Спосіб отримання наноструктурованого кремнію пластичною деформацією

Реферат: Спосіб отримання наноструктурованого кремнію пластичною деформацією полягає в окислюванні пластини монокристалічного кремнію і видаленні кремнію хімічними засобами. Пластини монокристалічного кремнію перед окислюванням витримують у середовищі сухого кисню при температурі (1050-1150) °С протягом 15 хв., що призводить до появи пластичної деформації у пластині кремнію, внаслідок чого з'являються дислокаційні сітки, які витравлюються попередніми і виборчими травниками, у результаті чого з'являються області з бездефектним кремнієм з розмірами острівців (5-10) нм, що люміністують у видимому діапазоні. UA 69713 U (54) СПОСІБ ОТРИМАННЯ НАНОСТРУКТУРОВАНОГО КРЕМНІЮ ПЛАСТИЧНОЮ ДЕФОРМАЦІЄЮ UA 69713 U UA 69713 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до технології отримання наноструктурованого кремнію і може бути використана в електронній промисловості для виготовлення люмінесцентних пристроїв. Зменшення розмірів напівпровідників до розмірів хвиль Де Бройля, призводить до появи нових якостей матеріалу, які відсутні у монокристалічних кристалах. У нанокремнії збільшується ширина забороненої зони, що призводить до появи люмісценції у видимій області спектра, а в не інфрачервоному діапазоні. Це дозволяє будувати люмінесцентні структури, які випромінюють світло у видимій частині спектра. Спосіб отримання наноструктурованого кремнію пластичною деформацією дозволяє отримувати такі люмінесцентні структури. Досягнутий рівень технології отримання наноструктурованого кремнію характеризується наступними прикладами. Відомий спосіб отримання формування люмінесцентної структури за рахунок наноострівців германію на віцінальній поверхні кремнію за патентом Росії № 2210836 від 20.08.2003 МПК H01L 21/203, що полягає в видалені у вакуумі кремнієвої підкладки з подвійною разорієнтацією від початкової площини і наступному напиленню германію, яка відрізняється тим, що відпал кремнієвої підкладки здійснюється шляхом пропускання постійного струму перпендикулярно фронту ступенів віцінальної межі кремнію в напрямку, що забезпечує згладжування нерівностей поверхні, подальший відпал кремнієвої підкладки при зміні напрямку струму на протилежне для формування ступеневої структури, зниження температури, напилення германію з подальшим післяростовим відпалом постійним струмом. Недоліками відомого способу є: важкість отримання острівців розміром менших 50 нм; германій набагато дорожчий матеріал за кремній; велика кількість технологічних обробок таких як очистка поверхні, вирощування буферних шарів, неодноразовий нагрів структури, епітаксія германію на підложку кремнію, що здорожує технологію виготовлення структур, невизначеність стабільності розмірів острівців матеріалу. Відомий спосіб отримання поруватого кремнію за патентом Росії № 2099813 від 20.12.1997 МПК H01L 21/308, згідно з яким здійснюється формування мембран у монокристалічній кремнієвій підкладці. Спосіб включає нанесення захисного покриття на поверхню кремнію, розтин в захисному покритті вікон, формування через вікна на неробочому боці підкладки пористого кремнію на задану глибину шляхом анодної обробки в розчині фтороводневої кислоти та видалення пористого кремнію травленням в розчині лугу. Перед видаленням пористого кремнію неробочу сторону підкладки захищають хімічно стійким покриттям, а на робочій стороні підкладки в шарі монокристалічного кремнію створюють отвори до пористого кремнію, через які видаляють пористий кремній на задану глибину травленням у розчині лугу, додатково містить етиленгліколь. Недоліками відомого способу є: підготовка мембран до травлення і перевірка їх якості, підправлення кремнію під мембраною, робота з отруйними речовинами, складності з відводом продуктів реакції з поверхні травлення. Найбільш близьким до пропонованого способу, вибраний прототипом, є спосіб отримання поруватого кремнію за патентом Росії № 2123218 від 10.12.1998 МПК H01L 21/20, згідно з яким структуру напівпровідник на поруватому кремнії отримують шляхом анодного травлення сильно легованої монокристалічної підкладки кремнію р-типу в розчині плавикової кислоти, сушку в середовищі кисню, видалення з поверхні пористого шару окису кремнію потоком молекулярного кремнію і епітаксії напівпровідника на поверхні пористого шару. Після анодного травлення кремнієву підкладку з пористим шаром промивають у деіонізованій воді, потім піддають анодному окисленню в розчині соляної кислоти і знову промивають у деіонізованій воді, а епітаксію проводять, використовуючи як елементарні напівпровідники, так і напівпровідникові з'єднання. Як матеріал підкладки може бути використаний сильно легований монокристалевий кремній р-типу технічної якості. Недоліками відомого способу виробництва структури напівпровідник на поруватому кремнії є: 1. Деградація структур з часом, 2. Робота з отруйними речовинами, 3. Важкість контролю щільності струму і рівномірності електричного поля по всій площині, складності з відводом продуктів реакції з поверхні травлення, 4. Велика кількість технологічних процесів. 5. Неможливість отримання острівців менше 10 нм. Задачею, на вирішення якого направлена запропонована корисна модель, є створення способу отримання наноструктурованого кремнію з малим розміром (середній радіус ~10 нм), виготовлення структури в єдиному технологічному циклі, та використання тільки кремнію, а не 1 UA 69713 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 дорогих матеріалів (германію та інш.), що забезпечує отримання технічного результату люмінесценцію у видимому діапазоні при використанні у якості люмінофорів. Поставлена задача вирішується способом отримання наноструктурованого кремнію пластичною деформацією, який полягає в окислюванні пластини монокристалічного кремнію і видаленні кремнію хімічними засобами, і відрізняється тим, що пластини монокристалічного кремнію перед окислюванням витримують у середовищі сухого кисню при температурі (10501150) С° протягом 15 хв., що призводить до появи пластичної деформації у пластині кремнію, внаслідок чого з'являються дислокаційні сітки, які витравлюються попередніми і виборчими травниками, у результаті чого з'являються області з бездефектним кремнієм з розмірами острівців (5-40) нм, що люміністують у видимому діапазоні. Спосіб здійснюється наступним чином. Беруть пластини монокристалічного кремнію КЕФ-10 8 9 2 [111] і КДБ-4,5 [100], що вирощувані методом Чохральского. Густина дефектів (10 -10 ) м . Товщина пластин 60 мкм. Пластини кремнію окислюють у атмосфері сухого кисню О2 при температурі (1050-1150) С°. Варіювання часом окислення поверхні призводить до різних товщин оксидів SiО2 (0,1 - 1,5) мкм. У отриманої структури стравлюють плівку SiО2 плавиковою кислотою HF. Проводять обробку поверхні кремнію хімічними попередніми травниками (суміш Каро і перекісноаміачний розчин). Після цього використовують селективні хімічні травники Сіртля і Секко. Швидкість розтравлення поверхні кремнію залежіть від орієнтації пластин. Проводять пошарове розтравлення поверхні Si до появи дислокаційних сіток. Дослідження поверхні здійснюють сучасними методами РЕМ і атомносиловим мікроскопом, до появи дислокаційних сіток. Потім дислокаційні сітки розтравлюють у плавиковій кислоті. З'являються блоки бездефектного кремнію, розмір яких ~10 нм. Опромінювання зразків лазерним випромінюванням з довжиною хвилі 375 нм, призводить до появи люмінесценції в області (450650) нм. Дослідним шляхом було встановлено, що збільшення товщини оксиду, призводить до збільшення кількості дефектів і до збільшення глибини залягання дислокаційних сіток. Запропонований у даній роботі метод формування пористого кремнію має низку переваг перед іншими методами, тому що дозволяє одержувати пористий кремній в єдиному циклі виготовлення приладів із застосуванням оксидів, а також дозволяє отримувати пористий кремній із заданою топологією, варіюючи такі параметри як товщина вирощеного діоксиду кремнію і час хімічних обробок. Багаторазове випробування описаного способу було проведено в Навчально-наукововиробничому центрі при Одеському національному університеті імені. І. І. Мечникова і показало що даним засобом можливо отримання люмінесцентних шарів кремнію (5÷19) нм. Для дослідження фотолюмінесценції властивостей наноструктурованого кремнію отриманого методом пластичної деформації, були виготовленні нанорозмірні структури у відповідності з наступними умовами, які наведенні в прикладах. Приклади: Приклад 1. На пластинах монокристалічного кремнію КДБ-4,5 (100) вирощувались плівки SiO2 в атмосфері сухого кисню при температурі 1150 °C. Товщина плівки окису складала 1,2 мкм. При травлені зразків виборчим травником Секко на глибині близько 30 мкм були знайдені дислокаційні сітки, період яких складав від 0,1 мкм до 0,3 мкм. Розтравлення блоків плавиковою кислотою (HF) приводило до появи островків бездефектного кремнію розмір яких складав (5÷10) нм. Зразок опромінювався лазерним випромінюванням з довжиною хвилі 375 нм. Спостерігалась люмінесценція з максимумом в області (450-500) нм. Приклад 2. Умови здійснення як в прикладі 1. Товщина плівки окису складала 0,8 мкм. Глибина залягання дислокаційних сіток 20 мкм, період яких складав (0,6-0,7) мкм. Розмір блоків бездефектного кремнію складав (9÷15) нм. Спостерігалась люмінесценція з максимумом в області 600 нм. Приклад 3. Умови здійснення як в прикладі 1. Товщина плівки окису складала 0,3 мкм. Глибина залягання дислокаційних сіток 10 мкм, період яких складав (0,8-0,9) мкм. Розмір блоків бездефектного кремнію складав (13÷25) нм. Спостерігалась люмінесценція з максимумом в області 700 нм. Приклад 4. На пластинах монокристалічного кремнію КЕФ-10 (111) вирощувались плівки SiО2 в атмосфері сухого кисню при температурі 1150 °C. Товщина плівки окису складала 1,0 мкм. При травлені зразків виборчим травником Сиртля на глибині близько 25 мкм були знайдені дислокаційні сітки, період яких складав (0,2-0,4) мкм. Розтравлення блоків плавиковою кислотою (HF) приводило до появи островків бездефектного кремнію розмір яких складав (6÷12) нм. Спостерігалась люмінесценція з максимумом в області 550 нм. Приклад 5. Умови здійснення як в прикладі 4. Товщина плівки окису складала 0,7 мкм. Глибина залягання дислокаційних сіток 18 мкм, період яких складав (0,65-0,75) мкм. Розмір 2 UA 69713 U 5 блоків бездефектного кремнію складав (12÷18) нм. Спостерігалась люмінесценція з максимумом в області 650 нм. З наведених прикладів видно, що даний метод дозволяє отримати нанокремній як у прототипі і відомих способах, але кількість технологічних етапів і їх коштовність менше. Даний метод дозволяє контролювати розмір блоків бездефектного кремнію і досягати значень ~ 10 нм. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Спосіб отримання наноструктурованого кремнію пластичною деформацією, який полягає в окислюванні пластини монокристалічного кремнію і видаленні кремнію хімічними засобами, який відрізняється тим, що пластини монокристалічного кремнію перед окислюванням витримують у середовищі сухого кисню при температурі (1050-1150) °С протягом 15 хв., що призводить до появи пластичної деформації у пластині кремнію, внаслідок чого з'являються дислокаційні сітки, які витравлюються попередніми і виборчими травниками, у результаті чого з'являються області з бездефектним кремнієм з розмірами острівців (5-10) нм, що люміністують у видимому діапазоні. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3