RU2489768C1 - Method of producing porous layer of aluminium oxide on insulating substrate - Google Patents

Method of producing porous layer of aluminium oxide on insulating substrate Download PDF

Info

Publication number
RU2489768C1
RU2489768C1 RU2012100943/28A RU2012100943A RU2489768C1 RU 2489768 C1 RU2489768 C1 RU 2489768C1 RU 2012100943/28 A RU2012100943/28 A RU 2012100943/28A RU 2012100943 A RU2012100943 A RU 2012100943A RU 2489768 C1 RU2489768 C1 RU 2489768C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
electrolyte
aluminum
aluminium
anodic oxidation
Prior art date
Application number
RU2012100943/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Степанович Бугаев
Александр Сергеевич Веденеев
Михаил Петрович Духновский
Александра Константиновна Ратникова
Владимир Васильевич Рыльков
Юрий Юрьевич Федоров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Priority to RU2012100943/28A priority Critical patent/RU2489768C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2489768C1 publication Critical patent/RU2489768C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: anodic oxidation of thin aluminium layers in aqueous acid solution is carried out in two steps. First, a film of dense aluminium oxide is formed on the surface of an aluminium layer by anodic oxidation of the surface of said layer in an electrolyte which is inert to aluminium oxide. The second step involves local electric breakdown of said film by applying a voltage pulse across the cathode in an electrolyte which dissolves aluminium oxide, after which anodic oxidation of aluminium is continued in the sale electrolyte with constant voltage across the cathode. At this step, the oxidation front of the aluminium film moves from the zone of local breakdown of the dense oxide to the periphery, which enables orientation of pores towards the normal to the surface of the layer and absence of residual insulated regions of unoxidised aluminium on the aluminium oxide-insulating substrate boundary surface.
EFFECT: method enables to obtain porous layers of anodic aluminium oxide on insulating substrates, at the boundary surface with the insulating substrate of which there are no residual regions of unoxidised aluminium, and the pores are orientated towards the normal to the surface of the layer, which enables to use the obtained structures to make transistor structures with a matrix gate or nanocomposite gate insulator.
5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области получения структур, используемых, например, для изготовления полевых транзисторов и элементов памяти, перспективных для применения в микроэлектронике и системотехнике, развивающейся по пути уменьшения размеров активных областей структур до нанометрового масштаба и использования для передачи и хранения информации не только заряда, но и спина электрона. Такими структурами, перспективными для магнитоэлектроники и спинтроники, в частности обладающими квантовой проводимостью при комнатных температурах, являются планарные транзисторные структуры с матричным затвором или нанокомпозитным затворным изолятором, в которых в качестве маскирующего слоя используется тонкий (доли микрон) оксид алюминия с порами, ориентированными в направлении нормали к поверхности слоя.The invention relates to the field of obtaining structures used, for example, for the manufacture of field effect transistors and memory elements, promising for use in microelectronics and systems engineering, developing on the way to reduce the size of the active regions of structures to a nanometer scale and use not only charge but also information transfer and storage and the back of the electron. Such structures promising for magnetoelectronics and spintronics, in particular, having quantum conductivity at room temperatures, are planar transistor structures with a matrix gate or a nanocomposite gate insulator, in which thin (fractions of microns) alumina with pores oriented in the direction are used as a masking layer normal to the surface of the layer.

Анодный оксид алюминия (АОА) получают электрохимическим окислением алюминия в водных растворах кислот. В зависимости от кислоты, составляющей электролит, получают АОА различного типа. Для получения пористых слоев используют электролит, растворяющий оксид алюминия (раствор щавелевой, ортофосфорной или серной кислоты), а для получения плотных слоев АОА, не имеющих поры, используют нерастворяющий электролит, нейтральный к оксиду алюминия. При получении пористых слоев АОА алюминиевую пластину (фольгу) используют в качестве анода электролитической ванны, а анодное окисление алюминия проводят при постоянном напряжении катода, величина которого определяет диаметр пор. Анодный ток на начальном участке резко спадает во времени, достигает минимума, возрастает и затем стабилизируется в области плато. Такое поведение тока соответствует стадиям роста изначально плотного оксида (спад тока), образования зародышей пор в плотном оксиде (область минимума), их развития (рост тока) и, наконец, устойчивого роста пор вглубь алюминия по направлению нормали к его поверхности (область плато) [1].Anodic aluminum oxide (AOA) is obtained by electrochemical oxidation of aluminum in aqueous acid solutions. Depending on the acid constituting the electrolyte, various types of AOA are obtained. To obtain porous layers, an electrolyte that dissolves alumina (a solution of oxalic, phosphoric, or sulfuric acid) is used, and to obtain dense layers of AOA that do not have pores, an insoluble electrolyte neutral to alumina is used. Upon receipt of porous AOA layers, an aluminum plate (foil) is used as the anode of an electrolytic bath, and anodic oxidation of aluminum is carried out at a constant voltage of the cathode, the value of which determines the pore diameter. The anode current in the initial section drops sharply in time, reaches a minimum, increases and then stabilizes in the plateau region. Such a behavior of the current corresponds to the stages of growth of the initially dense oxide (current decay), the formation of pore nuclei in the dense oxide (minimum region), their development (current growth) and, finally, the steady growth of pores deep into aluminum in the direction normal to its surface (plateau region) [one].

Поры в слоях анодного оксида алюминия глубиной, достигающей десятков микрон, представляют собой самоорганизованный ансамбль. Наиболее регулярные (с периодом ~100 нм) ансамбли пор получают поэтапным окислением пластин чистого алюминия. Процесс в этом случае состоит из последовательных этапов механической и плазмохимической полировки алюминия, его предварительного окисления на глубину порядка 1 мкм до образования регулярного ансамбля пор в глубине оксида, стравливания поверхностного слоя оксида и, наконец, формирования АОА требуемой толщины [1].The pores in the layers of anodic alumina with a depth reaching tens of microns are a self-organized ensemble. The most regular (with a period of ~ 100 nm) pore ensembles are obtained by the stepwise oxidation of pure aluminum plates. The process in this case consists of successive stages of mechanical and plasma-chemical polishing of aluminum, its preliminary oxidation to a depth of about 1 μm before the formation of a regular ensemble of pores in the depth of the oxide, etching of the oxide surface layer and, finally, the formation of AOA of the required thickness [1].

Относительно толстые (толще 1 мкм) слои пористого АОА используют в современной технике в качестве мембран газовых фильтров и матричных сенсоров, в качестве световодов, масок для квантовых точек, матриц для ансамблей углеродных нанотрубок и магнитных нанопроволок, и др. В связи с тенденциями развития не литографических методов получения объектов микро- и нано-электроники представляет интерес использование тонких, доли микрон, слоев АОА в качестве маскирующего слоя для создания регулярных ансамблей квантовых ям или анти-ям, тонкопленочных композитов с ферромагнитными включениями (в виде нанопроволок или островков) на поверхности полупроводниковых низкоразмерных структур или затворного изолятора полевых транзисторов, перспективных для магнитоэлектроники и спинтроники. Это, в свою очередь, требует развития технологических подходов к получению тонких слоев АОА непосредственно на изолирующей поверхности полупроводника или диэлектрика полупроводниковых структур, в которых поры ориентированы в направлении нормали к поверхности слоя.Relatively thick (thicker than 1 μm) layers of porous AOA are used in modern technology as gas filter membranes and matrix sensors, as optical fibers, masks for quantum dots, matrices for ensembles of carbon nanotubes and magnetic nanowires, etc. In connection with the development trends, of lithographic methods for obtaining objects of micro- and nanoelectronics, it is of interest to use thin, fractions of microns, AOA layers as a masking layer to create regular ensembles of quantum wells or anti-holes, thin-film composites with ferromagnetic inclusions (in the form of nanowires or islands) on the surface of semiconductor low-dimensional structures or a gate insulator of field-effect transistors, promising for magnetoelectronics and spintronics. This, in turn, requires the development of technological approaches to producing thin AOA layers directly on the insulating surface of a semiconductor or dielectric of semiconductor structures in which the pores are oriented in the direction normal to the layer surface.

Определенный прогресс в отмеченном направлении достигнут при окислении слоев алюминия на проводящих полупроводниковых подложках, например Si, GaAs [2, 3]. Тыльную сторону подложки снабжают электрическим контактом и используют подложку, совместно с электрически контактирующим с ее лицевой стороной слоем алюминия, как анод электролитической ванны. В этом случае на завершающей стадии анодного окисления алюминия роль анода начинает выполнять полупроводник, что обеспечивает окисление слоя алюминия вплоть до подложки.Some progress in this direction was achieved during the oxidation of aluminum layers on conductive semiconductor substrates, for example, Si, GaAs [2, 3]. The back side of the substrate is provided with an electrical contact and the substrate is used, together with a layer of aluminum electrically contacting its front side, as an anode of an electrolytic bath. In this case, at the final stage of the anodic oxidation of aluminum, the semiconductor begins to play the role of the anode, which ensures the oxidation of the aluminum layer up to the substrate.

Что касается получения слоев АОА на изолирующих подложках типа затворный диэлектрик или обедненная поверхность полупроводника, то здесь возникают дефекты, обусловленные тем, что анодное окисление в этом случае сопровождается окислением самого анодного электрода и, на завершающей стадии, разбиением электрода на электрически изолированные области неокисленного алюминия на границе АОА-изолятор. Области неокисленного алюминия, экранируя электрическое поле, нарушают распределение поля на границе раздела полупроводник - изолятор, поэтому их присутствие недопустимо для транзисторных структур с матричным затвором или нанокомпозитным затворным изолятором.As for the preparation of AOA layers on insulating substrates such as a gate dielectric or depleted surface of a semiconductor, defects arise due to the fact that anodic oxidation in this case is accompanied by oxidation of the anodic electrode itself and, at the final stage, by breaking the electrode into electrically isolated regions of non-oxidized aluminum into AOA insulator boundary. The areas of non-oxidized aluminum, shielding the electric field, violate the field distribution at the semiconductor-insulator interface, so their presence is unacceptable for transistor structures with a matrix gate or nanocomposite gate insulator.

Известен способ получения структур пористый оксид алюминия - подложка [3], включающий получение слоя АОА на поверхности алюминиевой фольги, стравливание фольги, стравливание барьерного слоя АОА для вскрытия пор со стороны их доньев и перемещение пленки АОА на поверхность подложки.A known method of obtaining structures of porous alumina is a substrate [3], which includes obtaining an AOA layer on the surface of an aluminum foil, etching a foil, etching a barrier layer of AOA to open the pores from their bottoms and moving the AOA film to the surface of the substrate.

Недостаток способа состоит в том, что он не позволяет получать структуры с тонким, например тоньше 0.4 мкм, слоем АОА, поскольку основан на механическом перемещении слоя оксида алюминия.The disadvantage of this method is that it does not allow to obtain structures with a thin, for example thinner than 0.4 μm, layer of AOA, since it is based on the mechanical movement of a layer of aluminum oxide.

Известен способ получения слоев пористого оксида алюминия на изолирующей подложке [4], согласно которому слой алюминия наносят на подложку, размещая этот слой между двумя параллельными изолирующими слоями, а анодное окисление слоя алюминия проводят в водном растворе кислоты, растворяющей оксид алюминия, начиная с торца данной сэндвич структуры. За счет распространения фронта окисления алюминия в боковом направлении, параллельном поверхности слоя, способ обеспечивает окисление слоя алюминия без образования изолированных областей неокисленного алюминия на границе АОА - изолятор.A known method of producing layers of porous alumina on an insulating substrate [4], according to which the aluminum layer is applied to the substrate by placing this layer between two parallel insulating layers, and the anodic oxidation of the aluminum layer is carried out in an aqueous solution of an acid that dissolves aluminum oxide, starting from the end of this sandwich structure. Due to the propagation of the aluminum oxidation front in a lateral direction parallel to the layer surface, the method provides the oxidation of the aluminum layer without the formation of isolated areas of non-oxidized aluminum at the AOA-insulator interface.

Недостаток способа состоит в том, что поры в слое АОА ориентированы параллельно поверхности слоя, что неприемлемо, например, для транзисторов с матричным затвором или нанокомпозитным затворным изолятором, в которых необходимо, чтобы поры были ориентированы в направлении нормали к поверхности.The disadvantage of this method is that the pores in the AOA layer are oriented parallel to the surface of the layer, which is unacceptable, for example, for transistors with a matrix gate or a nanocomposite gate insulator, in which it is necessary that the pores are oriented in the direction normal to the surface.

За прототип предлагаемого изобретения принят способ [5], согласно которому в качестве подложки использовали Si с 10 нм поверхностным слоем термического SiO2. Методом термического напыления в вакууме на поверхность SiO2 наносили слой чистого алюминия, при этом SiO2 использовали как барьерный слой, изолирующий алюминий от Si. Используя слой алюминия как анод, проводили его анодное окисление при постоянном напряжении катода 40 В в 0.15 М растворе щавелевой кислоты, растворяющем оксид алюминия, вплоть до изолирующей поверхности подложки (поверхность SiO2).The prototype of the present invention adopted the method [5], according to which Si with 10 nm surface layer of thermal SiO 2 was used as a substrate. By thermal spraying in vacuum, a layer of pure aluminum was deposited on the surface of SiO 2 , while SiO 2 was used as a barrier layer that insulated aluminum from Si. Using an aluminum layer as an anode, its anodic oxidation was carried out at a constant cathode voltage of 40 V in a 0.15 M solution of oxalic acid dissolving aluminum oxide, up to the insulating surface of the substrate (SiO 2 surface).

При реализации способа отмечено, что на завершающей стадии анодного окисления на поверхности AOA-SiO2 между доньями пор неизбежно остаются островки неокисленного алюминия с диаметром 40 нм и высотой 15 нм. Размер этих островков можно уменьшать путем увеличения времени анодного окисления, но незначительно, что связано со слабой ионной проводимостью АОА. Также отмечена сильная флуктуация размеров островков по поверхности SiO2, связанная с неоднородностью толщины окисляемого слоя алюминия.When implementing the method, it was noted that at the final stage of anodic oxidation on the surface of AOA-SiO 2 between the bottom of the pores inevitably remain islands of unoxidized aluminum with a diameter of 40 nm and a height of 15 nm. The size of these islands can be reduced by increasing the time of anodic oxidation, but not significantly, due to the weak ionic conductivity of AOA. A strong fluctuation in the size of the islands over the SiO 2 surface is also noted, associated with the nonuniform thickness of the oxidized aluminum layer.

Недостаток прототипа состоит в том, что в результате отмеченной сильной флуктуации размеров островков алюминия, связанной с естественной неоднородностью окисляемого слоя алюминия, соседние островки, сливаясь между собой, образуют на границе АОА-SiO2 неконтролируемые изолированные области неокисленного алюминия. Как сами островки неокисленного алюминия, так и области слившихся островков, экранируя электрическое поле, нарушают распределение этого поля на границе раздела АОА-изолирующая подложка, что недопустимо для транзисторных структур с матричным затвором или композитным затворным диэлектриком. Области неокисленного алюминия на границе АОА-изолирующая подложка невозможно устранить за счет увеличения времени анодного окисления, а их устранение путем химического травления после вскрытия дна пор в смеси кислот недопустимо, поскольку химическое травление АОА в области границы раздела АОА-изолирующая подложка разрушает эту границу и приводит к отслоению АОА от подложки.The disadvantage of the prototype is that as a result of a marked fluctuation in the size of the aluminum islands associated with the natural heterogeneity of the oxidized aluminum layer, the neighboring islands, merging together, form uncontrolled isolated regions of non-oxidized aluminum at the AOA-SiO 2 interface. Both the islands of non-oxidized aluminum and the regions of the merged islands, by shielding the electric field, violate the distribution of this field at the interface of the AOA-insulating substrate, which is unacceptable for transistor structures with a matrix gate or composite gate dielectric. The regions of non-oxidized aluminum at the AOA-insulating substrate interface cannot be eliminated by increasing the anodic oxidation time, and their elimination by chemical etching after opening the pore bottom in an acid mixture is unacceptable, since AOA chemical etching in the AOA-insulating substrate interface region destroys this boundary and leads to to the detachment of AOA from the substrate.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение пористых слоев анодного оксида алюминия на изолирующих подложках, на границе раздела которых с изолирующей подложкой отсутствуют остаточные области неокисленного алюминия, а поры ориентированы в направлении нормали к поверхности слоя, что позволило бы использовать полученные структуры для изготовления полевых транзисторов с матричным затвором или нанокомпозитным затворным изолятором.The technical problem to which the invention is directed is to obtain porous layers of anodic aluminum oxide on insulating substrates, at the interface of which there are no residual areas of unoxidized aluminum and the pores are oriented in the direction normal to the layer surface, which would allow using the obtained structures for manufacturing field effect transistors with a matrix gate or nanocomposite gate insulator.

Для этого в способе получения пористого слоя оксида алюминия на изолирующей подложке, включающем нанесение на подложку слоя алюминия и анодное окисление этого слоя в электролите, растворяющем оксид алюминия, первоначально на поверхности слоя алюминия формируют пленку плотного, не содержащего пор оксида алюминия путем анодного окисления поверхности этого слоя в электролите, нейтральном к оксиду алюминия, затем осуществляют локальный электрический пробой этой пленки путем подачи на катод импульса напряжения с амплитудой, превышающей напряжение ее пробоя, в электролите, растворяющем оксид алюминия, после чего напряжение катода снижают и продолжают анодное окисление алюминия в том же электролите при постоянном напряжении катода, обеспечивающем заданный диаметр пор.To this end, in the method for producing a porous alumina layer on an insulating substrate, comprising applying an aluminum layer to the substrate and anodic oxidation of this layer in an aluminum oxide dissolving electrolyte, initially a dense, pore-free alumina film is formed on the surface of the aluminum layer by anodic oxidation of the surface of this layer in an electrolyte neutral to alumina, then a local electrical breakdown of this film is carried out by applying a voltage pulse to the cathode with an amplitude exceeding n the voltage of its breakdown in an electrolyte dissolving alumina, after which the cathode voltage is reduced and the anodic oxidation of aluminum in the same electrolyte is continued at a constant cathode voltage providing a predetermined pore diameter.

В качестве электролита, растворяющего оксид алюминия, используют водный раствор щавелевой, серной или ортофосфорной кислоты, а в качестве электролита, нейтрального к оксиду алюминия, используют водный раствор лимонной кислоты.As an electrolyte dissolving alumina, an aqueous solution of oxalic, sulfuric or phosphoric acid is used, and as an electrolyte neutral to alumina, an aqueous solution of citric acid is used.

При анодном окислении алюминия в электролите, нейтральном к оксиду алюминия, напряжение катода задают постоянным, а окисление ведут вплоть до спада тока анода до нуля.When anodic oxidation of aluminum in an electrolyte neutral to alumina, the cathode voltage is set constant, and the oxidation is carried out until the anode current drops to zero.

При локальном электрическом пробое пленки плотного оксида алюминия амплитуду импульса напряжения катода задают в интервале 100-300 В, а длительность импульса задают в интервале 0.1-1 с.For local electric breakdown of a dense alumina film, the amplitude of the cathode voltage pulse is set in the range of 100–300 V, and the pulse duration is set in the range of 0.1–1 s.

При анодном окислении в электролите, растворяющем оксид алюминия, постоянное напряжение катода задают не менее, чем на 10 В превышающим напряжение катода, заданное при анодном окислении в электролите, нейтральном к оксиду алюминия.When anodic oxidation in an electrolyte dissolving alumina, the constant voltage of the cathode is set not less than 10 V higher than the voltage of the cathode specified during anodic oxidation in an electrolyte neutral to alumina.

Изобретение поясняется следующими рисунками:The invention is illustrated by the following figures:

Фиг.1. Этапы анодного окисления алюминия на сапфировой подложке:Figure 1. Stages of anodic oxidation of aluminum on a sapphire substrate:

этап 1 - получение пленки плотного АОА;stage 1 - obtaining a film of dense AOA;

этап 2 - получение слоя пористого АОА.stage 2 - obtaining a layer of porous AOA.

Фиг.2. Зависимость анодного тока J от времени t при анодном окислении слоя алюминия на сапфировой подложке: кривая а - анодный ток на этапе 1, кривая б - анодный ток на этапе 2.Figure 2. Dependence of the anode current J on time t during anodic oxidation of an aluminum layer on a sapphire substrate: curve a is the anode current in step 1, curve b is the anode current in step 2.

Фиг.3. Микрофотографии слоев пористого АОА, полученных предложенным способом на сапфировой подложке: (а) - боковой скол слоя АОА; (б) - поверхность АОА.Figure 3. Microphotographs of layers of porous AOA obtained by the proposed method on a sapphire substrate: (a) - lateral cleavage of the AOA layer; (b) the surface of AOA.

Ниже приведен пример реализации предложенного способа.The following is an example implementation of the proposed method.

Изолирующую (сапфировую) подложку 1 (фиг.1, этап 1) с тонким, 0.8 мкм, слоем 2 алюминия, нанесенным методом термического напыления в вакууме, размещают в электролитической ванне. Слой 2 алюминия используют в качестве анода, а в качестве катода - пластину платины, либо нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.An insulating (sapphire) substrate 1 (Fig. 1, step 1) with a thin, 0.8 μm layer of aluminum 2 deposited by thermal spraying in a vacuum is placed in an electrolytic bath. Layer 2 of aluminum is used as an anode, and as a cathode - a plate of platinum or stainless steel grade 12X18H10T.

На первом этапе в качестве электролита, нейтрального к оксиду алюминия, используют 0.1 М водный раствор лимонной кислоты, а анодное окисление проводят при постоянном напряжении катода 50 В. В этом режиме на поверхности алюминия образуется тонкая, толщиной ≈50 нм, пленка 3 плотного оксида, не имеющего пор (фиг.1, этап 1). Анодный ток на этом этапе монотонно спадает во времени (фиг.2, кривая а), а достижение нуля является критерием завершения первого этапа окисления.At the first stage, a 0.1 M aqueous solution of citric acid is used as an electrolyte neutral to alumina, and anodic oxidation is carried out at a constant cathode voltage of 50 V. In this mode, a thin, ≈50 nm thick, 3 thick oxide film is formed on the aluminum surface. not having a pore (figure 1, step 1). The anode current at this stage monotonically decreases in time (Fig. 2, curve a), and achieving zero is a criterion for completing the first stage of oxidation.

На втором этапе электролит заменяют на 0.4 М водный раствор щавелевой кислоты, растворяющий АОА, а анодное окисление проводят при следующем законе изменения напряжения катода электролитической ванны. Сначала подают короткий, 0.3 с, импульс напряжения с амплитудой 200 В, обеспечивающий локальный пробой тонкой пленки 3 плотного оксида алюминия, полученной на первом этапе. Затем напряжение катода снижают и продолжают анодное окисление алюминия вплоть до изолирующей подложки 1 в том же электролите при постоянном напряжении катода 70 В для получения пористого слоя 4 оксида алюминия с диаметром пор 60-70 нм (фиг.1, этап 2). В зависимости от времени, анодный ток (фиг.2, кривая б) сначала возрастает и стабилизируется на уровне плато, а затем спадает до нуля, что является критерием завершения второго этапа окисления.At the second stage, the electrolyte is replaced with a 0.4 M aqueous solution of oxalic acid dissolving AOA, and the anodic oxidation is carried out with the next law of changing the voltage of the cathode of the electrolytic bath. First, a short, 0.3 s, voltage pulse with an amplitude of 200 V is applied, which provides local breakdown of a thin film 3 of dense aluminum oxide obtained in the first stage. Then, the cathode voltage is reduced and the anodic oxidation of aluminum is continued up to the insulating substrate 1 in the same electrolyte at a constant cathode voltage of 70 V to obtain a porous layer of aluminum oxide 4 with a pore diameter of 60-70 nm (Fig. 1, step 2). Depending on the time, the anode current (Fig. 2, curve b) first increases and stabilizes at the plateau level, and then drops to zero, which is the criterion for completing the second stage of oxidation.

В процессе анодного окисления на этом этапе пористый АОА 4 сначала образуется в области локального пробоя пленки 3 плотного оксида, полученной на первом этапе, а фронт окисления алюминия распространяется в направлении изолирующей подложки, что обеспечивает требуемую ориентацию пор в направлении нормали к поверхности. При этом область окисленного алюминия 4, постепенно расширяется от зоны локального пробоя к периферии (в направлении стрелки на фиг.1, этап 2) за счет образования зародышей 5 и развития пор 6 в области концентрации электрического поля, на границе пленки плотного оксида 3 с пористым оксидом 4. Распространение фронта окисления не только в направлении нормали к поверхности, но и в боковом направлении обеспечивает окисление слоя 2 алюминия вплоть до изолирующей подложки 1 и исключат образование областей неокисленного алюминия на границе АОА-подложка. Поры в результирующем слое 4 АОА, имея небольшой наклон в сторону, противоположную направлению расширения области окисленного алюминия (фиг.1, этап 2), сохраняют ориентацию в направлении нормали к поверхности. Об этом свидетельствует микрофотография (фиг.3а) скола слоя 4, полученная методом сканирующей электронной микроскопии. На фиг.3б приведена микрофотография поверхности пористого слоя 4 оксида алюминия с диаметром пор около 70 нм. Отсутствие на микрофотографиях контрастных областей между порами и темных макроскопических областей с размером, превышающим диаметр пор, указывает на отсутствие областей неокисленного алюминия на границе АОА-изолирующая подложка.In the process of anodic oxidation at this stage, porous AOA 4 is first formed in the region of local breakdown of the dense oxide film 3 obtained in the first stage, and the aluminum oxidation front propagates in the direction of the insulating substrate, which provides the required pore orientation in the direction normal to the surface. In this case, the region of oxidized aluminum 4 gradually expands from the zone of local breakdown to the periphery (in the direction of the arrow in Fig. 1, stage 2) due to the formation of nuclei 5 and the development of pores 6 in the field of electric field concentration, at the interface between the dense oxide film 3 and the porous oxide 4. The propagation of the oxidation front not only in the direction normal to the surface, but also in the lateral direction, ensures the oxidation of aluminum layer 2 up to the insulating substrate 1 and excludes the formation of areas of non-oxidized aluminum at the AOA-subframe Zhka. The pores in the resultant layer 4 of AOA, having a slight slope in the direction opposite to the direction of expansion of the region of oxidized aluminum (Fig. 1, step 2), maintain orientation in the direction normal to the surface. This is evidenced by the micrograph (Fig. 3a) of the cleaved layer 4 obtained by scanning electron microscopy. On figb shows a micrograph of the surface of the porous layer 4 of aluminum oxide with a pore diameter of about 70 nm. The absence of contrast regions between pores and dark macroscopic regions with a size exceeding the pore diameter in microphotographs indicates the absence of regions of unoxidized aluminum at the AOA-insulating substrate interface.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет получать структуры с пористым слоем оксида алюминия на изолирующей подложке для полевых транзисторов, например с матричным затвором или нанокомпозитным затворным изолятором, в которых поры ориентированы в направлении нормали к поверхности слоя и на границе раздела АОА с изолирующей подложкой отсутствуют остаточные области неокисленного алюминия.Thus, the proposed invention allows to obtain structures with a porous layer of aluminum oxide on an insulating substrate for field-effect transistors, for example, a matrix gate or a nanocomposite gate insulator, in which the pores are oriented in the direction normal to the layer surface and there are no residual regions at the AOA interface with the insulating substrate non-oxidized aluminum.

Список источников информацииList of sources of information

[1]. Nano-scale structures fabricated using anodic alumina oxide templates. OU NanoLab/NSF NUE/Bumm&Johnson. http://www.nhn.ou.edu/~bumm/NanoLab/ppt/AAO_files/frame.htm.[one]. Nano-scale structures fabricated using anodic alumina oxide templates. OU NanoLab / NSF NUE / Bumm & Johnson. http://www.nhn.ou.edu/~bumm/NanoLab/ppt/AAO_files/frame.htm.

[2]. D. Crousea, Yu-Hwa Lo, A.E. Miller, M. Crouse. Self-ordered pore structure of anodized aluminum on silicon and pattern transfer. Appl. Phys. Lett. 76(1) 49-51 (2000).[2]. D. Crousea, Yu-Hwa Lo, A.E. Miller, M. Crouse. Self-ordered pore structure of anodized aluminum on silicon and pattern transfer. Appl. Phys. Lett. 76 (1) 49-51 (2000).

[3). H. Masuda et al., "Fabrication of gold nanodot array using anodic porous alumina as an evaporation mask," Jpn. J. Appl. Phys. 35(2), L126-L129 (1996).[3). H. Masuda et al., "Fabrication of gold nanodot array using anodic porous alumina as an evaporation mask," Jpn. J. Appl. Phys. 35 (2), L126-L129 (1996).

[4]. Pat. US №6,737,668. Den, et al. May 18, 2004. Method of manufacturing structure with pores and structure with pores.[four]. Pat. US No. 6,737,668. Den, et al. May 18, 2004. Method of manufacturing structure with pores and structure with pores.

[5]. Shoso Shingubara, Yusuhiko Murakami, Hiroyuki Sakaue, and Takayuki Takahagi. Aluminum nanodot array formed by anodic oxidation and its conduction properties. Proc. of SPIE. 4999, 387-395 (2003).[5]. Shoso Shingubara, Yusuhiko Murakami, Hiroyuki Sakaue, and Takayuki Takahagi. Aluminum nanodot array formed by anodic oxidation and its conduction properties. Proc. of SPIE. 4999, 387-395 (2003).

Claims (5)

1. Способ получения пористого слоя оксида алюминия на изолирующей подложке, включающий нанесение на подложку слоя алюминия и анодное окисление этого слоя в электролите, растворяющем оксид алюминия, отличающийся тем, что первоначально на поверхности слоя алюминия формируют пленку плотного оксида алюминия путем анодного окисления поверхности этого слоя в электролите, нейтральном к оксиду алюминия, затем осуществляют локальный электрический пробой этой пленки путем подачи на катод импульса напряжения с амплитудой, превышающей напряжение ее пробоя, в электролите, растворяющем оксид алюминия, после чего напряжение катода снижают и продолжают анодное окисление алюминия в том же электролите при постоянном напряжении катода, обеспечивающем заданный диаметр пор.1. A method of producing a porous alumina layer on an insulating substrate, comprising applying an aluminum layer to the substrate and anodic oxidation of this layer in an aluminum oxide dissolving electrolyte, characterized in that a dense alumina film is initially formed on the surface of the aluminum layer by anodic oxidation of the surface of this layer in an electrolyte neutral to alumina, then a local electrical breakdown of this film is carried out by applying a voltage pulse with an amplitude exceeding the voltage to the cathode e its breakdown in an electrolyte dissolving alumina, after which the cathode voltage is reduced and the anodic oxidation of aluminum in the same electrolyte is continued at a constant cathode voltage providing a predetermined pore diameter. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электролита, растворяющего оксид алюминия, используют водный раствор щавелевой, серной или ортофосфорной кислоты, а в качестве электролита, нейтрального к оксиду алюминия, используют водный раствор лимонной кислоты.2. The method according to claim 1, characterized in that an aqueous solution of oxalic, sulfuric or phosphoric acid is used as an electrolyte dissolving alumina, and an aqueous solution of citric acid is used as an electrolyte neutral to alumina. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при анодном окислении алюминия в электролите, нейтральном к оксиду алюминия, напряжение катода задают постоянным, а окисление ведут вплоть до спада тока анода до нуля.3. The method according to claim 1, characterized in that when the anodic oxidation of aluminum in an electrolyte neutral to alumina, the cathode voltage is set constant, and the oxidation is carried out until the anode current drops to zero. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при локальном электрическом пробое пленки плотного оксида алюминия амплитуду импульса напряжения катода задают в интервале 100-300 В, а длительность импульса задают в интервале 0,1-1 с.4. The method according to claim 1, characterized in that for local electrical breakdown of a dense alumina film, the amplitude of the cathode voltage pulse is set in the range of 100-300 V, and the pulse duration is set in the range of 0.1-1 s. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при анодном окислении в электролите, растворяющем оксид алюминия, постоянное напряжение катода задают не менее чем на 10 В превышающим напряжение катода, заданное при анодном окислении в электролите, нейтральном к оксиду алюминия. 5. The method according to claim 1, characterized in that during anodic oxidation in an aluminum oxide dissolving electrolyte, the constant voltage of the cathode is set to not less than 10 V higher than the cathode voltage specified during the anodic oxidation in an electrolyte neutral to aluminum oxide.
RU2012100943/28A 2012-01-16 2012-01-16 Method of producing porous layer of aluminium oxide on insulating substrate RU2489768C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012100943/28A RU2489768C1 (en) 2012-01-16 2012-01-16 Method of producing porous layer of aluminium oxide on insulating substrate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012100943/28A RU2489768C1 (en) 2012-01-16 2012-01-16 Method of producing porous layer of aluminium oxide on insulating substrate

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2489768C1 true RU2489768C1 (en) 2013-08-10

Family

ID=49159615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012100943/28A RU2489768C1 (en) 2012-01-16 2012-01-16 Method of producing porous layer of aluminium oxide on insulating substrate

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2489768C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113802163A (en) * 2021-08-18 2021-12-17 陕西师范大学 Preparation method of alumina micro-step and nano-pore composite structure

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5277788A (en) * 1990-10-01 1994-01-11 Aluminum Company Of America Twice-anodized aluminum article having an organo-phosphorus monolayer and process for making the article
US6737668B2 (en) * 2000-07-03 2004-05-18 Canon Kabushiki Kaisha Method of manufacturing structure with pores and structure with pores
CN1614102A (en) * 2004-10-12 2005-05-11 南京大学 Preparation for self-supporting ordered through hole alumina film
EP1643546A2 (en) * 2004-10-01 2006-04-05 Canon Kabushiki Kaisha Method for manufacturing a nanostructure
JP2006328467A (en) * 2005-05-25 2006-12-07 Al Green Kk Anodic oxidation film applied aluminum substrate and method of manufacturing the same
RU2324015C1 (en) * 2006-12-15 2008-05-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) Process to manufacture porous anodic alumina

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5277788A (en) * 1990-10-01 1994-01-11 Aluminum Company Of America Twice-anodized aluminum article having an organo-phosphorus monolayer and process for making the article
US6737668B2 (en) * 2000-07-03 2004-05-18 Canon Kabushiki Kaisha Method of manufacturing structure with pores and structure with pores
EP1643546A2 (en) * 2004-10-01 2006-04-05 Canon Kabushiki Kaisha Method for manufacturing a nanostructure
CN1614102A (en) * 2004-10-12 2005-05-11 南京大学 Preparation for self-supporting ordered through hole alumina film
JP2006328467A (en) * 2005-05-25 2006-12-07 Al Green Kk Anodic oxidation film applied aluminum substrate and method of manufacturing the same
RU2324015C1 (en) * 2006-12-15 2008-05-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) Process to manufacture porous anodic alumina

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Shoso Shingubara et al. Aluminum nanodot array formed by anodic oxidation and its conduction properties. Proc. of SPIE. 4999, 387-395 (2003). *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113802163A (en) * 2021-08-18 2021-12-17 陕西师范大学 Preparation method of alumina micro-step and nano-pore composite structure
CN113802163B (en) * 2021-08-18 2023-02-17 陕西师范大学 Preparation method of alumina micro-step and nano-pore composite structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3902883B2 (en) Nanostructure and manufacturing method thereof
US5202290A (en) Process for manufacture of quantum dot and quantum wire semiconductors
US7875195B2 (en) Thick porous anodic alumina films and nanowire arrays grown on a solid substrate
JP3610293B2 (en) Structure having pores and device using the structure having pores
JP3754876B2 (en) Method for producing structure having pores and structure having pores
JP2001009800A (en) Nano structure and manufacture thereof
CN107170813B (en) Hole type semiconductor electric control quantum dot device and preparation and use methods thereof
US9324534B2 (en) Cold field electron emitters based on silicon carbide structures
JP2001138300A (en) Manufacturing method for structure having small holes, structure manufactured by the method, and structure device using the structure
JP2003011099A (en) Porous layer and device, and its manufacturing method
US9410260B2 (en) Method of forming a nano-structure
KR100973522B1 (en) Manufacturing method for ruthenium nano-structures by anodic aluminum oxide and atomic layer deposition
RU2489768C1 (en) Method of producing porous layer of aluminium oxide on insulating substrate
JP2016537210A (en) Migration and manufacturing of wire arrays using electronic assist technology
KR101689160B1 (en) Fabrication method for carbon electrodes with multi-scale pores
KR20080072981A (en) Fabrication method of thin film transistor using 1 dimensional nano-wire channel
JP2002004087A (en) Method for manufacturing nanostructure and nanostructure
US8652339B1 (en) Patterned lift-off of thin films deposited at high temperatures
JP4097224B2 (en) Nanostructure and electron-emitting device
JP2001213700A (en) Nano-structure and its manufacturing method
Demyanov et al. Nanostructures of Si/SiO 2/metal systems with tracks of fast heavy ions
WO2005015596B1 (en) Method for the localized growth of nanothreads or nanotubes
Dukhnovskii et al. Nanostructured layers of anodic aluminum oxide on insulating substrates
Richter et al. Pattern formation in nanoporous titania templates
JP2011175789A (en) Manufacturing method for periodical nanostructure, and manufacturing method for field emission electron source

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160117