RU2336224C1 - Method of production of regular systems of nano-size silicon whiskers - Google Patents

Method of production of regular systems of nano-size silicon whiskers Download PDF

Info

Publication number
RU2336224C1
RU2336224C1 RU2007100884/15A RU2007100884A RU2336224C1 RU 2336224 C1 RU2336224 C1 RU 2336224C1 RU 2007100884/15 A RU2007100884/15 A RU 2007100884/15A RU 2007100884 A RU2007100884 A RU 2007100884A RU 2336224 C1 RU2336224 C1 RU 2336224C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photoresist
nano
less
silicon
holes
Prior art date
Application number
RU2007100884/15A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007100884A (en
Inventor
Валерий Александрович Небольсин (RU)
Валерий Александрович Небольсин
Анатолий Антонович Щетинин (RU)
Анатолий Антонович Щетинин
Александр Игоревич Дунаев (RU)
Александр Игоревич Дунаев
Максим Алексеевич Завалишин (RU)
Максим Алексеевич Завалишин
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет"
Priority to RU2007100884/15A priority Critical patent/RU2336224C1/en
Publication of RU2007100884A publication Critical patent/RU2007100884A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2336224C1 publication Critical patent/RU2336224C1/en

Links

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: method of production of regular systems of nano-size silicon whiskers includes preparation of silicon plate by masking of its surface with photoresist, making holes in it, electrochemical deposition of metal islets into photoresist holes from electrolyte solution, and installation of prepared plate into growth furnace with further growing of silicon whiskers on it, at that cylindrical openings in photoresist are created with diameter of less than 250 nm by means of imprint-lithography, metal islets are deposited with thickness of less than 12.5 nm, after that photoresist is removed in 5% solution of hydrofluoric acid.
EFFECT: method makes it possible to considerably facilitate creation of nano-technological instruments on nano-crystals.
4 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноструктурированных материалов, предназначено для выращивания регулярных систем нитевидных нанокристаллов кремния методом газотранспортных химических реакций в открытой проточной системе.The invention relates to a technology for producing semiconductor nanostructured materials, is intended for growing regular systems of whisker silicon nanocrystals by gas transport chemical reactions in an open flow system.

В настоящее время известен способ создания регулярно-упорядоченных систем наноразмерных нитевидных кристаллов (НК), использующий в своей основе принцип задания одинаковых размеров частиц металла-активатора. В [1] с очень малым разбросом диаметров в процессе пиролиза моносилана (SiH4 + 10% Не) были выращены кремниевые нанопроволки с использованием коллоидных частиц Au на поверхности Si-SiO2. Для этого на подложку из SiO2 осаждали «нанодробинки» золота диаметром 8,4±0,9 нм из раствора коллоидного золота. Затем подложку Si-SiO2 с осажденными частицами золота помещали в печь. Поперечные размеры нанокристаллов составили: 6,4±1,2 нм; 12,3±2,5 нм; 20,0±2,3 нм и 31,1±2,7 нм. Недостатком способа [1] является большой разброс по диаметрам выращиваемых кристаллов (5÷30%) и невозможность обеспечить идентичность размеров капель коллоидного золота.Currently, there is a known method of creating regularly ordered systems of nanoscale whiskers (NCs), using at its core the principle of setting the same particle size of the activator metal. In [1], silicon nanowires were grown using colloidal Au particles on the surface of Si-SiO 2 with a very small diameter difference during the pyrolysis of monosilane (SiH 4 + 10% He). For this purpose, “nanogrob” of gold with a diameter of 8.4 ± 0.9 nm was deposited on a SiO 2 substrate from a solution of colloidal gold. Then, a Si-SiO 2 substrate with deposited gold particles was placed in a furnace. The transverse dimensions of the nanocrystals were: 6.4 ± 1.2 nm; 12.3 ± 2.5 nm; 20.0 ± 2.3 nm and 31.1 ± 2.7 nm. The disadvantage of this method [1] is the large variation in the diameters of the grown crystals (5–30%) and the inability to ensure the identical size of the droplets of colloidal gold.

Наиболее близким техническим решением, выбранным нами в качестве прототипа, является способ выращивания регулярных НК кремния, предложенный в патенте №2117081 [2]. Отличие этого способа состоит в том, что маскирование поверхности кремниевой пластины осуществляется с помощью фотолитографии фоторезистом, а металл-активатор наносят посредством электрохимического осаждения островков металла из раствора электролита. Недостатком этого способа является непригодность его для создания регулярных систем наноразмерных НК с диаметрами менее 100 нм из-за физических пределов применяемых фотолитографических методов, поскольку не удается применяемыми методами фотолитографии в фоторезисторе сформировать цилиндрические отверстия диаметрами существенно менее 250 нм. А создание отверстий в фоторезисте с поперечными размерами гораздо менее 250 нм является главным необходимым условием формирования одинаковых по размеру наночастиц металла-активатора ПЖК роста наноразмерных нитевидных кристаллов.The closest technical solution that we have chosen as a prototype is the method of growing regular silicon nanocrystals, proposed in patent No. 2117081 [2]. The difference of this method is that the surface of a silicon wafer is masked by photoresist photolithography, and the activator metal is deposited by electrochemical deposition of metal islands from an electrolyte solution. The disadvantage of this method is its unsuitability for creating regular systems of nanoscale nanowires with diameters less than 100 nm due to the physical limits of the applied photolithographic methods, since it is not possible to form cylindrical holes with diameters substantially less than 250 nm using the photolistography methods used in the photoresistor. And the creation of holes in the photoresist with transverse dimensions much less than 250 nm is the main necessary condition for the formation of nanoparticles of the activating metal of the pancreas with the same size of growth of nanoscale whiskers.

Изобретение направлено на управляемое изготовление периодических поверхностных структур нитевидных кристаллов нанометровых диаметров.The invention is directed to the controlled manufacture of periodic surface structures of whiskers of nanometer diameters.

Это достигается тем, что перед помещением кремниевой пластины в ростовую печь и выращиванием на ней нитевидных кристаллов поверхность кремниевой пластины маскируют фоторезистом, после чего в фоторезисте с помощью импринт-литографии создают цилиндрические отверстия диаметром менее 250 нм с последующим осаждением в них островков металла толщиной менее 12,5 нм из раствора электролита и удалением фоторезиста в 5% растворе плавиковой кислоты.This is achieved by the fact that before placing the silicon wafer in the growth furnace and growing whiskers on it, the surface of the silicon wafer is masked with a photoresist, after which cylindrical holes with a diameter of less than 250 nm are created using imprint lithography with the subsequent deposition of metal islands with a thickness of less than 12 , 5 nm from the electrolyte solution and the removal of the photoresist in a 5% hydrofluoric acid solution.

Способ выращивания регулярных нитевидных нанокристаллов кремния, имеющих диаметр менее 100 нм, осуществляется следующим образом. На поверхность монокристаллической пластины кремния методом центрифугирования наносят слой фоторезиста. Затем в фоторезисте с помощью импринт-литографии гравируются отверстия («окна») необходимого размера. В «окна» электрохимически осаждается металл инициирующей примеси. Таким образом на пластине кремния, являющейся электродом, выращивают столбики (островки) металла с заданным отношением высоты к диаметру для формирования в каждом «окне» единственной нанокапли при сплавлении. Затем подложка помещается в кварцевый реактор, продуваемый водородом, нагревается до температуры роста. В течение нескольких минут в водороде проводится сплавление наночастиц металла с подложкой. Затем в газовую фазу подается питающий материал и производится выращивание нанокристаллов.A method of growing regular whisker silicon nanocrystals having a diameter of less than 100 nm is as follows. A photoresist layer is applied to the surface of a single-crystal silicon wafer by centrifugation. Then, holes (“windows”) of the required size are engraved in the photoresist using imprint lithography. In the “windows”, the metal of the initiating impurity is electrochemically deposited. Thus, on a silicon plate, which is an electrode, metal columns (islands) are grown with a given ratio of height to diameter to form a single nanodrople in each “window” during fusion. Then the substrate is placed in a quartz reactor, purged with hydrogen, is heated to a growth temperature. Within a few minutes, the metal nanoparticles are fused to a substrate in hydrogen. Then, the feeding material is fed into the gas phase and the nanocrystals are grown.

Применение метода импринт-литографии определяется тем, что существующие сегодня методы фотолитографии не позволяют обеспечить размеры элемента менее 0,3 мкм. Эффективность импринт-литографии в нашем случае достигается и тем, что для создания наноструктуры необходим только один процесс литографии, что исключает трудности в совмещении штампов для формирования различных слоев структур, являющиеся главными ограничениями в применении импринт-литографического метода.The use of the imprint lithography method is determined by the fact that the photolithography methods existing today do not make it possible to ensure element sizes less than 0.3 microns. The effectiveness of imprint lithography in our case is also achieved by the fact that only one lithography process is required to create a nanostructure, which eliminates the difficulties in combining stamps to form different layers of structures, which are the main limitations in the application of the imprint lithographic method.

Величина диаметра отверстия в фоторезисте (250 нм и менее) определяется тем, что отношение диаметра ямки плавления металла-активатора у основания нитевидного кристалла к диаметру кристалла на цилиндрическом участке монокристаллического кремниевого стержня составляет 2,5. Таким образом, чтобы получить нанометровый (100 нм и менее) в поперечнике кристалл, необходимо задать в 2,5 раза больший диаметр основания НК.The diameter of the hole in the photoresist (250 nm or less) is determined by the fact that the ratio of the diameter of the melting hole of the activator metal at the base of the whisker to the diameter of the crystal in the cylindrical portion of the single crystal silicon rod is 2.5. Thus, in order to obtain a nanometer (100 nm or less) across the crystal, it is necessary to set a 2.5 times larger diameter of the base of the NC.

Толщина слоя электролитического осадка в отверстиях фоторезиста (12,5 нм и менее) определяется тем, что для формирования единственной капли раствор-расплава металл-кремний в «окне» необходимо обеспечить соотношение толщина-диаметр для островка металла 0,02-0,05 (в зависимости от типа металла).The thickness of the layer of electrolytic precipitate in the holes of the photoresist (12.5 nm or less) is determined by the fact that for the formation of a single drop of metal-silicon solution-melt in the "window" it is necessary to provide a thickness-diameter ratio for a metal island of 0.02-0.05 ( depending on the type of metal).

Удаление остатков фоторезиста в слабом водном растворе плавиковой кислоты после электрохимического осаждения металла обусловлено тем, что в HF одновременно с удалением фоторезиста происходит травление слоя диоксида кремния и других примесей, появление которых на пластине возможно на предыдущих технологических операциях. Таким образом вместе с удалением фоторезиста обеспечивается очистка кремниевой пластины от загрязнений.The removal of photoresist residues in a weak aqueous solution of hydrofluoric acid after electrochemical deposition of the metal is due to the fact that in HF, simultaneously with the removal of the photoresist, the layer of silicon dioxide and other impurities are etched, which can appear on the plate during previous technological operations. Thus, along with the removal of the photoresist, the silicon wafer is cleaned of contaminants.

Использование предлагаемого способа позволяет существенно облегчить решение проблемы создания интегральных устройств высокой плотности на нанопроволоках (оперативных запоминающих устройств компьютеров), создание не разогреваемых катодов эмиссионных приборов, высокой плотности эмиссии электронов, изготовление светоизлучающих приборов и т.д.Using the proposed method can significantly facilitate the solution of the problem of creating high-density integrated devices on nanowires (random-access memory devices of computers), creating unheated cathodes of emission devices, high density of electron emission, manufacturing of light-emitting devices, etc.

Примеры осуществления способа.Examples of the method.

Пример 1.Example 1

На монокристаллические пластины кремния с кристаллографической ориентацией {111} и диаметрами 300 мм наносился чувствительный к ультрафиолетовому излучению фоторезистивный органический материал, покрывающий поверхность кристалла. Затем в фоторезисте с помощью импринт-литографии известными приемами «печати» формировалась система наноотверстий или «наноокон». Диаметр каждого отверстия составил 80 нм, а расстояние между центрами отверстий 70 нм.A single-crystal silicon wafer with a crystallographic orientation of {111} and a diameter of 300 mm was coated with ultraviolet radiation sensitive photoresistive organic material covering the surface of the crystal. Then, using imprint lithography, a system of nano-holes or “nano-windows” was formed using imprint lithography using known imprinting techniques. The diameter of each hole was 80 nm, and the distance between the centers of the holes was 70 nm.

В растворе фосфатного электролита золочения на открытые в «окнах» участки кремниевой пластины осаждался электрохимический слой золота толщиной 3 нм. При этом пластина служила проводящим катодом, распределяющим потенциал на всей площади пластины. Поскольку фоторезист является диэлектриком, то электролитический осадок покрывал только открытые участки. Для того чтобы золото не выделялось на нелицевой стороне пластины, она покрывалась защитным диэлектрическим лаком.In a solution of phosphate electrolyte gilding, an electrochemical layer of gold 3 nm thick was deposited on open areas of a silicon wafer open in "windows". In this case, the plate served as a conducting cathode distributing potential over the entire area of the plate. Since the photoresist is a dielectric, the electrolytic precipitate covered only open areas. In order for gold not to stand out on the non-front side of the plate, it was covered with a protective dielectric varnish.

После электроосаждения фоторезист удалялся в водном 5% растворе плавиковой кислоты. На кремниевой пластине образовывались регулярно расположенные островки металла-активатора одинакового размера.After electrodeposition, the photoresist was removed in an aqueous 5% hydrofluoric acid solution. Regularly located islands of the activator metal of the same size formed on the silicon wafer.

Подготовленные подложки разрезались и помещались в ростовую печь. В течение 2-10 минут при температуре 900-1100°С осуществлялось сплавление золота с кремнием и формировались нанокапли расплава Au-Si. Затем в газовую фазу подавали тетрахлорид кремния при мольном соотношении MSiCl4H2=0,008 и выращивали нитевидные нанокристаллы. Время выращивания составляло (2-10) мин в зависимости от необходимой высоты нанокристаллов. Кристаллы имели диаметр 32±1 нм и длину ~200 нм.Prepared substrates were cut and placed in a growth furnace. Within 2-10 minutes at a temperature of 900-1100 ° C, gold was fused with silicon and nanodroplets of Au-Si melt were formed. Then, silicon tetrachloride was introduced into the gas phase at a molar ratio M SiCl4 / M H2 = 0.008, and whisker nanocrystals were grown. The growing time was (2-10) min, depending on the required height of the nanocrystals. The crystals had a diameter of 32 ± 1 nm and a length of ~ 200 nm.

Пример 2.Example 2

Выращивание нитевидных нанокристаллов проводилось аналогично примеру 1, но в качестве металла-активатора ПЖК-роста использовался электролитический никель. Толщина слоя осадка составляла 5 нм. Осаждение металла проводилось из раствора хлористого никеля. Выращенные НК имели диаметр 30±1 нм и длину ~150 нм.The growth of whisker nanocrystals was carried out analogously to example 1, but electrolytic nickel was used as a metal activator of pancreatic growth. The thickness of the sediment layer was 5 nm. Precipitation of the metal was carried out from a solution of nickel chloride. The grown nanocrystals had a diameter of 30 ± 1 nm and a length of ~ 150 nm.

Пример 3.Example 3

Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но время удаления слоя фоторезиста в 5% растворе плавиковой кислоты было увеличено в 5 раз. Полученные результаты соответствовали результатам примера 1.The implementation of the invention was carried out analogously to example 1, but the time of removal of the photoresist layer in a 5% solution of hydrofluoric acid was increased 5 times. The results obtained were consistent with the results of example 1.

Пример 4.Example 4

Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но толщина слоя осадка составляла 10 нм, а температура выращивания была на 100 градусов ниже. Полученные результаты соответствовали результатам примера 1, но диаметры нанокристаллов составляли 35±1 нм.The implementation of the invention was carried out analogously to example 1, but the thickness of the layer of sediment was 10 nm, and the temperature of the cultivation was 100 degrees lower. The results obtained were consistent with the results of example 1, but the diameters of the nanocrystals were 35 ± 1 nm.

Список использованных источниковList of sources used

1. Gudiksen, M.S., Lieber C.M. Diameter-selective synthesis of semiconductor nanowires // J. Am. Chem. Soc.; (Communication); 2000; 122(36); pp.8801-8802.1. Gudiksen, M.S., Lieber C.M. Diameter-selective synthesis of semiconductor nanowires // J. Am. Chem. Soc .; (Communication); 2000; 122 (36); pp. 8801-8802.

2. Патент РФ №2117081, МПК6 С30В 029/62, 025/02/ А.А. Щетинин, В.А. Небольсин, А.И. Дунаев, Е.Е. Попова, П.Ю. Болдырев.2. RF patent No. 2117081, IPC 6 C30B 029/62, 025/02 / A.A. Schetinin, V.A. Nebolsin, A.I. Dunaev, E.E. Popova, P.Yu. Boldyrev.

Claims (1)

Способ получения регулярных систем наноразмерных нитевидных кристаллов кремния, включающий подготовку кремниевой пластины путем маскирования ее поверхности фоторезистом, создания в нем отверстий, электрохимического осаждения в отверстия фоторезиста островков металла из раствора электролита, и помещение подготовленной пластины в ростовую печь с последующим выращиванием на ней нитевидных кристаллов, отличающийся тем, что цилиндрические отверстия в фоторезисте создают диаметром менее 250 нм импринт-литографией, островки металла осаждают толщиной менее 12,5 нм, после чего удаляют фоторезист в 5% растворе плавиковой кислоты.A method of obtaining regular systems of nanoscale whiskers of silicon, including preparing a silicon wafer by masking its surface with a photoresist, creating holes in it, electrochemical deposition of metal islands from an electrolyte solution into the holes of a photoresist, and placing the prepared wafer in a growth furnace, followed by growing whiskers on it characterized in that the cylindrical holes in the photoresist create a diameter of less than 250 nm by imprint lithography, metal islands deposited ayut thickness of less than 12.5 nm, after which the photoresist is removed in a 5% hydrofluoric acid solution.
RU2007100884/15A 2007-01-09 2007-01-09 Method of production of regular systems of nano-size silicon whiskers RU2336224C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007100884/15A RU2336224C1 (en) 2007-01-09 2007-01-09 Method of production of regular systems of nano-size silicon whiskers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007100884/15A RU2336224C1 (en) 2007-01-09 2007-01-09 Method of production of regular systems of nano-size silicon whiskers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007100884A RU2007100884A (en) 2008-07-20
RU2336224C1 true RU2336224C1 (en) 2008-10-20

Family

ID=40041208

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007100884/15A RU2336224C1 (en) 2007-01-09 2007-01-09 Method of production of regular systems of nano-size silicon whiskers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2336224C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2456230C2 (en) * 2009-12-02 2012-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" Method to produce epitaxial filiform nanocrystals of semiconductors of permanent diameter
RU2526066C1 (en) * 2013-01-09 2014-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" Method of obtaining thread-like nanocrystals of semiconductors
RU2712534C2 (en) * 2016-12-14 2020-01-29 федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" Method of forming thin ordered semiconductor filamentary nanocrystals without participation of external catalyst on silicon substrates

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2456230C2 (en) * 2009-12-02 2012-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" Method to produce epitaxial filiform nanocrystals of semiconductors of permanent diameter
RU2526066C1 (en) * 2013-01-09 2014-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" Method of obtaining thread-like nanocrystals of semiconductors
RU2712534C2 (en) * 2016-12-14 2020-01-29 федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" Method of forming thin ordered semiconductor filamentary nanocrystals without participation of external catalyst on silicon substrates
RU2712534C9 (en) * 2016-12-14 2020-03-19 федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" Method of forming thin ordered semiconductor filamentary nanocrystals without participation of external catalyst on silicon substrates

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007100884A (en) 2008-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fan et al. Semiconductor nanowires: from self‐organization to patterned growth
Kolasinski Silicon nanostructures from electroless electrochemical etching
US7906775B2 (en) Superlattice nanopatterning of wires and complex patterns
US20080083950A1 (en) Fused nanocrystal thin film semiconductor and method
KR100790524B1 (en) Preparation method of ZnO nanorods and nanorods made by the same
Chattopadhyay et al. Nanotips: growth, model, and applications
US20100260946A1 (en) Nanostructure arrays and fabrication methods therefor
KR20070069144A (en) Nanostructures and method of making the same
RU2336224C1 (en) Method of production of regular systems of nano-size silicon whiskers
KR100803053B1 (en) Method for fabricating periodic zinc oxide nanorod arrays
KR100987331B1 (en) Methods for manufacturing nanostructure using liquid phase deposition technology and nanostructure thereof
Shimada et al. Size, position and direction control on GaAs and InAs nanowhisker growth
RU2526066C1 (en) Method of obtaining thread-like nanocrystals of semiconductors
US9725825B2 (en) One-dimensional titanium nanostructure and method for fabricating the same
Vasquez et al. Growth of polygonal rings and wires of CuS on structured surfaces
CN113502464B (en) Patterned titanium dioxide nanowire array and preparation method thereof
Ji et al. Space-Confined seeding and growth of ordered arrays of TiO2 hierarchical nanostructures
US20190217382A1 (en) Methods for synthesizing silver nanowires
Ding et al. Fabrication of highly ordered nanocrystalline Si: H nanodots for the application of nanodevice arrays
Chen et al. Fabrication of ultrahigh-density nanowires by electrochemical nanolithography
RU2648329C2 (en) Method for producing sodium filamentary nanocrystals
KR100852684B1 (en) Preparation methods of the selective nanowire
RU2757323C1 (en) Method for obtaining nanolithography drawings with an ordered structure with an over-developed surface
Ozaki et al. Growth of silicon nanowires on H-terminated Si {111} surface templates studied by transmission electron microscopy
RU2117081C1 (en) Method of preparing regular silicon filamentary crystals

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20111220

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120110

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20140710

RH4A Copy of patent granted that was duplicated for the russian federation

Effective date: 20160303

PD4A Correction of name of patent owner
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20161025

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170110

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20190111

RH4A Copy of patent granted that was duplicated for the russian federation

Effective date: 20200512

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20210110