СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ НАНОСТРУКТУР Российский патент 2002 года по МПК H01L21/30 

Описание патента на изобретение RU2183364C2

Изобретение относится к электронике, а более конкретно к технологии получения наноэлектронных структур субмикронных размеров, используемых для передачи, преобразования, хранения или генерации информационных сигналов.

Наноструктуры микронных и субмикронных размеров представляют собой пространственно упорядоченные конструкции из наноразмерных кластеров произвольной геометрической формы. В настоящее время пространственно упорядоченные ансамбли наноразмерных структур различных веществ получают либо путем внедрения соответствующих веществ в наноразмерные полости или каналы, существующие в структуре некоторых природных или искусственных материалов (применяя различные физико-химические процессы); либо путем формирования наноразмерных структур на поверхности подложки.

Известен способ получения наноразмерных кластеров на плоской поверхности подложки с помощью туннельного атомного силового микроскопа. По этому способу на подложку окисленного кремния наносят тонкий слой титана. На поверхности напыленного металлического слоя сорбируется тонкая пленка воды. В присутствии сильного электрического поля между подложкой и зондом микроскопа в результате электрохимических процессов производят локальное окисление титана. В результате этого процесса формируется МОМ-транзистор с толщиной базовой области в несколько десятков нм (см. Matsumoto К., Sedawa K-Applcation of Scanning Tunneling Microscopy Nanofabrication process to Single Electron Transistor. - Journ. Vac. technol. - 1996, v. 14, pp. 1331-1335).

Известный способ позволяет получать наноструктуры заданных размеров и варьировать расстояние между ними, однако наноструктуры формируются лишь на поверхности подложки.

Известен способ формирования проводящей структуры, включающий нанесение на подложку слоя материала толщиной 2-20 нм и преобразование материала в проводящий под действием модулированного излучения от источника заряженных частиц после нанесения материала на подложку (см. патент РФ 2129320, кл. Н 01 L 21/263, опубликован 20.04.1999 г.).

Известный способ обеспечивает получение наноструктур различной конфигурации, однако их формирование происходит лишь на поверхности подложки и требует применения сложного оборудования.

Наиболее близким по технической сущности и количеству совпадающих с заявляемым способом существенных признаков является способ получения кремниевых кластеров в структурных полостях цеолитов, заключающийся во введении в структурные полости цеолита дисилана (Si2Н6) с последующим окислением его. В результате реакции выделяющийся кремний собирается в нанокластеры. Этот способ является частной реализацией метода химического осаждения паров (CVD) (см. Dad О. , Kuperman A., MacDonald P.M., Ozin G.A. - A New Form of Luminescent Silicon-Synthesis of Silicon Nanoclusters in Zeolite-Y. - Zeolites and Related Microporous Materials: State of the Art. - 1994, v.84, pp. 1107-1114).

Известный способ не позволяет формировать кремниевые наноструктуры в локальных областях, так как трансформирует используемую цеолитовую подложку практически по всей ее толщине. С помощью известного способа получают фактически однородный композитный материал.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа получения кремниевых наноструктур, который позволял бы формировать локальные области кремния различной топологии.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения кремниевых наностуктур, включающем воздействие на кремний-содержащее вещество физико-химическим фактором и последующее осаждение выделяющегося кремния в наноразмерных полостях силикатной матрицы, нагревают саму матрицу в восстановительной среде, обеспечивающей разрыв кремний-кислородных связей, до 700-950oС и выдерживают при этой температуре в течение времени, определяемого из предварительно построенной зависимости заданного размера наноструктуры от времени нагрева матрицы. Матрица может иметь наноразмерные полости различной геометрии (в том числе в виде каналов) как распределенные в ее объеме, так и сосредоточенные на ее поверхности. В последнем случае нанополости представляют собой углубления на поверхности матрицы. В качестве восстановительной среды может быть использован, например, осушенный водород, окись углерода СО или вакуум. Пористая силикатная матрица может быть выполнена, например, из обезвоженного опала или цеолита. Как силикатная матрица, опал характеризуется набором структурных полостей, имеющих габаритные размеры от 30 до 800 . В других силикатных матрицах размеры этих полостей меньше - от 6 до 25 (см. Богомолов В.Н., Павлова Т.М. Трехмерные кластерные решетки. - ФТП, 1996, т. 29, 5, с. 826).

Матрицу целесообразно нагревать при пониженном давлении, например при давлении среды 10-5-10-6 мм рт. ст., так как в этом случае наилучшим образом обеспечивается чистота поверхности матрицы и удаляется кислород, образующийся при декомпозиции двуокиси кремния SiO2. Скорость нагрева матрицы обычно выбирают в пределах 20-500oС/мин. Меньшая скорость нагрева экономически нецелесообразна, а при большей скорости нагрева матрица может рассыпаться под воздействием давления образующихся паров воды. Минимальная температура нагрева матрицы определяется тем обстоятельством, что при температуре ниже 700oС не происходит декомпозиции двуокиси кремния SiО2, который входит в состав матрицы. При температуре выше 950oС начинается разрушение структурных элементов матрицы. Скорость нагрева и время выдержки матрицы при максимальной температуре определяют характер распределения кремниевых наноструктур. Для образования наноструктур по всему объему матрицы формируют наноразмерные полости во всем ее объеме. Для образования наноструктур в локальной области силикатной матрицы в этой области матрицы формируют наноразмерные полости, например открытые нанополости на ее поверхности.

В заявляемом способе необходимые для создания наноразмерных кластеров атомы кремния не вводят извне, а получают в результате декомпозиции окисной матрицы SiО2 при ее нагреве. Использование матрицы, в структуре которой имеются наноразмерные полости, позволяет выделившимся атомам кремния собираться в этих полостях в результате поверхностной диффузии, формируя наноструктуры.

Авторам не известен из патентной и другой научно-технической литературы способ получения наноструктур, содержащий заявляемую совокупность признаков, что, по их мнению, свидетельствует о соответствии заявляемого способа критерию "новизна".

Использование нагрева самой матрицы в указанных выше интервалах температуры и времени выдержки позволяет создавать кремниевые наноструктуры заданной конфигурации как в объеме матрицы, так и на ее поверхности, что не достигается применением известных способов. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа в совокупности с известными из прототипа признаками обеспечивают получение нового технического эффекта.

На чертеже приведены зависимости времени нагрева силикатной матрицы (обезвоженного опала) от температуры нагрева при различных заданных средних размерах наноструктуры (1 - размер наноструктур 20-40 нм; 2 - размер наноструктур 60-80 нм; 3 - размер наноструктур 100-150 нм).

Заявляемый способ получения кремниевых наноструктур осуществляют следующим образом. Предварительно для конкретной силикатной матрицы (например, обезвоженного опала) определяют зависимость заданного размера наноструктуры от времени нагрева матрицы при различных температурах нагрева в интервале 700-950oС (см. фиг.1). Силикатную матрицу помещают в восстановительную среду. Восстановительную среду проще всего можно создать в любой вакуумной установке, обеспечивающей получение вакуума до 10-6 мм рт. ст. и содержащей нагревательный элемент, позволяющий нагревать матрицу до 1000oС. Матрицу укрепляют на поверхности нагревательного элемента, установку герметизируют и включают откачку. Затем включают нагревательный элемент и осуществляют нагрев матрицы со скоростью V=20-500oС. Скорость нагрева варьируется изменением подводимой мощности и определяет разброс формирующихся кремниевых наностуктур по размерам: чем выше скорость нагрева, тем этот разброс меньше. Время выдержки матрицы при максимальной температуре определяет размеры формирующихся наноструктур. При более высокой температуре и большей выдержке средний размер наноструктур выше. По завершении заданного времени выдержки производят выключение нагревательного элемента, матрицу после ее остывания извлекают из вакуумной камеры.

Нагрев матрицы в газовой восстановительной среде (например, водороде) осуществляют следующим образом. Матрицу размещают на подложке в кварцевом реакторе, вставленном в трубчатую печь. Реактор с одного торца подключен к газораспределительной системе для напуска водорода, а с другого торца снабжен трубкой, соединенной с водяным затвором, герметизирующим атмосферу в реакторе. Нагрев печи включают после того, как водород, подаваемый из газораспределительной системы, вытеснит из реактора весь воздух. Нагрев и охлаждение матрицы производят также, как в случае использования вакуума в качестве восстановительной среды.

О глубине декомпозиции матрицы судят по интенсивности и локализации зеленой полосы в спектре катодолюминесценции, сопровождающем процесс формирования кремниевых наноструктур при нагреве матрицы.

Примеры конкретного выполнения способа получения кремниевых наноструктур. Указанным выше способом в вакууме и в атмосфере водорода были обработаны пластинки полированного синтетического опала толщиной до 1 мм. Режимы нагрева и полученные результаты приведены в таблице.

Похожие патенты RU2183364C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ НАНОСТРУКТУР 2001
  • Богомолов В.Н.
  • Соколов В.И.
RU2192689C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ НАНОСТРУКТУР 1999
  • Богомолов В.Н.
  • Заморянская М.В.
  • Соколов В.И.
RU2153208C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛ/ДИЭЛЕКТРИК/ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК 1999
  • Микушкин В.М.
  • Сысоев С.Е.
  • Мамутин В.В.
  • Гордеев Ю.С.
RU2156016C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР 2003
  • Микушкин В.М.
  • Гордеев Ю.С.
  • Шнитов В.В.
RU2228900C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР 1999
  • Аргунова Т.С.
  • Белякова Е.И.
  • Грехов И.В.
  • Костина Л.С.
  • Кудрявцева Т.В.
RU2163410C1
ОПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛЯТОР 2002
  • Кашерининов П.Г.
  • Лодыгин А.Н.
  • Соколов В.К.
RU2212054C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ AB МЕТОДОМ ЖИДКОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ 2005
  • Солдатенков Федор Юрьевич
RU2297690C1
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИСТОЧНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2001
  • Матвеев Б.А.
RU2261501C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРЫ "МЕТАЛЛ/ДИЭЛЕКТРИК/ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК" 2001
  • Микушкин В.М.
  • Шнитов В.В.
RU2197037C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕТОПОГЛОЩАЮЩЕЙ КРЕМНИЕВОЙ СТРУКТУРЫ 2015
  • Никитин Сергей Евгеньевич
  • Терукова Екатерина Евгеньевна
  • Нащекин Алексей Викторович
  • Бобыль Александр Васильевич
RU2600076C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 183 364 C2

Реферат патента 2002 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ НАНОСТРУКТУР

Способ получения кремниевых наноструктур относится к электронике и может найти применение при изготовлении наноэлектронных структур субмикронных размеров, используемых для передачи, преобразования, хранения и генерации информационных сигналов. Сущность: способ получения кремниевых наноструктур включает воздействие физико-химическим фактором на кремнийсодержащее вещество и последующее осаждение выделяющегося при упомянутом воздействии кремния в нанополостях силикатной матрицы. Новым в способе является нагрев со скоростью 20-500oС/мин самой матрицы в восстановительной среде до 700-950oС и выдержка ее при этой температуре в течение времени, определяемого из предварительно построенной зависимости заданного размера наноструктуры от времени нагрева матрицы. Матрица может иметь открытые нанополости на поверхности. Матрица может быть выполнена из обезвоженного опала. Нагрев матрицы может быть осуществлен при пониженном давлении среды, например при давлении 10-5-10-6 мм рт. ст. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности формирования наноструктур различной конфигурации как в объеме матрицы, так и на ее поверхности. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Формула изобретения RU 2 183 364 C2

1. Способ получения кремниевых наноструктур, включающий воздействие физико-химическим фактором на кремнийсодержащее вещество и последующее осаждение выделяющегося при упомянутом воздействии кремния в нанополостях силикатной матрицы, отличающийся тем, что воздействие физико-химическим фактором на кремнийсодержащее вещество и последующее осаждение выделившегося кремния осуществляют нагревом самой матрицы в восстановительной среде со скоростью 20-500oС/мин до 700-950oС и выдержки ее при этой температуре в течение времени, определяемого из предварительно построенной зависимости заданного размера наноструктуры от времени нагрева упомянутой матрицы. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагревают силикатную матрицу с открытыми нанополостями на поверхности. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагревают матрицу, выполненную из обезвоженного опала. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагревают матрицу при пониженном давлении среды. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что нагревают матрицу при давлении среды 10-5-10-6 мм рт. ст.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2002 года RU2183364C2

DAD O
at al
Прибор для охлаждения жидкостей в зимнее время 1921
  • Вознесенский Н.Н.
SU1994A1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОВОДЯЩЕЙ СТРУКТУРЫ 1998
  • Гурович Б.А.
  • Долгий Д.И.
  • Велихов Е.П.
  • Кулешова Е.А.
  • Аронзон Б.А.
  • Мейлихов Е.З.
  • Рязанцев Е.П.
  • Рыльков В.В.
  • Приходько К.Е.
  • Домантовский А.Г.
  • Штромбах Я.И.
  • Ольшанский Е.Д.
RU2129320C1
СПОСОБ СОЗДАНИЯ НАНОСТРУКТУР 1991
  • Овчинников Борис Михайлович
  • Овчинников Юрий Борисович
RU2007783C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУР 1994
  • Емельянов А.В.
  • Портнов С.М.
  • Рябоконь В.Н.
  • Самсонов Н.С.
RU2105384C1

RU 2 183 364 C2

Авторы

Богомолов В.Н.

Соколов В.И.

Даты

2002-06-10Публикация

2000-07-19Подача