RU2572503C1 - Способ осаждения монокристаллической пленки кубического нитрида бора на полупроводниковую кремниевую подложку - Google Patents
Способ осаждения монокристаллической пленки кубического нитрида бора на полупроводниковую кремниевую подложку Download PDFInfo
- Publication number
- RU2572503C1 RU2572503C1 RU2014143080/28A RU2014143080A RU2572503C1 RU 2572503 C1 RU2572503 C1 RU 2572503C1 RU 2014143080/28 A RU2014143080/28 A RU 2014143080/28A RU 2014143080 A RU2014143080 A RU 2014143080A RU 2572503 C1 RU2572503 C1 RU 2572503C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- precipitation
- film
- substrate
- boron nitride
- silicon substrate
- Prior art date
Links
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области технологии получения монокристаллических пленок кубического нитрида бора c-BN на подложках из полупроводникового кремния и может быть использован, в частности, для создания нового поколения оптоэлектронных приборов, излучающих и принимающих в диапазоне длин волн от УФ до ИК, для радиоэлектронной, атомной и космической промышленности. Способ позволяет получать однофазные пленки c-BN непосредственно на подложке кремния с малыми временными и энергетическими затратами, а также способ прост в управлении процессом осаждения. Для этого в способе осаждения монокристаллической пленки кубического нитрида бора на полупроводниковую кремниевую подложку, включающем процесс химического газофазного осаждения пленки, в качестве источников исходных реагентов используют высокочистый кристаллический бор и аммиак, а в качестве газоносителя используют смесь азота с аргоном в соотношении 10:1. При этом одновременно с процессом химического газофазного осаждения пленки кубического нитрида бора в зоне осаждения формируют ионную плазму азота и аргона с удельной энергией плазмы не менее 1 Вт/сми подают на подложку отрицательный потенциал, что обеспечивает возможность получения монокристаллической пленки c-BN непосредственно на подложке из кремния с высокой производительностью процесса и низкой себестоимостью продукции. Перед осаждением пленки кубического нитрида бора кремниевую подложку размещают рабочей поверхностью к потоку смеси исходных реагентов и газоносителя с наклоном относительно направления потока под углом, который выбирают в диапазоне 7÷11°, и в процессе осаждения подложку вра�
Description
Изобретение относится к области технологии получения монокристаллических пленок кубического нитрида бора (c-BN) и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов, в частности, для создания нового поколения оптоэлектронных приборов, излучающих и принимающих в диапазоне длин волн от УФ до ИК, для радиоэлектронной, атомной и космической промышленности.
Кубический нитрид бора известен как широкозонный полупроводник, который является ближайшим аналогом алмаза и превосходит его по многим характеристикам, например по стойкости к внешним воздействующим факторам. C-BN обладает способностью эмитировать вторичные электроны и формировать материал обоих типов электропроводности, обладает высокой радиационной и химической стойкостью, высокой теплопроводностью и температурной стабильностью. Поэтому его можно использовать для изготовления полупроводниковых устройств, работающих в условиях повышенной радиации и температуры, в химически-агрессивных средах.
Большая ширина запрещенной зоны и возможность введения в c-BN примесных центров в большой концентрации делают этот уникальный материал перспективным для использования в оптоэлектронике и микроэлектронике, в том числе для создания самых современных устройств нового поколения для радиоэлектронной, атомной и космической промышленности, приборостроения специального и широкого применения, таких как:
- высоконадежные энергосберегающие диоды и индикаторы для использования в инфракрасной (ИК), видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях спектра;
- видеомодули для создания твердотельных экранов индивидуального и коллективного пользования и холодных катодов;
- детекторы рентгеновского и радиационного облучения;
- системы визуализации инфракрасного и ультрафиолетового излучения.
В настоящее время существуют различные подходы к получению тонких слоев кубического нитрида бора. Известен метод химического осаждения из газовой фазы при высокой температуре {BendeddoucheA., BerjoanR., BecheE. е. a. J. Appl. Phys., 1997, v.81, p.6147-6154.; Maya L. J. Am. Ceram. Soc, 1988, v.71, p.1104-1107) - [1] и методы осаждения из газовой фазы с использованием нетермической ее активации (Chen L.C., Wu СТ., Wu J.-J., Chen K.H. Int. J. ModernPhys.,2000, v. В 14, p.333-348.;Badzian Α., Badzian T, Roy R., Drawl W. Thin Solid Films, 1999, v.354, p.148-153) - [2].
Существенным недостатком метода химического осаждения является использование токсичных и пирофорных веществ, опасность которых возрастает в условиях высоких рабочих температур (1173-2273 К).
Известен способ получения пленок c-BN (Η.И. Файнер, М.Л. Косиноеа, Ю.М. Румянцев // Тонкие пленки карбонитридов кремния и бора: синтез, исследование состава и структуры // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), 2001, т. XLV, №3, с. 101-108) - [3], в котором с помощью плазмохимического процесса разложения элементоорганического соединений бора (тетраметиламиноборана), осуществляемого по схеме с раздельными зонами возбуждения плазмы и роста слоев, этот способ [3] позволяет получать при довольно низких температурах (473-973 К) тонкие пленки соединений типа карбонитридов бора различного состава. Эти пленки представляют собой аморфную матрицу с равномерно распределенными в ней нанокристаллами карбонита бора. Такие слои можно отнести к микрокомпозитным материалам. Образование таких нанокристаллов при синтезе пленки, по-видимому, является характерной особенностью плазмохимического процесса разложения элементоорганического соединения. Фазовый состав полученных нанокристаллов, зависящий от условий синтеза пленки, можно целенаправленно изменять в ходе процесса, что открывает путь к созданию градиентных материалов сложного строения.
Недостатком такого метода является то, что получающаяся пленка представляет собой аморфную матрицу с равномерно распределенными в ней нанокристаллами карбонита бора. Для изготовления полупроводниковых оптоэлектронных приборов более предпочтительным является использование монокристаллической пленки различного типа электропроводности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ (J. Tian, L. Xia, Χ. Μα, Υ, Sun, Ε. Byon, S. Lee, S. Lee «Characterization of interface of c-BN film deposited on silicon (100) substrate» Thin Solid Films 355-356 (1999) 229-232) - [4], в котором первоначально осаждают пленку гексагональной фазы нитрида бора (h-BN) толщиной 5-10 нм, при этом в качестве источника бора используют кристаллический бор, который испаряют нагревом. Осаждение проводят в присутствии ионизированной атмосферы азота и аргона с давлением (2-4)×10-2 Па. После осаждения пленки h-BN увеличивают энергию падающих ионов, что приводит к sp2-гибридизации электронных оболочек на поверхности осажденного слоя и к осаждению на поверхности слоя h-BN слоя c-BN. Температура подложки в процессе осаждения пленок h-BN составляла 700 К.
Недостатком такого метода являются технологические сложности управления режимом получения пленки, связанные с управлением перехода от гексагональной фазы BN к кубической фазе BN. Другим недостатком является трудность получения однородных пленок c-BN на подложках большого размера.
Задачей, положенной в основу изобретения, является разработка способа, позволяющего получать однофазные пленки c-BN непосредственно на подложке кремния с малыми временными и энергетическими затратами, а также простым управлением процессом осаждения.
Техническим эффектом от реализации поставленной задачи является:
- возможность использования полученных предлагаемым способом пленок c-BN при создании полупроводниковых приборов за счет отсутствия промежуточного слоя гексагональной фазы BN на поверхности кремниевой подложки;
- обеспечение высокой производительности процесса формирования пленок c-BN за счет уменьшения времени процесса, а также уменьшения себестоимости продукции за счет низких затрат электроэнергии;
- обеспечение высокой воспроизводимости параметров получаемых пленок c-BN за счет простоты управления процессом.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе осаждения монокристаллической пленки кубического нитрида бора на полупроводниковую кремниевую подложку, включающем процесс химического газофазного осаждения пленки из смеси исходных реагентов и газоносителя, в качестве источников исходных реагентов процесса химического газофазного осаждения используют высокочистый кристаллический бор и аммиак, при этом в качестве газоносителя используют смесь азота с аргоном в соотношении 10:1, кроме того, одновременно с процессом химического газофазного осаждения пленки кубического нитрида бора в зоне осаждения формируют ионную плазму азота и аргона с удельной энергией плазмы не менее 1 Вт/см и подают на подложку отрицательный потенциал, при этом перед химическим газофазным осаждением пленки кубического нитрида бора подложку размещают рабочей поверхностью к потоку смеси исходных реагентов и газоносителя с наклоном относительно направления потока под углом, который выбирают в диапазоне 7÷11°, причем подложку вращают относительно перпендикуляра к ее поверхности.
Выбор в качестве источников исходных реагентов для химического осаждения из газовой фазы пленки кубического нитрида бора кристаллического бора и аммиака обеспечивает простое и удобное обращение с ними, что упрощает управление процессом осаждения в целом. Кроме того, использование кристаллического бора позволяет регулировать содержание бора в газовой фазе с высокой точностью, что обеспечивает высокое качество получаемых пленок c-BN.
Одновременное с осаждением создание ионной плазмы азота и аргона с удельной энергией плазмы не менее 1 Вт/см3 в зоне осаждения пленки, т.е. в области расположения кремниевой подложки, обеспечивает активацию химической реакции в газовой фазе между парами бора и аммиаком вблизи рабочей поверхности кремниевой подложки. Тяжелые ионы аргона позволяют активировать химическую реакцию между парами бора и аммиаком за счет придания молекулам бора и аммиака дополнительной энергии, что обеспечивается при соударении тяжелых ионов аргона с молекулами реагентов. Одновременно с активацией паров бора и аммиака происходит бомбардировка поверхности кремниевой подложки ионами аргона. При этом происходит очистка ее рабочей поверхности от окисной пленки и создание на ней свободных радикалов, что облегчает встраивание атомов бора и азота (из молекул аммиака) непосредственно в исходную поверхность кремниевой подложки с образованием монокристаллической пленки кубического нитрида бора.
Подача отрицательного электрического потенциала на кремниевую подложку одновременно с осаждением слоя c-BN позволяет сформировать эффективный поток ионов аргона на ее поверхность.
Вращение подложки позволяет добиться равномерного осаждения пленки c-BN за счет обеспечения равномерного нагрева подложки. Угол наклона подложки к потоку газов, подающихся в реактор, позволяет получать осаждающиеся пленки c-BN одинаковой толщины. Диапазон углов наклона кремниевой подложки к направлению газового потока выбран экспериментально из условия, чтобы толщина пленок по площади не превышала 7%.
Сравнение заявленного изобретения с уровнем технических решений в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемому способу осаждения монокристаллической пленки кубического нитрида бора критерию «новизна».
Заявленное изобретение характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию «изобретательский уровень».
Пример выполнения способа.
По предлагаемому способу были получены пленки c-BN. Осаждение пленок c-BN производили в горизонтальном реакторе при пониженном давлении (10 Па) газовой смеси. В качестве подложки использовали пластину бездислокационного Si марки КБД-10 ориентации (100) с удельным сопротивлением 10-12 Ом см. Пластину располагали на вращающемся пьедестале (5-15 об/мин) под углом к направлению потока газа. Этот угол варьировали в интервале 7-11°. Температуру подложки варьировали в интервале 900-1200 К (точность поддержания температуры ±1°). К подложке подводили отрицательное постоянное электрическое напряжение (до -300 В).
В качестве реагентов использовали В, NH3. Источником бора служил высокочистый кристаллический бор, который испаряли с помощью электрического нагрева. В качестве газа носителя использовали смесь азота и аргона (10:1). Расход NH3 составлял от 5-10 л/мин. Проток азота варьировали в диапазоне 50-100 л/мин. Давление газа в реакторе составляло 2-5 Па.
Для активации процесса химического осаждения пленок c-BN использовали ионно-плазменную активацию. Для этого в зоне осаждения, где располагался образец (кремниевая подложка) располагалось устройство для ввода энергии ионизации в ионный или электронный источник с индуктивным возбуждением. Частота использованного генератора составляла 4,25 ГГц. При использованных параметрах генератора и конструкции для ввода электромагнитной энергии в разрядный объем установки для осаждения пленок c-BN мы получали плазму с высоким удельным энергетическим вкладом (>1 Вт/см). В процессе осаждения пленок на подложку подавали отрицательное постоянное напряжение до -300 В. Это делалось с целью бомбардирования поверхности образца тяжелыми ионами аргона и активации процесса химического осаждения из паров бора и аммиака с образованием пленки кубического нитрида бора.
В таблицах 1 и 2 приведены режимы получения и свойства полученных пленок c-BN.
Из приведенных в таблицах 1 и 2 данных видно, что расположение поверхности кремниевой подложки под углом к направлению газового потока ниже минимальной (пп. 1) и выше максимальной (пп. 7) границ допустимого диапазона приводит к существенному снижению скорости осаждения пленки, обусловленному турбулентностью газового потока над поверхностью пластины. Отклонение условий осаждения пленки c-BN от оптимальных приводит к увеличению неоднородности толщины пленки по площади подложки и существенно снижает ее качество.
Использование предлагаемого выше способа осаждения монокристаллической пленки кубического нитрида бора на полупроводниковую кремниевую подложку позволит получить однофазные пленки c-BN непосредственно на подложке кремния с малыми временными и энергетическими затратами, а также простым управлением процессом осаждения и обеспечит создание нового поколения оптоэлектронных приборов.
Claims (1)
- Способ осаждения монокристаллической пленки кубического нитрида бора на полупроводниковую кремниевую подложку, включающий процесс химического газофазного осаждения пленки из смеси исходных реагентов и газоносителя, отличающийся тем, что в качестве источников исходных реагентов процесса химического газофазного осаждения используют высокочистый кристаллический бор и аммиак, при этом в качестве газоносителя используют смесь азота с аргоном в соотношении 10:1, кроме того, одновременно с процессом химического газофазного осаждения пленки кубического нитрида бора в зоне осаждения формируют ионную плазму азота и аргона с удельной энергией плазмы не менее 1 Вт/см3 и подают на подложку отрицательный потенциал, при этом перед химическим газофазным осаждением пленки кубического нитрида бора подложку размещают рабочей поверхностью к потоку смеси исходных реагентов и газоносителя с наклоном относительно направления потока под углом, который выбирают в диапазоне 7÷11°, причем подложку вращают относительно нормали к ее поверхности.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014143080/28A RU2572503C1 (ru) | 2014-10-27 | 2014-10-27 | Способ осаждения монокристаллической пленки кубического нитрида бора на полупроводниковую кремниевую подложку |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014143080/28A RU2572503C1 (ru) | 2014-10-27 | 2014-10-27 | Способ осаждения монокристаллической пленки кубического нитрида бора на полупроводниковую кремниевую подложку |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2572503C1 true RU2572503C1 (ru) | 2016-01-10 |
Family
ID=55072196
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014143080/28A RU2572503C1 (ru) | 2014-10-27 | 2014-10-27 | Способ осаждения монокристаллической пленки кубического нитрида бора на полупроводниковую кремниевую подложку |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2572503C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114657542A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-06-24 | 哈尔滨工业大学 | 航空发动机燃油喷嘴表面抗结焦氮化硼涂层技术 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4714625A (en) * | 1985-08-12 | 1987-12-22 | Chopra Kasturi L | Deposition of films of cubic boron nitride and nitrides of other group III elements |
RU2061113C1 (ru) * | 1993-12-16 | 1996-05-27 | Акционерная компания "Синтела" | Способ получения изделий из пиролитического нитрида бора |
US5597625A (en) * | 1993-02-10 | 1997-01-28 | California Institute Of Technology | Low pressure growth of cubic boron nitride films |
-
2014
- 2014-10-27 RU RU2014143080/28A patent/RU2572503C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4714625A (en) * | 1985-08-12 | 1987-12-22 | Chopra Kasturi L | Deposition of films of cubic boron nitride and nitrides of other group III elements |
US5597625A (en) * | 1993-02-10 | 1997-01-28 | California Institute Of Technology | Low pressure growth of cubic boron nitride films |
RU2061113C1 (ru) * | 1993-12-16 | 1996-05-27 | Акционерная компания "Синтела" | Способ получения изделий из пиролитического нитрида бора |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
J. Tian et al. Characterization of interface of c-BN film deposited on silicon (100) substrate. THIN SOLID FILMS 355-356 (1999), p.229-232. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114657542A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-06-24 | 哈尔滨工业大学 | 航空发动机燃油喷嘴表面抗结焦氮化硼涂层技术 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kennedy et al. | Controlling preferred orientation and electrical conductivity of zinc oxide thin films by post growth annealing treatment | |
CN113832544B (zh) | β-Ga2O3系单晶膜的生长方法和晶体层叠结构体 | |
Rosenberger et al. | XPS analysis of aluminum nitride films deposited by plasma source molecular beam epitaxy | |
Pung et al. | Preferential growth of ZnO thin films by the atomic layer deposition technique | |
JP6046237B2 (ja) | マイクロ波プラズマ化学気相成長装置 | |
US7628856B2 (en) | Method for producing substrate for single crystal diamond growth | |
CA2653581A1 (en) | Migration and plasma enhanced chemical vapour deposition | |
GB2295401A (en) | Monocrystalline diamond films | |
Jiang et al. | Diamond film orientation by ion bombardment during deposition | |
US5879450A (en) | Method of heteroepitaxial growth of beta silicon carbide on silicon | |
WO2007020729A1 (ja) | 酸化亜鉛薄膜の製造方法及び製造装置 | |
TW201239951A (en) | Method and apparatus for plasma annealing | |
Saito et al. | Diamond-like carbon films prepared from CH 4-H 2-H 2 O mixed gas using a microwave plasma | |
Vasin et al. | Methane as a novel doping precursor for deposition of highly conductive ZnO thin films by magnetron sputtering | |
US20150345010A1 (en) | Methods of magnetically enhanced physical vapor deposition | |
RU2572503C1 (ru) | Способ осаждения монокристаллической пленки кубического нитрида бора на полупроводниковую кремниевую подложку | |
Lee et al. | Enhancement of barrier properties of aluminum oxide layer by optimization of plasma-enhanced atomic layer deposition process | |
Talukder et al. | Improving electrical properties of sol-gel derived zinc oxide thin films by plasma treatment | |
Jamali et al. | Effect of deposition parameters on the microstructure and deposition rate of germanium-carbon coatings prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition | |
Mochalov et al. | Lead-based chalcogenide thin films for mid-IR photoreceivers: plasma synthesis, semiconductor, and optical properties | |
Samanta et al. | Effect of RF power on the formation and size evolution of nC-Si quantum dots in an amorphous SiO x matrix | |
Teii | Plasma deposition of diamond at low pressures: a review | |
Dua et al. | Effect of deposition parameters on different stages of diamond deposition in HFCVD technique | |
Mochalov et al. | Plasma-chemical deposition of gallium oxide layers by oxidation of gallium in the hydrogen-oxygen mixture | |
Kavitha et al. | Effect of nitrogen content on physical and chemical properties of TiN thin films prepared by DC magnetron sputtering with supported discharge |