СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО АНОДИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ОБЪЕКТА
METHOD OF PLASMA ANODISATION FOR METAL OR SEMICONDUCTIVE OBJECT

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.
2
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 SiO), 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.
см
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 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.
2
2
2
-1
2
2
Пример. Для испытания была взята пластина собственного кремния размерами 30×30 мм 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/см и уменьшалась до 0,9 мА/см в конце процесса. На поверхности кремния сформировалась пленка SiO, что подтверждается наличием максимума на частоте 1100 см в ИК-спектре поглощения, и значением показателя преломления, равным 1,45. Толщина пленки SiO 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.