RU2780375C1 - Способ выращивания легированных бором полупроводниковых пленок алмаза - Google Patents
Способ выращивания легированных бором полупроводниковых пленок алмаза Download PDFInfo
- Publication number
- RU2780375C1 RU2780375C1 RU2021133303A RU2021133303A RU2780375C1 RU 2780375 C1 RU2780375 C1 RU 2780375C1 RU 2021133303 A RU2021133303 A RU 2021133303A RU 2021133303 A RU2021133303 A RU 2021133303A RU 2780375 C1 RU2780375 C1 RU 2780375C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- boat
- plate
- diamond
- diamond films
- gap
- Prior art date
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 27
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 4
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N Boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 6
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SURBAJYBTYLRMQ-UHFFFAOYSA-N dioxido(propan-2-yloxy)borane Chemical compound CC(C)OB([O-])[O-] SURBAJYBTYLRMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- SKRDXYBATCVEMS-UHFFFAOYSA-N Isopropyl nitrite Chemical compound CC(C)ON=O SKRDXYBATCVEMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 3
- ZAFNJMIOTHYJRJ-UHFFFAOYSA-N diisopropyl ether Chemical compound CC(C)OC(C)C ZAFNJMIOTHYJRJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N Silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 carbon ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- GRSBRPNZFFFHNT-UHFFFAOYSA-N B(O)(O)O.C(C)(C)OB(O)O Chemical compound B(O)(O)O.C(C)(C)OB(O)O GRSBRPNZFFFHNT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000005513 bias potential Methods 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atoms Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 125000002485 formyl group Chemical group [H]C(*)=O 0.000 description 1
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано для получения легированных бором пленок алмаза на подложках из кремния. Технический результат заключается в создании способа выращивания пленок алмаза акцепторного типа проводимости со значением удельного электросопротивления, приемлемого для дальнейшего использования в технологии микроэлектроники. Способ включает нагрев порошка алмазов в графитовой лодочке, над поверхностью которой размещена пластина кремния, причем лодочка с пластиной размещена в зазоре между двумя параллельными пластинами из углеродной фольги, прогреваемыми прямым пропусканием переменного электрического тока, а величина тока в верхней пластине меньше, чем в нижней, в среде вакуума, при этом в лодочку с порошком алмазов добавляют изопропиловый эфир борной кислоты, а напряжение подают через блок тиристоров, размещенный на входе печного трансформатора. 3 ил.
Description
Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано для получения пленок алмаза большой площади, представляющих интерес для использования в электронной промышленности.
Алмаз занимает особое место среди широкозонных полупроводниковых материалов благодаря уникальному сочетанию высоких механических, тепловых и электрических свойств. Основной интерес для электроники представляет алмаз с акцепторной примесью бора, являющийся полупроводником с примесной проводимостью.
Повышенный интерес микроэлектроники к искусственным алмазам, связан с такими уникальными характеристиками этого материала, как оптическая прозрачность в широком диапазоне от ультрафиолетового до глубокого инфракрасного диапазона длин волн, химическая стойкость к большинству агрессивных сред, высокая подвижность основных носителей, радиационная стойкость. Благодаря этим свойствам при использовании алмаза имеются предпосылки развития многих отраслей электроники (силовой и СВЧ электроники), оптики УФ и ИК диапазонов и техники. Главным препятствием является высокие трудоемкость и стоимость получения пластин алмаза для дальнейшего использования.
Известен способ выращивания монокристаллов гексагонального карбида кремния с использованием сублимации исходного порошка кубического SiC (по патенту US 1854364, 1966) [1], Этот процесс протекает во внешнем электрическом поле и лежит в основе всех известных методов получения полупроводникового карбида кремния. Этот процесс имеет сходные признаки с заявляемым, несмотря на различие материалов.
Кроме того, при создании заявляемого изобретения значительное внимание было обращено на методы электросварки (Николаев Г.А. Сварка в машиностроении. Справочник. М. Машиностроение, 1978) [2], при использовании которых порошковые электроды позволяют создать слой металла (сплава) в области соединения поверхностей. Наличие внешнего электрического поля при проведении такого процесса является безусловно необходимым.
Анализ источников [1-2] приводит к выводу о том, что сублимация алмаза с осаждением его пленки на внешних поверхностях является возможной при определенных внешних физических воздействиях и приводящей к получению технически ценных продуктов.
Наиболее близким к заявляемому и принятому за прототип является способ (по патенту РФ №2722136 от 26.05.2020) [3], включающий нагрев порошка алмазов в графитовой лодочке над поверхностью которой размещена пластина монокристаллического кремния, причем лодочка с пластиной размещена в зазоре между двумя параллельными пластинами из углеродной фольги, прогреваемыми прямым пропусканием переменного электрического тока, а величина тока в верхней пластине меньше, чем в нижней, в среде вакуума.
Способ [3] позволяет выращивать тонкие пленки алмаза на поверхности пластин кремния, но, как указано в описании к патенту, получаемые алмазные пленки обладают крайне высоким удельным электросопротивлением на уровне 1010 Ом⋅м, что делает невозможным их использование в технологии приборов микроэлектроники. Кроме того, приведенная в описании к патенту [3] схема электропитания нагревательной ячейки не позволяет обеспечить высокую и управляемую напряженность внешнего электрического поля.
Задачей настоящего изобретения являются создание способа выращивания пленок алмаза акцепторного типа проводимости со значением удельного электросопротивления, приемлемого для дальнейшего использования в технологии микроэлектроники.
Данные о возможности сублимации алмаза при нагреве в бескислородной среде в литературе отсутствуют. Однако, проведенные авторами [3] эксперименты убедительно показали, что при нагреве порошка мелкодисперсных алмазов в графитовом тигле в вакууме на стадии их графитизации на поверхности размещенной над тиглем гладкой пластины кремния возникают слои кристаллического алмаза. Другого объяснения их возникновения, кроме сублимации алмаза, быть не может. Единственной причиной испарения алмазов при нагреве в вакууме может быть использование активатора, создающего электрическое поле, напряженность которого достаточно велика. Ускорение ионизированных атомов углерода в таком поле в узком температурном интервале перехода кристаллической решетки алмаза в решетку графита вполне допускается. Следовательно, ионы углерода могут ускоряться и конденсироваться на поверхности более холодной пластины кремния в кристаллической форме алмаза.
Техническим результатом заявляемого способа является получение легированных бором полупроводниковых пленок алмаза на поверхности кремния.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, включающем нагрев порошка алмазов в среде вакуума в графитовой лодочке над поверхностью которой размещена пластина кремния, причем лодочка с пластиной размещена в зазоре между двумя параллельными пластинами из углеродной фольги, прогреваемыми прямым пропусканием переменного электрического тока, порошок алмаза предварительно смачивают изопропиловым эфиром борной кислоты, а для нагрева и создания потенциала смещения используют единственный источник знакопеременного электрического напряжения.
Изопропиловый эфир борной кислоты - изопропилборат [(СН3)2СНО]3В, жидкость, после испарения летучих компонентов превращается в источник бора для сублимируемых продуктов. Такой способ легирования бором является наиболее простым и надежным.
Важными преимуществами предложенного способа по сравнению с известными аналогами являются относительно низкие температура процесса и его энергоемкость.
В качестве исходного порошка для сублимации использовались синтетические алмазы АСМ 28/20 (Фиг. 1) средними размерами 25 мкм.
Блок-схема реакционной ячейки схематически приведена на Фиг. 2. Ячейка размещена внутри вакуумной камеры, не показанной на схеме. В узком зазоре между параллельными пластинами 1 и 2 толщиной 200 мм, шириной 150 мм и длиной 260 мм каждая, выполненными из гибкой углеродной фольги, установлены массивные вставки 3 из конструкционного графита, поверхности которых грубо зашлифованы для увеличения переходного сопротивления. При подаче внешнего напряжения от печного трансформатора 4 ток I1 поступает к нижней пластине 2 и, через вставки 3, частично уменьшенный по величине ток I2 проходит через верхнюю пластину 1. За счет падения напряжения ΔU на вставках 3 токи в пластинах 1 и 2 значительно различаются. В результате между пластинами 1 и 2 создается разность потенциалов ΔU и, следовательно, напряженность электрического поля. На нижней пластине 2 размещают графитовую лодочку 5, в полость которой засыпают порошок мелкодисперсных алмазов 6 и смачивают его изопропилборатом в контролируемом количестве. На внешней отбортовке лодочки 5 устанавливают подложку кремния 7 с зазором между слоем порошка 6 и подложкой 7 не более 1 мм. Напряжение от трансформатора 4 подводят через электроды 8 и 9. Нагревательная ячейка, размещенная в вакуумной камере с водоохлаждаемым корпусом, запитана от трансформатора 4 через тиристорный блок 10 на его входе, в связи с чем возникают знакопеременные импульсы напряжения с частотой 50 Гц, амплитуда которых многократно превышает измеренное вольтметром переменного тока среднеквадратичное значение электрического напряжения (~ 6 В). Для установления величины тока применен блок управления тиристорами 11. На Фиг. 3 приведена осциллограмма поступающего к реакционной ячейке выходного напряжения печного трансформатора, из которой следует, что его амплитуда достигает 30 В, что соответствует напряжениям, используемым при проведении электросварки. Столь значительное внимание системе электропитания уделено по той причине, что совместное применение устройств, подающих электрический ток значительной величины для нагрева загрузки и напряжения смещения, полученного от того же источника, не является простой технической задачей. Пример использования способа
В вакуумной камере в узком зазоре между параллельными пластинами из гибкой углеродной фольги, разделенными вставками из конструкционного графита, разместили лодочку из углеродной фольги и засыпали в нее 13 г алмазного порошка АСМ 28/20. Далее с помощью пипетки нанесли на порошок 5 капель изо-пропилбората. На внешнюю отбортовку лодочки положили пластину кремния. После вакуумирования ростовой камеры включили нагрев и повышали температуру в ручном режиме от комнатной до 1050°С. После охлаждения и вскрытия камеры на поверхности пластины кремния-углерода обнаружен твердый блестящий слой, демонстрирующий акцепторный тип проводимости и удельное сопротивление на уровне 104 Ом⋅м.
Claims (1)
- Способ выращивания легированных бором полупроводниковых пленок алмаза, включающий нагрев порошка алмазов в графитовой лодочке, над поверхностью которой размещена пластина кремния, причем лодочка с пластиной размещена в зазоре между двумя параллельными пластинами из углеродной фольги, прогреваемыми прямым пропусканием переменного электрического тока, а величина тока в верхней пластине меньше, чем в нижней, в среде вакуума, отличающийся тем, что в лодочку с порошком алмазов добавляют изопропиловый эфир борной кислоты (изопропилборат), а для увеличения напряженности электрического поля в зазоре между нагревательными пластинами сетевое синусоидальное напряжение подают через блок тиристоров, размещенный на входе печного трансформатора.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2780375C1 true RU2780375C1 (ru) | 2022-09-22 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2169055C2 (ru) * | 1999-07-21 | 2001-06-20 | Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН | Способ получения сверхтвердых композиционных материалов |
| JP2002293687A (ja) * | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Sony Corp | 多結晶性ダイヤモンド薄膜及びその形成方法、半導体装置及びその製造方法、これらの方法の実施に使用する装置、並びに電気光学装置 |
| JP5175359B2 (ja) * | 2007-11-01 | 2013-04-03 | クゥアルコム・インコーポレイテッド | ワイヤレス通信システムにおけるリソーススケーリング |
| RU2656627C1 (ru) * | 2017-06-27 | 2018-06-06 | Степан Андреевич Линник | Способ селективного осаждения поликристаллического алмазного покрытия на кремниевые основания |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2169055C2 (ru) * | 1999-07-21 | 2001-06-20 | Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН | Способ получения сверхтвердых композиционных материалов |
| JP2002293687A (ja) * | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Sony Corp | 多結晶性ダイヤモンド薄膜及びその形成方法、半導体装置及びその製造方法、これらの方法の実施に使用する装置、並びに電気光学装置 |
| JP5175359B2 (ja) * | 2007-11-01 | 2013-04-03 | クゥアルコム・インコーポレイテッド | ワイヤレス通信システムにおけるリソーススケーリング |
| RU2656627C1 (ru) * | 2017-06-27 | 2018-06-06 | Степан Андреевич Линник | Способ селективного осаждения поликристаллического алмазного покрытия на кремниевые основания |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nakanishi et al. | The difference between 6H-SiC (0001) and (0001) faces observed by AES, LEED and ESCA | |
| Popovici et al. | Prospective n-type impurities and methods of diamond doping | |
| JP3194820B2 (ja) | 配向性ダイヤモンド膜の形成方法 | |
| RU2780375C1 (ru) | Способ выращивания легированных бором полупроводниковых пленок алмаза | |
| Popovici et al. | Forced diffusion of impurities in natural diamond and polycrystalline diamond films | |
| US20150345010A1 (en) | Methods of magnetically enhanced physical vapor deposition | |
| De Blasi et al. | Preparation and characterization of In2Se3 crystals | |
| Samarasekara et al. | Photocurrent enhancement of dc sputtered copper oxide thin films | |
| Hymavathi et al. | Influence of sputtering power on structural, electrical and optical properties of reactive magnetron sputtered Cr doped CdO thin films | |
| Popovych et al. | The effect of chlorine doping concentration on the quality of CdTe single crystals grown by the modified physical vapor transport method | |
| Nikolaenko et al. | Production of high-quality manganite-based films on an improved VUP-5M magnetron device | |
| Zhou et al. | Structure and electronic properties of SiC thin-films deposited by RF magnetron sputtering | |
| Kinoshita et al. | Preparation of electrically conductive diamond-like carbon films using i-C 4 H 10/N 2 supermagnetron plasma | |
| Wei et al. | Growth and characterization of indium-doped Cd1− xZnxTe crystal by traveling heater method | |
| Dias et al. | Tuning the stoichiometry of Ag2S thin films for resistive switching applications | |
| US5597501A (en) | Precision control of high temperature furnaces using an auxiliary power supply and charged practice current flow | |
| RU2722136C1 (ru) | Способ выращивания слоев алмаза на подложке монокристаллического кремния | |
| Ashurov et al. | Heat-voltaic properties of silicon film-type pn structures generated by vacuum deposition | |
| Brantov et al. | Physical properties of carbon films obtained by methane pyrolysis in an electric field | |
| Wang et al. | Characteristics of ITO films fabricated on glass substrates by high intensity pulsed ion beam method | |
| Rud’ et al. | Growth of tetragonal CdP 2 single crystals and the properties of barriers on their basis | |
| Su et al. | Electrical properties of [1 0 0]-oriented CVD diamond film | |
| JPH09283495A (ja) | 電極および放電発生装置 | |
| Gamal | The conduction mechanism and thermoelectric phenomenon in layer crystals | |
| Sugai et al. | Adhesion improvement of HIVIPP 12C targets on Au backings |