СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК КАРБИДА ВОЛЬФРАМА
FORMATION METHOD OF THIN TUNGSTEN CARBIDE FILMS

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.
-1
4
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 10-10 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.
-4
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 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
-4
-7
2
5·10 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 Па, пленка вольфрама насыщалась углеродом. Состав образовавшегося карбида вольфрама определялся температурой отжига и практически не зависел от времени отжига. Температура начала образования WC 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.
2
2
2
С повышением температуры интенсивность линий вольфрама на рентгенограммах уменьшается, а интенсивность линий WC возрастает, что свидетельствует о дальнейшем образовании фазы WC за счет еще не прореагировавшего вольфрама. При температуре отжига 500°С пленка практически полностью состоит из фазы WC. При дальнейшем повышении температуры отжига начинается образование фазы WC и при температуре 600°С состав и свойства пленки практически полностью определяются этой фазой.
x
2
Механизм образования пленок состава WC можно представить следующим образом. Следы углерода, присутствующие в объеме, адсорбируются на поверхность пленки с дальнейшим протеканием реакции образования последовательно WC, 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.
-4
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 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.