Способ получения кремниевых наноструктур

 

Использование: для изготовления наноэлектронных структур субмикронных размеров, применяемых для передачи, преобразования, хранения и генерации информационных сигналов. Сущность изобретения: способ получения кремниевых наноструктур включает воздействие физическо-химическим фактором на кремнийсодержащее вещество и последующее осаждение выделяющегося при упомянутом воздействии кремния в нанополостях пористой силикатной матрицы. Новым в способе является воздействие потоком электронов с энергией 5 - 25 кэВ и плотностью 1-10² мА/мм² в течение не менее 50 с на саму матрицу. Матрица может быть выполнена из опала. Воздействие потоком электронов может быть осуществлено путем сканирования пучка электронов по поверхности подложки при пониженном давлении, например при давлении 10^-5-16^-6 мм рт.ст. Техническим результатом изобретения является разработка способа получения кремниевых наноструктур, который позволял бы формировать локальные области кремния различной толщины и топологии. 4 з.п.ф-лы, 1 табл.

Заявляемое 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 кластеров 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 кластеров на плоской поверхности подложки.

Известен способ получения наноразмерных кластеров на плоской поверхности подложки с помощью туннельного 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 K., Sedawa K- Application of Scanning Tunneling Microscopy Nanofabrication process to Single Electron Transistor. - Journ. Vac. Sci.Technol. - 1996, В 14. p.p. 1331-1335).

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

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 (Si₂H₆) с последующим окислением его. В результате реакции выделяющийся кремний собирается в нанокластеры. Этот способ является частной реализацией метода химического осаждения паров (CVD) (см. Dad O., 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, p.p. 1107-1114).

Известный способ не позволяет формировать кремниевые кластеры 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 толщины и топологии.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения кремниевых нанокластеров, включающем воздействие на кремнийсодержащее вещество физико-химическим фактором и последующее осаждение выделяющегося кремния в наноразмерных полостях пористой силикатной матрицы, воздействуют потоком электронов с энергией 5-25 кэВ и плотностью электронов в потоке 1 - 10² мА/мм² в течение не менее 50 секунд на саму матрицу.

В качестве пористой силикатной матрицы может быть взят, например, опал, в структуре которого имеется система наноразмерных полостей, или цеолит. На матрицу воздействовать потоком электронов можно путем сканирования пучка электронов по поверхности матрицы (создавая тем самым локальные области заданной толщины и топологии), либо облучая широким потоком электронов одновременно всю поверхность матрицы. При экспозиции матрицы потоком электронов в течение времени меньше 50 секунд не происходит декомпозиции двуокиси кремния SiO₂, который входит в состав матрицы. Верхняя граница времени облучения матрицы электронами определяется чисто экономическими факторами, так как процесс декомпозиции двуокиси кремния SiO₂ имеет характер насыщения. При энергии электронов, меньшей 5 кэВ, и плотности электронного тока менее 1 мА/мм² не наблюдается декомпозиция SiO₂, а при энергии электронов более 25 кэВ и токе более 100 мА/мм² происходит испарение матрицы. Выбирая в указанных выше интервалах энергию электронов, можно варьировать толщину слоя матрицы, в котором происходит декомпозиция SiO₂, тем самым формируя трехмерные кремниевые наноструктуры. Величина плотности электронного тока и время экспозиции определяет степень декомпозиции SiO₂ и размеры формирующихся кремниевых нанокластеров. Воздействие потоком электронов можно осуществлять как в воздушной среде, так и при его пониженном давлении. Воздействие в вакуумных условиях предпочтительнее, так как в этом случае наилучшим образом обеспечивается чистота поверхности матрицы, удаление освобождающегося при ее частичной декомпозиции кислорода, а также упрощается сканирование электронного пучка по поверхности матрицы. Толщина модифицированной области матрицы в интервале указанных выше энергий электронов, например для опала, составляет от 0,4 до 3,0 мкм. 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. N 5, с.826).

В заявляемом способе необходимые для создания наноразмерных кластеров атомы кремния не вводят извне, а получают в результате электронно-лучевой точечной декомпозиции окисной матрицы SiO₂. Использование матрицы, в структуре которой имеются наноразмерные полости, позволяет выделившимся атомам кремния собираться в этих полостях в результате поверхностной диффузии, формируя наноразмерные кластеры. Использование пучка электронов позволяет рисовать в поверхностном слое матрицы заданные структуры.

Авторам неизвестен 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 потока электронов в указанных выше интервалах энергий, плотностей тока и временах экспозиции позволяет создавать кремниевые наноструктуры заданной конфигурации в приповерхностом слое матрицы, что не обеспечивается применением известных способов. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа в совокупности с известными из прототипа признаками обеспечивают получение нового технического эффекта.

Заявляемый способ получения кремниевых наноструктур осуществляют следующим образом. Потоком электронов с энергией 5 - 25 кэВ и плотностью электронного тока 1 - 10² мА/мм² в течение не менее 50 секунд облучают пористую силикатную матрицу. Процесс можно проводить и в объеме, из которого откачан воздух. Для сканирования электронного пучка по поверхности матрицы можно использовать, например, растровый электронный микроскоп. В этом случае пористую силикатную матрицу помещают в рабочую камеру растрового электронного микроскопа, снабженного спектрометром для наблюдения спектров катодолюминесценции. После откачки до 10^-5 - 10^-6 мм рт. ст. рабочей камеры микроскопа включают электронный луч и потоком электронов с энергией 5 - 25 кэВ и плотностью тока 1 - 10² мА/мм² в течение не менее 50 секунд в заданном месте облучают пористую силикатную матрицу. Изменяя параметры электронного луча (энергию электронов и плотность тока в указанных выше пределах, фокусировку, скорость перемещения по матрице), формируют в матрице кремниевые трехмерные наноструктуры типа Si - Si или Si - SiO₂. О глубине декомпозиции матрицы судят по интенсивности и локализации зеленой полосы в спектре катодолюминесценции (КЛ), сопровождающей процесс формирования кремниевых нанокластеров при облучении электронным потоком.

Примеры конкретного выполнения способа получения кремниевых наноструктур.

Указанным выше способом сканирования были обработаны электронным лучом пластинки полированного синтетического опала толщиной до 1 мм. Параметры электронного луча и полученные результаты приведены ниже в таблице.

Формула изобретения

1. Способ получения кремниевых наноструктур, включающий воздействие физическо-химическим фактором на кремнийсодержащее вещество и последующее осаждение выделяющегося при упомянутом воздействии кремния в нанополостях пористой силикатной матрицы, отличающийся тем, что воздействуют потоком электронов с энергией 5 - 25 кэВ и плотностью 1 - 10² мА/мм² в течение не менее 50 с на саму матрицу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействуют упомянутым потоком электронов на матрицу, выполненную из опала.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие упомянутым потоком электронов осуществляют путем сканирования пучка электронов по поверхности подложки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействуют упомянутым потоком электронов на подложку при пониженном давлении.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что воздействуют упомянутым потоком электронов на подложку при давлении 10^-5 - 10^-6 мм рт.ст.

РИСУНКИ

Рисунок 1