Способ легирования металлов в пленках

Авторы патента:

H01L39 - Приборы с использованием сверхпроводимости; способы или устройства для изготовления или обработки таких приборов или их частей (приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированных на общей подложке или внутри нее H01L 27/00; сверхпроводники, отличающиеся способом формования или составом керамики C04B 35/00; сверхпроводники, сверхпроводящие кабели или передающие линии H01B 12/00; сверхпроводящие катушки или обмотки H01F; усилители с использованием сверхпроводимости H03F 19/00)

C30B31/22 - ионным внедрением

Владельцы патента RU 2276206:

Дочернее государственное предприятие "Институт ядерной физики" Национального ядерного центра Республики Казахстан (KZ)
Товарищество с ограниченной ответственностью "СИМПЛА" (KZ)

Изобретение относится к области получения специальных сплавов в виде покрытий или самонесущих изделий и может быть использовано в металлургии, машиностроении, материаловедении и других отраслях. Способ легирования металла в пленках включает одновременное со сдвигом в пространстве распыление металла и легирующего элемента в нанодисперсное состояние в плазме низкого давления и соосаждение их субслоями поочередным повторяющимся пересечением потоков плазмы, при этом осаждение каждого субслоя ведут в виде островкового покрытия размером частиц металла и/или легирующего элемента менее критического, при котором частица находится в жидком состоянии при соосаждении. Технический результат заключается в значительном снижении температуры легирования - образования твердого раствора (около 100°С). 1 табл.

Известен способ обработки материалов (авторское свидетельство СССР №1055784, кл. С 30 В 31/20, оп. 23.11.1983. Бюлл. №43), в котором легирование осуществляют нанесением на поверхность диффузанта в виде последовательных слоев различных элементов или их сплавов толщиной 10-1000 нм и последующим облучением импульсным лазерным облучением мощностью 10⁸-10¹¹ Вт·см^-2, с образованием легированного слоя. Недостатком способа является необходимость термообработки для получения легированного сплава - твердого раствора.

Известен также способ получения монокристаллических углеродных пленок (предварительный патент Республики Казахстан №4275, кл. С 30 В 30/02, 35/00, оп. 14.03.1997. Бюлл. №1), в котором легирование осуществляют путем распыления катода-мишени из твердого углерода, ускорение ионов углерода и осаждение их на нагретую подложку, и при этом одновременно дополнительно распыляют легирующий материал. В этом способе, как и предыдущем, для легирования материала необходим нагрев подложки.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ повышения критического тока сверхпроводника легированием (патент Российской Федерации №2172043, кл. Н 01 L 39/00, 39/24, оп. 10.08.2001, Бюлл. №22), в котором легирование осуществляют одновременным со сдвигом в пространстве распылением металла-основы сверхпроводника и легирующего элемента, не взаимодействующего с основой сверхпроводника, в нанодисперсное состояние в плазме низкого давления и соосаждением их при сохранении нанодисперсного состояния легирующего элемента слоями субатомного размера поочередным повторяющимся пересечением потоков плазмы.

Способ предполагает использование легирующего элемента, не взаимодействующего с металлом сверхпроводника, что не позволяет получить твердые растворы, то есть осуществить легирование как таковое. Использование этого способа для получения твердых растворов при легировании металла возможно только при нагреве покрытия до температуры расплавления или близкой к ней.

Задачей изобретения является разработка способа легирования, позволяющего получать металлические пленки, легированные различными элементами.

Технический результат от совокупности влияния признаков, предлагаемых в изобретении, заключается в снижении температуры легирования - образования твердого раствора.

Технический результат достигается в способе легирования металла в пленках, включающем одновременное со сдвигом в пространстве распыление металла и легирующего элемента в нанодисперсное состояние в плазме низкого давления и соосаждение их субслоями поочередным повторяющимся пересечением потоков плазмы, в котором осаждение каждого субслоя ведут в виде островкового покрытия размером частиц металла и/или легирующего элемента менее критического, при котором частица находится в жидком состоянии при соосаждении.

Суть изобретения заключается в следующем.

По предлагаемому способу при уменьшении размеров частицы металла и/или легирующего элемента меньше критического размера значительно снижается ее температура плавления, иногда разница по сравнению с компактным металлом достигает сотен градусов. Поэтому соосаждение частиц металла и/или легирующего элемента малых размеров, когда они находятся в жидкой форме, в виде расположенных рядом и соприкасающихся островков, сопровождается слиянием их и образованием раствора. Коалесценция жидких частиц (одна или несколько) приводит к увеличению размера капли более критического размера и перехода частицы в твердое состояние. Многократное повторение процессов приводит к формированию пленки твердого раствора - легированию металла при очень низкой температуре. Способ реализован при получении ниобия, легированного оловом и алюминием, тантала, легированного свинцом и других твердых растворов.

Пример. При легировании ниобия приготовление образцов производили одновременным распылением мишеней из ниобия и олова или алюминия в плазме низкого давления и осаждением распыленных металлов на перемещающиеся относительно потоков плазмы не обогреваемые подложки из поликора (Al₂О₃). Пленочные покрытия формировали до толщины 600-1200 нм за 1200 поочередных пересечений подложками формируемых магнетронами потоков металлов, что обеспечивало рост покрытий по островковому типу. Температура подложек во время формирования образцов не превышала 100°С. Использованы ниобий, содержащий 99,95 мас.% основного элемента, олово - 99,99 мас.% и алюминий - 99,99 мас.% соответственно. Соотношение концентраций металлов в образцах изменяли скоростью распыления мишеней планарных магнетронных распылителей. В процессе распыления мишеней поддерживали постоянную мощность на каждом из распылительных устройств. Соотношение осажденных компонентов контролировали весовым способом - по количеству распыленного и осажденного металла во время формирования покрытия.

Проявление процесса легирования становится наблюдаемым при появлении твердого раствора металлов вследствие смешения, что возможно лишь при слиянии малых частиц разных металлов, как это имеет место при обычном плавлении.

В таблице приведены результаты формирования пленочных систем по островковому типу с уменьшением расчетной толщины слоев (отнесенной ко всей площади подложки) и, следовательно, величины частиц, образующих островки.

Таблица.
Толщина чередующихся субслоев металлов в пленках и параметры решеток фаз
Номер образца	Nb-Sn 21,1 ат. % Sn	Номер образца	Nb-Al 28,2 ат. % Al
Номер образца	Толщина субслоев, нм	Номер образца	Параметр решетки, нм	Толщина субслоев, нм	Параметр решетки, нм
Nb	Sn	Nb	Sn	Nb	Al	Nb	Al
1	27	10	0,3347±0,0009	a=0,5831	6	24	9	0,3331± 0,0006	0,4075± 0,0015
c=0,3182
2	13	5	0,3328±0,0008	a=0,5831	7	12,5	4,6	0,3318± 0,0003	0,4054± 0,0008
c=0,3182
3	4,3	1,7	0,3366±0,0012	a=0,5793	8	4,6	1,6	0,3316± 0,0005	-
c=0,3182
4	2,2	0,85	0,3380±0,0004	-	9	2,2	0,8	0,3303± 0,0005	-
5	1,0	0,4	0,3346±0,0004	10	1,0	0,3	0,3272±0,0007

Твердый раствор является замещением в узлах кристаллической решетки атомов матричного металла атомами легирующего металла. Параметр решетки твердого раствора изменяется линейно (от параметра решетки легируемого металла) в зависимости от количества атомов легирующего элемента. При этом в твердом растворе легирующий элемент рентгенографически не обнаруживается.

В этой связи образцы №№1-3 в системе ниобий-олово и №№6, 7 в системе ниобий-алюминий представлены отдельными рентгенографируемыми фазами, имеющими каждая свою кристаллическую решетку с табличными или несколько искаженными межатомными расстояниями, и границу раздела фаз. То есть система представлена смесью образований из ниобия и олова, ниобия и алюминия.

При образовании твердых растворов совместным осаждением частиц малых размеров возможно некоторое промежуточное состояние, при котором легирующий элемент не выделяется в отдельную фазу (образцы №4, 8, 9), фиксируемую рентгенографически, но нет и твердого раствора, что следует из отсутствия линейной зависимости параметра решетки (образец №4) и присутствия сверхструктурных отражений с параметром 2-2,5 нм на рентгенограммах образцов №8, 9 при параметре решетки, соответствующем чистому ниобию. Алюминий присутствует в последнем случае в кластерной форме, не фиксируемой рентгеновским анализом. Поэтому параметры кристаллической решетки легирующих элементов в образцах 4, 8, 9 не приведены в таблице.

При достижении размеров частиц (в нашем случае они выражены через среднюю толщину чередующихся субслоев) критического размера и менее его образуется твердый раствор с кристаллической решеткой, отличающейся от параметра решетки легируемого металла, но закономерно изменяющегося с изменением концентрации легирующего элемента.

Как видно из таблицы, лишь в образце №5 при достижении расчетной толщины субслоев 1,0 нм у ниобия и 0,4 нм у олова в системе ниобий-олово происходит самопроизвольное образование твердого раствора с параметром решетки 0,3346±0,0004 нм, соответствующим концентрации 21,1 ат.% олова. Аналогично в образце №10, при достижении расчетной толщины субслоев 1,0 нм у ниобия и 0,3 нм у алюминия в системе ниобий-алюминий происходит самопроизвольное образование твердого раствора с параметром решетки 0,3272±0,0007 нм, соответствующим концентрации 28,2 ат.% алюминия, то есть легирование ниобия алюминием при температуре около 100°С. Легирование ниобия оловом и алюминием традиционными способами позволяет получить твердые растворы при очень высоких температурах, причем концентрация легирующих элементов в них при охлаждении олова лишь около 2 ат.% и до 9 ат.% алюминия.

Легирование тантала свинцом, осуществленное аналогичным образом, показало, что при достижении расчетной толщины субслоев тантала 0,8 нм и свинца 0,3 нм также происходит легирование тантала с образованием твердого раствора, что подтверждает присутствие, по меньшей мере, свинца в виде частиц размером меньше некоторого критического, при котором свинец представлен жидкой фазой при температуре менее 120°С.

Таким образом, приведенные примеры реализации способа и результаты свидетельствуют о значительном снижении температуры легирования - образования твердого раствора.

Способ легирования металла в пленках, включающий одновременное со сдвигом в пространстве распыление металла и легирующего элемента в нанодисперсное состояние в плазме низкого давления и соосаждение их субслоями поочередным повторяющимся пересечением потоков плазмы, отличающийся тем, что осаждение каждого субслоя ведут в виде островкового покрытия размером частиц металла и/или легирующего элемента менее критического, при котором частица находится в жидком состоянии при соосаждении.

Изобретение относится к способам создания слабых связей в виде двумерных периодических микроструктур с джозефсоновскими свойствами, используемых в высокочувствительных системах пленочных ВТСП сквид-магнитометрах, в частности, при создании высокочувствительных датчиков магнитного потока и детекторов электромагнитного поля, применяемых в устройствах для регистрации магнитокардиограмм в медицине, геофизике, экологии, контроля парамагнитных примесей в нефтепродуктах и т.п.

Магнитный сверхпроводниковый экран и способ его охлаждения // 2271582

Изобретение относится к области криоэлектроники и может быть использовано для получения объемов повышенной магнитной чистоты. .

Высокотемпературный сверхпроводник на основе фосфида лития и способ его изготовления // 2267190

Изобретение относится к области высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) и, в частности, к способам производства высокотемпературных сверхпроводящих пленок и кабеля плазмохимическим осаждением из газовой фазы и может быть использовано в электроэнергетике, радиотехнике, электронной технике, системах связи и т.

Способ получения сильно уплотненных сверхпроводящих массивных тел из mgb2 связанных с ними твердых конечных продуктов и их использование // 2264366

Способ изготовления изделий из высокотемпературных сверхпроводящих керамик // 2258685

Изобретение относится к деформационной обработке материалов и может быть использовано для получения изделий, в том числе массивных, из высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) керамик с высокой токонесущей способностью в форме диска, кольца, прутка, трубки, листа, ленты, которые применяются в накопителях энергии, устройствах магнитной левитации, криогенных электродвигателях, ускорителях, магнитных экранах, токовводах.

Датчик слабого магнитного поля на основе сверхпроводящей пленки // 2258275

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках. .

Составной магнитный втсп экран // 2253169

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано для экранирования магнитных полей. .

Способ получения сверхпроводящих изделий // 2247445

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при получении сверхпроводящих изделий в линейных и циклических ускорителях, а также в сепараторах частиц высокой энергии.

Способ изготовления подложки для втсп покрытий на основе mgo - керамики и серебра // 2234167

Способ получения пленки оксидного сверхпроводника и оксидное сверхпроводниковое изделие // 2232448

Буля нитрида элемента iii-v групп для подложек и способ ее изготовления и применения // 2272090

Способ ионного легирования твердых тел // 2193080

Изобретение относится к области легирования твердых тел путем облучения ионами фазообразующих элементов и может быть использовано для ионной модификации структуры и физико-механических свойств металлов, полупроводников и сверхпроводников.

Способ обработки монокристаллов оксида цинка // 1606541

Изобретение относится к получению специальных материалов электронной техники и может быть использовано в оптои акустоэлектронике при создании ультрафиолетовых твердотельных лазеров, люминофоров и т.д.

Способ обработки кремния // 1498074

Способ легирования кремния бором // 1391168

Способ получения полупроводниковых структур // 849795

Способ многоэлементной ионной имплантации (варианты) // 2285069

Изобретение относится к области легирования твердых тел путем их облучения пучком ионов из фазообразующих атомов и может быть использовано для структурно-фазовой модификации твердых тел, например для улучшения их физико-механических, коррозионных и других практически важных свойств

Идентификационная метка для маркировки ценных изделий и способ ее формирования // 2373307

Изобретение относится к средствам и способам маркировки ценных изделий, преимущественно драгоценных камней, в частности ограненных алмазов (бриллиантов), и может быть использовано для последующей идентификации данных изделий

Способ изготовления пористого кремния // 2547515

Изобретение относится к технологии изготовления слоев пористого кремния, выполненных на поверхности монокристаллического кремния, которые могут быть использованы в оптике и оптоэлектронике. Способ заключается в формировании на поверхности исходной подложки монокристаллического кремния слоя пористого кремния путем ионной имплантации ионами металлов серебра или кобальта с энергией 10-50 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 3·1020-6·1023 атомов/см3, плотностью тока ионного пучка 2·1012-1·1014 ион/см2 с и при температуре подложки во время облучения 20-400°C. Изобретение обеспечивает возможность изготовления слоев пористого кремния непосредственно на поверхности монокристаллического кремния методом ионной имплантации с исключением из технологической цепочки операции высокотемпературного отжига получаемых изделий. 9 ил., 3 пр.

Осаждение на большой площади и легирование графена и содержащие его продукты // 2567949

Изобретение относится к технологии осаждения на больших площадях тонких пленок графена, которые могут быть легированы, для использования их в качестве прозрачного проводящего покрытия. Согласно одному из вариантов промежуточную легированную тонкую пленку графена гетероэпитаксиально выращивают на тонкой пленке катализатора с моноориентированной крупнозернистой кристаллической структурой, расположенного на целевой приемной подложке, включающей твердотельные легирующие добавки, которые включены в нее посредством процесса плавления, после чего осуществляют легирование промежуточной тонкой пленки графена примесями n- или p-типа с обеспечением возможности мигрирования твердотельных легирующих добавок из целевой приемной подложки в промежуточную тонкую пленку графена путем термической диффузии. Тонкие пленки графена, после того как они были сформированы, могут быть отделены от несущих их подложек и перенесены на принимающие подложки, например, для включения в промежуточный или готовый продукт. Выращенный, отделенный и перенесенный графен может в результате обладать низким поверхностным сопротивлением слоя (например, менее 150 Ом на единицу площади и ниже, в случае легирования) и высокими значениями пропускания света (по меньшей мере, например, в видимой и инфракрасной области). 5 н. и 9 з.п. ф-лы, 15 ил., 1 табл.

Способ легирования кремния // 2597389

Изобретение относится к технике, связанной с процессами ионно-плазменного легирования полупроводников и может быть использовано в производстве солнечных элементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе кремния. Способ легирования кремния заключается в том, что пластину кремния обрабатывают в тлеющем разряде инертных газов, не являющихся легирующими примесями, в качестве источника легирующих примесей используют сильнолегированный электрод в форме пластины, выполненный из гетерогенного сплава кремния с фосфором или бором, а процесс легирования осуществляют при периодической смене полярности импульсов напряжения, подаваемого на электроды. Плазменное легирование может проводиться без специальных мер безопасности при исключении из процесса дорогостоящих высокочистых токсичных пожаровзрывоопасных газов, что упрощает процесс и снижает затраты. До ионно-плазменной обработки сопротивление пластины кремния составляло 10 Ом, после обработки оно уменьшилось до 3 Ом, что свидетельствует об улучшении технико-экономических параметров легирования кремния.