RU2830764C1 - Method of producing nano-sized boron film - Google Patents
Method of producing nano-sized boron film Download PDFInfo
- Publication number
- RU2830764C1 RU2830764C1 RU2024112345A RU2024112345A RU2830764C1 RU 2830764 C1 RU2830764 C1 RU 2830764C1 RU 2024112345 A RU2024112345 A RU 2024112345A RU 2024112345 A RU2024112345 A RU 2024112345A RU 2830764 C1 RU2830764 C1 RU 2830764C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- boron
- temperature
- substrate
- film
- aluminum
- Prior art date
Links
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 46
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 23
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 36
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims abstract description 10
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 150000001639 boron compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 2
- 239000002120 nanofilm Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 23
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 12
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 8
- 238000000572 ellipsometry Methods 0.000 description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 229910007991 Si-N Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006294 Si—N Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006360 Si—O—N Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 208000037998 chronic venous disease Diseases 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000005268 plasma chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N trichloroborane Chemical compound ClB(Cl)Cl FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано в микроэлектронике для получения тонких полупроводниковых слоев на алюминиевых подложках, а также радиационно-защитных покрытий алюминиевых сплавов.The invention relates to the field of nanotechnology and can be used in microelectronics to produce thin semiconductor layers on aluminum substrates, as well as radiation-protective coatings of aluminum alloys.
Известен способ формирования пленки бора, заключающийся в формировании пленки на бора на подложке, включающий формирование на подложке адгезионного слоя, включающего кремний и азот, затем формирование пленки бора на адгезионном слое, который представляет собой слой, выбранный из группы, состоящей из SiN, Si-N:H, Si-C-N, Si-B-N и Si-O-N и сформированный с помощью CVD или ALD с использованием технологического газа, состоящего из газа, включающего кремния, и газа, содержащего азот, при этом формирования пленки бора осуществляют с помощью плазменной CVD-обработки с использованием технологического газа, включающего борсодержащий газ (патент US 11615957; МПК С23С 16/02, С23С 16/28, С23С 16/455, С23С 16/50, H01L 21/02, H01L 21/033; 2023 год).A method for forming a boron film is known, which consists in forming a boron film on a substrate, including forming an adhesion layer on the substrate, including silicon and nitrogen, then forming a boron film on the adhesion layer, which is a layer selected from the group consisting of SiN, Si-N:H, Si-C-N, Si-B-N and Si-O-N and formed using CVD or ALD using a process gas consisting of a gas including silicon and a gas containing nitrogen, wherein the formation of the boron film is carried out using plasma CVD treatment using a process gas including a boron-containing gas (patent US 11615957; IPC C23C 16/02, C23C 16/28, C23C 16/455, C23C 16/50, H01L 21/02, H01L 21/033; 2023).
Недостатком известного способа является его сложность, обусловленная необходимость использования двух разных газовых смесей с соответствующим контролем их параметров, а также контроль плазменного разряда.The disadvantage of the known method is its complexity, due to the need to use two different gas mixtures with appropriate control of their parameters, as well as control of the plasma discharge.
Известен способ формирования пленки бора на подложке путем плазменной обработки реакционного газа, содержащего борсодержащий газ, в технологической атмосфере, давление которой регулируется в диапазоне от 0,67 до 33,3 Па (от 5 до 250 мторр), при этом борсодержащий газ представляет собой газ, выбранный из группы, состоящей из газообразного диборана, газообразного трихлорида бора и газообразного алкилборана, и может дополнительно содержит газ, выбранный из группы, состоящей из газообразного гелия, газообразного аргона и газообразного водорода, при этом подложку нагревают до температуры, которая находится в диапазоне от 60 до 500°С, причем реакционный газ подвергают плазмообразованию путем подачи микроволнового излучения на реакционный газ, а реакционный газ превращают в плазму путем подачи реакционного газа между параллельными пластинчатыми электродами, к которым прикладывают высокочастотное напряжение для емкостного соединения параллельных пластинчатых электродов (патент US 10388524; МПК С23С 16/38, С23С 16/44, С23С 16/46, С23С 16/511, H01J 37/32, H01L 21/033, H01L 21/311, С23С 16/509, H01L 21/02; 2019 год).A method is known for forming a boron film on a substrate by plasma processing a reaction gas containing a boron-containing gas in a process atmosphere, the pressure of which is regulated in the range from 0.67 to 33.3 Pa (from 5 to 250 mTorr), wherein the boron-containing gas is a gas selected from the group consisting of gaseous diborane, gaseous boron trichloride and gaseous alkylborane, and may additionally contain a gas selected from the group consisting of gaseous helium, gaseous argon and gaseous hydrogen, wherein the substrate is heated to a temperature that is in the range from 60 to 500°C, wherein the reaction gas is subjected to plasma formation by supplying microwave radiation to the reaction gas, and the reaction gas is converted into plasma by supplying the reaction gas between parallel plate electrodes to which a high-frequency voltage is applied for capacitively connecting the parallel plate electrodes (US patent 10388524; IPC C23C 16/38, C23C 16/44, C23C 16/46, C23C 16/511, H01J 37/32, H01L 21/033, H01L 21/311, C23C 16/509, H01L 21/02; 2019).
Недостатком известного способа является его сложность, обусловленная необходимостью постоянного контроля параметров газовой реакционной смеси и плазменного разряда, а также использованием микроволнового излучения.The disadvantage of the known method is its complexity, due to the need for constant monitoring of the parameters of the gas reaction mixture and plasma discharge, as well as the use of microwave radiation.
Известен способ получения тонких пленок бора физическим осаждением из паровой фазы (PVD) на кремниевой подложке путем магнетронного распыление (ADC, Leybold, Германия) при постоянном токе и комнатной температуре мишени диаметром 4 дюйма (чистота >98%) в атмосфере аргона (расход газа 30 см3/мин) и давлении 0,079 Па. Скорость вращения подложки - 10 об/мин, расстояние от мишени до подложки - 35 мм, мощность постоянного тока - 500 Вт (Schurink В., Wesley Т.Е., Be Id et. al. "Synthesis and characterization of boron thin films using chemical and physical vapor depositions". Coatings, 2022, V. 12, Appendix B).A known method is to produce thin boron films by physical vapor deposition (PVD) on a silicon substrate using magnetron sputtering (ADC, Leybold, Germany) at direct current and room temperature of a 4-inch diameter target (>98% purity) in an argon atmosphere (gas flow rate 30 cm3 /min) and a pressure of 0.079 Pa. The substrate rotation speed is 10 rpm, the distance from the target to the substrate is 35 mm, the direct current power is 500 W (Schurink B., Wesley T.E., Be Id et. al. "Synthesis and characterization of boron thin films using chemical and physical vapor depositions". Coatings, 2022, V. 12, Appendix B).
Недостатком известного способа является его технологическая сложность, заключающаяся в поддержании разряженной атмосферы аргона и плазмы тлеющего разряда в процессе распыления, а также создании мишени - источника бора строго определенной формы и размера.The disadvantage of the known method is its technological complexity, which consists of maintaining a rarefied argon atmosphere and glow discharge plasma during the sputtering process, as well as creating a target - a boron source of a strictly defined shape and size.
Известен способ получения тонких пленок бора физическим осаждением из паровой фазы (PVD) путем термического испарения с использованием электроннолучевого испарения бора на установке Balzers BAK 600 (Oerlikon-Balzers. Pfaffikon, Switzerland). Тигель заполняли кусочками кристаллической борной мишени диаметром 3-8 мм. Камера окачивалась до 10,1⋅10-7 Па, при напылении давление составляло 3,1⋅10-5 Па. Нагрев и испарение кусочков бора в тигле осуществляется электронно-лучевой пушкой (Schurink В., Wesley Т.Е., Beld et. al, "Synthesis and characterization of boron thin films using chemical and physical vapor depositions". Coatings, 2022, V. 12, Appendix В) (прототип).A method for producing thin boron films by physical vapor deposition (PVD) by thermal evaporation using electron beam evaporation of boron on a Balzers BAK 600 installation (Oerlikon-Balzers. Pfaffikon, Switzerland) is known. The crucible was filled with pieces of a crystalline boron target with a diameter of 3-8 mm. The chamber was pumped to 10.1⋅10 -7 Pa, during sputtering the pressure was 3.1⋅10 -5 Pa. Heating and evaporation of boron pieces in the crucible is carried out by an electron beam gun (Schurink B., Wesley T.E., Beld et. al, "Synthesis and characterization of boron thin films using chemical and physical vapor depositions". Coatings, 2022, V. 12, Appendix B) (prototype).
Недостатком известного способа является его сложность вследствие высокой температуры испарителя, обусловленной тугоплавкостью чистого бора, и, как следствие, высокой энергозатратностью (приложенное напряжение на источник при испарении бора составляло 10 кВ, ток - 72 мА).The disadvantage of the known method is its complexity due to the high temperature of the evaporator, caused by the refractoriness of pure boron, and, as a consequence, high energy consumption (the voltage applied to the source during the evaporation of boron was 10 kV, the current was 72 mA).
Таким образом, перед авторами стояла задача упрощения способа получения тонкой пленки бора за счет снижения температуры испарителя.Thus, the authors were faced with the task of simplifying the method for obtaining a thin boron film by reducing the temperature of the evaporator.
Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения наноразмерной пленки бора, включающем термическое испарение в вакууме соединения бора на подложку, отличающийся тем, что в качестве соединения бора используют оксид бора, а термическое испарение осуществляют путем терморезистивного испарения порошка оксида бора, помещенного в танталовый тигель, на подложку из алюминия, нагретую до температуры 190-200°С, при температуре 1500-1550°С в вакууме (1-5)⋅10-6 торр в течение 10-15 с, при этом расстояние от испарителя до подложки равно 40-45 мм, после чего осуществляют отжиг в среде аргона при температуре 630-640°С в течение 0,5-1,0 часа.The stated problem is solved in the proposed method for producing a nanosized boron film, including thermal evaporation in a vacuum of a boron compound onto a substrate, characterized in that boron oxide is used as the boron compound, and thermal evaporation is carried out by thermoresistive evaporation of boron oxide powder placed in a tantalum crucible onto an aluminum substrate heated to a temperature of 190-200°C, at a temperature of 1500-1550°C in a vacuum of (1-5)⋅10 -6 Torr for 10-15 s, wherein the distance from the evaporator to the substrate is 40-45 mm, after which annealing is carried out in an argon environment at a temperature of 630-640°C for 0.5-1.0 hours.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способе получения наноразмерной пленки бора путем терморезистивного испарения порошка оксида бора, помещенного в танталовый тигель, на подложку из алюминия в предлагаемых авторами условиях.At present, no method for producing a nanosized boron film by thermoresistive evaporation of boron oxide powder placed in a tantalum crucible onto an aluminum substrate under the conditions proposed by the authors is known from patent and scientific literature.
Авторами были проведены исследования возможностей снижения температуры испарителя в способе получения тонкой пленки бора, которая в известном способе обусловлена тугоплавкостью чистого бора (tпл=2075°С; tис=3907°С). Авторами разработан способ, в котором в качестве источника бора использован оксид бора В2О3 (tпл=450°C; tис=1860°С), что позволяет значительно снизить температуру испарителя, в данном случае танталового тигля, а после отжига при относительно невысоких температурах получить наноразмерное покрытие бора с адгезионным слоем Al2O3 на подложке из алюминия, который образуется на поверхности подложки из алюминия вследствие восстановления оксида бора алюминием. При этом наличие адгезионного слоя повышает надежность и долговечность работы пленочного покрытия.The authors conducted research into the possibilities of reducing the evaporator temperature in the method for producing a thin boron film, which in the known method is due to the refractoriness of pure boron ( tm = 2075°C; tis = 3907°C). The authors developed a method in which boron oxide B2O3 ( tm = 450°C; tis = 1860°C) is used as a boron source, which makes it possible to significantly reduce the evaporator temperature, in this case a tantalum crucible, and after annealing at relatively low temperatures to obtain a nanosized boron coating with an Al2O3 adhesion layer on an aluminum substrate, which is formed on the surface of the aluminum substrate due to the reduction of boron oxide by aluminum. The presence of the adhesion layer increases the reliability and durability of the film coating.
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Напыление пленки оксида бора на поверхность массивного алюминия осуществляют с резистивных испарителей (тиглей), изготовленных из танталовой фольги. Поверхность алюминия предварительно очищают механической полировкой алмазными пастами ACM 1 и АСМ 0.5 до зеркального состояния. После этого, поверхность промывают смесью ацетона и этанола (1:1) и отжигают на воздухе при 330-340°С в течение 30-40 минут для дополнительной очистки и активации поверхности путем термодесорбции. Напыление оксида бора осуществляют путем терморезистивного испарения порошка оксида бора, помещенного в танталовый тигель, на подложку из алюминия, нагретую до температуры 190-200°С, при температуре 1500-1550°С в вакууме (1-5)⋅10-6 торр в течение 10-15 с, при этом расстояние от испарителя до подложки равно 40-45 мм, после чего осуществляют отжиг в среде аргона при температуре 630-640°С в течение 0,5-1,0 часа. После напыления подложку с нанесенной пленкой помещают в вакуумную печь и нагревают в среде чистого (не менее 99,5%) аргона (давлении PAr 1,7-1,8 атм) при температуре 630-640°С в течение 0,5-1 часа. При температуре около 480°С оксид бора расплавляется и при дальнейшем нагреве на поверхности алюминия происходит реакция восстановления оксида бора алюминием с образованием адгезионного слоя Al2O3 между поверхностью подложки и пленкой бора. Методом одноволновой эллипсометрии были определены составы и толщины подложки, промежуточного слоя и верхнего слоя. Кроме того, была определена ширина запретной зоны наноразмерной пленки, что также подтвердило ее состав, как наноразмерной пленки бора.The proposed method can be implemented as follows. Spraying of a boron oxide film onto the surface of massive aluminum is performed using resistive evaporators (crucibles) made of tantalum foil. The aluminum surface is preliminarily cleaned by mechanical polishing with ACM 1 and ACM 0.5 diamond pastes to a mirror finish. After that, the surface is washed with a mixture of acetone and ethanol (1:1) and annealed in air at 330-340°C for 30-40 minutes for additional cleaning and surface activation by thermal desorption. Sputtering of boron oxide is carried out by thermoresistive evaporation of boron oxide powder placed in a tantalum crucible onto an aluminum substrate heated to a temperature of 190-200°C, at a temperature of 1500-1550°C in a vacuum of (1-5)⋅10 -6 Torr for 10-15 s, while the distance from the evaporator to the substrate is 40-45 mm, after which annealing is carried out in an argon environment at a temperature of 630-640°C for 0.5-1.0 hour. After sputtering, the substrate with the applied film is placed in a vacuum furnace and heated in a pure (at least 99.5%) argon environment (at a pressure of P Ar 1.7-1.8 atm) at a temperature of 630-640°C for 0.5-1 hour. At a temperature of about 480°C, boron oxide melts and with further heating, a reaction of boron oxide reduction by aluminum occurs on the aluminum surface with the formation of an adhesive layer of Al 2 O 3 between the substrate surface and the boron film. The compositions and thicknesses of the substrate, intermediate layer and top layer were determined by the single-wave ellipsometry method. In addition, the width of the forbidden zone of the nanoscale film was determined, which also confirmed its composition as a nanoscale boron film.
На фиг. 1 приведены спектры комбинационного рассеяния (КРС), детектированные на поверхности образца (подложка -массивный алюминий).Fig. 1 shows the Raman spectra detected on the surface of the sample (substrate - massive aluminum).
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.The proposed method is illustrated by the following examples.
Пример 1Example 1
Поверхность образца алюминия, выполняющего роль подложки, размером 10×10×4 мм предварительно полировалась алмазными пастами ACM 1 и АСМ 0.5 и после промывки ацетоном и этанолом, взятых 1:1, отжигалась на воздухе при 330°С в течение 40 минут. Напыление пленки оксида бора B2O3 на поверхность массивного образца алюминия осуществлялось путем терморезистивного испарения порошка оксида бора, помещенного в 2 танталовых тигля размером 33×4 мм, на подложку из алюминия, нагретую до температуры 190°С, при температуре 1500°С в вакууме 1⋅10-6 торр в течение 10 с, при этом расстояние от испарителя до подложки равно 40 мм, на установке ВУП-5М. После напыления, образец помещался в вакуумную печь и нагревался в среде аргона (PAr ~176 кПа) при температуре 630°С один час. После охлаждения образца, методом одноволновой эллипсометрии (эллипсометр ЛЭФ-3М, длина волны λ=0.6328 мкм, угол падения ϕ=70), с использованием основного уравнения эллипсометрии (Алгоритмы и программы для численного решения некоторых задач эллипсометрии / Под ред. А.В. Ржанова. - Новосибирск: Наука, 1980. - 192 с.) было показано, что измеренные параметры Δ и ψ соответствуют двухслойной отражающей модели со следующими оптическими постоянными: подложка - алюминий (n=1,65, k=6.5), нижний слой - оксид алюминия Al2O3 (n3=1.6, k3=0) с толщиной d=13 нм, верхний слой - бор (n3=3,0, k3=0,02) с толщиной, также равной 13 нм. Используя спектры оптических постоянных бора, полученные на спектральном эллипсометре SPEL-7LED, по формуле Тауца была определена оптическая ширина запрещенной зоны Eg наноразмерной пленки бора:The surface of the aluminum sample acting as a substrate, measuring 10×10×4 mm, was pre-polished with ACM 1 and ACM 0.5 diamond pastes and, after washing with acetone and ethanol taken in a ratio of 1:1, annealed in air at 330°C for 40 minutes. Sputtering of a boron oxide film B2O3 onto the surface of a massive aluminum sample was carried out by thermoresistive evaporation of boron oxide powder placed in two tantalum crucibles measuring 33×4 mm onto an aluminum substrate heated to a temperature of 190°C, at a temperature of 1500°C in a vacuum of 1⋅10 -6 Torr for 10 s, while the distance from the evaporator to the substrate was 40 mm, using a VUP-5M setup. After sputtering, the sample was placed in a vacuum oven and heated in an argon environment (P Ar ~176 kPa) at a temperature of 630°C for one hour. After cooling the sample, the single-wave ellipsometry method (LEF-3M ellipsometer, wavelength λ=0.6328 μm, incidence angle ϕ=70) using the basic ellipsometry equation (Algorithms and programs for the numerical solution of some ellipsometry problems / Ed. A.V. Rzhanov. - Novosibirsk: Nauka, 1980. - 192 p.) showed that the measured parameters Δ and ψ correspond to a two-layer reflective model with the following optical constants: substrate - aluminum (n=1.65, k=6.5), lower layer - aluminum oxide Al 2 O 3 (n 3 =1.6, k 3 =0) with a thickness d=13 nm, upper layer - boron (n 3 =3.0, k 3 =0.02) with a thickness also equal to 13 nm. Using the spectra of optical constants of boron obtained on a SPEL-7LED spectral ellipsometer, the optical width of the forbidden zone E g of a nanosized boron film was determined using the Tautz formula:
где α=4πk/λ, - истинный коэффициент поглощения, hν - энергия фотонов, Eg - ширина запрещенной зоны, А - константа. Оптическая ширина запрещенной зоны наноразмерной пленки бора оказалась равной Eg=1.44 эВ. Согласно литературным данным, ширина запрещенной зоны массивного бора Eg=1.5-1.56 эВ. На фиг. 1 представлены спектры КРС, детектированные на поверхности образца (подложка-массивный алюминий). По данным спектроскопии комбинационного рассеяния (КРС) на спектрах образца присутствуют рамановские пики на частотах 186, 349, 532, 570, 995, 1098, 1210 см-1, которые, по литературным данным (Н. Werheit, V. Filipov, U. Kuhlmann et.al. Raman effect in icosahedral boron-rich solids // Adv. Mater., V. 11., P. 023001, 2010) соответствуют колебаниям β-ромбоэдрического бора (β-B).where α=4πk/λ, is the true absorption coefficient, hν is the photon energy, E g is the band gap, and A is a constant. The optical band gap of the nanosized boron film was found to be E g =1.44 eV. According to literature data, the band gap of massive boron is E g =1.5-1.56 eV. Fig. 1 shows the Raman spectra detected on the sample surface (substrate - massive aluminum). According to Raman spectroscopy (RS) data, the spectra of the sample contain Raman peaks at frequencies of 186, 349, 532, 570, 995, 1098, 1210 cm -1 , which, according to literature data (H. Werheit, V. Filipov, U. Kuhlmann et al. Raman effect in icosahedral boron-rich solids // Adv. Mater., Vol. 11, P. 023001, 2010) correspond to vibrations of β-rhombohedral boron (β-B).
Пример 2Example 2
Поверхность образца алюминия, выполняющего роль подложки, размером 10×10×4 мм предварительно полировалась алмазными пастами ACM 1 и АСМ 0.5 и после промывки ацетоном и этанолом, взятых 1: 1, отжигалась па воздухе при 340°С в течение 30 минут. Напыление пленки оксида бора В2О3 на поверхность массивного образца алюминия осуществлялось путем терморезистивного испарения порошка оксида бора, помещенного в 2 танталовых тигля размером 3×3×4 мм, на подложку из алюминия, предварительно нагретую до температуры 200°С, при температуре 1550°С в вакууме 5⋅10-6 торр в течение 15 с, при этом расстояние от испарителя до подложки равно 45 мм, на установке ВУП-5М. После напыления, образец помещался в вакуумную печь и нагревался в среде аргона (PAr ~176 кПа) при температуре 640°С 0,5 часа. После охлаждения образца методом одноволновой эллипсометрии (эллипсометр ЛЭФ-3М, длина волны λ=0.6328 мкм, угол падения ϕ=70), с использованием основного уравнения эллипсометрии (Алгоритмы и программы для численного решения некоторых задач эллипсометрии / Под ред. А.В. Ржанова. - Новосибирск: Наука, 1980. - 192 с.) было показано, что измеренные параметры Δ и ψ соответствуют двухслойной отражающей модели со следующими оптическими постоянными: подложка - алюминий (n=1,65, k=6.5), нижний слой - оксид алюминия Al2O3 (n3=1.6, k3=0) с толщиной d=13 нм, верхний слой - бор (n3=3.0, k3=0.02) с толщиной, также равной 13 нм. Используя спектры оптических постоянных бора, полученные на эллипсометре, по формуле Тауца была определена оптическая ширина запрещенной зоны Eg наноразмерной пленки бора:The surface of the aluminum sample acting as a substrate, measuring 10×10×4 mm, was pre-polished with ACM 1 and ACM 0.5 diamond pastes and, after washing with acetone and ethanol taken in a ratio of 1:1, annealed in air at 340°C for 30 minutes. Sputtering of a boron oxide film B2O3 onto the surface of a massive aluminum sample was carried out by thermoresistive evaporation of boron oxide powder placed in two tantalum crucibles measuring 3×3×4 mm onto an aluminum substrate pre-heated to a temperature of 200°C, at a temperature of 1550°C in a vacuum of 5⋅10 -6 Torr for 15 s, while the distance from the evaporator to the substrate was 45 mm, using a VUP-5M setup. After sputtering, the sample was placed in a vacuum oven and heated in an argon environment (P Ar ~176 kPa) at a temperature of 640°C for 0.5 hours. After cooling the sample by the single-wave ellipsometry method (LEF-3M ellipsometer, wavelength λ=0.6328 μm, incidence angle ϕ=70), using the basic ellipsometry equation (Algorithms and programs for the numerical solution of some ellipsometry problems / Ed. A.V. Rzhanov. - Novosibirsk: Nauka, 1980. - 192 p.) it was shown that the measured parameters Δ and ψ correspond to a two-layer reflective model with the following optical constants: substrate - aluminum (n=1.65, k=6.5), lower layer - aluminum oxide Al 2 O 3 (n 3 =1.6, k 3 =0) with a thickness d=13 nm, upper layer - boron (n 3 =3.0, k 3 =0.02) with a thickness also equal to 13 nm. Using the spectra of optical constants of boron obtained on an ellipsometer, the optical width of the forbidden zone E g of a nanosized boron film was determined according to the Tautz formula:
где α=4πk/λ - истинный коэффициент поглощения, hν - энергия фотонов, Eg - ширина запрещенной зоны, А - константа. Оптическая ширина запрещенной зоны наноразмерной пленки бора оказалась равной Eg=1,44 эВ. Согласно литературным данным, ширина запрещенной зоны массивного бора Eg=1,5-1,56 эВ. На фиг. 1 представлены спектры КРС, детектированные на поверхности образца (подложка-массивный алюминий). По данным спектроскопии комбинационного рассеяния (КРС) на спектрах образца присутствуют рамановские лики на частотах 186, 349, 532, 570, 995, 1098, 1210 см-1, которые, по литературным данным (Н. Werheit, V. Filipov, U. Kuhlmann et.al. Raman effect in icosahedral boron-rich solids // Adv. Mater, V. 11, P. 023001, 2010) соответствуют колебаниям β-ромбоэдрического бора (β-В).where α=4πk/λ is the true absorption coefficient, hν is the photon energy, E g is the band gap, and A is a constant. The optical band gap of the nanosized boron film was found to be E g =1.44 eV. According to literature data, the band gap of massive boron is E g =1.5-1.56 eV. Fig. 1 shows the Raman spectra detected on the sample surface (substrate - massive aluminum). According to Raman spectroscopy (RS) data, the spectra of the sample contain Raman peaks at frequencies of 186, 349, 532, 570, 995, 1098, 1210 cm -1 , which, according to literature data (H. Werheit, V. Filipov, U. Kuhlmann et al. Raman effect in icosahedral boron-rich solids // Adv. Mater, Vol. 11, P. 023001, 2010) correspond to vibrations of β-rhombohedral boron (β-B).
Таким образом, авторами предлагается способ получения наноразмерной пленки бора, позволяющий значительно упростить процесс за счет снижения температуры испарителя.Thus, the authors propose a method for obtaining a nanosized boron film, which allows for a significant simplification of the process by reducing the evaporator temperature.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2830764C1 true RU2830764C1 (en) | 2024-11-25 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180174838A1 (en) * | 2016-12-15 | 2018-06-21 | Tokyo Electron Limited | Film Forming Method, Boron Film, and Film Forming Apparatus |
| US20210090888A1 (en) * | 2018-04-04 | 2021-03-25 | Tokyo Electron Limited | Method for forming boron-based film, formation apparatus |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180174838A1 (en) * | 2016-12-15 | 2018-06-21 | Tokyo Electron Limited | Film Forming Method, Boron Film, and Film Forming Apparatus |
| US20210090888A1 (en) * | 2018-04-04 | 2021-03-25 | Tokyo Electron Limited | Method for forming boron-based film, formation apparatus |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| BART SCHURINK et al. Synthesis and Characterization of Boron Thin Films Using Chemical and Physical Vapor Depositions, Coatings, 2022, 12, 685. * |
| ГОЛИКОВА О.А. Пленки аморфного бора с повышенной электропроводностью, Физика и техника полупроводников, 2000, т. 34, вып. 3, с. 369-372. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhou et al. | Synthesis and characterization of boron carbon nitride films by radio frequency magnetron sputtering | |
| Chakrabarti et al. | Nano-diamond films produced from CVD of camphor | |
| Prakash et al. | Deposition and XPS studies of dual sputtered BCN thin films | |
| JP2012054586A (en) | METHOD OF PRODUCING LOW DIELECTRIC CONSTANT SiOx FILM | |
| Wu et al. | Optical and mechanical properties of reactively sputtered silicon dioxide films | |
| Al‐Robaee et al. | Influence of substrate temperature on the properties of oxygen‐ion‐assisted deposited CeO2 films | |
| Jin-Xiang et al. | Optical properties of hexagonal boron nitride thin films deposited by radio frequency bias magnetron sputtering | |
| US5837322A (en) | Deposition of polycrystalline diamond film on zinc sulfide substrate having nitride interlayer | |
| RU2830764C1 (en) | Method of producing nano-sized boron film | |
| Ding et al. | Ion beam assisted deposition of diamond-like nanocomposite films in an acetylene atmosphere | |
| CN109628894B (en) | Preparation method of far ultraviolet high reflecting mirror | |
| Burdovitsin et al. | ELECTRON BEAM EVAPORATION OF SILICON CARBIDE TO PRODUCE SILICON-CARBON COATINGS | |
| JP7723380B2 (en) | Ion-assisted deposition method, semiconductor manufacturing equipment component, and semiconductor manufacturing equipment | |
| CN118460979A (en) | Aluminum film sputtering method and aluminum film | |
| Bradford et al. | The effect of the substrate temperature on the optical properties of reactively evaporated silicon oxide films | |
| Gangalakurti et al. | Influence of deposition conditions on properties of Ta2O5 films deposited by ion beam sputtering coating technique | |
| Greer et al. | Properties of laser-deposited yttria films on CdTe and silicon substrates | |
| Bach et al. | The reaction behavior of thin lead oxide layers on silica glass | |
| Sugimoto et al. | Tensilely-stressed SiN films reactively sputtered in Kr N2 plasmas for producing free-standing devices | |
| JP4022849B2 (en) | Method for producing metal oxide film-coated member | |
| Kozyrev et al. | Effect of the amount of argon in an oxygen ion beam on the optical characteristics of titanium dioxide films obtained via ion-assisted electron beam evaporation | |
| Tsai et al. | Properties of optical thin films and coatings prepared by reactive electron-beam deposition with and without ion bombardments | |
| Goncharov et al. | Synthesis of nanocrystalline titanium dioxide films in a cylindrical magnetron-type gas discharge and their optical characterization | |
| RU2777062C1 (en) | Method for obtaining nanosized films of titanium nitride | |
| Lee et al. | Effect of gas composition and bias voltage on the structure and properties of a‐C: H/SiO2 nanocomposite thin films prepared by plasma‐enhanced chemical‐vapor deposition |