Способ электрохимического осаждения легированных атомами переходных металлов кремний-углеродных пленок на электропроводящие материалы
METHOD OF ELECTROCHEMICAL DEPOSITION OF SILICON-CARBON FILMS ALLOYED WITH ATOMS OF TRANSITION METALS ON ELECTROCONDUCTIVE MATERIALS

Предполагаемое изобретение относится к области технологии тонкопленочной микроэлектроники и гальванических металлсодержащих покрытий, может быть использовано для создания различных микроэлектронных устройств: автоэмиссионные электроды, ионисторы, газовые сенсоры, - а также для получения химически, механически, коррозионно- и термостойких покрытий.
Кремний-углеродные пленки, в частности карбид кремния (SiC), являются перспективным материалом электроники. Направленное легирование атомами переходных металлов позволяет в значительной мере варьировать их электрические, магнитные и прочностные свойства. Например, введение атомов титана и никеля позволяет усилить их прочностные характеристики, тогда как атомы марганца могут быть перспективными при создании магнитных материалов на основе легированного карбида кремния и т.п.
В настоящее время существуют различные способы получения кремний - углеродных пленок (пленок карбида кремния, SiC). Известен способ получения кремний - углеродных пленок на кремниевых подложках (патент РФ №2374358, опубл. 27.11.2009 г.) с различным соотношением кремния и углерода в составе пленки. Данный способ заключается в осаждении из кремний- и углеродсодержащего соединения (органосилоксан) тонкой пленки на кремниевую подложку с помощью центрифугирования или термовакуумного напыления и последующем ее отжиге в инертной атмосфере при температуре 450-650°С.
Признаки аналога, общие с заявляемым способом, следующие: осаждение тонкой пленки на кремниевую подложку из кремний- и углеродсодержащего соединения.
Однако для реализации способа требуется высокотемпературная обработка пленок при температуре 450-650°С. Также в полученных этим способом пленках отсутствуют связи Si-С (фаза карбида кремния), что ухудшает их механические и электрофизические свойства.
В аналоге используется термин «соединение». В заявляемом предполагаемом изобретении он заменен на термин «электролит».
2
Известен способ электрохимического осаждения наноструктурированной углеродсодержащей пленки на токопроводящие материалы (патент РФ №2519438, опубл. 10.06.2014 г.). В данном способе процесс электроосаждения пленки осуществляется на аноде из кремний- и углеродсодержащего раствора (полигидроксилированного фуллерена в ацетоне или этиловом спирте). Разность потенциалов на электродах составляет 6-8 В, плотность тока 1-2 мА/дм, температура электрохимического процесса 20-30°С. Для окончательного формирования на подложке кремний и углеродсодержащей пленки проводят ее отжиг при температуре 300±30°С в инертной среде.
Существенный признак, общий с заявляемым способом, следующий: электрохимическое осаждение кремний - углеродных пленок из органического кремний- и углеродсодержащего раствора.
В аналоге используется термин «раствор». В заявляемом предполагаемом изобретении он заменен на термин «электролит».
2
Недостатками способа являются необходимость проведения отжига при температуре 300±30°С, отсутствие связи Si-С (фаза карбида кремния) в пленках, а также низкие механические свойства получаемых пленок из-за малых величин электрического напряжения 6-8 В и низкой плотности тока 1-2 мА/дм на электродах.
2
Наиболее близким к предполагаемому 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 формируют 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.
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 предполагаемом изобретении он заменен на термин «электролит».
Недостатком прототипа является то, что получение нелегированных кремний-углеродных пленок не позволяет в значительной мере варьировать электрические, магнитные и прочностные свойства материала.
Предлагаемый способ направлен на усовершенствование прототипа путем введения атомов переходных металлов в кремний-углеродную пленку, что позволит наделить легированные кремний-углеродные пленки заданными электрическими и/или магнитными, и/или прочностными свойствами.
Техническим результатом, на достижение которого направлен предлагаемый способ, является получение тонкопленочных легированных атомами переходных металлов кремний-углеродных пленок, имеющих фазы карбида кремния SiC и оксидов переходных металлов и обладающих химической и механической стойкостью, а также заданными электрическими и/или магнитными, и/или прочностными свойствами, коррозионной и термостойкостью на любых электропроводящих материалах.
2
Технический результат достигается с помощью того, что легированная атомами переходных металлов кремний-углеродная пленка формируется методом электрохимического осаждения из электролита, состоящего из гексаметилдисилазана в метиловом или этиловом спирте и соли переходного металла, на электропроводящей подложке с ранее осажденной электрохимическим методом кремний-углеродной пленкой, расположенной на катоде, на который относительно анода подается напряжение до 200 В с плотностью тока до 50 мА/см.
2
2
Для достижения технического результата в способе электрохимического осаждения легированных атомами переходных металлов кремний-углеродных пленок на электропроводящие материалы, заключающегося в осаждении кремний-углеродных пленок из органического кремний и углеродсодержащего электролита, состоящего из гексаметилдисилазана в метиловом или этиловом спирте, на электропроводящую 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, легированная атомами переходных металлов кремний-углеродная пленка формируется методом электрохимического осаждения из электролита, состоящего из гексаметилдисилазана в метиловом или этиловом спирте и соли переходного металла, на электропроводящей подложке с ранее осажденной электрохимическим методом кремний-углеродной пленкой, расположенной на катоде, на который относительно анода подается напряжение до 200 В с плотностью тока до 50 мА/см, имеет фазу карбида кремния SiC и оксидов переходных металлов, обладает химической и механической стойкостью, а также, по сравнению с ранее осажденной электрохимическим методом кремний-углеродной пленкой, заданными электрическими свойствами, выражающимися в увеличении электропроводности на 20-50%.
2
2
Работа заявленного способа заключается в следующем: используются два электрода (катод и анод), в качестве анода применяется углеродная пластина, а в качестве катода - подложка, на которой происходит осаждение кремний-углеродных пленок. Подложка может быть из любого электропроводящего материала (например: кремний). Расстояние между катодом и анодом не должно превышать величину в 1 см. Затем катод и анод погружаются в органический кремний- и углеродсодержащий электролит (гексаметилдисилазан в метиловом или этиловом спирте). После этого на катод и анод подается 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. Затем катод с ранее осажденной электрохимическим методом кремний-углеродной пленкой и анод погружаются в тот же органический кремний- и углеродсодержащий электролит, но с добавлением в него соли переходного металла (например: сульфата марганца, сульфата никеля и т.п.), после чего на катод и анод подается напряжение до 200 В с плотностью тока до 50 мА/см, в результате чего на поверхности катода с ранее осажденной электрохимическим методом кремний-углеродной пленкой в процессе реакции восстановления происходит осаждение кремний-углеродной пленки, имеющей фазу карбида кремния SiC и оксидов переходных металлов. Толщина получаемых пленок зависит от длительности процессов осаждения.
В состав одного из вариантов устройства, на котором возможно реализовать предлагаемый способ входят: химически стойкая емкость, диэлектрическая крышка 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 легированные атомами переходных металлов кремний - углеродные пленки на любые электропроводящие материалы. Полученные тонкопленочные покрытия обладают электропроводностью, химической, механической, коррозионной и термостойкостью. Данный метод технически прост, для его реализации не требуется сложное технологическое оборудование. Предлагаемый метод позволяет сократить время на процессы изготовления устройств, основанных на металлсодержащих кремний-углеродных пленках, а также дает возможность более широкому применению металлсодержащих кремний-углеродных пленок в микроэлектронике и других областях техники.