Способ выращивания планарных нитевидных кристаллов полупроводников

Авторы патента:

Небольсин Валерий Александрович (RU)

C30B29/62 - нитевидные кристаллы или иглы

Владельцы патента RU 2536985:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и предназначено для управляемого выращивания нитевидных кристаллов полупроводников. Способ включает подготовку полупроводниковой пластины путем нанесения на ее поверхность частиц катализатора с последующим помещением подготовленной пластины в ростовую печь, нагревом и созданием в пластине продольного температурного градиента 10-100°C/см, далее осуществляют осаждение кристаллизуемого вещества из паровой фазы по схеме пар→капельная жидкость→кристалл, молярное соотношение компонентов газовой фазы к водороду устанавливают в интервале 0,005-0,015, а перепад температуры по диаметру капли катализатора обеспечивают в диапазоне 0,15-0,4°C. Использование изобретения позволит облегчить создание планарных термометрических и тензометрических датчиков, интегрировать нитевидные кристаллы в планарные технологии изготовления микросхем. 6 пр.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и предназначено для управляемого выращивания планарных нитевидных монокристаллов полупроводников методом газофазной эпитаксии по схеме пар→капельная жидкость→кристалл.

В настоящее время известен способ выращивания кристаллов бестигельной зонной плавкой [Пфанн В. Зонная плавка / Пер. с англ. - М.: Мир. 1970. С.19-20]. Согласно указанному способу в поликристаллическом стержне с помощью концентрированного источника тепла создается градиент температуры и формируется узкая расплавленная зона рафинируемого материала. Зона перемещается вдоль оси стержня, образуя в результате перекристаллизации монокристалл. Недостатками способа являются значительная радиальная неоднородность распределения удельного сопротивления по кристаллу и невозможность масштабирования, так как скорость процесса определяется скоростью диффузии примеси.

Известен способ выращивания ориентированных систем нитевидных кристаллов на монокристаллической подложке путем осаждения кремния из паровой фазы с использованием частиц металла-катализатора [Гринберг С.А., Гиваргизов Е.И. Кристаллография. Т.18. №2. 1973. С.380]. Данный способ и варианты его исполнения позволяют выращивать вертикальные по отношению к подложке нитевидные кристаллы кремния. Недостатком способа является то, что он не позволяет обеспечить планаризацию, т.е. расположение выращиваемых кристаллов на плоскости подложки, и не позволяет интегрировать их в планарные технологии производства изделий микроэлектроники.

Наиболее близким аналогом, выбранным нами в качестве прототипа, является способ направленной планарной кристаллизации германия с использованием жидких капель металла-катализатора в поле продольного градиента температур, созданного в монокристаллической германиевой подложке [Патент РФ №96106224 А, МПК⁶ С30В 029/62, 025/02 / Е.И. Гиваргизов. Дата публикации 20.12.1997 г.]. Отличие данного способа состоит в том, что направленную кристаллизацию создают перемещением жидкой капли раствора-расплава Au-Ge в направлении продольного градиента температур, создаваемого в германиевой подложке в интервале 10-100°С/см. Недостатком способа является непригодность его для выращивания нитевидных кристаллов, поскольку фактически осуществляется лишь перекристаллизация существующей монокристаллической подложки, а не синтез нитевидных кристаллов с участием паровой фазы.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение направлено на управляемое изготовление планарных нитевидных кристаллов полупроводников.

Это достигается тем, что дополнительно осуществляют осаждение кристаллизуемого вещества из паровой фазы по схеме пар→капельная жидкость→кристалл, молярное соотношение компонентов газовой фазы к водороду устанавливают в интервале 0,005-0,015, а перепад температуры по диаметру капли катализатора обеспечивают в диапазоне 0,15-0,4°С.

Способ выращивания планарных нитевидных кристаллов кремния осуществляется следующим образом.

На поверхности монокристаллической пластины кремния создаются частицы металла-катализатора любыми физико-химическими методами в используемых способах [Гринберг С.А., Гиваргизов Е.И. Кристаллография. Т.18. №2. 1973. С.380; Патент РФ №96106224 А, МПК⁶ С30В 029/62, 025/02 / Е.И. Гиваргизов. Дата публикации 20.12.1997 г.]. Затем подложка помещается в кварцевый реактор, продуваемый водородом, нагревается до температуры роста. В течение нескольких минут в водороде проводится сплавление частиц металла с кремниевой подложкой. Далее в кремниевой пластине устанавливается необходимый продольный температурный градиент в интервале 10-100°С, обеспечивающий перепад температуры по диаметру капли катализатора в диапазоне 0,15-0,4°С, и поддерживается необходимая температура в заданном диапазоне. Затем в газовую фазу подаются компоненты газовой фазы с молярной концентрацией в водороде в интервале 0,005-0,015 и производится выращивание планарных кристаллов.

Осуществление осаждения кристаллизуемого вещества из паровой фазы по схеме пар→капельная жидкость→кристалл определяется тем, что на «горячем» краю капли обеспечивается растворение кристаллизуемого вещества, поступаемого из конденсируемой паровой фазы, а не вещества монокристаллической подложки. На «холодном» краю капли вследствие развивающегося пересыщения это вещество высаживается, образуя планарный нитевидный кристалл.

Нижняя граница диапазона перепада температуры по диаметру капли катализатора 0,15-0,4°С определяется наименьшим критическим перепадом температур, ниже которого движение капли по подложке невозможно или затруднено вследствие кинетических ограничений. А следовательно, невозможен или затруднен рост нитевидного кристалла. Верхняя граница диапазона отношения температурного градиента к диаметру капли катализатора определяется тем, что при превышении указанного значения в движении капли катализатора возникает неустойчивость (капля то растягивается, то сжимается) или происходит разрыв капли. Неустойчивость капли при больших градиентах температур приводит к неустойчивому росту планарных кристаллов (возникает радиальная неустойчивость, изгибы и др.) или отсутствию роста в случае разрыва капли.

Интервал молярного отношения компонентов газовой фазы 0,005-0,015 определяется необходимым пересыщением кристаллизуемого материала для роста планарных нитевидных кристаллов. При значениях молярного отношения компонентов газовой фазы за пределами указанного интервала либо будет отсутствовать кристаллизация вследствие недостаточной величины пересыщения (при молярном отношении менее 0,005), либо возникает обратный процесс травления кремниевой подложки по схеме кристалл→капельная жидкость→пар (при молярном отношении более 0,015).

Использование предлагаемого способа позволит облегчить создание планарных кремниевых термометрических и тензометрических датчиков, датчиков вирусов и др., интегрировать нитевидные кристаллы в планарные технологии изготовления микросхем. Способ открывает новые возможности в конструировании архитектуры микросхем на основе планарных нитевидных кристаллов кремния, обладающих уникальными электромеханическими свойствами.

Примеры осуществления способа

Пример 1

Монокристаллические пластины кремния с затравками в виде частиц золота диаметрами 80 мкм нагревали до температуры синтеза 880°С с градиентом температур 50°С/см, обеспечивающим перепад температуры по диаметру капли катализатора 0,4°С. Далее подавали тетрахлорид кремния при мольном соотношении M_SiCl4/M_H2=0,015 и выращивали планарные нитевидные кристаллы кремния. Время выращивания составляло 60 мин. Кристаллы имели длину 160-170 мкм.

Пример 2

Выращивание планарных нитевидных кристаллов кремния проводилось аналогично примеру 1, но перепад температуры по диаметру капли катализатора устанавливался 0,16°С. Кристаллы имели длину 80-100 мкм.

Пример 3

Выращивание планарных нитевидных кристаллов кремния проводилось аналогично примеру 1, но мольное соотношение составляло M_SiCl4/M_H2=0,005. Время выращивания 20 минут. Длина кристаллов составила 30-40 мкм.

Пример 4

Выращивание планарных нитевидных кристаллов кремния проводилось аналогично примеру 1, но в качестве металла катализатора использовали частицы Cu диаметром 30-80 мкм. Диаметр кристаллов соответствовал диаметру частиц катализаторов, а длина составляла от 80 до 200 мкм.

Пример 5

Выращивание планарных нитевидных кристаллов германия проводилось аналогично примеру 1, но в качестве питающего материала подавали тетрахлорид германия при мольном соотношении M_GeCl4/M_H2=0,01 и температура роста соответствовала 730°С. В результате получены планарные нитевидные кристаллы германия длиной 100-120 мкм.

Пример 6

Выращивание планарных нитевидных кристаллов проводилось аналогично примеру 1, но в качестве питающего материала использовали смесь тетрахлорида кремния и тетрахлорида германия 1:1 при общем мольном соотношении M_GeCl4+SiCl4/M_H2=0,005 и температура роста соответствовала 830°С. Получены полупроводниковые планарные нитевидные кристаллы твердого раствора Si_xGe_x-1 длиной 100-120 мкм.

Способ выращивания планарных нитевидных кристаллов полупроводников применим ко всему классу полупроводниковых материалов, но проверка его осуществлялась на нитевидных кристаллах Si, Ge и твердого раствора Si_xGe_x-1.

Способ выращивания планарных нитевидных кристаллов полупроводников, включающий подготовку полупроводниковой пластины путем нанесения на ее поверхность частиц катализатора с последующим помещением подготовленной пластины в ростовую печь, нагревом и созданием в пластине продольного температурного градиента 10-100°C/см, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют осаждение кристаллизуемого вещества из паровой фазы по схеме пар→капельная жидкость→кристалл, молярное соотношение компонентов газовой фазы к водороду устанавливают в интервале 0,005-0,015, а перепад температуры по диаметру капли катализатора обеспечивают в диапазоне 0,15-0,4°C.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ включает подготовку кремниевой пластины путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора с последующим помещением в ростовую печь, нагревом и осаждением кристаллизуемого вещества из газовой фазы по схеме пар→капельная жидкость→кристалл, при этом перед нанесением частиц катализатора и помещением подложки в ростовую печь пластину кремния легируют фосфором до удельного сопротивления 0,008-0,018 Ом·см и анодируют длительностью не более 5 мин с подсветкой галогенной лампы в смеси 48%-ного раствора HF и C2H5OH (96%) в соотношении 1:1, причем плотность тока анодизации поддерживают на уровне не менее 10 мА/см2, а наночастицы катализатора наносят электронно-лучевым напылением пленки металла толщиной не более 2 нм.

Способ получения микро- и наноструктурированных массивов кристаллов оксида цинка // 2484188

Изобретение относится к области полупроводникового материаловедения и может быть использовано для получения отдельных кристаллов и массивов оксида цинка для применения в качестве активных элементов, материала для фотокаталитической очистки сред, пьезоэлектрических датчиков, а также для фундаментальных физических исследований кинетики роста кристаллов.

Способ получения наноструктурированных массивов кристаллов оксида цинка // 2478740

Изобретение относится к области полупроводникового материаловедения и может быть использовано для получения отдельных кристаллов и массивов оксида цинка для применения в качестве активных элементов, материала для фотокаталитической очистки сред, пьезоэлектрических датчиков, а также для фундаментальных исследований кинетики роста кристаллов.

Способ получения нитевидных алмазов // 2469781

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к получению синтетических алмазов нитевидной формы, и может найти применение в промышленном производстве алмазов специального назначения, например для буровых коронок, а также в качестве деталей узлов звуко- или видеовоспроизведения, для изготовления щупов, в микромеханических устройствах.

Способ получения кристаллов тэна игольчатой формы // 2463393

Изобретение относится к технологии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано в детонаторах и других взрывных устройствах, использующих процесс перехода горения ВВ во взрыв.

Способ получения эпитаксиальных нитевидных нанокристаллов полупроводников постоянного диаметра // 2456230

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. .

Способ выращивания игольчатых кристаллов // 2430200

Изобретение относится к области гальванопластики и может быть применено для изготовления деталей устройств нанотехнологического оборудования, использующих метод сканирующего зонда, например, кантилеверов.

Способ выращивания латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка // 2418110

Изобретение относится к области нанотехнологии и наноэлектроники, а конкретно - к получению латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка. .

Способ получения нитевидных кристаллов азида серебра // 2404296

Изобретение относится к технологии выращивания нитевидных кристаллов неорганических соединений и может быть использовано для получения нитевидных монодисперсных кристаллов азида серебра с воспроизводимыми характеристиками.

Способ получения регулярных систем наноразмерных нитевидных кристаллов кремния // 2336224

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов и предназначено для управляемого выращивания наноразмерных нитевидных кристаллов кремния.

Устройство для выращивания из расплава тугоплавких волокон со стабилизацией их диаметра // 2552436

Изобретение относится к производству профилированных высокотемпературных волокон тугоплавких оксидов, гранатов, перовскитов. Устройство содержит ростовую камеру 1 с установленными в ней тиглем 2 для расплава с формообразователем 3, нагреватель 4 тигля 2, экраны 5, затравкодержатель 6, средство 7 его перемещения, направляющий элемент 8, расположенный на расстоянии над формообразователем 3, при этом направляющий элемент 8 имеет два или более свободно покоящихся сапфировых стержня 9, концы которых лежат в нижних точках выемок в подставках 10 из тугоплавкого металла, расположенных параллельно друг другу и скрепленных с помощью шпилек и гаек, при этом растущее волокно 11 расположено между сапфировыми стержнями 9 с возможностью соприкосновения с ними. Технический результат состоит в увеличении выхода волокна оптического качества или волокна повышенной прочности, повышении качества профилированного волокна, упрощении конструкции направляющих. 4 ил.

Способ получения массивов наноразмерных нитевидных кристаллов кремния с управляемой поверхностной плотностью // 2568217

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ получения массивов наноразмерных нитевидных кристаллов кремния включает подготовку ростовой кремниевой подложки путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора конденсацией микрокапель коллоидного раствора и помещением подготовленной пластины в ростовую печь с последующим выращиванием нитевидных нанокристаллов, при этом на коллоидный раствор воздействуют ультразвуком, причем мощность ультразвукового генератора задают в пределах от 30 до 55 Вт, а температуру раствора поддерживают в интервале от 273 K до 370 K. Изобретение обеспечивает возможность получения на поверхности подложки массивов нитевидных нанокристаллов кремния с управляемой поверхностной плотностью без применения высокотехнологичного оборудования. 3 пр.

Способ получения монокристаллических волокон из тугоплавких материалов // 2577260

Изобретение относится к области металлургии, в частности к выращиванию волокон из расплава. Способ получения монокристаллических волокон из тугоплавких материалов включает размещение в вакуумной камере питателя исходного материала в виде прутка, подачу лазерного излучения на поверхность исходного материала и вытягивание исходного материала с образованием волокна, при этом при подаче лазерного излучения на поверхность исходного материала лазерный луч сканируют в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с частотами f1=f2, равными 200÷300 Гц, с амплитудой A, равной 1,5-5 B, где B - наибольший размер держателя питателя исходного материала. Технический результат изобретения заключается в снижении энергетических потерь лазерного излучения, повышении интенсивности лазерного луча по поперечному сечению и однородности структуры получаемого волокна. 1 ил.

Способ получения волластонита // 2595682

Изобретение относится к технологии переработки кальций- и кремнийсодержащих техногенных отходов борного производства (борогипса) и может быть использовано при производстве игольчатого волластонита для применения в цветной металлургии, в шинной, асбоцементной и лакокрасочной промышленности, в производстве керамики. Волластонит получают путем гидротермального воздействия на кальций- и кремнеземсодержащее техногенное сырье гидроксидом щелочного металла с последующим отделением, сушкой и термической обработкой образовавшегося осадка гидромоносиликата кальция, при этом в качестве кальций- и кремнеземсодержащего сырья используют борогипс, гидроксид щелочного металла вводят в стехиометрическом количестве по уравнению реакции образования гидромоносиликата кальция в концентрации, обеспечивающей соотношение твердой и жидкой фаз Т:Ж=1:(7-10), при этом реакцию проводят в автоклаве при температуре 210-225°С и давлении 20-23 атм, выделенный гидромоносиликат кальция промывают водой при 60-70°С и сушат при 80-90°С в течение 4 часов, термическую обработку проводят при 850-1000°С в течение 1-2 часов. Технический результат - упрощение и повышение экологической безопасности способа при одновременном снижении себестоимости готовой продукции за счет минимизации трудозатрат и расходов на подготовку исходных компонентов. 8 ил., 2 пр.

Способ получения медьсодержащих нанокатализаторов с развитой поверхностью // 2611620

Изобретение относится к способу получения медьсодержащих нанокатализаторов с развитой поверхностью, который заключается в том, что сначала из раствора электролита на металлический носитель методом электроосаждения наносят медь, затем носитель с нанесенным активным металлом подвергают термообработке. Процесс электроосаждения ведут так, чтобы на металлической подложке с коэффициентом теплопроводности меньше 20 Вт/(м⋅K) вырастить монослой икосаэдрических малых частиц из меди, имеющих микронные размеры от 5 до 15 мкм и обладающих 6-ю осями симметрии пятого порядка, или слои микрокристаллов с дефектами дисклинационного типа в кристаллической решетке, затем проводят их отжиг в воздушной атмосфере при температурах 300-400°C и времени выдержки 4 часа до формирования у малых частиц развитой поверхности в виде нановискеров или при температурах 500-600°C и времени выдержки 2-3 часа до формирования у малых частиц развитой поверхности в виде нанопор, или внутренних полостей, или гофрированного рельефа. Технический результат заключается в получении нанокатализатора с высокой удельной поверхностью, хорошей адгезией к носителю, высокой механической прочностью и низким гидродинамическим сопротивлением. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Способ получения сульфобромидов типа avbvicvii // 2616929

Изобретение относится к технологии получения нитевидных монокристаллов сульфобромидов трехвалентных металлов SbSBr, BiSBr, CrSBr, которые могут быть использованы в качестве легирующих добавок при получении композитных пьезоэлектрических материалов с заданными свойствами в гидроакустических преобразователях и преобразователях электромагнитной энергии в механическую. Получают SbSBr из сульфида натрия Na2S, хлорида сурьмы SbCl3, бромида калия KBr; BiSBr получают из сульфида натрия Na2S, хлорида висмута BiCl3, бромида калия KBr; CrSBr получают из сульфида натрия Na2S, хлорида хрома CrCl3, бромида калия KBr, синтез каждого целевого продукта проводят обменным взаимодействием в насыщенном солянокислом растворе хлорида соответствующего металла путем растворения в нем кристаллического бромида калия и покапельного добавления концентрированного раствора сульфида натрия с последующей обработкой полученной реакционной смеси ультразвуковыми колебаниями до образования осадка. Технический результат - повышение чистоты целевого продукта за счет исключения окисления прекурсоров и продуктов синтеза, повышение производительности способа за счет сокращения времени синтеза сульфобромидов сурьмы, висмута, хрома до 2-5 минут, исключение взрывоопасности за счет исключения высокотемпературного синтеза. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 3 пр.

Способ выращивания легированных нитевидных нанокристаллов кремния // 2617166

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов путем выращивания легированных нитевидных нанокристаллов кремния на кремниевых подложках по схеме пар→жидкая капля→кристалл (ПЖК). Способ включает подготовку полупроводниковой пластины путем нанесения на ее поверхность частиц катализатора с последующим помещением в ростовую печь, нагревом, осаждением кристаллизуемого вещества из газовой фазы, содержащей прекурсор SiCl4 и легирующее соединение РСl3, поступающие из жидкостного источника, и выращиванием кристаллов на начальной, основной и конечной стадиях роста, при этом выращивание кристаллов ведут последовательно из двух жидкостных источников, причем количественное значение молярного отношения [PCl3]/[SiCl4], равное m в первом источнике, используемом на начальной и конечной стадиях роста, выбирают из интервала m, большего или равного 0,01, количественное значение молярного отношения [PCl3]/[SiCl4] во втором источнике, используемом на основной стадии роста, устанавливают как m, равное 0. Изобретение обеспечивает возможность получения легированных нитевидных нанокристаллов Si, имеющих повышенный уровень легирования на начальном и конечном участках кристалла (структуры n--n-n-) и позволяющих создавать мезоскопические электрические соединения проводников с линейными вольт-амперными характеристиками. 5 пр.

Способ получения нитевидного нитрида алюминия // 2617495

Изобретение относится к химической технологии получения нитевидных нанокристаллов нитрида алюминия (или нановискеров) и может быть использовано при создании элементов нано- и оптоэлектроники, а также люминесцентно-активных наноразмерных сенсоров медико-биологического профиля. Сущность изобретения заключается в обработке нагретого алюминия газообразными реагентами в виде галогенида алюминия, например трифторида алюминия, и азотсодержащего газа и последующую конденсацию конечного продукта, причем порошок трифторида алюминия размещают в одной реакционной камере с гранулами металлического алюминия и испаряют одновременно при температуре 1050-1150°C, а конденсацию осуществляют на поверхности жидкого алюминия. Изобретение позволяет получать нитевидный нитрид алюминия со средним диаметром менее 100 нм по всей протяженности волокна и с соотношением длины волокна к диаметру более 100. 4 ил., 2 пр.

Способ получения игольчатых монокристаллов оксида молибдена vi моо3 // 2631822

Изобретение относится к технологии получения игольчатых монокристаллов оксида молибдена VI MoO3. Поверхность молибденовой ленты, надежно закрепленной своими концами и выгнутой кверху в виде арки, разогревают с помощью резистивного, индукционного или лучевого воздействия до температуры 650-700°С в окислительной газовой среде, содержащей от 10 до 40% кислорода и инертный газ или смесь инертных газов при давлении, превышающем 100 Па, выдерживают при этой температуре в течение не менее 10 с с момента появления паров MoO3 белого цвета, затем нагрев прекращают и молибденовую ленту остужают до 25°С, после чего нагрев возобновляют при температуре 650-700°С до образования на торцах и поверхности молибденовой ленты из паров MoO3 тонких игольчатых монокристаллов оксида молибдена длиной до 5 мм. Полученные кристаллы легко отделяются от заготовки в виде ленты, обладают высокой степенью чистоты и структурного совершенства. 2 пр.

Способ получения нитевидных нанокристаллов кремния // 2648329

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ получения нитевидных нанокристаллов Si (ННК) включает подготовку кремниевой пластины путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора с последующим помещением в ростовую печь, нагревом и осаждением кристаллизуемого вещества из газовой фазы по схеме пар → капельная жидкость → кристалл, при этом перед нанесением частиц катализатора и помещением подложки в ростовую печь на пластину Si наносят пленку Ti и анодируют длительностью от 5 до 90 мин в 1%-ном растворе NH4F в этиленгликоле, причем плотность анодного тока поддерживают в интервале от 5 до 20 мА/см2, а наночастицы катализатора на анодированную поверхность Ti наносят осаждением металла, выбираемого из ряда Ni, Ag, Pd, из 0,1 М раствора, имеющего общую формулу Me(NO3)x, где Me - Ni, Ag, Pd; х=1-2, в течение 1-2 мин при воздействии на раствор ультразвуком мощностью 60 Вт. Изобретение обеспечивает возможность получения ННК с диаметрами от 10 до 100 нм, равномерно распределенных по поверхности подложки и имеющих малый разбаланс поперечных размеров. 6 пр.