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 20-500^oС/мин самой матрицы в восстановительной среде до 700-950^oС 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.

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 700-950^oС 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 20-500^oС/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 700^oС не происходит декомпозиции двуокиси кремния SiО₂, который входит в состав матрицы. При температуре выше 950^oС 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 700-950^oС (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 1000^oС. Матрицу укрепляют на поверхности нагревательного элемента, установку герметизируют и включают откачку. Затем включают нагревательный элемент и осуществляют нагрев матрицы со скоростью V=20-500^oС. 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.

Формула изобретения

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 20-500^oС/мин до 700-950^oС 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2