СПОСОБ СОЗДАНИЯ НАНОТРУБОК Российский патент 2004 года по МПК B82B3/00 H01L21/70 H01L21/34 H01L21/363 

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике и может быть использовано в микроэлектромеханических системах в качестве датчиков, при производстве конденсаторов и индуктивностей для средств сотовой телефонной связи, а также для оптической волоконной связи на матричных полупроводниковых лазерах.

Известен способ создания нанотрубок (V.Ya.Prinz, V.A.Seleznev, А.К.Gutakovsky, А.V.Chehovskiy, V.V.Preobrazhenskii, M.A.Putyato, Т.A.Gavrilova, Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays.- Physica E 6 (2000), p.828-831), заключающийся в том, что на подложку наносят жертвенный слой, на жертвенном слое формируют слой, образующий нанотрубку, жертвенный слой удаляют, сворачивая при этом нанотрубку. Жертвенный слой удаляют стравливанием в жидкостном травителе. Перед удалением жертвенного слоя, со стороны слоя, образующего нанотрубку, и жертвенного слоя электронной литографией формируют окна или трещины глубиной до поверхности подложки, через которые стравливают жертвенный слой. Слой, образующий нанотрубку, изготавливают из двух слоев. Жертвенный слой и слои, входящие в состав слоя, образующего нанотрубку, формируют молекулярно-лучевой эпитаксией из полупроводникового материала А₃B₅ с разными постоянными кристаллической решетки для каждого слоя. В качестве материала подложки используют полупроводниковые соединения типа А₃В₅ (GaAs или InP).

К недостаткам известного технического решения относится следующее.

Во-первых, получаемые нанотрубки известным способом не проводят электрический ток, поскольку для них используют полупроводниковые материалы.

Во-вторых, получаемые нанотрубки известным способом не обладают пластичностью и ковкостью, и достаточной гладкостью, легко поддаются растрескиванию при образовании концентраторов напряжений, приводящему к небольшому сроку службы и низкой износостойкости, что также обусловлено использованием полупроводниковых материалов.

В-третьих, низкая безопасность, низкое соответствие требованиям экологичности и санитарно-гигиеническим нормам. Поскольку в качестве основы для травителя жертвенного слоя используют фтористоводородную кислоту, а в качестве материалов, из которых изготавливают нанотрубки, используют соединения мышьяка, и то, и другое делает процесс формирования нанотрубок при массовом промышленном производстве экологически небезопасным.

В-четвертых, недостаточная совместимость с промышленной кремниевой технологией, которые обусловлены тем, что используются особо чистые полупроводниковые материалы А₃В₅ и сверхвысоковакуумные технологии и устройства молекулярно-лучевой эпитаксии A₃B₅ полупроводников с низкой производительностью.

Наиболее близким по совокупности признаков и назначению к заявляемому является способ создания нанотрубок (V.Ya.Prinz, D.Grutzmacher, A.Beyer, C.David, B.Ketterer, E.Deckart. A new technique for fabricating three-dimensional micro- and nanostructures of various shapes. - Nanotechnology 12 (2001), p.399-402), заключающийся в том, что на подложку наносят жертвенный слой, на жертвенном слое формируют слой, образующий нанотрубку, жертвенный слой удаляют, сворачивая при этом нанотрубку. В качестве подложки используют пластину из кремния. Жертвенный слой удаляют стравливанием в жидкостном травителе. Перед удалением жертвенного слоя, со стороны слоя, образующего нанотрубку, и жертвенного слоя электронной литографией формируют окна или трещины глубиной до поверхности подложки, через которые стравливают жертвенный слой. Слой, образующий нанотрубку, изготавливают из двух слоев.

Жертвенный слой и слои, входящие в состав слоя, образующего нанотрубку, формируют молекулярно-лучевой эпитаксией из раствора полупроводниковых материалов Si:Ge с разными постоянными кристаллической решетки и разным типом проводимости.

К недостаткам известного технического решения относится следующее.

Во-первых, получаемые нанотрубки известным способом отличаются низкой электропроводностью, характеризуются большим сопротивлением электрическому току, порядка МОм на один микрон длины нанотрубки, поскольку для них используют полупроводниковые материалы с обедненной областью пространственного заряда.

Во-вторых, получаемые нанотрубки известным способом не обладают пластичностью и ковкостью, и достаточной гладкостью, легко поддаются растрескиванию при образовании концентраторов напряжений, приводящему к небольшому сроку службы и низкой износостойкости, что также обусловлено использованием кристаллических полупроводниковых материалов.

В-третьих, низкая безопасность, низкое соответствие требованиям экологичности и санитарно-гигиеническим нормам. Поскольку в качестве основы для травителя жертвенного слоя используют NН₄OH, что делает процесс формирования нанотрубок при массовом промышленном производстве экологически небезопасным.

В-четвертых, недостаточная совместимость с промышленной кремниевой технологией обусловлены тем, что используются особо чистые полупроводниковые материалы и сверхвысоковакуумные технологии, причем поверхностный слой подложки кремния обязательно должен быть легирован до очень высокой концентрации примеси (2·10²⁰ см^-3) для формирования блокирующего слоя при жидкостном травлении при сворачивании нанотрубок, что является непреодолимым препятствием к достижению совместимости.

Техническим результатом изобретения является:

- полная совместимость с промышленной кремниевой технологией СБИС;

- повышение электропроводности, гибкости, пластичности, ковкости нанотрубок;

- повышение срока службы, износостойкости;

- достижение высокой стабильности электромеханических характеристик;

- повышение безопасности, соответствие требованиям экологичности и санитарно-гигиеническим нормам.

Технический результат достигается тем, что в способе создания нанотрубок, заключающемся в том, что на подложку наносят жертвенный слой, на жертвенном слое формируют слой, образующий нанотрубку, формируют окна, жертвенный слой удаляют, сворачивая при этом нанотрубку, жертвенный слой изготавливают из металла, на котором в качестве слоя, образующего нанотрубку, формируют слои из металлов, имеющих различные коэффициенты термического расширения и модули Юнга.

В способе в качестве подложки используют пластину из полупроводника.

В способе в качестве подложки используют пластину из полупроводника IV группы.

В способе в качестве подложки используют пластину из кремния.

В способе на пластине, образующей подложку, перед нанесением жертвенного слоя, формируют слои из материала, отличающегося по своим свойствам от материала пластины из полупроводника.

В способе на кремниевой пластине, перед нанесением жертвенного слоя, формируют слой окисла кремния.

В способе жертвенный слой изготавливают из алюминия, толщиной 20-80 нм, который после формирования на нем слоя, образующего нанотрубку, удаляют в слабом растворе щелочи.

В способе перед удалением жертвенного слоя формируют окна оптической обратной литографией.

В способе в качестве металлов для слоя, образующего нанотрубку, используют металлы, коэффициенты термического расширения и модули Юнга которых различаются на величину 5,9·10^-6 К^-1 и 30 ГПа соответственно.

В способе сворачивают слой в нанотрубку диаметром от 400 нм до 20 мкм.

В способе, в качестве слоя, образующего нанотрубку, используют биметаллический слой из титана и золота.

В способе используют биметаллический слой из титана и золота при суммарной толщине слоев титана и золота от 12 до 100 нм.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На фиг.1 схематически показан процесс получения металлических нанотрубок, где 1 - полупроводниковая пластина из кремния, 2 - слой материала, отличающийся по своим свойствам от материала полупроводниковой пластины, например слой окисла кремния, 3 - жертвенный слой, 4 - слой титана, 5 - слой золота; на фиг.2 показан электронно-микроскопический снимок поперечного среза нанотрубки на кремнии.

Для реализации предлагаемого способа создания нанотрубок (фиг.1) материалом для жертвенного слоя 3 был выбран алюминий, поскольку алюминий легко травится в слабом растворе щелочи. При этом жертвенный слой из алюминия наносят на кремниевую пластину 1, на которой предварительно формируют слой окисла кремния 2. Формирование окисла кремния необходимо для пассивирования поверхности кремния, выравнивания ее и блокирования травления кремния в слабом растворе щелочи. Для травления жертвенного слоя методом оптической обратной литографии формируют окна непосредственно в процессе создания рисунка жертвенного слоя и биметаллического слоя, который образуют слой титана 4 и слой золота 5, на поверхности окисленного кремния.

В качестве слоя, образующего нанотрубку, используют биметаллический слой титан/золото. Эти металлы не травятся в слабом растворе щелочи и сворачиваются в нанотрубку при стравливании жертвенного слоя из алюминия фиг.1. Бислой титан/золото обеспечивает достижение указанного технического результата главным образом потому, что используется благородный металл - золото, с высокой электрической проводимостью, пластичностью, ковкостью, гладкостью, химической стабильностью в качестве внутреннего поверхностного слоя нанотрубок, а также металл титан - с высокой упругостью, прочностью, напряженный в качестве внешней поверхности нанотрубки. С целью создания нанотрубок были исследованы также другие бислои (например, никель/золото), однако нанотрубок получить не удалось.

При сворачивании нанотрубок возникает момент М сворачивающих сил F₁ - растягивающей и F₂ - сжимающей (см. фиг.1). При этом необходима разница коэффициентов термического расширения и модулей Юнга материалов слоя, образующего нанотрубку, для формирования напряжений в биметаллическом слое, релаксация которых и приводит к сворачиванию нанотрубок. Разница коэффициентов термического расширения и модулей Юнга, чем больше, тем лучше, для сворачивания в трубку достаточны упругие деформации в биметаллическом слое величиной до 1%. Величина упругих деформаций в биметаллическом слое в предлагаемом способе составляет от 0,5 до 3% и определяется также толщиной напыляемых слоев из титана и золота.

Нанесение жертвенного слоя и слоя, образующего нанотрубку, осуществляют методом вакуумного напыления. При изменении толщины слоев в биметаллическом слое изменяется диаметр нанотрубки.

В качестве примеров реализации предлагаемого способа приводим нижеследующие примеры.

Пример 1.

На подложку из кремниевой пластины толщиной 350 мкм с выращенным на ней длительным окислением в комнатной атмосфере при комнатной температуре естественным окислом кремния толщиной 2,1 нм наносят жертвенный слой алюминия толщиной 20 нм методом вакуумного напыления (электронно-лучевого распыления).

Формируют биметаллический слой, образующий нанотрубку, из титана/золота методом вакуумного напыления толщиной 15 нм (10 нм - титан, 5 нм - золото), разница коэффициентов термического расширения титана и золота 5,9·10^-6 К^-1, разница модулей Юнга 30 ГПа. Жертвенный слой из алюминия удаляют в 1%-ном водном растворе щелочи КОН. При этом сворачиванием слоя, образующего нанотрубку, получают нанотрубку диаметром 400 нм (см. фиг.2).

Пример 2.

На подложку из кремниевой пластины толщиной 350 мкм с выращенным на ней длительным окислением в комнатной атмосфере при комнатной температуре окислом кремния толщиной 1,5 нм наносят жертвенный слой алюминия толщиной 20 нм методом вакуумного напыления (электронно-лучевого распыления). Формируют биметаллический слой, образующий нанотрубку, из титана/золота методом вакуумного напыления толщиной 12 нм (8 нм - титан, 4 нм - золото), разница коэффициентов термического расширения титана и золота 5,9·10^-6 K^-1, разница модулей Юнга 30 ГПа. Жертвенный слой из алюминия удаляют в 1%-ном водном растворе щелочи КОН. При этом сворачиванием слоя образующего нанотрубку, получают нанотрубку диаметром 2,3 мкм.

Пример 3.

На подложку из кремниевой пластины толщиной 350 мкм с выращенным на ней термическим окислением окислом кремния толщиной 100 нм наносят жертвенный слой алюминия толщиной 80 нм методом вакуумного напыления (электронно-лучевого распыления). Формируют биметаллический слой, образующий нанотрубку, из титана/золота методом вакуумного напыления толщиной 100 нм (50 нм - титан, 50 нм - золото), разница коэффициентов термического расширения титана и золота 5,9·10^-6 К^-1, разница модулей Юнга 30 ГПа. Жертвенный слой из алюминия удаляют в 1%-ном водном растворе щелочи КОН. При этом сворачиванием слоя образующего нанотрубку, получают нанотрубку диаметром 20 мкм.

Положительный эффект данного изобретения заключается в микроминиатюризации микроэлектромеханических устройств на кремнии, что приводит к повышению их надежности, быстродействия, чувствительности и степени интеграции.

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике и может быть использовано в микроэлектромеханических системах в качестве датчиков, при производстве конденсаторов и индуктивностей для средств сотовой телефонной связи, а также для оптической волоконной связи на матричных полупроводниковых лазерах. В способе создания нанотрубок, заключающемся в том, что на подложку наносят жертвенный слой, на жертвенном слое формируют слой, образующий нанотрубку, формируют окна, жертвенный слой удаляют, сворачивая при этом нанотрубку, жертвенный слой изготавливают из металла, на котором в качестве слоя, образующего нанотрубку, формируют слои из металлов, имеющих различные коэффициенты термического расширения и модули Юнга. В качестве подложки используют пластину из полупроводника, или из полупроводника IV группы, или из кремния. Для слоя, образующего нанотрубку, используют металлы, коэффициенты термического расширения и модули Юнга которых различаются на величину 5,9·10^-6К^-1 и 30 ГПа соответственно, а именно используют биметаллический слой из титана и золота при суммарной толщине слоем титана и золота от 12 до 100 нм. Сворачивают слой в нанотрубку диаметром от 400 нм до 20 мкм. Результатом является микроминиатюризация микроэлектромеханических устройств на кремнии, что приводит к повышению их надежности, быстродействия, чувствительности и степени интеграции. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания нанотрубок, заключающийся в том, что на подложку наносят жертвенный слой, на жертвенном слое формируют слой, образующий нанотрубку, формируют окна, жертвенный слой удаляют, сворачивая при этом нанотрубку, отличающийся тем, что жертвенный слой изготавливают из металла, на котором в качестве слоя, образующего нанотрубку, формируют слои из металлов, имеющих различные коэффициенты термического расширения и модули Юнга.2. Способ по п.1, в котором в качестве подложки используют пластину из полупроводника.3. Способ по п.1 или 2, в котором в качестве подложки используют пластину из полупроводника 4 группы.4. Способ по любому из пп.1-3, в котором в качестве подложки используют пластину из кремния.5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что на пластине, образующей подложку, перед нанесением жертвенного слоя формируют слои из материала, отличающегося по своим свойствам от материала пластины из полупроводника.6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что на пластине из кремния перед нанесением жертвенного слоя формируют слой окисла кремния.7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что жертвенный слой изготавливают из алюминия, толщиной 20÷80 нм, который после формирования на нем слоя, образующего нанотрубку, удаляют в слабом растворе щелочи.8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что перед удалением жертвенного слоя формируют окна оптической обратной литографией.9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что в качестве металлов для слоя, образующего нанотрубку, используют металлы, коэффициенты термического расширения и модули Юнга которых различаются на величину 5,9·10^-6К^-1 и 30 ГПа соответственно.10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что сворачивают слой в нанотрубку диаметром от 400 нм до 20 мкм.11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что в качестве слоя, образующего нанотрубку, используют биметаллический слой из титана и золота.12. Способ по п.11, отличающийся тем, что используют биметаллический слой из титана и золота при суммарной толщине слоев титана и золота от 12 до 100 нм.