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 PDFInfo
- 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
Links
Abstract
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 MSiCl4/МH2=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)
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)
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 |
-
2007
- 2007-01-09 RU RU2007100884/15A patent/RU2336224C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
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 |