способ плазменного анодирования металлического или полупроводникового объекта

Формула изобретения

Способ плазменного анодирования металлического или полупроводникового объекта, включающий операции откачки рабочей камеры, напуска кислорода, создания плазмы пучком электронов, проходящим вблизи поверхности объекта, отличающийся тем, что напротив анодируемого объекта располагают полый катод, подают на него отрицательное относительно объекта напряжение 20-50 В и анодирование проводят при давлении кислорода 5÷20 Па.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке материалов, а именно к технологии выращивания оксидных слоев, и может быть использовано при создании защитных либо пассивирующих покрытий на поверхности металла, либо полупроводника.

Известен способ создания оксидных покрытий на металлическом или полупроводниковом объекте путем обработки в кислородной плазме, включающий операции создания плазмы в тлеющем разряде и подачи положительного смещения на обрабатываемый объект (патент США US 3,394,066 Method of Anodizing by Applying a Positive potential to a Body Immersed in Plasma). В этом способе объект используется в качестве анода разрядной системы, что может вызывать значительное (до сотен вольт) неконтролируемое падение напряжения на растущем оксидном слое и, как следствие, его пробой и образование дефектов. Кроме этого, возможна бомбардировка исходного объекта и растущего оксидного слоя высокоэнергетичными заряженными частицами, что не всегда приемлемо, в особенности, если создается диэлектрический оксидный слой на полупроводниковой пластине. К недостаткам способа следует отнести также возможность попадания в растущую окисную пленку материала катода вследствие ионного распыления.

Известен также способ анодирования металлических или полупроводниковых поверхностей в плазме высокочастотного (ВЧ) разряда в кислороде [патент США US 3,476,971 Apparatus for Plasma Processing]. В этом способе разделены цепи питания разряда и подачи смещения на обрабатываемый объект. За счет этого удается контролировать напряжение на оксидном слое и предотвращать его пробои. Вместе с тем, в силу того, что плазма ВЧ-разряда не локализована, бомбардировка оксидного слоя высокоэнергетичными заряженными частицами имеет место. Кроме электрических последствий, связанных с накоплением поверхностного заряда на полупроводнике, эта бомбардировка вызывает неконтролируемый нагрев обрабатываемого объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является усиленная электронным пучком система азотирования (Electron beam enhanced nitriding system, патент США US 2009/0032143 A1). Система и соответствующий способ предполагают создание плазмы активного газа путем ионизации электронным пучком и подачу на обрабатываемый объект отрицательного смещения порядка 350 В. Использование электронного пучка позволяет создать резкую границу плазмы, а следовательно, снизить бомбардировку поверхности объекта высокоэнергетичными частицами и уменьшить вероятность образования дефектов. Однако, при использовании указанной системы для создания окисных слоев скорости роста оказываются низкими (менее 0,5 нм/мин для SiO₂), и по этой причине система становится малопригодной для реализации в технологии создания защитных или пассивирующих покрытий. Причина, обусловливающая столь низкие скорости, состоит в сравнительно низкой концентрации плазмы и малой реакционной способности положительных ионов кислорода. Увеличение концентрации плазмы повышением тока электронного пучка оказывается неэффективным, поскольку в силу известных физических ограничений повышение тока требует увеличения ускоряющего напряжения, что, в свою очередь, сопровождается снижением сечения ионизации газа.

Цель настоящего изобретения состоит в увеличении скорости роста окисного слоя при сохранении его бездефектной структуры. Указанная цель достигается тем, что помещенный в вакуумную камеру обрабатываемый металлический или полупроводниковый объект электрически соединяют с ее стенками. Напротив объекта располагают полый катод, после чего камеру откачивают и напускают в нее кислород до давления 5-20 Па. Включают электронный источник и направляют электронный пучок параллельно объекту между ним и полым катодом, после чего на полый катод подают отрицательное смещение 20÷50 В относительно объекта. В приведенном способе электронный пучок играет роль предварительного ионизатора и обеспечивает зажигание разряда с полым катодом при указанных сравнительно низких напряжениях. Эти напряжения тем не менее оказываются достаточными для повышения концентрации плазмы на порядок. Совокупность и последовательность изложенных операций обеспечивает выращивание бездефектного оксида кремния со скоростью до 10 нм/мин. Интервал значений смещения оказывается существенным для достижения цели изобретения. При напряжениях, меньших 20 В, разряд с полым катодом не возбуждается, а при превышении величины 50 В в растущей пленке окисла обнаруживаются следы пробоев. Интервал давлений кислорода также имеет существенное значение, поскольку при давлениях менее 5 Па разряд с полым катодом не возбуждается, а при увеличении давления свыше 20 Па электронный пучок не удается сфокусировать, и он попадает на объект и растущую пленку, вызывая образование дефектов.

На чертеже изображена схема реализации предлагаемого способа плазменного анодирования металлического или полупроводникового объекта. Анодируемый объект 1 в виде пластины, закрепленный на держателе образца 2, помещают в вакуумную камеру 3. Напротив объекта располагают полый катод 4. Плазменный источник электронов 5 формирует электронный пучок 6, создающий кислородную плазму 7. Пучок распространяется между анодируемым объектом 1 и полым катодом 4, после чего улавливается коллектором 8. Напряжение U_см подается на полый катод от отдельного источника. Это напряжение обеспечивает зажигание разряда с полым катодом, плазма 9 которого и становится поставщиком отрицательных ионов кислорода, осуществляющих формирование слоя окисла на поверхности объекта.

Пример. Для испытания была взята пластина собственного кремния размерами 30×30 мм² и установлена на держатель. Напротив пластины располагался полый катод с диаметром полости 25 мм и глубиной 80 мм, причем апертура полости была обращена к пластине кремния. Расстояние от полого катода до кремниевой пластины составляло 10 мм. Кремниевая пластина и полый катод помещались в вакуумную камеру, которая откачивалась до давления 3÷5 Па. После этого в вакуумную камеру напускался кислород до давления 20 Па. Промывка вакуумной камеры кислородом осуществлялась в течение 20 мин. Далее включался плазменный источник электронов. Сфокусированный электронный пучок направлялся в пространство между образцом и полым катодом. Ток пучка составлял 15 мА, а энергия электронов - 4 кэВ. При подаче отрицательного смещения на полый катод, тлеющий разряд с полым катодом возбуждался при напряжении смещения 20 В. Анодирование осуществлялось в течение 1 часа при напряжении смещения 50 В. При этом плотность тока на анодируемый образец составляла в начале процесса 1,5 мА/см² и уменьшалась до 0,9 мА/см² в конце процесса. На поверхности кремния сформировалась пленка SiO₂, что подтверждается наличием максимума на частоте 1100 см^-1 в ИК-спектре поглощения, и значением показателя преломления, равным 1,45. Толщина пленки SiO₂ составила 400 нм. Измерение толщины и показателя преломления производилось с помощью эллипсометра "Эллипс-2228СЭ", ИК-спектры измерялись спектрометром "Infralum FT-800". При наблюдении поверхности пленок в сканирующем электронном микроскопе "Hitachi TM-1000" с увеличением ×10000 дефекты обнаружены не были.