Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения нанопрофилированной ультратонкой пленки AlO на поверхности пористого кремния

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.