Способ получения нанопрофилированной ультратонкой пленки AlO на поверхности пористого кремния Российский патент 2017 года по МПК H01L21/316 B82B3/00 

Описание патента на изобретение RU2634326C2

Изобретение относится к области нанотехнологий и наноматериалов, в частности к методам роста наноразмерных пленок диэлектриков на поверхности монокристаллических полупроводников.

Известен способ осаждения наноразмерной пленки альфа- Al2O3 (0001) на металлические подложки (Патент РФ 2516366, МПК C23C 14/16, B82Y 30/00, опубл. 20.05.2014). В условиях сверхвысокого вакуума проводят нагрев, испарение и осаждение пленки оксида алюминия на металлическую подложку с определенной ориентацией кристаллов. Осуществляют осаждение испаряемого потока, состоящего из частиц AlO и (AlO)2. Испаряемый поток состоит из частиц AlO и (AlO)2, а после осаждения каждого последующего монослоя проводят экспозицию в молекулярном кислороде при парциальном давлении 10-7 мм рт. ст. в течение 3 минут при температуре подложки 700°C. Получается ориентированная высокостабильная наноразмерная пленка α- Al2O3 (0001) на чистой поверхности металла-подложки с сохранением межфазовой границы оксид-металл на атомном уровне.

К недостаткам этого способа относится энергозатратность способа (высокие температуры получения), использование исключительно металлической поверхности, что делает непригодным данный метод для использования в области нано и оптоэлектроники, а также взаимная диффузия атомов алюминия и подложки при высоких температурах.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ импульсно-лазерного получения тонких пленок материалов с высокой диэлектрической проницаемостью на подложках кристаллического кремния в условиях сверхвысокого вакуума (Патент РФ 2306631, МПК H01L 021/316, опубл. 20.09.2007). Однако и он не лишен недостатков. Основным из них является малая площадь поверхности для формирования пленки (5×5 мм) и отсутствие структурирования пленки.

Техническая задача изобретения заключается в разработке эффективного способа создания нанопрофилированной ультратонкой пленки диоксида алюминия на поверхности пористого кремния, необходимой для использования в качестве оптических проводящих каналов.

Технический результат достигается тем, что нанопрофилированная пленка Al2O3 формируется методом ионно-плазменного распыления на слое пористого кремния с размерами пор менее 3 нм, полученного анодным электрохимическим травлением в электролите исходного монокристаллического кремния.

Технический результат заключается:

- в возможности формирования методом ионно-плазменного напыления ориентированных на поверхности пористого кремния нанонитей Al2O3;

- в значительной площади структурированной поверхности.

Способ получения нанопрофилированной ультратонкой пленки Al2O3 на поверхности монокристаллической полупроводниковой кремниевой пластины с поверхностным пористым слоем осуществляют в два этапа.

На первом этапе формируют пористый слой на пластине монокристаллического кремния. Для этого используется ячейка электрохимического анодного травления (фиг. 1).

В качестве исходных подложек используются пластины монокристаллического кремния, легированного бором, с высоким удельным сопротивлением от 5 до 10 Ом*см.

Предлагаемый способ проиллюстрирован чертежами, где на фиг. 1 изображена схема ячейки электрохимического травления. 1 - фторопластовая ванна, 2 - раствор электролита, 3 - U-образный контрэлектролит из нержавеющей стали, который в процессе электрохимического травления является катодом, 4 - исходная пластина кристаллического кремния, которая в процессе электрохимического травления является анодом и на которой получается слой пористого кремния, 5 - система контроля и установки тока, состоящая из источника постоянного тока со встроенным мультиметром.

Пластина прямоугольной формы размером 2 см × 1 см помещается в раствор электролита следующего состава: 2 объемные части концентрированной плавиковой кислоты (40%) + 2 объемные части изопропилового спирта +1 объемная часть перекиси водорода (30%). Высокое удельное сопротивление исходной полированной кремниевой пластины за счет малого количества примесных дефектов обеспечивает равномерное травление и однородное распределение пор по размерам.

Это позволяет избежать проблем, характерных для стандартного расположения кремниевой пластины в донной части кюветы, связанных с уплотнением пластины кремния, во избежание протечек электролита, содержащего агрессивную плавиковую кислоту. Травление проводится в режиме постоянного тока при плотности 50-75 мА/см2. Время травления можно варьировать от 5 до 30 мин, что позволяет изменять толщину пористого слоя в пределах от 50 до 300 нм с размерами пор менее 3 нанометров.

При увеличении времени травления свыше 30 минут резко падает плотность тока через пластину и эффективность травления существенно снижается. Возможен сильный перегрев и закипание раствора электрохимического травления, что обычно приводит к значительному снижению качества (увеличение шероховатости и степени загрязнения продуктами раствора ЭХТ) поверхности получаемых образцов.

На втором этапе методом ионно-плазменного распыления на слой пористого кремния наносится пленка Al2O3. Для этого производится бомбардировка мишени из алюминия марки А-999 ионами кислорода в плазме особо чистого (99,999) кислорода без специального добавления аргона. Рабочее давление варьируется в диапазоне 3-5⋅10-3 мм рт.ст. Подложка образца за время процесса напыления разогревается до (200-250)°C. Используются сравнительно невысокие для подобных процессов потенциалы мишени - 400-600B, что позволяет добиваться практически 100% окисления атомов распыляемого алюминия в рабочем объеме камеры до подлета их до образца. Скорость роста пленки Al2O3 составляет 20-40 ангстрем в минуту. Для устойчивости горения кислородной плазмы в процессе напыления производится предварительная подготовка оснастки рабочей камеры установки. Перед каждым процессом производится запыление всей оснастки камеры (включая держатель образца) алюминием посредством распыления алюминиевой мишени в плазме аргона. В противном случае происходит загрязнение напыляемой пленки Al2O3 осколками от микровзрывов диэлектрической пленки окиси алюминия, осажденной на подложкодержателе от предыдущих процессов.

В процессе формирования пленки происходит рост оксида алюминия на поверхности слоя пористого кремния в виде ориентированных в одном направлении нанонитей высотой 80-100 нм, расположенных на поверхности на расстоянии 300-500 нм друг от друга (фиг. 2). Такой механизм роста задается кристаллографической ориентацией исходной пластины монокристаллического кремния, используемой для создания пористого слоя, методом и условиями создания пористого слоя, а также способом формирования пленки Al2O3 методом ионно-плазменного распыления.

Сформированные на поверхности гетерофазной структуры наноразмерные структурированные нити Al2O3 могут служить оптическими проводящими каналами и достаточно эффективно внедрены в стандартные технологии микро и оптоэлектроники.

Похожие патенты RU2634326C2

название год авторы номер документа
МАТРИЧНЫЙ АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2017
  • Голишников Александр Анатольевич
  • Крупкина Татьяна Юрьевна
  • Тимошенков Валерий Петрович
  • Кицюк Евгений Павлович
  • Рязанов Роман Михайлович
  • Путря Михаил Георгиевич
RU2666784C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУР ПОЛУПРОВОДНИКА 2008
  • Напольский Кирилл Сергеевич
  • Валеев Ришат Галеевич
  • Росляков Илья Владимирович
  • Лукашин Алексей Викторович
  • Сурнин Дмитрий Викторович
  • Ветошкин Владимир Михайлович
  • Романов Эдуард Аркадьевич
  • Лысков Николай Викторович
  • Укше Александр Евгеньевич
  • Добровольский Юрий Анатольевич
  • Елисеев Андрей Анатольевич
RU2385835C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАНОСТРУКТУРЫ 2011
  • Валеев Ришат Галеевич
  • Ветошкин Владимир Михайлович
  • Бельтюков Артемий Николаевич
  • Сурнин Дмитрий Викторович
  • Елисеев Андрей Анатольевич
  • Напольский Кирилл Сергеевич
  • Росляков Илья Владимирович
  • Петухов Дмитрий Игоревич
RU2460166C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОПРОНИЦАЕМОЙ МЕМБРАНЫ И ГАЗОПРОНИЦАЕМАЯ МЕМБРАНА 2007
  • Бобыль Александр Васильевич
  • Забродский Андрей Георгиевич
  • Конников Семен Григорьевич
  • Саксеев Дмитрий Андреевич
  • Солдатенков Федор Юрьевич
  • Терещенко Геннадий Федорович
  • Теруков Евгений Иванович
  • Улин Владимир Петрович
RU2335334C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ НИТЕЙ В ВИДЕ РАЗВЕТВЛЕННЫХ ПУЧКОВ ИЗ ТУГОПЛАВКОГО МЕТАЛЛА 2017
  • Щукин Александр Сергеевич
  • Вадченко Сергей Георгиевич
RU2678859C1
НАНОРАЗМЕРНАЯ СТРУКТУРА С КВАЗИОДНОМЕРНЫМИ ПРОВОДЯЩИМИ НИТЯМИ ОЛОВА В РЕШЕТКЕ GaAs 2012
  • Сеничкин Алексей Петрович
  • Бугаев Александр Сергеевич
  • Ячменев Александр Эдуардович
  • Клочков Алексей Николаевич
RU2520538C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО АНОДА ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО КРЕМНИЯ, ПОКРЫТОГО ДВУОКИСЬЮ КРЕМНИЯ 2011
  • Рудый Александр Степанович
  • Бердников Аркадий Евгеньевич
  • Мироненко Александр Александрович
  • Гусев Валерий Николаевич
  • Геращенко Виктор Николаевич
  • Метлицкая Алена Владимировна
  • Скундин Александр Мордухаевич
  • Кулова Татьяна Львовна
RU2474011C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО НАНОСЕНСОРА КИСЛОРОДА 2013
  • Тимошенко Виктор Юрьевич
  • Осминкина Любовь Андреевна
  • Гонгальский Максим Бронеславович
  • Гончар Кирилл Александрович
  • Маршов Владимир Сергеевич
  • Георгобиани Вероника Александровна
RU2539120C1
Наноразмерная структура с профилем легирования в виде нанонитей из атомов олова 2016
  • Бугаев Александр Сергеевич
  • Ячменев Александр Эдуардович
  • Пономарев Дмитрий Сергеевич
  • Хабибуллин Рустам Анварович
  • Гамкрелидзе Сергей Анатольевич
  • Мальцев Петр Павлович
RU2650576C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ С ВЫСОКОУПОРЯДОЧЕННОЙ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРОЙ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАССИВОВ АНИЗОТРОПНЫХ НАНОСТРУКТУР НА ЕГО ОСНОВЕ 2010
  • Напольский Кирилл Сергеевич
  • Елисеев Андрей Анатольевич
  • Росляков Илья Владимирович
  • Лукашин Алексей Викторович
  • Третьяков Юрий Дмитриевич
RU2555366C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 634 326 C2

Реферат патента 2017 года Способ получения нанопрофилированной ультратонкой пленки AlO на поверхности пористого кремния

Использование: для роста наноразмерных пленок диэлектриков на поверхности монокристаллических полупроводников. Сущность изобретения заключается в том, что пленку Al2O3 наносят ионно-плазменным распылением на слой пористого кремния с размером пор менее 3 нм, полученного электрохимическим травлением исходной пластины монокристаллического кремния, при рабочем давлении в камере в диапазоне 3-5⋅10-3 мм рт.ст. и потенциале мишени - 400-600 В. Технический результат: обеспечение возможности создания эффективного способа изготовления нанопрофилированной ультратонкой пленки диоксида алюминия на поверхности пористого кремния. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 634 326 C2

1. Способ получения нанопрофилированной ультратонкой пленки Al2O3 на поверхности пористого кремния, заключающийся в ионно-плазменном распылении пленки Al2O3 на слое пористого кремния с размером пор менее 3 нм, полученного электрохимическим травлением исходной пластины монокристаллического кремния, при рабочем давлении в камере в диапазоне 3-5⋅10-3 мм рт.ст. и потенциале мишени - 400-600 В.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что механизм роста пленки задается кристаллографической ориентацией исходной пластины монокристаллического кремния, методом и условиями создания пористого слоя, а также способом формирования пленки Al2O3 методом ионно-плазменного распыления.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2634326C2

П.В
Середин, Д.Л
Голощапов, А.Н
Лукин, А.С
Леньшин, А.Д
Бондарев, И.Н
Арсентьев, Л.С
Вавилова, И.С
Тарасов, Структура и оптические свойства тонких пленок Al 2 O 3 , полученных методом реактивного ионно-плазменного распыления на подложках GaAs (100), Физика и техника полупроводников, том 48, вып
Походная разборная печь для варки пищи и печения хлеба 1920
  • Богач Б.И.
SU11A1
Калильная головка для двухтактных двигателей 1924
  • Майоров И.К.
SU1564A1
СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНОЙ ПЛЕНКИ АЛЬФА-AlO (0001) НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОДЛОЖКИ 2012
  • Магкоев Тамерлан Таймуразович
  • Тваури Инга Васильевна
  • Цидаева Наталья Ильинична
  • Туриев Анатолий Майрамович
RU2516366C2
RU 2059322 C1, 27.04.1996
СПОСОБ ИМПУЛЬСНО-ЛАЗЕРНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ 2004
  • Варакин Владимир Николаевич
  • Кабанов Сергей Петрович
  • Симонов Александр Павлович
RU2306631C2
US 6524918 B2, 25.02.2003.

RU 2 634 326 C2

Авторы

Леньшин Александр Сергеевич

Середин Павел Владимирович

Арсентьев Иван Никитич

Бондарев Александр Дмитриевич

Тарасов Илья Сергеевич

Даты

2017-10-25Публикация

2015-12-01Подача