Спосіб нанесення плівок на основі оксиду кремнію
Формула / Реферат
(57) 1. Способ нанесения пленок на основе оксида кремния, включающий напуск в предварительно вакуумированный рабочий объем регулируемого газового потока, содержащего летучее кремнийорганическое соединение и кислород, возбуждение и удержание плазмы тлеющего разряда вблизи поверхности конденсации, отличающийся тем, что в газовый поток дополнительно вводят инертный газ при соотношении расходов потоков кремнийорганического соединения и кислорода 1,2:1-1:1,8, потоков кремнийорганического соединения и инертного газа 1:1,5-2,3, причем в рабочем объеме поддерживают давление в камере менее 100мк, но достаточное для под держания тлеющего разряда плазмы.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кремнийорганического соединения используются 1,1,3,3-тетраме-тилдисилоксан, гексаметилдисилоксан, винилтриметилсилан, метилтриметокси-силан, винилтриметоксисилан, гексатилди- силазан.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используется гелий.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инертным газом является аргон.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газовый поток включает в себя про пилен.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газовый поток включает в себя азот или оксид азота.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удержание плазмы вблизи поверхности конденсации осуществляют с по мощью магнетронной системы.
8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что удержание плазмы вблизи поверхности конденсации осуществляют некомпенсированной магнетронной системой.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура нагрева подложки не превышает 80°С.
Текст
1. Способ нанесения пленок на основе оксида кремния, включающий напуск в пред варительно вакуумированный рабочий объем регулируемого газового потока, содержащего летучее кремнийорганическое соединение и кислород, возбуждение и удержание плазмы тлеющего разряда вблизи поверхности кон денсации, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в газовый поток дополнительно вводят инерт ный газ при соотношении расходов потоков кремнийорганического соединения и кислоро да 1,2:1-1:1,8, потоков кремнийорганического соединения и инертного газа 1:1,5—2,3, причем в рабочем объеме поддерживают давление в камере менее 100 мк. но достаточное для под держания тлеющего разряда плазмы. 2. Способ по п. 1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве кремнийорганического соединения используются 1,1,3,3-тетраметилдисилоксан, гексаметилдисилоксан, винилтриметилсилан, метилтриметоксисилан, винилтриметоксисилан, гексатилдисилазан. 3. Способ по п. 1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве инертного газа использу ется гелий. 4. Способ по п. 1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что инертным газом является аргон. 5. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что газовый поток включает в себя про пилен. 6. Способ по п. 1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что газовый поток включает п себя азот или оксид азота. 7. Способ по п. 1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что удержание плазмы вблизи поверх ности конденсации осуществляют с по мощью магнетронной системы. 8. Способ по п. 6, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что удержание плазмы вблизи поверх ности конденсации осуществляют неком пенсированной магнетронной системой. 9. Способ по п. 1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что температура нагрева подложки не превышает 80°С. С > ю о ел о О Изобретение относится к нанесению пленок на основе оксида кремния, в частности к ускоренному плазменному нанесению тонких пленок на основе оксида кремния из летучих кремнийорганических соединений, и может найіи применение в электронной промышленности. Целью изобретения является расширение технологических возможностей. На фиг. і представлена общая схема плазменной системы для нанесения тонких пленок; на фиг. 2 - конструкция вакуумной камеры; на фиг. 3 и 4 - конструкция компенсированного магнетрона и диаграмма рас 12650 пределения напряженности магнитного поля; на фиг. 5 и 6 - конструкция некомпенсиро ва нно г о м а гн ет ро на и д и а гр ам ма распределения напряженности магнитного поля; на фиг. 7 - альтернативные соедине- 5 ния к магнетрону в системе, изображенной на фиг. 2, где электрическое поле образуется высокочастотным генератором. Данный способ предусматривает нанесение жестких пленок на основе оксида 10 кремния, обладающих хорошей адгезией, способ предусматривает получение газового потока не менее, чем из трех компонентов, создание плазмы тлеющего разряда из этого потока или одного из его компонентов 15 в предварительно вакуумированной камере с подложкой, подвижно расположенной в плазме, и в контролируемых условиях подачу газового потока в плазму для нанесения оксида кремния на подложку, расположен- 20 ную в плазме магнитного разряда. В состав газового потока входит летучее крсммийор-ганическое соединение, кислород и инертный газ, такой как гелий или аргон. Газовый поток в контролируемых уело- 25 виях, подаваемый о плазму, получают путем испарения кремнийорганического соедимзнмя во внешней части камеры и смешения его с определенными количествами кисло рода и инертного газа Некомпенсирован- 30 ный магнетрон удерживает часть плазмы вблизи поверхности конденсации в процес се нанесения пленок, что увеличивает поток ионов и таким образом увеличивает скоро сть нанесения пленки. 35 Данным способом могут быть нанесены пленки на различные большие и малые подложки. Свойства пленок могут быть направл ены, изменены в зависимости от конкретного назначения Пленки, наноси- 40 мые по данному способу, имеют толщину примерно от 500 А до 1 мкм, хотя можно получать пленки толщиной и более 1 мкм. Выбор подложки, на которую наносится такая пленка будет определяться конкрет- 45 ной областью использования. Например, покрытия в соответствии с данным изобретением могут быть нанесены на различные пластики, такие, как поликарбонатные смолы, используемые для упаковки продуктов, 50 напитков, а целях предотвращения проникновения кислорода и влаги, а также на по полупроводники из арсеиида галлия для изоляции и Писсивации, на стекло, на линзы из оптического стекла или пластмассы в це- 55 лях защиты их от истирания. Другие области использования включают применение таких пленок п качестве ориеь -ирующих слоев в устройствах на жидких кг исталлах, о качестве лазерных световодо в оптоэлектронных устройствах и в медицинских целях, например, для покрытия активированного угля. Хотя в данном способе в качестве исходного материала предусмотрено пользование кремнийорганических соединений, пленки являются D основном неорганическими по своей природе, о чем свидетельствует анал и з свя зи. О д нако при необходимости могут быть получены пленки кремниевого характера. Типичные, в основном неорганические по своей природе пленки на основе оксида кремния, нанесенные в соответствии с данным изобретением, характеризуются высокой степенью поперечного сшивания (определенной методом ИК-сп ектроскопии с п реобразованием Фурье или ИКС ПФ). Способ осуществляют с предварительно вакуумированной камере с помощью магнетронного разряда. Установлено, что при использовании сочетания - компоненты кислорода и компоненты инертного газа значительно повышается показатель твердости тонких пленок. Как будет показано ниже в примерах пленки, полученные либо при сочетании кремнийорганического соединения только кислородом, либо при сочетании кремнийорганического соединения только с инертным газом, таким как гелий или арго имеют показатель твердости, определенный методом ASTM Д 3363-74 (стандартный метод определения твердости пленок), только 2 или 3. В отличие от з'іого пленки, полученные в соответствии с данным изобретением, имеют твердость, определенную этим методом, примерно от 7 до 9. Представленные числовые значения взяты по шкале от 0 до 10, где 0 означает наименьшее сопротивление царапанию, а 10 означает отсутствие повреждения покрытия при царапании в соответствии с методом ASTM Д3363-74. В соответствии с этим тонкие пленки, полученные данным способом, два или три раза тверже пленок, нанесенных из летучего кремнийорганического компонента в сочетании либо с кислородом, либо с инертным газом. Приемлемые кремнийорганические соединения для газового потока являются жидкостями при температуре окружающей среды, а будучи испарены, имеют точку кипения выше температуры окружающей среды включают 1,1,3,3-тетраметилдисилоксан, гексаметидисилокеан, винилтриметилсилан, метилтриметоксисилан, винилтриметоксисилан и гексаметилдисилаза.і. Эти предпочтительные кремнийорганические соединения имеют точки кипения 71, 101, 55,5, 102, 123 и 177°С, соответственно. 12650 Летучую кремнийорганическую составляющую предпочтительно смешивают с кислородом и инертным газом перед подачей в камеру. Количества этих смешиваемых газов контролируются расходомерами так, 5 чтобы регулировать отношение расходов компонентов газового потока. Отношение расходов кремнийорганического соединения и кислорода газового потока в процессе нанесения предпочтительно 10 составляют примерно от 1,2:1 до 1:1Д а инертным газом газового потока предпочтительно является гелий или аргон, наиболее предпочтительно гелий. Когда инертным газом является гелий или аргон, то предпоч- 15 тительное отношение расхода кремнийорганического соединения, кислорода и инертного газа составляется примерно от 1 до 1,8:1,5 до 1,8, до 2,3. Для достижения конкретных необходи- 20 мых свойств в состав газового потока может входить небольшое количество (не больше чем 1:1 относительно кремнийорганическо-го соединения, наиболее предпочтительно примерно от 0,4 до 0,1:1 относительно крем- 25 нийорганического соединения) одного или нескольких дополнительных соединений в газообразном виде. Например, при включении низшего углеводорода, такого как пропилен улучшаются основные свойства 30 наносимых пленок (за исключением светопропускания), а анализ связей показывает, что пленка является по своей природе неорганической и состоит из диоксида кремния. Однако при использовании метана и ацети- 35 лена образуются пленки, являющиеся по і своей природе кремниевыми. При включении в газовый поток небольшого количества газообразного азота увеличивается скорость нанесения, улучшаются пропускающие 40 и отражающие оптические свойства на стекле и изменяется показатель преломления при изменении количества азота. При добавлении в газовым поток оксида азота увеличивается скорость нанесения и улучшаются 45 оптические свойства, но наблюдается тенденция к снижению твердости пленки. Особенно предпочтительный состав газового 3 потока включает 20-40 см /мин кремнийорганического соединения, 20-40 см /мин кис- 50 3 3 лорода, 40-60 см /мин гелия, 1-10 см /мин 3 пропилена и 5-20 см /мин азота. При практическом осуществлении данного способа в предварительно вакуумиро-ванной камере создают плазму тлеющего 55 разряда. Соответствующая подложка размещается, предпочтительно вблизи удержи-ваемой плазмы, и газовый поток в контролируемых условиях напускают в плазму. Предпочтительно подложка входит и выходит из плазмы вблизи удерживаемой плазмы достаточное число раз, чтобы получить пленку необходимой толщины. Данный способ предпочтительно осу ществлять при относительно высокой мощности и довольно низком давлении. Так, например, большинство пленок было получено при мощности постоянного тока примерно 1000 Вт (400 кГц), хотя пленки получены и при мощности 374 В г (13,56 МГц) и даже при 300 Вт. В процессе нанесения пленки давление следует поддерживать на уровне менее 100 мкм (0,1 торр), а предпочтительно, чтобы даоление в камере составляло примерно от 43 До 49 мкм. Подложку электрически изолируют от системы и поддерживают при температуре менее примерно 80°С в процессе нанесения пленки (те. подложку специально не нагревают) Контроль расхода определяется необходимыми свойствами пленки и предпочтительно осуществляется диагностическим методом, который предусматривает регулирование отношения линий оодорода (альфа) к линиям испускания инертної о газа и температуры электронов в плазме. На фиг. 1 схематически проиллюстрирована система, которая включает закрытую реакционную камеру 1, где образуется плазма и размещается подложка 2. По системе подачи газа в реакционную камеру подается один или несколько гаооо. Электрическое поле создается источником мощности 3, з низкое давление в камере поддерживается с помощью системы откачки 4. Оптический эмиссионный спектрометр 5 соединен через систему оптических спетоводов 6 с реакционной камерой таким образом, чтобы спектрометр фиксировал видимую и близкую к видимой части спектра испускания (особенно ультрафиолетовую область) плазмы. Кварцевое окно 7 в боковой стенке реакционной камеры може т быть использовано для оптического соединения излучения плазмы с наружным световодом 6. Контрольное устройство общей системы 8, включая компьютерную часть, соединено с каждым из остальных компонентов системы таким образом, чтобы получить от них информацию о состоянии системы на данный момент и послать им команды для регулирования параметров. Реакционная камера в системе, представленной на фиг. 1, может быть соответствую щ его типа и пред наз нач ен а д л я осуществления процессов плазменного ускоренного химического парофазного нанесен ия (PE CVD) или полимеризации в плазме. Более детальное поясненна некоторых компонентов системы, представленной 12650 на фиг. 1, дано на фиг. 2. Реакционная камера 1 разделена на отделение блока загрузки 9 и рабочее отделение 10 с помощью затвора 11. Система контроля давления 4 включает механический насос 12, соединенный с 5 отделением блокирования нагрузки через клапан 13. Система откачки также включает диффузионные насосы 14 и 15 и присоединенный механический насос 16. Диффузионный насос 14 соединен с камерой 9 10 блокировки нагрузки 27 через затвор 17 и присоединенный диффузор 18. Аналогичным образом диффузионный насос 15 соединен с рабочим органом 10 через затвор 19 и присоединенный диффузор 20. Диффузор 15 20 регулируется контрольным устройством в момент осуществления процесса нанесения покрытия для того, чтобы поддерживать внутреннее давление на требуемом уровне. Подлежащую покрытию подложку сна- 20 чала помещают в объем 9 при закрытом клапане 11. Затем механический насос 13 снижает давление до значения высокого вакуума. Затем включается диффузионный насос 14, чтобы снизить давление до 6,5x1 О*4 25 Па. Рабочее давление обычно лежит в пределах до 46 мкм для процесса PECVD или полимеризации в плазме и достигается при прохождении рабочих газов в реакционную камеру и дроссельный диффузионный насос 30 15 через диффузор 20. В процессе загрузки и разгрузки диффузионный насос 15 поддерживает в объеме 10 рабочее давление. Как только давление объема 9 снижается до основного значения, открывается клапан 11 35 и подложка 2 поступает в рабочий объем 10. Предусмотрено устройство для перемещения подложки вперед и назад в области 21, где образуется плазма. В рассматриваемой системе это достигается с помощью 40 множества роликов 22, изготовленных из алюминия и снабженных поддерживающими подложку электрически изолированными прокладками круглого сечения. Ролики или подобный материал приводятся в дви- 45 жение с помощью потока (не показано) и вращаются вокруг своих осей с регулируемой скоростью, перемещая таким образом подложку. Типичный процесс нанесения покрытия включает прохождение подложки 50 вперед иназад через плазму 21 определенное число раз для того, чтобы тонкая пленка имела необходимую равномерную толщину. Магнетрон расположен внутри камеры 10, образованной магнитной структурой 23 55 и катодом 24. Источники мощности 3 имеют выход, соединенный между катодом 24 и металлическим корпусом реакционной камеры 10. Магнетрон создает необходимое сочетание магнитного (И) и электрического 8 (Е) полей в области 21, чтобы получить здесь плазму при введении в реакционную камеру 10 соответствующих газов. Подложка 2 остается электрически изолированной и попадает непосредственно в область плазмы. Газообразные компоненты, необходимые для получения плазмы в области 21, подают в рабочую камеру 10 по трубопроводу 25. Трубка (не показана), имеющая множество сопл для подачи газа по всей длине, расположена поперек объема 10 (в направлении фиг. 2) так, где трубопровод 25 входит в объем. Этот газ течет внутри рабочего объема 10 от подающей трубки к диффузионному насосу 15, как показано пунктирной линией на фиг. 2. Установлено, что газ предпочтительно вводить с той стороны области плазмы 21, которая ближе всего расположена к насосу 15. Пара экранов 26 и 27 с каждой стороны магнетрона также помогает удерживать поток газа в области плазмы 21. Конкретная система подачи газа, которая присоединена к трубопроводу 25, безусловно зависит от того, как много газов следует удерживать и какова их природа. На фиг. 2 использованы два отдельных источника 28 и 29 газов высокого давления, для других процессов необходимо меньшее или большее число таких источников газа. Кроме того, в этом конкретном примере предусмотрен источник 30 жидкого материала, подлежащего испарению. Испарительное устройство 31 (которое также регулирует расход) обеспечивает необходимый расход пара на линии овода 25 в соответствии с контрольным сигналом от устройства 8 контроля системы. Аналогичным образом газы высокого давления 28 и 29 поступают соответственно через индивидуально регулируемые расходомеры 32 и 33. Контроль плазмы, таким образом, образующейся пленки, наносимой на подложку, обеспечивается возможностью регулирования содержания каждой газообразной компоненты. От каждого из расходомеров 32 и 33 или испарительного устройства 31 на устройство 8 контроля системы поступает электрический сигнал, пропорциональный расходу газа, протекающего через него, а также отклик на сигнал от контрольного устройства 8 для установления и регулирования расхода. Магнетрон, используемый в камере 10, может иметь обычную форму плоского магнетрона, пример которого дан на фиг. 3. В вертикальной плоскости дан поперечный разрез конструкции магнетрона 23. Конструкция, представленная на фиг. 3, называется компенсированный магнетрон. 12650 Все его магнитные силовые линии 34 расположены между одним из внешних южных магнитных полюсов и центральным северным полюсом. Как хорошо известно, электроны и ионы перемещаются по спирали 5 вокруг магнитной силовой линии и вдоль нее под действием магнитного и электрического полей. Катод 35 обычно изготавливают из титана или кварца, но распыление не происходит вследствие того, что в системе 10 нанесения покрытия (фиг. 2) используется повышенное давление. На фиг. 5 представлен некомпенсиро ванный магнетрон, который может быть ис пользован как вариант в системе (фиг. 2). 15 Наружные магниты 36 и 37 расположены вокруг сердечника 38 из мягкого железа. Только южные магнитные полюса располо жены напротив катода 39, поверхности се верных полюсов ориентированы в 20 направлении от катода. Результатом этого является то, что значительная часть силовых линий магнитного поля проходит значитель но более длинный путь между областями южного и северного магнитных полюсов. 25 Только небольшая часть силовых линий про ходит непосредственно между внешними поверхностями южного полюса и централь ным железным сердечником Результатом этого является диаграмма силовых линий 30 магнитного поля, таких как линии на фиг. 5, которые награвлены к подложке, причем большинство из них - перпендикулярно по верхности последней. Следствием этого явля ется преимущественно бомбардирование 35 ионами и электронами плазмы поверхности * подложки, что улучшает некоторые из свойств образующейся пленки, например твердость. Кроме того установлено, что скорость нанесе ния покрытия значительно выше при исполь- 40 зовании некомпенсированного магнетрона, конструкция которого представлена на фиг. 5, чем при использовании компенсированного магнетрона, конструкция которого пред ставлена на фиг. 3. 45 Как видно из фиг. 4 напряженность магнитного поля в центре в два раза больше, чем в области внешних полюсов. Однако в случае некомпенсированного магнетрона, представленного на фиг. 6, напряженность 50 поля в центральной области очень мала по сравнению с полем из каждом из внешних полюсов магнита. Это различие по поперечному сечению катода приводит к различному распределению силовых линий магнитного 55 потока. Конструкция магнетронов, представленных на фиг. 2, 3 и 5, приемлегиа для питания от ВЧ источника мощности 3 (частота 40 кГц). Однако при работе на значитель 10 но больших частотах (в несколько МГц) име ются некоторые преимущества. Такая высо кочастотная система схематически представлена на фиг. 7. Магнитный узел магнетрона 41 может быть либо компенси рованного либо некомпенсированного ти пов, опис анных выше, но предпочтительным является некомпенсиро ванный тип. Катод 39 в этом случае изготав ливается из непроводящего кварцевого материала. Выход высокочастотного гене ратора 42 соединен с катодом 39 стержнем 43. Цепь согласования сопротивлений 44 включена между генератором 42 и соедини тельным стержнем 43 для того, чтобы свести к минимуму любые отражения от разрывов сопротивления на катоде 39. Рассмотренная рабочая камера для нанесения покрытий имеет размер 3,1x3,1x6,2 м, а испарительное устройство имеет максимальный расход порядка 700 см /мин для этой размерной шкалы, чго соответствует большинству областей применения. Однако испарительное устройство не ограничивается указанными размерами, поскольку может быть легко увеличено. Все представленные в примерах процессы нанесения покрытий осуществляли по описанной общей методике на вакуумной установке. Камеру вакуумировали до достижения основного давлении, не превышающего примерно 4x10 Па. Одновременно испаритель нагревали до постоянной температуры 100°С, испаряли до постоянной температуры 100°С, испаряли з нем кремнийорганическое соединение, но изолировали от камеры, покп был открыт газовый ввод. Испарительное устройство устанавливали на необходимый расход кремнийорганического соед инения. Необх од имые значения расхода дополнительных компонентов устанавливали на каждом расходомере компонентов и давление в камере устанавливали на требуемом уровне, регулируя диффузоридиффузионного насоса. Диффузионный насос отключали и открывали клапан. После стабилизации давления в камере включали источник мощности и устанавливали на необходимое значение. Таким образом получали в камере плазму тлеющего разряда. Давление вновь стабилизировали и, если нужно, регулировали. Выбирали необходимые параметры процесса (мощность, ток и напряжение источника мощности, и давление в испарител е). Для определения необходимого значения отношения водорода (альфа) к инертному газу использовали спектр испускаь ля контрольной программы. Расход кремнийор
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюMethod for application of films based on silicon oxide
Автори англійськоюYudzin S. Lopata, Dzhon T.Felts
Назва патенту російськоюСпособ нанесения пленок на основе оксида кремния
Автори російськоюЮджин С. Лопата, Джон Т. Фелтс
МПК / Мітки
МПК: C23C 14/32
Мітки: плівок, оксиду, нанесення, основі, кремнію, спосіб
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/12-12650-sposib-nanesennya-plivok-na-osnovi-oksidu-kremniyu.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб нанесення плівок на основі оксиду кремнію</a>
Попередній патент: Морозильна плита
Наступний патент: Каскадна холодильна установка
Випадковий патент: Спосіб пластики здуховинної кили