RU2781185C1

RU2781185C1 - Device for the synthesis of thin films inside the channels of a microchannel plate

Info

Publication number: RU2781185C1
Application number: RU2021131771A
Authority: RU
Inventors: Александр Петрович Барабан; Арсений Викторович Дрозд; Адиль Абдул Меликович Яфясов
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2022-10-07

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to the technology of applying uniform thin films by conducting chemical reactions on the surface of substrates, including those with a developed relief, for example, substrates with holes and channels with a large aspect ratio. The device for the synthesis of thin films inside the channels of the microchannel plate (MCP) includes a rectangular reaction chamber 1 with holes 2, 3 in its upper horizontal part for supplying vapors of chemical precursors to the microchannel plate 4, made of inorganic or polymer material with many through channels of micron diameter, and placed at the base of the holder 5, the bottom of which has a round hole, the diameter of which is smaller than the diameter of the microchannel plate 4 placed at the bottom of the holder, the reaction chamber 1 in the vertical part has an opening for the pumping channel 8 connected through the switching valve 9 to the pump to provide vacuum 10 in the reaction chamber 1, while an indicator substrate 6 made of polished silicon in the form of a round plate is installed on the inner base of the reaction chamber 1, the diameter of which is comparable to the outer diameter of the holder 5, installed on the indicator substrate 6 with a gap of 2-5 mm between the surface of the indicator substrate 6 and the microchannel plate 4 placed on the holder 5, and between the indicator substrate 6 on the inner base of the reaction chamber 1, from the side of the hole for the pumping channel 8 in it, at a distance of at least 5 mm, there is a controller substrate 7 made of polished silicon.

EFFECT: increase the uniformity and control of the applied thin layers inside the channels of the microchannel plate due to a system continuous controlled process using the proposed device, which provides two identical substrates with different functions, one of which is an indicator substrate for identifying the spraying process, and the second is a controller substrate that provides control over the quality of spraying.

1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области химического нанесения тонких пленок из газовой фазы, в частности, может быть использовано для нанесения и контроля роста тонких пленок внутри каналов микроканальных пластин для управления и улучшения их характеристик.The invention relates to the field of chemical deposition of thin films from the gas phase, in particular, can be used to deposit and control the growth of thin films inside the channels of microchannel plates to control and improve their characteristics.

В работе [1] приводится подробный расчет условий проведения каждой стадии цикла ALD для получения сплошного, равномерного слоя внутри тонких каналов. Качественный контроль проведения синтеза осуществляется также с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). В работе приводится пример неравномерного покрытия в случае неудачного выбора условий синтеза слоев, приводящего к росту клиновидной пленки. Недостатком приведенных результатов является то, что о равномерности толщины слоя можно судить только качественно с погрешностью измерения не менее 10%. Еще одним недостатком является то, что данный метод является разрушающим для образца.The work [1] provides a detailed calculation of the conditions for each stage of the ALD cycle to obtain a continuous, uniform layer inside thin channels. The qualitative control of the synthesis is also carried out using scanning electron microscopy (SEM). The paper gives an example of uneven coverage in the case of an unsuccessful choice of conditions for the synthesis of layers, leading to the growth of a wedge-shaped film. The disadvantage of the above results is that the uniformity of the layer thickness can only be judged qualitatively with a measurement error of at least 10%. Another disadvantage is that this method is destructive to the sample.

Известен способ [2] нанесения тонких слоев внутри каналов МКП, который является наиболее близким по решаемой задаче и технической реализации и принят в качестве прототипа. Предполагается разделение функций проводящего и эмиссионного слоя в тонкой двухслойной пленке, нанесенной на внутреннюю поверхность каналов МКП один слой на другой. Также допускается нанесение нескольких эмиссионных слоев один на другой методом atomic layer deposition (ALD). Недостатком данного изобретения является неравномерное усиление сигнала МКП, что проявляется в неравномерной яркости изображения. Это подтверждается неравномерным значением сопротивления по площади МКП, что является следствием неравномерного нанесения слоев на стенках внутри канала и свидетельствует о необходимости контроля технологического процесса и получения равномерных слоев по всей длине МКП. Еще одним недостатком данного изобретения является то, что о равномерности полученных слоев можно судить только с помощью сканирующей электронной микроскопии, которая является разрушающим методом для образца.A known method [2] of applying thin layers inside the MCP channels, which is the closest in terms of the problem being solved and the technical implementation and adopted as a prototype. It is supposed to separate the functions of the conductive and emission layers in a thin two-layer film deposited on the inner surface of the MCP channels one layer on the other. It is also possible to apply several emission layers one on top of the other using the atomic layer deposition (ALD) method. The disadvantage of this invention is the uneven amplification of the MCP signal, which manifests itself in the uneven brightness of the image. This is confirmed by the uneven value of the resistance over the MCP area, which is a consequence of the uneven deposition of layers on the walls inside the channel and indicates the need to control the technological process and obtain uniform layers along the entire length of the MCP. Another disadvantage of this invention is that the uniformity of the obtained layers can only be judged by scanning electron microscopy, which is a destructive method for the sample.

Техническим результатом является повышение равномерности и контроль наносимых тонких слоев внутри каналов микроканальной пластины, за счет системного непрерывного контролируемого процесса с помощью предлагаемого устройства.The technical result is to increase the uniformity and control of applied thin layers inside the channels of the microchannel plate, due to the systemic continuous controlled process using the proposed device.

Сущность заявленного изобретения поясняется конструкцией устройства изображенной на Фиг. 1. Устройство состоит из реакционной камеры для синтеза пленок методом atomic layer deposition (1), с входами для подачи паров химических прекурсоров (2, 3) внутрь нее к микроканальной пластине (4), установленной на держателе (5) с отверстием, диаметр которого меньше диаметра МКП на 2 мм держатель установлен на подложку-индикатор (6), выполненную из пластины полированного кремния и создает зазор от 2 до 5 мм, между МКП, расположенной на дне держателя и подложкой-индикатором, подложка-контролер (7), также выполненная из пластины полированного кремния, установлена на расстоянии не менее 5 мм от канала откачки (8) реакционной камеры, откачка реакционной камеры осуществляется через клапан (9) включения/отключения канала откачки с помощью насоса (10).The essence of the claimed invention is illustrated by the design of the device shown in Fig. 1. The device consists of a reaction chamber for film synthesis by the atomic layer deposition method (1), with inlets for supplying vapors of chemical precursors (2, 3) inside it to a microchannel plate (4) mounted on a holder (5) with a hole whose diameter less than the diameter of the MCP by 2 mm, the holder is mounted on an indicator substrate (6) made of a polished silicon plate and creates a gap of 2 to 5 mm between the MCP located at the bottom of the holder and the indicator substrate, the controller substrate (7), also made of a plate of polished silicon, installed at a distance of at least 5 mm from the evacuation channel (8) of the reaction chamber, the evacuation of the reaction chamber is carried out through the valve (9) on/off the evacuation channel using a pump (10).

Равномерность по толщине и составу пленки гарантируется полноценным завершением каждого цикла ALD на поверхности микроканальной пластины (4) с обязательным участием всех функциональных групп подложки. Это происходит в том случае, когда внутрь канала МКП на его вход подается достаточная доза молекул реагента на каждой стадии цикла ALD. Убедиться в том, что реакция прошла по всему каналу МКП можно путем фиксации наличия избыточного числа молекул прекурсора на выходе канала МКП, что свидетельствует о правильном выборе дозы подачи молекул на вход канала МКП и обеспечение их перемещения по каналу вплоть до выхода из канала МКП. Наличие молекул прекурсора на выходе канала МКП фиксируется с помощью подложки-индикатора (6). На выходе канала МКП помещена подложку-индикатор, так что молекулы, прошедшие насквозь канал МКП, вступят в реакцию с поверхностью этой подложки и приведут к росту пленки на поверхности подложки-индикатора. Это фиксируется с помощью эллипсометра. Таким образом, процесс завершился по всей поверхности канала, если толщина пленки на поверхности подложки-индикатора, помещенного на выходе канала, будет равна толщине пленки на поверхности подложки-контролера (7), находящегося на расстоянии 5 мм от канала откачки (8). Важной, принципиальной особенностью метода ALD является способность нанесения равномерных по толщине пленок на структуры любой геометрии, в том числе в порах, трещинах, отверстиях и каналах субмикронной величины. Из описанного выше процесса нанесения слов методом ALD следует, что равномерность и сплошность покрытия достигается при условии участия всех функциональных групп поверхности подложки с молекулами реагента, поступающего к ним из газовой фазы. Из этого следует, что необходимо контролировать достаточное количество молекул реагентов на каждой стадии цикла ALD. Результатом правильного выбора режимов синтеза является равномерная толщина наносимой пленки по всей длине канала МКП. Измерения толщины пленки на подложке-индикаторе в области под пластиной МКП и сравнение ее с толщиной пленки на подложке-контролере дает информацию о протекании синтеза в реакционной камере (1) на всей поверхности, в том числе, и внутри каналов МКП. Если толщина пленки во всех областях подложки-индикатора и подложки-контролера равна между собой, то это свидетельствует, что синтезирована равномерная пленка на всей поверхности каналов МКП.Uniformity in thickness and composition of the film is guaranteed by the full completion of each ALD cycle on the surface of the microchannel plate (4) with the mandatory participation of all functional groups of the substrate. This happens when a sufficient dose of reagent molecules is fed into the MCP channel at its inlet at each stage of the ALD cycle. It is possible to make sure that the reaction has passed through the entire MCP channel by fixing the presence of an excess number of precursor molecules at the exit of the MCP channel, which indicates the correct choice of the dose of molecules to be fed to the entrance of the MCP channel and ensuring their movement through the channel up to the exit from the MCP channel. The presence of precursor molecules at the output of the MCP channel is detected using an indicator substrate (6). An indicator substrate is placed at the exit of the MCP channel, so that the molecules that have passed through the MCP channel will react with the surface of this substrate and lead to film growth on the surface of the indicator substrate. This is fixed using an ellipsometer. Thus, the process is completed over the entire channel surface if the film thickness on the surface of the indicator substrate placed at the channel outlet is equal to the film thickness on the surface of the controller substrate (7) located at a distance of 5 mm from the pumping channel (8). An important, fundamental feature of the ALD method is the ability to deposit films of uniform thickness on structures of any geometry, including in pores, cracks, holes, and channels of submicron size. It follows from the ALD deposition process described above that the uniformity and continuity of the coating is achieved under the condition that all functional groups of the substrate surface participate with the molecules of the reagent coming to them from the gas phase. It follows from this that it is necessary to control a sufficient number of reactant molecules at each stage of the ALD cycle. The correct choice of synthesis modes results in a uniform thickness of the deposited film along the entire length of the MCP channel. Measurements of the film thickness on the indicator substrate in the area under the MCP plate and its comparison with the film thickness on the controller substrate provide information on the synthesis proceeding in the reaction chamber (1) on the entire surface, including inside the MCP channels. If the film thickness in all areas of the indicator substrate and the controller substrate is equal, this indicates that a uniform film has been synthesized over the entire surface of the MCP channels.

Один из самых известных способов проведения исследований равномерности нанесенных слоев является сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). На Фиг. 2 (а, б, в) представлены результаты измерений на образцах каналов МКП, синтезированных в условиях заведомо благоприятных для нанесения равномерных слоев. Для определения равномерности нанесения пленки по всей длине канала был проведен поперечный скол МКП-1 и измерены пленки в трех частях канала, а именно, на входе канала, в его средней части и на выходе канала. Результаты трех измерений приведены на Фиг. 2 (а, б, в). На трех микрофотографиях изображен скол МКП-1 с пленкой, нанесенной внутри канала. Из снимков видна хорошая равномерность толщины слоя по всей длине канала МКП-1. На следующих трех фотографиях на Фиг. 3 (а, б, в) приведены результаты, полученные при недостаточной дозе подачи молекул прекурсоров на образце МКП-2. На Фиг. 3 (а, б, в) видна неравномерность нанесения слоев. В начале и середине каната нанесенные пленки толще, чем в конце, это связано с тем, что дозы напуска молекул прекурсоров не хватало для того, чтобы реакция прошла по всей длине канала. Синтез этих образцов проводился по предлагаемой методике: сначала происходил напуск первого прекурсора - воды, последующая откачка продуктов реакции, после этого в качестве второго прекурсора подавался триметилалюминий и завершался цикл еще одной откачкой продуктов реакции. Одновременно измерялась толщина пленки с помощью эллипсометрии на подложке-индикаторе и подложке-контроллере. Полученные измерения проведенного синтеза при благоприятных условиях с достаточной дозой прекурсоров (МКП-1) и условиях с недостаточной дозой подачи молекул прекурсоров (МКП-2) приведены в таблице.Scanning electron microscopy (SEM) is one of the most well-known methods for studying the uniformity of deposited layers. On FIG. Figure 2 (a, b, c) shows the results of measurements on samples of MCP channels synthesized under conditions known to be favorable for the deposition of uniform layers. To determine the uniformity of film deposition along the entire length of the channel, a transverse cleavage MKP-1 was carried out and films were measured in three parts of the channel, namely, at the channel inlet, in its middle part, and at the channel outlet. The results of the three measurements are shown in Fig. 2 (a, b, c). Three micrographs show a MKP-1 cleavage with a film deposited inside the channel. The images show a good uniformity of the layer thickness along the entire length of the MKP-1 channel. In the next three photographs in Fig. Figure 3 (a, b, c) shows the results obtained with an insufficient dose of supply of precursor molecules on the MCP-2 sample. On FIG. 3 (a, b, c) shows the uneven application of the layers. At the beginning and middle of the rope, the deposited films are thicker than at the end; this is due to the fact that the dose of precursor molecules was not enough for the reaction to proceed along the entire length of the channel. The synthesis of these samples was carried out according to the proposed method: first, the first precursor, water, was injected, followed by evacuation of the reaction products, after which trimethylaluminum was supplied as the second precursor, and the cycle was completed by another evacuation of the reaction products. Simultaneously, the film thickness was measured using ellipsometry on the indicator substrate and the controller substrate. The obtained measurements of the synthesis performed under favorable conditions with a sufficient dose of precursors (MCP-1) and under conditions with an insufficient dose of supply of precursor molecules (MCP-2) are given in the table.

Предлагаемое устройство для синтеза и контроля толщины с помощью эллипсометрии является оптическим, неразрушающим, высокоточным методом. Точность измерения с помощью СЭМ составляет порядка 10%, а с помощью предлагаемого устройство составляет десятые доли процента, что существенно точнее по сравнению с СЭМ.The proposed device for synthesis and thickness control using ellipsometry is an optical, non-destructive, high-precision method. Measurement accuracy using SEM is about 10%, and using the proposed device is tenths of a percent, which is significantly more accurate than SEM.

Список использованных источников информации:List of sources of information used:

1. Roy G. Gordon, Dennis Hausmann, Esther Kim and Joseph Shepard, A kinetic model for step coverage by atomic layer deposition in narrow holes or trenches. Chem. Vap. Deposition 2003, 9, No. 2, p. 73.1. Roy G. Gordon, Dennis Hausmann, Esther Kim and Joseph Shepard, A kinetic model for step coverage by atomic layer deposition in narrow holes or trenches. Chem. Vap. Deposition 2003, 9, no. 2, p. 73.

2. Патент US 8969823 (от 03.03.2015) МПК: G01T 3/00, H01J 43/24, C23C 16/455. (Прототип)2. Patent US 8969823 (dated March 3, 2015) IPC: G01T 3/00, H01J 43/24, C23C 16/455. (Prototype)

Claims

A device for the synthesis of thin films inside the channels of a microchannel plate (MCP), which includes a rectangular reaction chamber with holes in its upper horizontal part for supplying vapors of chemical precursors to a microchannel plate made of an inorganic or polymeric material with a plurality of micron-diameter through channels and placed in the bottom of the holder, the bottom of which has a round hole, the diameter of which is smaller than the diameter of the microchannel plate placed on the bottom of the holder, the reaction chamber in the vertical part has an opening for the pumping channel connected through the switching valve to the pump to ensure vacuum in the reaction chamber, characterized in that on the inner At the base of the reaction chamber, an indicator substrate made of polished silicon is installed in the form of a round plate, the diameter of which is comparable to the outer diameter of the holder mounted on the indicator substrate with a gap of 2–5 mm between the surface of the indicator substrate and the placed on the holder of the microchannel plate, and between the indicator substrate on the inner base of the reaction chamber on the side of the hole for the pumping channel in it, at a distance of at least 5 mm, there is a controller substrate made of polished silicon.