Способ электрохимического осаждения кремний-углеродных пленок на диэлектрические подложки
METHOD OF ELECTROCHEMICAL DEPOSITION OF SILICON-CARBON FILMS ON DIELECTRIC SUBSTRATES

Предлагаемое изобретение относится к области технологий получения кремний - углеродных пленок, с помощью гальванических процессов, на диэлектрических материалах. Может быть использовано для производства устройств газовой сенсорики, автоэмиссионных электродов и электродов суперконденсаторов.
Пленочные кремний - углеродные структуры, содержащие фазы карбида, различные фазы углерода, являются весьма перспективными для применения их в самых различных микроэлектронных устройствах, что обуславливает высокую актуальность работ направленных на разработку способов получения кремний-углеродных пленок на различных материалах.
2
В настоящее время разработано множество способов получения кремний - углеродных пленок (пленок карбида кремния, SiC) на диэлектрической подложке. Известен способ получения кремний-углеродных пленок на диэлектрической подложке (кварц, сапфир), (патент РФ №2199608, опубл. 05.03.2001 г.). Данный способ заключается в осаждении углеродсодержащего покрытия из газовой фазы, в результате разложения газовой смеси на нагретую поверхность подложки. Температура подложек в процессе осаждения находится в диапазоне 900-1350°С. В состав газовой смеси, которая подается в реактор, входит тетрахлорид углерода (ССЦ), метилтрихлорсилан (МТХС) и водород (Н). CCU и МТХС подвергают тонкой очистке с помощью ректификации с отбором средней фракции, водород очищают сорбционным методом и на палладиевом фильтре. Покрытия получают последовательным чередованием процессов осаждения слоев пироуглерода и карбида кремния, первым слоем на подложку осаждают пироуглерод, суммарное количество чередующихся слоев составляет не менее 3. В качестве подложки используются как диэлектрические материалы: кварц, сапфир, так и проводящие: графит, тугоплавкие металлы.
Признаки аналога, общие с заявляемым способом, следующие: использование кремний и углеродсодержащих прекурсоров, осаждение кремний и углеродсодержащей пленки на диэлектрические подложки.
Однако для реализации способа требуется проводить технически сложную очистку компонентов газовой смеси и обеспечивать очень высокие значения для температур нагрева подложек (900-1350°С), что влечет за собой необходимость использования температуростойких подложек, оснастки и реактора, в котором происходит осаждение данных покрытий.
В аналоге используется термин «покрытие». В заявляемом предлагаемом изобретении он заменен на термин «пленка».
Известен способ получения кремний - углеродных пленок на кварцевой подложке (патент РФ №2558812, опубл. 17.04.2014 г.). Данный способ заключается в осаждении покрытия карбида кремния на кварцевую подложку, в результате разложения метана на нагретой до 950-1250°С поверхности подложки. Процесс осаждения происходит в реакторе, установленном в печь. Реактор предварительно продувают инертным газом, затем, при достижении заданной температуры подложки, подают в реактор метан, который вступает в химическую реакцию с поверхностью кварцевой подложки, в результате чего образуются карбид кремния и пары воды.
Существенный признак, общий с заявленным способом, следующий: технологически упрощенное осаждение покрытия из карбида кремния на кварцевую подложку, с использованием углеродсодержащего прекурсора.
Недостатком способа является необходимость нагрева кварцевой подложки до температуры 950-1250°С.
В аналоге используется термин «покрытие из карбида кремния». В заявляемом предлагаемом изобретении он заменен на термин «кремний-углеродная пленка».
2
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ электрохимического осаждения кремний - углеродных пленок на электропроводящие материалы (патент РФ №2676549, опубл. 09.01.2019 г.). В данном способе кремний - углеродную пленку получают методом электрохимического осаждения из прекурсора, состоящего из гексаметилдисилазана в метиловом или этиловом спирте, на электропроводящую подложку, расположенную на катоде, на который относительно анода подают напряжение до 600 В с плотностью тока до 70 мА/см, при этом расстояние между катодом и анодом устанавливают до 1 см. В структуре получаемой кремний - углеродной пленки наблюдают наличие связи Si-С (фаза карбида кремния).
2
Существенные признаки, общие с заявляемым способом, следующие: электрохимическое осаждение кремний - углеродных пленок из прекурсора, состоящего из гексаметилдисилазана в метиловом или этиловом спирте, на электропроводящую подложку, расположенную на катоде, на который относительно анода подают напряжение до 600 В с плотностью тока до 70 мА/см, устанавливаемое расстояние между катодом и анодом до 1 см, наличие связи Si-С (фаза карбида кремния) в получаемых кремний-углеродных пленках.
В прототипе используется термин «прекурсор». В заявляемом предлагаемом изобретении он заменен на термин «электролит».
Недостатком прототипа является невозможность осаждения кремний - углеродных пленок на диэлектрические подложки, что ограничивает их применение для различных микроэлектронных устройств.
Предлагаемый способ направлен на усовершенствование прототипа путем создания на поверхности диэлектрической подложки слоя электропроводящего материала специальной топологии с определенными зазорами, которая обеспечит возможность осаждения кремний - углеродных пленок непосредственно на поверхность диэлектрической подложки.
Техническим результатом, на достижение которого направлен предлагаемый способ, является технологически простое получение на диэлектрических подложках тонких кремний - углеродных пленок, имеющих фазу карбида кремния SiC.
Технический результат достигается с помощью того, что на диэлектрической подложке из слоя электропроводящего материала формируют специальную топологию, представляющую собой набор электропроводящих площадок различной геометрической формы с зазором между ними до 200 мкм, в котором происходит осаждение кремний - углеродных пленок и их непосредственный контакт с поверхностью диэлектрической подложки.
2
Для достижения технического результата в способе электрохимического осаждения кремний - углеродных пленок на диэлектрические подложки, заключающегося в электрохимическом осаждении кремний - углеродных пленок из органического кремний- и углеродсодержащего электролита, состоящего из гексаметилдисилазана в метиловом или этиловом спирте, на подложку, расположенную на катоде, на который относительно анода подается напряжение до 600 В с плотностью тока до 70 мА/см, в установлении расстояния между катодом и анодом до 1 см, в наличии связи Si-С (фаза карбида кремния) в получаемых кремний-углеродных пленках, на диэлектрической подложке из слоя электропроводящего материала формируют специальную топологию, представляющую собой набор электропроводящих площадок различной геометрической формы с зазором между ними до 200 мкм, в котором происходит осаждение кремний - углеродных пленок и их непосредственный контакт с поверхностью диэлектрической подложки, в результате чего формируют структуры типа «кремний - углеродная пленка - диэлектрик».
2
Работа заявленного способа заключается в следующем: используется электрохимическая ячейка с двумя электродами (катод и анод), в качестве анода применяется углеродная пластина, а в качестве катода - диэлектрическая подложка, имеющая специальную топологию из слоя электропроводящего материала с зазорами до 200 мкм, в которых происходит осаждение кремний - углеродных пленок. Расстояние между катодом и анодом не должно превышать величину в 1 см. Затем катод и анод погружают в органический кремний - и углеродсодержащий электролит (гексаметилдисилазан в метиловом или этиловом спирте в соотношении 1:9). После этого на катод и анод подают высокое напряжение до 600 В с плотностью тока до 70 мА/см, в результате чего на поверхности катода в процессе реакции восстановления происходит осаждение кремний - углеродной пленки, имеющей фазу карбида кремния SiC. Толщина получаемых пленок зависит от длительности процесса осаждения.
В состав одного из вариантов устройства, на котором возможно реализовать предлагаемый способ, входят: электрохимическая ячейка, состоящая из химически стойкой емкости и диэлектрической крышки с электродами и термопарой, цифровой амперметр с информационным выходом на персональный компьютер, цифровой вольтметр с информационным выходом на персональный компьютер, высоковольтный источник постоянного тока.
Таким образом, предложенный способ позволяет осаждать кремний -углеродные пленки на диэлектрические подложки. Полученные пленки обладают химической, механической и температурной стойкостью, толщина данных пленок зависит от времени осаждения и объема электролита. Данный метод технически прост, для его реализации не требуется сложное технологическое оборудование и высококвалифицированный персонал. Предлагаемый метод позволяет сократить время на процессы изготовления устройств, в основе которых лежат кремний - углеродные пленки на диэлектрической подложке, а также дает возможность более широкому применению кремний - углеродных пленок в микроэлектронике и других областях техники.