Способ газофазного осаждения тантала на поверхность стального изделия

Изобретение относится к способу газофазного осаждения покрытий тантала на поверхности изделий и может быть использовано для создания защитных покрытий, например, на оружейных стволах, в печатающих головках струйных устройств, биомедицинских имплантатах, а также для создания покрытий в изделиях микроэлектроники, например, в качестве диффузионного барьера между медью и кремнием, в качестве электрода затвора в полупроводниковых полевых транзисторах. Способ газофазного осаждения тантала на поверхность стального изделия включает подачу паров галогенида тантала и паров восстановителя к поверхности стального изделия. В качестве восстановителя используют кадмий, цинк, магний или алюминий. Пары галогенида тантала и пары восстановителя транспортируют к поверхности стального изделия в потоках инертных газов-носителей раздельно. Перед осаждением на поверхность стального изделия обеспечивают смешивание упомянутых паров галогенида тантала и паров восстановителя в соотношении от 1:1 до 1:10 и их нагрев до 500-1400оС. В частных случаях осуществления изобретения в качестве галогенида тантала используют бромид тантала. В качестве галогенида тантала используют иодид тантала, при этом в поток иодида тантала добавляют пары йода. Обеспечивается осаждение покрытий тантала на поверхности изделий в безводородной атмосфере при относительно низких температурах осаждения, что улучшает качество покрытий, обеспечивает безопасность работы и снижает требования к оборудованию. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

 

Настоящее изобретение относится к способу осаждения тантала на поверхности изделий и может быть использовано для создания защитных покрытий, например, на оружейных стволах, в печатающих головках струйных устройств, биомедицинских имплантатах, а также для создания покрытий в изделиях микроэлектроники, например, в качестве диффузионного барьера между медью и кремнием, в качестве электрода затвора в полупроводниковых полевых транзисторах.

Известен способ осаждения тантала из паров металлорганических реагентов таких, например, как бета-дикетонатные и алкоксидные комплексы тантала (Патент US № US 5677002 А, опубликован 14.10.1997, МПК С23С 16/00). Реагенты испаряют при температурах 140-260°C, а полученные пары транспортируют в потоке газа-носителя к нагретой до температур от 250 до 1000°C подложке, на которой реагенты разлагаются с образованием танталового покрытия. Использование в качестве реагентов различных видов металлорганических соединений тантала позволяет изменить характеристики процесса осаждения покрытий за счет различия температур испарения и разложения реагентов, а также возможности их использования с другими реагентами для получения более сложных, чем чистый тантал, покрытий (оксидов, силицидов и др.). Известно, что при использовании некоторых реагентов, например, циклопентадиениловых соединений тантала, чистоту получаемых покрытий тантала можно повысить (Патент US № US 6989457 В2, опубликован 24.01.2006, МПК С23С 14/26).

Недостатком осаждения тантала из металлорганических соединений тантала является возможность образования в покрытии примесей углерода и водорода, находящихся в составе металлоорганических соединений. Контролировать образование и содержание указанных примесей сложно, поэтому свойства танталовых покрытий могут меняться довольно сильно и неконтролируемо. Применение металлорганических соединений с относительно низкой температурой разложения позволяет повысить чистоту покрытий, но снижает адгезию тантала к подложке, так как при низких температурах не образуется зона диффузного взаимодействия покрытия с подложкой. Другим недостатком применения металлорганических соединений является их способность полимеризоваться при нагревании в процессе их испарения и последующего прохождения реакционной зоны. Продукты полимеризации непригодны в качестве реагентов для осаждения тантала и могут осаждаться в испарительной камере и газопроводах, приводя к неработоспособности оборудования.

Известен способ осаждения тантала на поверхности материалов с температурой плавления выше примерно 500°C из смеси водорода и галогенида тантала (Патент US №2604395, опубликован 22.07.1952, МПК С23С 16/14), который принят в качестве прототипа. Галогенид тантала испаряют при температурах ниже температуры кипения галогенида. Полученные пары смешивают с водородом так, чтобы водорода было достаточно для полного восстановления галогенида тантала или больше, что в большинстве случаев предпочтительно. Указанная смесь паров транспортируется в реакционную зону, где при температурах от 500 до 1300°C водород восстанавливает галогенид тантала, в результате чего металлический тантал осаждается на подложке. Оптимальная температура осаждения тантала зависит от типа подложки. Для подложек меди и молибдена температура начала осаждения составляет около 500°C, для подложек железа - около 800°C для никеля - около 1000°C. Особенностью данного метода осаждения тантала является диффузия тантала в поверхностный слой подложки, что обеспечивает адгезию покрытия.

Недостатком данного способа является то, что применение водорода небезопасно и может привести к наводораживанию и водородному охрупчиванию, например, реакционной камеры, покрытия, частей подложи, что, в частности, ухудшает свойства покрытий. Коме того, применение водорода и его взаимодействие с галогенидами с образованием химически агрессивных галогенводородов повышает требования к используемому оборудованию. Транспортировка водорода совместно с галогенидом тантала к подложке по одному каналу может приводить к их нежелательному преждевременному взаимодействию.

На рисунке 1 изображена схема части реактора с размещением исходных реагентов - бромида тантала и кадмия в дозаторе-смесителе, где:

1. Галогенид тантала

2. Металл-восстановитель

3. Сопловые вкладыши со смесителем в виде сопла

4. Подложка

5. Нагреватель

6, 7, 8. Каналы подачи инертного газа-носителя.

Техническим результатом данного изобретения является повышение безопасности осаждения покрытий, снижение требований к применяемому оборудованию и повышение качества покрытий.

Технический результат достигается тем, что в качестве восстановителя используют кадмий, цинк, магний или алюминий, причем пары галогенида тантала и пары восстановителя транспортируют к поверхности стального изделия в потоках инертных газов-носителей раздельно, а перед осаждением на поверхность стального изделия, обеспечивают смешивание упомянутых паров галогенида тантала и паров восстановителя в соотношении от 1:1 до 1:10 и их нагрев до 500-1400°C.

Кроме того, в качестве галогенида тантала используют бромид тантала.

Кроме того, в качестве галогенида тантала используют иодид тантала, при этом в поток иодида тантала добавляют пары йода.

Применение металла-восстановителя в качестве восстановителя позволит повысить безопасность осаждения покрытий, снизит требования к применяемому оборудованию покрытий и улучшит их качество покрытий за счет отсутствия необходимости подачи водорода и негативного воздействия водорода на материалы.

Раздельная подача реагентов по каналам за счет отсутствия контакта между ними предотвратит их досрочное взаимодействие.

Применение бромида тантала в качестве галогенида и кадмия в качестве металла-восстановителя позволит максимально снизить температуры осаждения и требования к оборудованию.

Сущность изобретения заключается в том, что для осаждения металлического тантала на поверхности и внутренних полостях изделий сложной формы используется восстановление паров галогенидов тантала парами металла-восстановителя, в соответствие с общей реакцией:

где G один из F, Cl, Br, I, а металл-восстановитель Me один из Cd, Zn, Mg, Al, K, Na, Li.

Для протекания реакции (1) галогенид тантала и металл-восстановитель испаряются в разных испарителях. Полученные пары транспортируются по отдельным каналам потоками инертных газов-носителей (гелием или аргоном) для предотвращения их досрочного взаимодействия. Вблизи подложки пары смешиваются нагреваются до температуры осаждения и взаимодействуют по реакции (1), что приводит к осаждению тантала на подложке. Качество и толщина покрытий будет определяться температурой и временем осаждения, видом реагентов в реакции, их концентрацией в потоках газов носителей и другими параметрами. При проведении осаждения рекомендуется поддерживать соотношение реагентов TaG5 / Me от 1/1 до 1/10.

Рассмотрим оптимальный выбор реагентов реакции (1) для следующих условий: проведение осаждения при атмосферном давлении, относительно невысокая температура осаждения тантала - 500°C, соответствующая минимальной температуре, указанной для прототипа, температуры испарения исходных реагентов ниже, чем температура осаждения, обеспечение безопасности работы в сочетании с низкими требованиями к оборудованию. Галогениды тантала начинают интенсивно испаряться выше 200°C (кроме иодида), при этом их летучесть падает в ряду TaF5>TaCl5>TaBr5>Tal5. Иодид тантала значительно менее летуч, чем остальные галогениды, и частично разлагается при испарении, что затрудняет его использование. Для предотвращения разложения иодида в испаритель галогенида можно в потоке газа-носителя подавать пары йода, но при этом будет сложнее контролировать содержание галогенида в парах. При 500°C у галогенидов металлов-восстановителей, участвующих в реакции (1), летучесть растет в ряду фторид > хлорид > бромид > иодид. Фториды и хлориды металлов-восстановителей при данных условиях будут соосаждаться вместе с танталом. Соосаждение бромидов металлов-восстановителей будет существенно меньше и потому выбор бромида тантала в качестве исходного реагента предпочтителен с точки зрения чистоты осадка. В ряду металлов-восстановителей Na>K>Mg>Cd>Li>Zn>Al летучесть соответствующих бромидов падает. При этом только четыре последних металла в приведенном ряду имеют относительно низкую летучесть бромидов и практически не будут соосаждаться при 500°C вместе с танталом. При 500°C летучесть паров металлов-восстановителей падает в ряду K>Na>Cd>Zn>Li>Mg>Al. Щелочные металлы в этом ряду довольно опасны и неудобны в использовании. Низкая летучесть Zn, Mg и Al при 500°C обеспечит достаточную для проведения реакции (1) концентрацию их паров. Кадмий имеет достаточно высокое давление насыщенных паров и потому, при выбранных условиях, является наиболее предпочтительным металлом-восстановителем.

Пример. На фигуре приведена схема части реактора с размещением исходных реагентов - галогенида тантала и металла-восстановителя в дозаторе-смесителе, имеющем два установленных друг над другом испарителя со спиральными каналами, в которые загружены бромид тантала 1 и кадмий 2 и коаксиально установленные сопловые вкладыши 3 со смесителем в виде сопла в нижней части, образующие каналы для подачи насыщенной парогазовой смеси в реакционную камеру к подложке 4, нагреваемой нагревателем 5.

Газ-носитель гелий подается по каналам 6, 7, 8. Подаваемый по каналу 6 гелий насыщается парами бромида тантала, испаряемыми при температурах 180-250°C и транспортируется по центральному сопловому вкладышу 3 к образцу 4. Подаваемый по каналу 8 гелий насыщается парами кадмия при температурах 400-500°C и транспортируется к образцу по внешнему сопловому вкладышу 3. Дополнительный канал 6 используется для возможности разбавления потоков подаваемых из соплового вкладыша 3. Конструкция дозатора-смесителя позволяет поддерживать содержание паров близким к их содержанию в насыщенном паре, управляя температурами испарения в каждом из испарителей 1 и 2, и, следовательно, задавать соотношение бромида тантала к кадмию на необходимом уровне. Нагревателем 5 поддерживается температура осаждения тантала от 500°C до 1400°C.

Выше указывалось, что толщина и качество покрытий зависят от ряда факторов. Например, при атмосферном давлении на изготовленных из стали 12Х18Н10Т плоских дисках диаметром 12 мм, при соотношении бромид тантала/кадмий примерно 2/5 и температуре осаждения 700°C за один час осаждается покрытие тантала толщиной 10 мкм.

1. Способ газофазного осаждения тантала на поверхность стального изделия, включающий подачу паров галогенида тантала и паров восстановителя к поверхности стального изделия, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют кадмий, цинк, магний или алюминий, причем пары галогенида тантала и пары восстановителя транспортируют к поверхности стального изделия в потоках инертных газов-носителей раздельно, а перед осаждением на поверхность стального изделия обеспечивают смешивание упомянутых паров галогенида тантала и паров восстановителя в соотношении от 1:1 до 1:10 и их нагрев до 500-1400°C.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве галогенида тантала используют бромид тантала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве галогенида тантала используют иодид тантала, при этом в поток иодида тантала добавляют пары йода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к слоистому материалу, предназначенному для получения барьерных пленок, включающему более чем одну последовательность, включающую (а) слой, содержащий В, Al, Si, Ti, Zn, Y, Zr, La, имеющий толщину от 0.4 до 15 нм, и (б) слой, содержащий органический тиол.

Изобретение относится к области способов получения органо-неорганических слоистых материалов путем атомно-слоевого осаждения. Способ получения органо-неорганического слоистого материала включает движение подложки по отношению к, по меньшей мере, двум отдельным отверстиям, расположенным вдоль относительно подвижной траектории.

Изобретение относится к технологии химического нанесения покрытий путем разложения газообразных соединений, в частности к способам введения газов в реакционную камеру.

Изобретение относится к технологии химического нанесения покрытий путем разложения газообразных соединений, в частности к способам введения газов в реакционную камеру.

Изобретение относится к способу получения многослойного покрытия, выполненного из тонкой пленки градиентного состава, и изделию, полученному указанным способом. Осуществляют введение в плазму по меньшей мере одного химического вещества-предшественника, причем указанное введение включает введение в плазму первого химического вещества-предшественника и по меньшей мере одного другого химического вещества-предшественника, отличного от первого химического вещества-предшественника.
Настоящее изобретение относится к способу гидрофобизации поверхности субстратов и может быть использовано в газоносных системах отбора и хранения проб природного газа для подготовки субстрата, например сосуда для хранения газа и подводящего трубопровода, в системах контроля качества продукции в нефтяной и газовой промышленности, в химико-аналитических лабораториях, при производстве аналитических приборов и хроматографов, в коммерческих узлах учета, в системах измерений количества и показателей качества газа и сжиженных углеводородных газов на магистральных газопроводах.

Изобретение относится к твердооксидному топливному элементу (ТОТЭ (SOFC)) и способу получения барьерного слоя твердооксидного топливного элемента, устойчивого к катодной диффузии.

Изобретение относится к области получения искусственных алмазов методом химического газофазного осаждения, в частности, связано с активацией потока смеси нейтральных газов нагретыми металлическими поверхностями и может быть использовано в электронике, приборостроении, на предприятиях, производящих алмазный инструмент.

Изобретение относится к металлургии, а именно к фторидной технологии получения сложных по пространственной конфигурации вольфрамовых изделий. Способ получения вольфрамового изделия послойным нанесением вольфрама характеризуется тем, что проводят сканирование изотермически нагретой горизонтальной плоскости формируемого изделия, соответствующей сечению 3D модели, осуществляют дозированную дискретно-точечную струйную подачу газообразного гексафторида вольфрама и газообразного водорода на указанную плоскость, последующее вертикальное перемещение отсканированной плоскости с нанесенной на нее за счет взаимодействия указанных исходных компонентов твердой поверхностью вниз на заданный шаг и сканирование в соответствии с последующей конфигурацией сечения 3D модели.

Изобретение относится к металлургии, а именно к фторидной технологии получения сложных по пространственной конфигурации вольфрамовых изделий. Способ получения вольфрамового изделия послойным нанесением вольфрама характеризуется тем, что проводят сканирование изотермически нагретой горизонтальной плоскости формируемого изделия, соответствующей сечению 3D модели, осуществляют дозированную дискретно-точечную струйную подачу газообразного гексафторида вольфрама и газообразного водорода на указанную плоскость, последующее вертикальное перемещение отсканированной плоскости с нанесенной на нее за счет взаимодействия указанных исходных компонентов твердой поверхностью вниз на заданный шаг и сканирование в соответствии с последующей конфигурацией сечения 3D модели.

Изобретение относится к сверхтвердым алмазным материалам с покрытием и может быть использовано в износостойких изделиях, армированных твердым сплавом и содержащих абразив инструментах.

Изобретение относится к металлургии, а именно к фторидной технологии получения сложных по пространственной конфигурации вольфрамовых изделий. Способ получения вольфрамового изделия послойным нанесением вольфрама характеризуется тем, что проводят сканирование изотермически нагретой горизонтальной плоскости формируемого изделия, соответствующей сечению 3D модели, осуществляют дозированную дискретно-точечную струйную подачу газообразного гексафторида вольфрама и газообразного водорода на указанную плоскость, последующее вертикальное перемещение отсканированной плоскости с нанесенной на нее за счет взаимодействия указанных исходных компонентов твердой поверхностью вниз на заданный шаг и сканирование в соответствии с последующей конфигурацией сечения 3D модели.

Изобретение относится к получению изделий сложной конфигурации, в частности крупногабаритных тиглей из вольфрама. .
Наверх