Способ нанесения покрытия на основе нитрида кремния на стеклянную, в том числе кварцевую поверхность

 

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий из нитрида кремния на стеклянную, в том числе кварцевую поверхность. Технический результат - совдание технологии нанесения беспористого антиадгезионного покрытия на основе нитрида кремния на поверхности тиглей. Покрытие предотвращает растворение жидкого кремния в теле тигля, которое приводит к его разрушению вследствие различия коэффициентов термического расширения. Покрытие наносится посредством термического напыления кремния в вакуумной камере в атмосфере азота с давлением 10^-5 Торр, при одновременной стимуляции синтеза нитрида кремния облучением осаждаемого слоя низкоэнергетическими ионами азота с энергией не более 10 кэ/В, плотностью ионного тока до 50 мкА/см² и температуре подложки до 700 К.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий из нитрила кремния на стеклянную, в том числе кварцевую поверхность. Технология может применяться, например, для нанесения покрытия на основе нитрида кремния на поверхности тиглей, используемых для удержания расплава кремния при получении монокристаллов кремния по методу Чохральского.

Традиционные технологии создания покрытий из нитрида кремния (см. Голод И. А. , Девятова С. Ф., Ерков В.Г. и др. Нитрид кремния, синтезированный в реакторе пониженного давления из тетрахлорида кремния и аммиака - осаждение, свойства, использование: Обзоры по электронной технике. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. Вып. 1 {1326}. - М.: ЦНИИ "Электроника". 1988. 44 с.) имеют в своей основе химическую реакцию 3SiCl₄+4NH₃ = Si₃N₄+12HCl, и не позволяют получать беспористые покрытия, т.к. рост покрытий сопровождается образованием столбчатых кристаллов нитрида кремния и, следовательно, сквозных пор на межкристаллитных границах, при этом рабочие температуры процесса составляют примерно 1000 К. Использующийся для получения нитрида кремния аммиак не позволяет полностью исключить попадание водорода в нитрид кремния, в результате чего в нитриде кремния образуются гидриды кремния и азота, резко снижающие термическую стабильность покрытия. Кроме того, осаждение покрытий из нитрида кремния химическим разложением требует использования веществ, обладающих высокой химической активностью и токсичностью, а также разработки эффективной системы утилизации хлористого водорода.

Целью данного изобретения является создание технологии нанесения беспористого антиадгезионного покрытия на основе нитрида кремния на поверхности тиглей, используемых для удержания расплава кремния при получении крупных монокристаллов кремния по методу Чохральского. Покрытие должно предотвратить растворение жидкого кремния в теле тигля, которое приводит к возникновению спаянного слоя при охлаждении и разрушению тигля вследствие различия коэффициентов термического расширения.

Указанная цель достигается за счет того, что в способе нанесения покрытия на основе нитрида кремния на стеклянную, в том числе кварцевую поверхность, применяется технология ионно-атомного осаждения; покрытие наносится посредством термического напыления кремния в вакуумной камере в атмосфере азота с давлением 10^-5 торр, при одновременной стимуляции синтеза нитрида кремния облучением осаждаемого слоя низкоэнергетическими ионами азота с энергией не более 10 кэВ, плотностью ионного тока до 50 мкА/см² и температуре подложки до 700 К.

Предлагаемые покрытия представляют собой композитный материал с переменным химическим и фазовым составом, в котором внешний слой состоит из чистого нитрида кремния, более глубокий - из твердого раствора кремния в нитриде кремния, а слой, примыкающий к подложке, и граница покрытие-подложка содержат нанометрические включения из чистого кремния. Благодаря этому контакт покрытия с жидким кремнием осуществляется через слой чистого нитрида кремния, тогда как наличие нанометрических включений в глубине играет демпфирующую роль по отношению к внутренним напряжениям, возникающим из-за разности коэффициентов термического расширения и параметров кристаллической решетки, препятствует развитию дислокационной структуры и как следствие образованию трещин. Поскольку реализуемая композитная структура есть следствие сочетания конкурирующих процессов, то технологические режимы оптимальны в весьма узком диапазоне значений этих параметров, и выявление этих диапазонов возможно только на основании ранее проведенных исследований ("know-how").

Особенностью ионно-атомного осаждения является подавление образования пор в растущем покрытии, неизбежных при выращивании путем осаждения нитрида кремния из газовой фазы, используемого в традиционных технологиях. Отсутствие пористости доказано весьма жесткими испытаниями покрытий посредством их травления в плавиковой кислоте. Тем самым исключается доступ расплавленного кремния через покрытие к тиглю.

Предлагаемая технология основана на использовании в качестве компонентов чистых кремния и азота. Поскольку рабочее давление азота в камере составляет 10^-5 торр, то концентрация образующихся при его ионизации соединений с остаточными газами (закись азота, аммиак и т.п.) будет значительно ниже любых предельно допустимых концентраций вредных газов. Естественно, что предлагаемая технология лишена такого недостатка, как образование гидридов в синтезируемом нитриде кремния, которое может происходить только за счет остаточного водорода, находящегося в вакуумной камере. Таким образом, предлагаемая технология дает возможность получать покрытия из нитрида кремния, не содержащие загрязнений, снижающих их термическую стабильность, и является экологически безопасной.

Новый физико-химический подход к созданию покрытий из нитрида кремния на стеклянной, в т.ч. кварцевой поверхности, и способ его реализации позволили обеспечить более высокую экологическую безопасность, бездефектность и стабильность покрытий. Предлагаемая технология может быть использована также в полупроводниковой промышленности для получения покрытий из нитрида кремния с целью получения высококачественных диэлектрических слоев; получения накопителей электронов и дырок в электрически перепрограммируемых постоянных запоминающих устройствах; защиты полупроводников от действия кислорода и паров воды.

Формула изобретения

Способ нанесения покрытия на основе нитрида кремния на стеклянную, в том числе кварцевую поверхность, отличающийся тем, что покрытие наносят посредством термического напыления кремния в вакуумной камере в атмосфере азота с давлением 10^-5 торр, при одновременном облучении осаждаемого слоя низкоэнергетическими ионами азота с энергией не более 10 кэВ, плотностью ионного тока до 50 мкА/см² и температуре подложки до 700 К.