 1,3 мкм. При проведении операций очистки поверхности подложки и нанесения слоя твердого углерода подогрева подложки не производят.Example 1. A layer of solid carbon is grown on substrates of silicon, glass, glass, lavsan and defeated in a vacuum of 2 • 10 -2 Pa using an ion gun "Radical 80". To do this, the substrates are mounted on the cathode of the ion gun and their surfaces are cleaned by bombardment with argon ions from the calculation of the ion flux density of 0.4 mA / cm 2 for 2 minutes. Next, argon is replaced with a hydrocarbon-containing gas, which is used as a naphthalene vapor. The hydrocarbon-containing plasma created under the influence of an ion gun initiates the growth of diamond, which is transparent in the infrared range. The operation of applying a layer of solid carbon is carried out at an ion flux density of 0.15 mA / cm 2 . In this case, the growth rate of the solid carbon layer is 0.13 μm / min. The duration of the operation is 10 min, which at a given growth rate ensures the deposition of a layer of solid carbon 1.3 μm thick. When performing operations to clean the surface of the substrate and applying a layer of solid carbon, the substrate is not heated.
Определяют атомную плотность слоя твердого углерода (по функции радиального распределения атомов на параллельных образцах с подложками из NaCl), удельное сопротивление (четырехзондовым методом) и полосу пропускания ИК-света (с помощью ИК Фурье спектрометрирования параллельных образцов на кремниевых подложках). The atomic density of the solid carbon layer is determined (by the function of the radial distribution of atoms on parallel samples with NaCl substrates), the resistivity (using the four-probe method) and the IR light transmission band (using Fourier transform spectrometry of parallel samples on silicon substrates).
Технические характеристики полученных слоев твердого углерода (табл.1) лежат в пределах:
- диапазон пропускания ИК-света - 2-20 мкм (для всех образцов);
- удельное сопротивление - от 3•108 (на стекле) до 1•1010 (на кремнии) Ом•см;
- атомная плотность - 168...175 ат/нм2.The technical characteristics of the obtained layers of solid carbon (Table 1) lie in the range:
- IR light transmission range - 2-20 microns (for all samples);
- resistivity - from 3 • 10 8 (on glass) to 1 • 10 10 (on silicon) Ohm • cm;
- atomic density - 168 ... 175 at / nm 2 .
Пример 2. Слой твердого углерода выращивают, как в примере 1, на подложках из кремния, ситалла, стекла и лавсана при различных значениях вакуума в диапазоне (0,5÷8)•10-2 Па. В качестве углеводородсо-держащего газа используют пары нафталина, петролейного эфира и ацетона. При проведении операции нанесения слоя твердого углерода на подложку плотность потока ионов устанавливают в диапазоне от 0,1 до 0,6 мА/см2.Example 2. A layer of solid carbon is grown, as in example 1, on substrates of silicon, glass, glass and lavsan at various vacuum values in the range (0.5 ÷ 8) • 10 -2 Pa. As a hydrocarbon-containing gas, vapors of naphthalene, petroleum ether and acetone are used. During the operation of applying a layer of solid carbon on the substrate, the ion flux density is set in the range from 0.1 to 0.6 mA / cm 2 .
Результаты приведены в табл. 2. The results are shown in table. 2.
Как видно из таблицы, полоса пропускания ИК-света слоем твердого углерода для всех образцов составляет 2...20 мкм; удельное сопротивление - от 1•108 Ом•см (на стекле) до 1•1010 Ом• см (на кремнии); атомная плотность - 115 ат/нм2 при использовании паров ацетона в качестве углеводородсодержащего газа, 130. ..150 ат/нм2 при использовании паров петролейного эфира и 148... 175 ат/нм2 при использовании паров нафталина. При этом, как представлено на графиках чертежа, выполненных согласно экспериментальным данным табл.2, зависимость атомной плотности слоя твердого углерода от плотности потока ионов из паров нафталина носит экстремальный характер, а при использовании петролейного эфира - экспоненциальный. Поэтому оптимальный режим получения целевого продукта из паров нафталина достигается при плотности потока ионов 0,15...0,25 мА/см2, а из паров петролейного эфира - при 0,25...0,5 мА/см2. В этом случае получают целевой продукт с атомной плотностью 160...175 и 137... 148 ат/нм2 соответственно. В варианте с использованием паров петролейного эфира устанавливать плотность потока ионов свыше 0,5 мА/см2 нецелесообразно из-за попадания в область насыщения по атомной плотности.As can be seen from the table, the passband of infrared light with a layer of solid carbon for all samples is 2 ... 20 microns; resistivity - from 1 • 10 8 Ohm • cm (on glass) to 1 • 10 10 Ohm • cm (on silicon); atomic density - 115 at / nm 2 when using acetone vapor as a hydrocarbon-containing gas, 130. ..150 at / nm 2 when using petroleum ether vapor and 148 ... 175 at / nm 2 when using naphthalene vapor. In this case, as shown in the graphs of the drawing, made according to the experimental data of Table 2, the dependence of the atomic density of the solid carbon layer on the density of the ion flux from naphthalene vapor is extreme, and when using petroleum ether, it is exponential. Therefore, the optimal mode of obtaining the target product from naphthalene vapor is achieved at an ion flux density of 0.15 ... 0.25 mA / cm 2 , and from vapor of petroleum ether at 0.25 ... 0.5 mA / cm 2 . In this case, the target product with an atomic density of 160 ... 175 and 137 ... 148 at / nm 2, respectively, is obtained. In the embodiment using vapors of petroleum ether, it is impractical to establish an ion flux density of more than 0.5 mA / cm 2 due to the atomic density entering the saturation region.
Как пояснено приведенными примерами, технический результат предлагаемого способа заключается в повышении его универсальности (не зависит от материала используемой подложки), а также в расширении диапазона прозрачности целевого продукта в ИК-свете (2...20 мкм). Расширен также диапазон источников углеродсодержащего газа (показана возможность получения целевого продукта из нового сырья - петролейного эфира). Способ удобен для использования, поскольку при его технической реализации не требуется подогрева подложки. При этом в варианте с получением пленки твердого углерода с использованием паров нафталина достигнуто теоретически предельное для алмазов значение атомной плотности - 175 ат/нм2.As explained by the examples, the technical result of the proposed method is to increase its versatility (does not depend on the material of the substrate used), as well as to expand the transparency range of the target product in infrared light (2 ... 20 μm). The range of carbon-containing gas sources has also been expanded (the possibility of obtaining the target product from a new raw material, petroleum ether, has been shown). The method is convenient for use, since its technical implementation does not require substrate heating. Moreover, in the embodiment with the production of a solid carbon film using naphthalene vapors, a theoretical atomic density value of 175 at / nm 2 was reached for diamonds.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001126918/12A RU2202513C1 (en) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | Method of growing layer of hard carbon |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001126918/12A RU2202513C1 (en) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | Method of growing layer of hard carbon |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2202513C1 true RU2202513C1 (en) | 2003-04-20 |
Family
ID=20253507
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001126918/12A RU2202513C1 (en) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | Method of growing layer of hard carbon |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2202513C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2324764C2 (en) * | 2003-07-14 | 2008-05-20 | Карнеги Инститьюшн Оф Вашингтон | Annealing of monocrystalline diamonds obtained by chemical deposition from gaseous phase |
-
2001
- 2001-10-03 RU RU2001126918/12A patent/RU2202513C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2324764C2 (en) * | 2003-07-14 | 2008-05-20 | Карнеги Инститьюшн Оф Вашингтон | Annealing of monocrystalline diamonds obtained by chemical deposition from gaseous phase |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102066524B1 (en) | Deposition of an amorphous carbon layer with high film density and high etch selectivity | |
| US4400410A (en) | Coating insulating materials by glow discharge | |
| US20090246399A1 (en) | Method for activating reactive oxygen species for cleaning carbon-based film deposition | |
| US20090090382A1 (en) | Method of self-cleaning of carbon-based film | |
| JPS63210275A (en) | Method for removing unnecessary carbon matter in apparatus for producing carbon | |
| TWI648417B (en) | Deposition of cerium oxide | |
| US20150104648A1 (en) | Method and Apparatus of Growing Metal-free and Low Stress Thick Film of Diamond-like Carbon | |
| TWI453909B (en) | Method of cleaning a patterning device, method of depositing a layer system on a substrate, system for cleaning a patterning device, and coating system for depositing a layer system on a substrate | |
| CN111748789A (en) | Device and method for depositing pure DLC (Diamond like carbon) by enhancing glow discharge through graphite cathode arc | |
| JP2020503675A (en) | Semiconductor manufacturing component, semiconductor manufacturing component including composite coating layer, and method of manufacturing the same | |
| TW202044928A (en) | Substrate processing tool capable of modulating one or more plasma temporally and/or spatially | |
| US3492215A (en) | Sputtering of material simultaneously evaporated onto the target | |
| RU2202513C1 (en) | Method of growing layer of hard carbon | |
| JPH0512432B2 (en) | ||
| JP4497466B2 (en) | Method for producing hard carbon nitride film | |
| JP6383910B2 (en) | Plasma CVD apparatus and film manufacturing method | |
| CN110846620A (en) | Surface metallization method for flexible antenna made of resin-based carbon fiber composite material | |
| GB2260340A (en) | Forming electrodes on diamond by plasma treating the diamond with inert gases | |
| US20230399739A1 (en) | Hard mask deposition using direct current superimposed radio frequency plasma | |
| RU2146724C1 (en) | Method for depositing composite coatings | |
| RU2272088C1 (en) | Method of the vacuum-ionic-plasmic deposition of the multilayered composites, containing the complex carbides | |
| WO2023157690A1 (en) | Film forming method and film forming apparatus | |
| CN116695064A (en) | Manufacturing method of heat dissipation type plastic shell | |
| JPH0247252A (en) | Production of composite material film | |
| Zhao et al. | Amorphous carbon and carbon nitride films prepared by filtered arc deposition and ion assisted arc deposition |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20051004 |