способ формирования тонких пленок карбида вольфрама

Формула изобретения

Способ формирования тонких пленок карбида вольфрама, включающий нанесение тонкой вольфрамосодержащей пленки на полупроводниковую подложку и карботермический синтез, отличающийся тем, что тонкая пленка вольфрама наносится импульсно-плазменным осаждением, а карботермический синтез проводят, помещая полупроводниковую подложку с тонкой пленкой вольфрама на графитовый столик, и подвергая термообработке в вакууме при давлении не выше 5·10^-4 Па, при температуре от 450 до 600°С, при времени выдержки при данных температурах не менее 40 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нанотехнологии и наноэлектроники, а конкретно к получению тонких пленок.

Известен способ синтеза карбида вольфрама из вольфрамсодержащего продукта, полученного ликвационной плавкой, который затем смешивают с сажей и подвергают термическому разложению в вакууме в две стадии: сначала при 1000-1050°С в течение 3-3,5 ч и затем при 1400-1450°С в течение 2,0-2,5 ч, осуществляя нагрев между стадиями со скоростью 4-6 град/мин [1]. Недостатками этого способа являются:

- технологическая сложность способа за счет двухстадийности процесса;

- повышенные температуры синтеза и продолжительность процесса синтеза.

Известен способ получения карбида титана путем нагрева порошкообразных оксида титана и сажи в угольных печах в атмосфере водорода при 2250°С, конечный продукт содержит 20-20,5% углерода, из которых 1,5-2,0% находятся в виде графита [2]. Недостаток этого способа - наличие относительно большого количества свободного углерода (в продуктах восстановления) и сложное аппаратурное оформление процесса.

Наиболее близким аналогом по техническому решению к заявляемому является получение высокодисперсных тугоплавких карбидов, в том числе смешанных покрытий и композитов на их основе, в том числе карбида вольфрама. Для получения карбида вольфрама на полупроводниковую подложку осаждают тонкую вольфрамсодержащую пленку и проводят карботермический синтез. Для осаждения тонкой пленки вольфрама органические растворы металлсодержащих комплексных соединений с полимерами подвергают контролируемому гидролизу по методикам золь-гель техники. Полученный гель сушат ступенчато при температурах 20-250°С, далее подвергают пиролизу при 350-600°С в инертной или восстановительной атмосфере или при пониженном давлении. Карботермический синтез проводят в интервале температур 600-1200°С и при давлении 10^-1-10⁴ Па [3].

Основными недостатками известного технического решения являются:

- технологическая сложность способа за счет многостадийности процесса;

- повышенные температуры синтеза.

Задача - снижение температуры синтеза карбида вольфрама и упрощение способа его формирования.

Способ формирования тонких пленок карбида вольфрама, включающий нанесение тонкой пленки, содержащей вольфрам, на полупроводниковую подложку, карботермический синтез, отличающийся тем, что тонкая пленка вольфрама наносится импульсно-плазменным осаждением, а карботермический синтез проводят, помещая полупроводниковую подложку с тонкой пленкой вольфрама на графитовый столик и подвергая термообработке в вакууме при давлении не выше 5·10^-4 Па, при температуре от 450 до 600°С, при времени выдержки при данных температурах не менее 40 минут.

На полупроводниковых подложках с использованием импульсно-плазменного осаждения формировали пленки вольфрама толщиной от 1 до 100 нм. Образцы помещали на графитовый столик и подвергали термообработке в вакууме не выше

5·10^-4 Па не менее 40 минут при температуре от 450 до 600°С. Несмотря на то что равновесное давление пара углерода при температурах отжига до 1300°С менее 10 ^-7 Па, пленка вольфрама насыщалась углеродом. Состав образовавшегося карбида вольфрама определялся температурой отжига и практически не зависел от времени отжига. Температура начала образования W₂C совпадает с температурой кристаллизации пленки вольфрама (400°С).

На чертеже показаны рентгенограммы структур W-C/Si, при времени отжига 40 минут:

а) температура отжига 400°C,

б) температура отжига 500°С,

в) температура отжига 600°C.

С повышением температуры интенсивность линий вольфрама на рентгенограммах уменьшается, а интенсивность линий W₂ C возрастает, что свидетельствует о дальнейшем образовании фазы W₂C за счет еще не прореагировавшего вольфрама. При температуре отжига 500°С пленка практически полностью состоит из фазы W₂C. При дальнейшем повышении температуры отжига начинается образование фазы WC и при температуре 600°С состав и свойства пленки практически полностью определяются этой фазой.

Механизм образования пленок состава W _xC можно представить следующим образом. Следы углерода, присутствующие в объеме, адсорбируются на поверхность пленки с дальнейшим протеканием реакции образования последовательно W₂C, а при избытке на поверхности углерода, и WC:

Наличие свободного вольфрама при недостатке углерода приводит к перераспределению углерода:

и углерод, поступающий с поверхности, проникает в глубь пленки. Наличие температурной зависимости состава пленки, вероятнее всего, определяется термически стимулированной скоростью перемещения углерода по реакции (2). Кроме того, диффузия углерода облегчается за счет структурного упорядочивания пленки вольфрама и выделения дополнительного тепла при переходе из аморфной фазы в поликристаллическую.

Пример использования способа получения тонких пленок карбида вольфрама.

На полупроводниковую подложку кремния методом импульсно-плазменного осаждения наносили тонкую пленку вольфрама толщиной 2 нм. Далее образец помещали на графитовый столик и подвергали термообработке в вакууме при давлении 5·10^-4 Па в течение 30 мин при температуре 500°С. Состав образовавшегося карбида вольфрама определялся температурой отжига и практически не зависел от времени отжига.

Принципы формирования тонких пленок карбида вольфрама должны обеспечить низкую себестоимость получения функциональных покрытий.

Полученные тонкие пленки на основе карбида вольфрама представляют практическую значимость в качестве покрытий на кремниевых кантелеверах.

Источники информации

1. Патент РФ № 1717539, МПК С01В 31/34.

2. Киффер Р., Бензовский Ф. Твердые материалы. М.: Металлургия, 1968, 384 с.

3. Патент РФ № 2333888, МПК С01В 31/34 - прототип.