RU2516612C1 - Canal matrix and method of its production - Google Patents
Canal matrix and method of its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2516612C1 RU2516612C1 RU2012146733/28A RU2012146733A RU2516612C1 RU 2516612 C1 RU2516612 C1 RU 2516612C1 RU 2012146733/28 A RU2012146733/28 A RU 2012146733/28A RU 2012146733 A RU2012146733 A RU 2012146733A RU 2516612 C1 RU2516612 C1 RU 2516612C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crystal silicon
- hole
- channels
- silicon wafer
- front surface
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится преимущественно к области мембранных нанотехнологий, индустрии наносистем и материалов, молекулярной биологии, генетике и цитологии и может быть использовано в производстве микро- и нанофлюидных фильтров для разделения и концентрирования наноматериалов, в изготовлении биосенсорных устройств для приборов медицинской диагностики.The invention relates primarily to the field of membrane nanotechnology, the industry of nanosystems and materials, molecular biology, genetics and cytology and can be used in the production of micro- and nanofluidic filters for separation and concentration of nanomaterials, in the manufacture of biosensor devices for medical diagnostic devices.
Известна канальная матрица, описанная в патенте США №5997713, С.Р. Beetz, R.W. Boerstler, J. Steinbeck, D.R. Winn, МПК C25D 5/34, 1999 год. Канальная матрица представляет собой пластину монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми, сквозными каналами, имеющими микрометровые поперечные размеры.Known channel matrix described in US patent No. 5997713, S.R. Beetz, R.W. Boerstler, J. Steinbeck, D.R. Winn, IPC C25D 5/34, 1999. The channel matrix is a hole-type single-crystal silicon wafer with open, through channels with micrometer transverse dimensions.
Недостатком канальной матрицы является наличие каналов только в микрометровом диапазоне поперечных размеров, что не позволяет ее использовать в качестве фильтрующего устройства для наноматериалов.The disadvantage of the channel matrix is the presence of channels only in the micrometer range of transverse dimensions, which does not allow it to be used as a filtering device for nanomaterials.
Известен способ изготовления канальных матриц (патент США №5997713, С.Р. Beetz, R.W. Boerstler, J. Steinbeck, D.R. Winn, МПК C25D 5/34, 1999 год), включающий создание упорядоченно расположенных затравочных ямок на фронтальной поверхности монокристаллического кремния дырочного типа, формирование омического контакта на тыльной поверхности пластины, анодное травление в растворе электролитов, содержащем ионы водорода и фтора, и вскрытие каналов.A known method of manufacturing channel matrices (US patent No. 5997713, S.P. Beetz, RW Boerstler, J. Steinbeck, DR Winn, IPC C25D 5/34, 1999), including the creation of ordered spaced seed pits on the front surface of single-crystal silicon hole type , the formation of an ohmic contact on the back surface of the plate, anode etching in a solution of electrolytes containing hydrogen and fluorine ions, and opening of channels.
Основным недостатком описанного способа является тот факт, что в результате только анодного травления создают кремниевую матрицу, имеющую вскрытые каналы с микрометровыми поперечными размерами. Вследствие этого структурного фактора фильтрующая способность получаемых микроканальных матриц не позволяет разделять и концентрировать вещества нанометрового размера.The main disadvantage of the described method is the fact that as a result of only anodic etching create a silicon matrix having open channels with micrometer transverse dimensions. Due to this structural factor, the filtering ability of the resulting microchannel matrices does not allow the separation and concentration of nanometer-sized substances.
Из известных канальных матриц наиболее близкой к заявляемой является канальная матрица, описанная в патенте РФ №2428763 «Способ получения канальной матрицы» авторов: Романов С.И., Вандышева Н.В., Семенова О.И., Косолобов С.С., МПК: H01L 21/00, B82B 3/00, опубликованном 10.09.2011 в Бюл. №25. Канальная матрица состоит из пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми, сквозными каналами и осажденного на ее фронтальную поверхность материала из кремния и окислов кремния, определяющего заданный микро- и нанометровый поперечный размер каналов матрицы.Of the known channel matrices, the channel matrix described in the patent of the Russian Federation No. 2428763 "Method for obtaining the channel matrix" of the authors: Romanov S.I., Vandysheva N.V., Semenova O.I., Kosolobov S.S., IPC: H01L 21/00, B82B 3/00, published on 09/10/2011 in Bul. Number 25. The channel matrix consists of a hole-type single-crystal silicon wafer with open, through channels and a material of silicon and silicon oxides deposited on its frontal surface, which determines a given micro- and nanometer transverse size of the matrix channels.
Основным недостатком известной матрицы является отсутствие конструктивного элемента, позволяющего эффективно управлять транспортом коллоидных растворов ультрадиспергированных веществ органического и неорганического происхождения при их фильтровании и концентрировании.The main disadvantage of the known matrix is the lack of a structural element that allows you to effectively manage the transport of colloidal solutions of ultradispersed substances of organic and inorganic origin when they are filtered and concentrated.
Из известных способов изготовления канальных матриц наиболее близким к заявляемому является способ, представленный в патенте РФ №2428763 «Способ получения канальной матрицы» авторов: Романов С.И., Вандышева Н.В., Семенова О.И., Косолобов С.С., МПК: H01L 21/00, B82B 3/00, опубликованном 10.09.2011 в Бюл. №25. Согласно этому способу канальную матрицу получают посредством создания упорядоченно расположенных затравочных ямок на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа, формирования омического контакта на тыльной поверхности пластины, анодного травления в растворе электролитов, содержащем ионы водорода и фтора, вскрытия каналов и осаждения материалов (кремния и окислов кремния) на фронтальную поверхность пластины с вскрытыми каналами до получения заданного поперечного размера каналов.Of the known methods for manufacturing channel matrices, the closest to the claimed one is the method presented in RF patent No. 2428763 "Method for producing a channel matrix" of the authors: Romanov S.I., Vandysheva N.V., Semenova O.I., Kosolobov S.S. , IPC: H01L 21/00, B82B 3/00, published on 09/10/2011 in Bull. Number 25. According to this method, a channel matrix is obtained by creating ordered seed pits on the front surface of a hole-type single crystal silicon wafer, forming an ohmic contact on the back surface of the wafer, anodic etching in an electrolyte solution containing hydrogen and fluorine ions, opening channels and depositing materials (silicon and oxides silicon) on the front surface of the plate with open channels to obtain a given transverse size of the channels.
Основным недостатком известного способа является отсутствие при изготовлении канальной матрицы операции, предусматривающей создание элемента, с помощью которого процессы фильтрования, концентрирования и детектирования веществ в коллоидных растворах становились эффективно управляемыми. Отмеченный недостаток затрудняет широкомасштабное применение канальных матриц, полученных существующим способом.The main disadvantage of this method is the absence in the manufacture of a channel matrix of an operation involving the creation of an element by which the processes of filtering, concentration and detection of substances in colloidal solutions become effectively controlled. The noted drawback complicates the widespread use of channel matrices obtained by the existing method.
Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик канальных матриц за счет введения в структуру матрицы металлической пленки.The technical result of the invention is to improve the operational characteristics of channel matrices by introducing a metal film into the matrix structure.
Технический результат достигается тем, что в канальной матрице, состоящей из пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами, осажденного материала на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами, причем на поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами создан диэлектрический слой двуокиси кремния, а на фронтальную поверхность пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами, имеющими заданный поперечный размер, нанесена металлическая пленка.The technical result is achieved in that in a channel matrix consisting of hole-type single-crystal silicon wafer with open channels, deposited material on the front surface of hole-type single-crystal silicon wafer with open channels, and a dielectric layer of dioxide is created on the surface of hole-type single-crystal silicon wafer silicon, and on the front surface of a plate of single-crystal silicon of a hole type with open channels having given transverse size, a metal film is applied.
В канальной матрице диэлектрический слой двуокиси кремния создан между осажденным материалом и пластиной монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами.In the channel matrix, a dielectric layer of silicon dioxide is created between the deposited material and the hole-type single-crystal silicon wafer.
В канальной матрице на поверхность металлической пленки нанесена диэлектрическая пленка.In the channel matrix, a dielectric film is deposited on the surface of the metal film.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления канальной матрицы, включающем создание упорядоченно расположенных затравочных ямок на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа, формирование омического контакта на тыльной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа, анодное травление в растворе электролитов, содержащем ионы водорода и фтора, вскрытие каналов и осаждение материалов на фронтальную поверхность пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами до получения заданного поперечного размера каналов, причем после вскрытия каналов выполняют высокотемпературное окисление в газовой среде пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами, а затем на фронтальную поверхность пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами, имеющими заданный поперечный размер, проводят осаждение металлический пленки.The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing the channel matrix, which includes creating ordered seed pits on the front surface of the hole type single crystal silicon wafer, forming an ohmic contact on the back surface of the hole type single crystal silicon wafer, anode etching in an electrolyte solution containing hydrogen and fluorine ions , opening of channels and deposition of materials on the front surface of a hole single-crystal silicon wafer type with open channels until a predetermined lateral size of the channels is obtained, and after opening the channels, high-temperature oxidation of hole-type single-crystal silicon wafers with open channels is performed in a gaseous medium, and then, on the front surface of a hole-type single-crystal silicon wafer with open channels having a predetermined transverse size, metal film deposition.
В способе высокотемпературное окисление в газовой среде пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами выполняют при температуре 800-1000°C.In the method, high-temperature oxidation in a gaseous medium of a hole-type single-crystal silicon wafer with open channels is performed at a temperature of 800-1000 ° C.
В способе после осаждения материалов на фронтальную поверхность пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами до получения заданного поперечного размера каналов осуществляют удаление диэлектрического слоя двуокиси кремния, не закрытого осажденным материалом.In the method, after the materials are deposited on the front surface of the hole-type single-crystal silicon wafer with open channels until a predetermined lateral size of the channels is obtained, the dielectric layer of silicon dioxide not covered by the deposited material is removed.
В способе на фронтальную поверхность пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами, имеющими заданный поперечный размер, проводят осаждение металлической пленки золота или алюминия.In the method, a metal film of gold or aluminum is deposited onto the front surface of a hole-type single-crystal silicon wafer with open channels having a predetermined lateral size.
В способе на поверхность металлической пленки проводят осаждение диэлектрической пленки.In the method, a dielectric film is deposited onto a surface of a metal film.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.The invention is illustrated by the following description and the accompanying figures.
На фиг.1 представлены предлагаемые конструкции канальных матриц с диэлектрическим слоем двуокиси кремния, расположенным как по всей поверхности каналов, фиг.1а и фиг.1б, так и только под осажденным материалом, фиг.1в и фиг.1г, а также с диэлектрической пленкой на поверхности металлической пленки, фиг.1б и фиг.1г.Figure 1 presents the proposed design of channel matrices with a dielectric layer of silicon dioxide located both over the entire surface of the channels, figa and figb, and only under the deposited material, figv and fig.1g, as well as with a dielectric film on the surface of a metal film, figb and figg.
На фиг.2 приведена схема изготовления канальной матрицы предлагаемым способом: фиг.2а - исходная пластина монокристаллического кремния дырочного типа, фиг.2б - пластина монокристаллического кремния с упорядоченно расположенными затравочными ямками на фронтальной поверхности, фиг.2в - пластина монокристаллического кремния с затравочными ямками и омическим контактом на тыльной поверхности, фиг.2г - пластина монокристаллического кремния с невскрытыми каналами, фиг.2д - пластина монокристаллического кремния с вскрытыми каналами, фиг.2е - пластина монокристаллического кремния с вскрытыми каналами и диэлектрическим слоем двуокиси кремния на поверхности, фиг.2ж - пластина монокристаллического кремния с вскрытыми каналами, имеющими заданный поперечный размер, фиг.2з - пластина монокристаллического кремния с заданным поперечным размером каналов и металлической пленкой на фронтальной поверхности, фиг.2и - пластина монокристаллического кремния с диэлектрической пленкой на поверхности металлической пленки, фиг.2к - пластина монокристаллического кремния с заданным поперечным размером каналов и диэлектрическим слоем двуокиси кремния под осажденным материалом, фиг.2л - пластина монокристаллического кремния с заданным поперечным размером каналов, диэлектрическим слоем двуокиси кремния под осажденным материалом и металлической пленкой на фронтальной поверхности, фиг.2м - пластина монокристаллического кремния с диэлектрическим слоем двуокиси кремния под осажденным материалом и диэлектрической пленкой на поверхности металлической пленки.Figure 2 shows the manufacturing circuit of the channel matrix by the proposed method: Figure 2a is the initial plate of single-crystal silicon of the hole type, Figure 2b is the plate of single-crystal silicon with ordered seed holes on the front surface, Figure 2c is the plate of single-crystal silicon with seed holes and ohmic contact on the back surface, FIG. 2d - a plate of monocrystalline silicon with open channels, FIG. 2d - a plate of monocrystalline silicon with open channels, FIG. 2e - plas the thickness of monocrystalline silicon with open channels and a dielectric layer of silicon dioxide on the surface, FIG. 2g is a plate of monocrystalline silicon with open channels having a predetermined transverse size, FIG. 2z is a plate of monocrystalline silicon with a predetermined transverse size of channels and a metal film on the front surface, FIG. .2i - a plate of single-crystal silicon with a dielectric film on the surface of a metal film, Fig. 2k - a plate of single-crystal silicon with a given transverse size 2 a channel of the channel and a dielectric layer of silicon dioxide under the deposited material, FIG. 2 l is a plate of single crystal silicon with a predetermined lateral size of the channels, a dielectric layer of silicon dioxide under the deposited material and a metal film on the front surface, FIG. 2 m is a plate of single crystal silicon with a dielectric layer of silicon dioxide under the deposited material and the dielectric film on the surface of the metal film.
На фиг.1 и фиг.2 показаны элементы: 1 - пластина монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами, 2 - диэлектрический слой двуокиси кремния, 3 - осажденный материал на фронтальной поверхности пластины кремния с вскрытыми каналами, 4 - металлическая пленка на фронтальной поверхности пластины кремния с вскрытыми каналами, имеющими заданный поперечный размер каналов, 5 - диэлектрическая пленка на поверхности металлической пленки, 6 - исходная пластина монокристаллического кремния дырочного типа, 7 - затравочные ямки, упорядоченно расположенные на фронтальной поверхности пластины, 8 - монолитная часть пластины, 9 - омический контакт на тыльной поверхности пластины, 10 - невскрытый канал, 11 - вскрытый канал, 12 - канал с заданным поперечным размером.Figure 1 and figure 2 shows the elements: 1 - a plate of single-crystal silicon hole type with open channels, 2 - a dielectric layer of silicon dioxide, 3 - deposited material on the front surface of the silicon wafer with open channels, 4 - a metal film on the front surface of the plate silicon with open channels having a given transverse channel size, 5 - dielectric film on the surface of the metal film, 6 - the initial plate of single-crystal silicon of the hole type, 7 - seed pits, orderly located on the front surface of the plate, 8 - monolithic part of the plate, 9 - ohmic contact on the back surface of the plate, 10 - unopened channel, 11 - open channel, 12 - channel with a given transverse size.
На фиг.3 показано электронно-микроскопическое изображение упорядоченно расположенных затравочных ямок на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа, на фиг.2б элемент 7.In Fig.3 shows an electron microscopic image of the ordered seed pits on the front surface of a plate of single-crystal silicon hole type, in
На фиг.4 представлены электронно-микроскопические изображения фронтальной поверхности, фиг.4а, и поперечного среза, фиг.4б, пластины монокристаллического кремния с невскрытыми каналами, на фиг.2г элементы 8 и 10.Figure 4 presents electron-microscopic images of the front surface, figa, and a cross section, figb, plate of single-crystal silicon with unopened channels, on
На фиг.5 приведено электронно-микроскопическое изображение фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния с вскрытыми каналами, на фиг.2д элементы 1 и 11.Figure 5 shows the electron microscopic image of the front surface of the wafer of single-crystal silicon with open channels, in
На фиг.6 демонстрируются электронно-микроскопические изображения фронтальных поверхностей пластин монокристаллического кремния с вскрытыми каналами, имеющими заданный поперечный размер, на фиг.2ж элементы 3 и 12.Figure 6 shows the electron microscopic images of the front surfaces of wafers of single-crystal silicon with open channels having a predetermined transverse size, in
На фиг.7 показаны электронно-микроскопические изображения пластин монокристаллического кремния с заданным поперечным размером каналов, элемент 12 на фиг.2ж, и металлической пленкой на фронтальной поверхности, элемент 4 на фиг.1а, фиг.1в, фиг.2з и фиг.2л.7 shows electron microscopic images of single-crystal silicon wafers with a given transverse channel size,
На фиг.8 представлены оптические снимки канальных матриц, изготовленных заявляемым способом, со стороны фронтальной поверхности, фиг.8а, и со стороны тыльной поверхности (микроканальная основа матрицы), фиг.8б, с элементами 1, 2, 3 и 4 в соответствии с обозначениями на фиг.1, фиг.2з и фиг.2л.On Fig presents optical images of channel matrices made by the claimed method, from the front surface, figa, and from the back surface (microchannel matrix base), figb, with
Сущность изобретения заключается в том, что в конструкцию канальной матрицы внесены дополнительные элементы, отсутствующие в структуре известной канальной матрицы, а именно: диэлектрический слой двуокиси кремния, закрывающий поверхность пластины кремния с вскрытыми каналами (элемент 2 на фиг.1), и металлическая пленка на фронтальной поверхности пластины кремния с заданным поперечным размером каналов (элемент 4 на фиг.1), прикрытая или нет диэлектрической пленкой (элемент 5 на фиг.1б и фиг.1г).The essence of the invention lies in the fact that the design of the channel matrix includes additional elements that are absent in the structure of the known channel matrix, namely, a dielectric layer of silicon dioxide covering the surface of the silicon wafer with open channels (
В результате этого технического решения заявляемая канальная матрица приобретает новое качество быть активным и управляемым устройством фильтрования, концентрирования и детектирования веществ, диспергированных в жидкостной среде, за счет использования внутриканального электрического поля. Металлическая пленка (элемент 4 на фиг.1 и фиг.2з, фиг.2и, фиг.2л и фиг.2м), проникающая в канал с заданным поперечным размером (элемент 12 на фиг.2ж), выполняет роль электрода, электрический потенциал на котором создает электрическое поле как на входе в канал, так и частично в самом канале. Посредством полевого эффекта появляется возможность управлять прохождением различного сорта частиц, отличающихся размером и зарядом, через канальную матрицу, что было невозможно в случае известной канальной матрицы.As a result of this technical solution, the inventive channel matrix acquires a new quality of being an active and controllable device for filtering, concentrating and detecting substances dispersed in a liquid medium through the use of an in-channel electric field. A metal film (
Диэлектрический слой двуокиси кремния (элемент 2 на фиг.1 и фиг.2е, фиг.2ж, фиг.2з, фиг.2и, фиг.2к, фиг.2л, фиг.2м) электрически изолирует металлическую пленку (элемент 4 на фиг.1 и фиг.2з, фиг.2и, фиг.2л и фиг.2м) от пластины кремния с вскрытыми каналами (элемент 1 на фиг.1 и фиг.2д, фиг.2е, фиг.2ж, фиг.2з, фиг.2и, фиг.2к, фиг.2л, фиг.2м). Удаление слоя двуокиси кремния с не закрытой осажденным материалом поверхности канальной матрицы (фиг.1в, фиг.1г и фиг.2к) проводят для того, чтобы использовать кремниевую пластину с вскрытыми каналами (элемент 1 на фиг.1 и фиг.2д, фиг.2е, фиг.2ж, фиг.2з, фиг.2и, фиг.2к, фиг.2л, фиг.2м) в качестве дополнительного электрода для создания электрического поля внутри микроканальной основы канальной матрицы. Диэлектрическая пленка на поверхности металлической пленки (элемент 5 на фиг.1б, фиг.1г и на фиг.2и, фиг.2м) призвана изолировать последнюю (элемент 4 на тех же фигурах) от контакта с жидкостной средой.The dielectric layer of silicon dioxide (
Сущность способа изготовления канальной матрицы заключается в том, что при изготовлении канальной матрицы после анодного травления и вскрытия каналов проводят дополнительную операцию высокотемпературного окисления, а затем после осаждения материалов осуществляют вторую дополнительную операцию осаждения металлической пленки. Обе эти операции не применялись в известном способе. После того, как в известном способе на фронтальной поверхности исходной пластины монокристаллического кремния дырочного типа (фиг.2а элемент 6) с помощью фотолитографии по слою двуокиси кремния и химического травления кремния в окнах диэлектрика созданы упорядоченно расположенные затравочные ямки (фиг.2б элемент 7), сформирован омический контакт на тыльной поверхности пластины монокристаллического кремния (фиг.2в элемент 9), проведено анодное травление каналов (фиг.2г элемент 10) и осуществлено их вскрытие (фиг.2д элемент 11), пластину монокристаллического кремния с вскрытыми каналами подвергают высокотемпературному окислению в газовой среде (фиг.2е элемент 2). Далее, после того, как в известном способе выполнено осаждение материалов на фронтальную поверхность пластины монокристаллического кремния с вскрытыми каналами (фиг.2ж элемент 3), на эту поверхность проводят осаждение металлической пленки (фиг.2з элемент 4) и в некоторых случаях диэлектрической пленки (фиг.2и и фиг.2м элемент 5).The essence of the method of manufacturing the channel matrix is that in the manufacture of the channel matrix after anodic etching and opening the channels, an additional high-temperature oxidation operation is carried out, and then after the materials are deposited, a second additional metal film deposition operation is performed. Both of these operations were not used in the known method. After the well-known method, on the front surface of the initial wafer of single-crystal silicon of the hole type (Fig. 2a, element 6) using photolithography on a layer of silicon dioxide and chemical etching of silicon in the dielectric windows, ordered seed pits are created (Fig. 2b, element 7), an ohmic contact is formed on the back surface of a single-crystal silicon wafer (Fig.2c element 9), anodic etching of the channels (Fig.2d element 10) is performed and their opening is performed (Fig.2d element 11), a monocri plate open silicon channels are subjected to high-temperature oxidation in a gaseous medium (Fig. 2e element 2). Further, after the deposition of materials on the front surface of a single-crystal silicon wafer with open channels (FIG. 2g element 3) is performed in the known method, a metal film is deposited on this surface (FIG. 2z element 4) and, in some cases, a dielectric film ( Fig.2i and Fig.2m element 5).
Высокотемпературное окисление кремниевой микроканальной основы канальной матрицы (элемент 1 на фиг.2д, фиг.2е, фиг.2ж, фиг.2з, фиг.2и, фиг.2к, фиг.2л, фиг.2м) при температурах 800-1000°C выполняют для того, чтобы надежно электрически изолировать ее диэлектрическим слоем двуокиси кремния (элемент 2 на фиг.2е, фиг.2ж, фиг.2з, фиг.2и, фиг.2к, фиг.2л, фиг.2м) от электрода (элемент 4 на фиг.2з, фиг.2и, фиг.2л, фиг.2м), формируемого осаждением металлической пленки. Последнее невозможно сделать известным способом. При температурах окисления ниже 800°C электрическая изоляция получается недостаточно надежной, в то время как при температурах выше 1000°C возможна механическая деформация матрицы.High-temperature oxidation of the silicon microchannel base of the channel matrix (
Удаление диэлектрического слоя двуокиси кремния с открытой (без осажденного материала) поверхности пластины с заданным поперечным размером каналов (фиг.2к) осуществляется с целью использовать, собственно, сам кремний в качестве дополнительного электродного элемента, что невозможно получить известным способом.Removing the dielectric layer of silicon dioxide from the open (without deposited material) surface of the plate with a given transverse size of the channels (Fig.2k) is carried out in order to use, in fact, silicon itself as an additional electrode element, which is impossible to obtain in a known manner.
Осаждение металлических пленок золота предназначено для работы с биоорганическими веществами, в то время как пленки алюминия - с неорганическими материалами.The deposition of metal gold films is designed to work with bioorganic substances, while aluminum films - with inorganic materials.
Осаждение диэлектрической пленки, например, окислов или нитридов кремния, на металлический электрод осуществляют для его защиты, например, алюминия, от коррозии.The deposition of a dielectric film, for example, oxides or silicon nitrides, on a metal electrode is carried out to protect it, for example, aluminum, from corrosion.
Таким образом, заявляемая канальная матрица и способ ее изготовления дают возможность создать микро- и нанофлюидные устройства, обладающие высокими эксплуатационными характеристиками в отношении процессов фильтрования, концентрирования и детектирования веществ, диспергированных в жидкостях. В основе всего этого лежат управляемый электрокинетический транспорт коллоидных растворов через заявляемую матрицу и электрофизическая регистрация химических реакций в ее межэлектродном пространстве.Thus, the inventive channel matrix and the method of its manufacture make it possible to create micro- and nanofluidic devices with high performance characteristics in relation to the processes of filtering, concentration and detection of substances dispersed in liquids. The basis of all this is controlled electrokinetic transport of colloidal solutions through the inventive matrix and electrophysical registration of chemical reactions in its interelectrode space.
Пример 1.Example 1
1. Пластину монокристаллического кремния дырочного типа с удельным сопротивлением 40 Ом·см и ориентацией (100) подвергают термическому окислению, фотолитографии по слою двуокиси кремния на фронтальной поверхности, химическому травлению кремния в окнах диэлектрика в водном растворе 20% КОН при температуре 60°C в течение 1 часа. При этом формируют затравочные пирамидальные ямки размерами в основании 2,4×2,4 мкм2, разделенные стенками толщиной 1,6 мкм (фиг.2б и фиг.3 элемент 7).1. A hole-type single-crystal silicon wafer with a resistivity of 40 Ohm · cm and an orientation of (100) is subjected to thermal oxidation, photolithography on a silicon dioxide layer on the front surface, and chemical etching of silicon in dielectric windows in an aqueous solution of 20% KOH at a temperature of 60 ° C in within 1 hour. In this case, seed pyramidal pits are formed with dimensions in the base of 2.4 × 2.4 μm 2 , separated by walls with a thickness of 1.6 μm (Fig.2b and Fig.3 element 7).
2. Формирование омического контакта на тыльной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа с затравочными ямками осуществляют осаждением алюминия и отжигом при температуре 450°C в атмосфере аргона 15 минут (фиг.2в элемент 9).2. The formation of ohmic contact on the back surface of a hole-type single-crystal silicon wafer with seed pits is carried out by aluminum deposition and annealing at a temperature of 450 ° C in an argon atmosphere for 15 minutes (Fig. 2c, element 9).
3. Анодное травление канальной матрицы проводят в режиме закономерно изменяемой во времени плотности постоянного тока в пределах 14-44 мА/см2 в электролитическом растворе3. Anode etching of the channel matrix is carried out in the mode of a regularly varying DC density in the range of 14-44 mA / cm 2 in an electrolytic solution
NH4F(40%):HCl(36,5%):H2O:неонол=2,5:1:6,5:0,025NH 4 F (40%): HCl (36.5%): H 2 O: neonol = 2.5: 1: 6.5: 0.025
на площади 0,8 см2 в течение 100 минут (фиг.2г, фиг.4а и фиг.4б элемент 10). На фиг.4б. представлена монолитная часть пластины монокристаллического кремния - элемент 8.on an area of 0.8 cm 2 for 100 minutes (fig.2g, figa and fig.4b element 10). On figb. monolithic part of a single-crystal silicon wafer is presented -
4. Вскрытие каналов осуществляют шлифовкой/полировкой тыльной поверхности пластины монокристаллического кремния (фиг.2д и фиг.5 элемент 1) с использованием микропорошка синтетических алмазов, размешанного в растворе глицерина и изопропилового спирта. В результате получают канальную матрицу толщиной 145 мкм с поперечным размером вскрытых каналов в приповерхностной области фронтальной поверхности, равным ~2,9 мкм (фиг.2д и фиг.5 элемент 11).4. The opening of the channels is carried out by grinding / polishing the back surface of a single-crystal silicon wafer (Fig.2d and Fig. 5 element 1) using micropowder of synthetic diamonds mixed in a solution of glycerol and isopropyl alcohol. The result is a channel matrix with a thickness of 145 μm with a transverse size of the opened channels in the near-surface region of the frontal surface equal to ~ 2.9 μm (Fig. 2e and Fig. 5 element 11).
5. Высокотемпературное окисление пластины монокристаллического кремния с вскрытыми каналами выполняют при 1000°C в парах H2O в течение 1 часа. В результате получают диэлектрический слой двуокиси кремния толщиной 100-120 нм.5. High-temperature oxidation of a single-crystal silicon wafer with open channels is carried out at 1000 ° C in H 2 O vapors for 1 hour. The result is a dielectric layer of silicon dioxide with a thickness of 100-120 nm.
6. Плазмохимическое осаждение кремния на фронтальную поверхность канальной матрицы (фиг.6а элемент 3) проводят из межэлектродного радиочастотного тлеющего разряда газовой смеси моносилана SiH4 и аргона при частоте 40 МГц, давлении ~0,2 мм рт.ст. при температуре 250°C в течение 60 минут. Получают каналы со средним поперечным размером, равным ~2,6 мкм (фиг.2ж и фиг.6а элемент 12).6. Plasma-chemical deposition of silicon on the front surface of the channel matrix (Fig.6a element 3) is carried out from the interelectrode radio frequency glow discharge of a gas mixture of monosilane SiH 4 and argon at a frequency of 40 MHz, pressure ~ 0.2 mm Hg at a temperature of 250 ° C for 60 minutes. Receive channels with an average transverse size equal to ~ 2.6 μm (fig.2g and figa element 12).
7. Осаждение металлической пленки золота толщиной ~100 нм выполняют в среднем вакууме ~5·10-6 мм рт.ст. методом термического испарения металла из вольфрамовой лодочки (фиг.2з и фиг.7а элемент 4).7. The deposition of a metal film of gold with a thickness of ~ 100 nm is performed in an average vacuum of ~ 5 · 10 -6 mm RT.article. by thermal evaporation of metal from a tungsten boat (fig.2z and figa element 4).
В результате получают канальную матрицу со структурой, представленной на фиг.7а и фиг.8, с поперечным размером каналов 2,6 мкм. На фиг.7а показан канал с заданным поперечным размером - элемент 12, а на фиг.8 (оптический снимок канальной матрицы) показаны элементы: 1 - пластина монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами, 2 - диэлектрический слой двуокиси кремния, 3 - осажденный материал на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния с вскрытыми каналами, 4 - металлическая пленка на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния с вскрытыми каналами, имеющими заданный поперечный размер каналов.The result is a channel matrix with the structure shown in figa and Fig, with a transverse channel size of 2.6 μm. On figa shows a channel with a given transverse size -
Пример 2.Example 2
1. Пластину монокристаллического кремния дырочного типа с удельным сопротивлением 40 Ом·см и ориентацией (100) подвергают термическому окислению, фотолитографии по слою двуокиси кремния на фронтальной поверхности, химическому травлению кремния в окнах диэлектрика в водном растворе 20% КОН при температуре 60°C в течение 1 часа. При этом формируют затравочные пирамидальные ямки размерами в основании 2,4×2,4 мкм2, разделенные стенками толщиной 1,6 мкм (фиг.2б и фиг.3 элемент 7).1. A hole-type single-crystal silicon wafer with a resistivity of 40 Ohm · cm and an orientation of (100) is subjected to thermal oxidation, photolithography on a silicon dioxide layer on the front surface, and chemical etching of silicon in dielectric windows in an aqueous solution of 20% KOH at a temperature of 60 ° C in within 1 hour. In this case, seed pyramidal pits are formed with dimensions in the base of 2.4 × 2.4 μm 2 , separated by walls with a thickness of 1.6 μm (Fig.2b and Fig.3 element 7).
2. Формирование омического контакта на тыльной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа с затравочными ямками осуществляют осаждением алюминия и отжигом при температуре 450°C в атмосфере аргона 15 минут (фиг.2в элемент 9).2. The formation of ohmic contact on the back surface of a hole-type single-crystal silicon wafer with seed pits is carried out by aluminum deposition and annealing at a temperature of 450 ° C in an argon atmosphere for 15 minutes (Fig. 2c, element 9).
3. Анодное травление канальной матрицы проводят в режиме закономерно изменяемой во времени плотности постоянного тока в пределах 28-44 мА/см2 в электролитическом растворе3. Anode etching of the channel matrix is carried out in the mode of a regularly varying DC density in the range of 28-44 mA / cm 2 in an electrolytic solution
NH4F(40%):HCl(36,5%):H2O:неонол=2,5:1:6,5:0,025NH 4 F (40%): HCl (36.5%): H 2 O: neonol = 2.5: 1: 6.5: 0.025
на площади 0,8 см2 в течение 40 минут (фиг.2г, фиг.4а и фиг.4б элемент 10). На фиг.4б. показана монолитная часть пластины монокристаллического кремния - элемент 8.on an area of 0.8 cm 2 for 40 minutes (fig.2g, figa and fig.4 element 10). On figb. Shows the monolithic part of the plate of single-crystal silicon -
4. Вскрытие каналов осуществляют шлифовкой/полировкой тыльной поверхности пластины монокристаллического кремния (фиг.2д и фиг.5 элемент 1) с использованием микропорошка синтетических алмазов, размешанного в растворе глицерина и изопропилового спирта. В результате получают канальную матрицу толщиной 75 мкм с поперечным размером вскрытых каналов в приповерхностной области фронтальной поверхности, равным ~1,9-3,1 мкм (фиг.2д и фиг.5 элемент 11).4. The opening of the channels is carried out by grinding / polishing the back surface of a single-crystal silicon wafer (Fig.2d and Fig. 5 element 1) using micropowder of synthetic diamonds mixed in a solution of glycerol and isopropyl alcohol. As a result, a channel matrix with a thickness of 75 μm is obtained with a transverse size of the opened channels in the near-surface region of the frontal surface equal to ~ 1.9-3.1 μm (Fig. 2e and Fig. 5 element 11).
5. Высокотемпературное окисление пластины монокристаллического кремния с вскрытыми каналами выполняют при 1000°C в парах H2O в течение 1 часа. В результате получают диэлектрический слой двуокиси кремния толщиной 100-120 нм.5. High-temperature oxidation of a single-crystal silicon wafer with open channels is carried out at 1000 ° C in H 2 O vapors for 1 hour. The result is a dielectric layer of silicon dioxide with a thickness of 100-120 nm.
6. Плазмохимическое осаждение кремния на фронтальную поверхность канальной матрицы (фиг.6б элемент 3) проводят из межэлектродного радиочастотного тлеющего разряда газовой смеси моносилана SiH4 и аргона при частоте 40 МГц, давлении ~0,2 мм рт.ст. при температуре 250°C в течение 60 минут. Поперечный размер каналов получают в интервале 1,6-2,8 мкм (фиг.2ж и фиг.6б элемент 12).6. Plasma-chemical deposition of silicon on the front surface of the channel matrix (Fig.6b element 3) is carried out from the interelectrode radio frequency glow discharge of a gas mixture of monosilane SiH 4 and argon at a frequency of 40 MHz, pressure ~ 0.2 mm Hg at a temperature of 250 ° C for 60 minutes. The transverse size of the channels is obtained in the range of 1.6-2.8 μm (Fig.2g and Fig.6b element 12).
7. Осаждение металлической пленки алюминия толщиной ~150 нм выполняют в среднем вакууме ~5·10-6 мм рт.ст. методом термического испарения металла из вольфрамовой лодочки (фиг.2з и фиг.7б элемент 4).7. The deposition of a metal film of aluminum with a thickness of ~ 150 nm is performed in an average vacuum of ~ 5 · 10 -6 mm RT.article. method of thermal evaporation of metal from a tungsten boat (fig.2z and figb element 4).
В результате получают канальную матрицу со структурой, представленной на фиг.7б и фиг.8, с поперечным размером каналов 1,6-2,8 мкм.The result is a channel matrix with the structure shown in figb and Fig, with a transverse channel size of 1.6-2.8 microns.
На фиг.7б показан канал с заданным поперечным размером - элемент 12, а на фиг.8 (оптический снимок канальной матрицы) показаны элементы: 1 - пластина монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами, 2 - диэлектрический слой двуокиси кремния, 3 - осажденный материал на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния с вскрытыми каналами, 4 - металлическая пленка на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния с вскрытыми каналами, имеющими заданный поперечный размер каналов.Fig. 7b shows a channel with a given transverse size -
При изготовлении канальной матрицы высокотемпературное окисление пластины кремния с вскрытыми каналами проводят также при температурах 800°C и 900°C.In the manufacture of a channel matrix, high-temperature oxidation of a silicon wafer with open channels is also carried out at temperatures of 800 ° C and 900 ° C.
Канальная матрица, изготовленная предлагаемым способом, имеет конструкцию монолитного соединения наноканальной части с несущей микроканальной основой и упорядоченно расположенные каналы заданного поперечного размера (профильные каналы) в монолитной кремниевой пластине. Типичные структурные характеристики канальной матрицы следующие:The channel matrix made by the proposed method has the design of a monolithic connection of the nanochannel part with a supporting microchannel base and ordered channels of a given transverse size (profile channels) in a monolithic silicon wafer. Typical structural characteristics of the channel matrix are as follows:
толщина наноканальной части матрицы 1-6 мкм,the thickness of the nanochannel part of the matrix is 1-6 μm,
толщина микроканальной части матрицы 50-250 мкм,the thickness of the microchannel part of the matrix is 50-250 microns,
заданный поперечный размер каналов 10 нм-3 мкм,preset
упорядоченно расположенные каналы с поверхностной плотностью (3-6)·106 см-2.ordered channels with a surface density of (3-6) · 10 6 cm -2 .
Использование предлагаемой канальной матрицы и способа ее изготовления обеспечивает по сравнению с известной канальной матрицей и способом ее изготовления следующие преимущества:Using the proposed channel matrix and its manufacturing method provides the following advantages compared to the known channel matrix and its manufacturing method:
улучшение эксплуатационных характеристик за счет введения в структуру матрицы металлической пленки,improvement of operational characteristics due to the introduction of a metal film into the matrix structure,
расширение номенклатуры изделий мембранной техники в производстве микро- и нанофлюидных систем, биосенсорных устройств, приборов медицинской диагностики за счет применения управляемых электрокинетических фильтров и электрофизических методов детектирования на базе высокотехнологического и биосовместимого монокристаллического кремния.expanding the range of membrane technology products in the production of micro- and nanofluidic systems, biosensor devices, medical diagnostic devices through the use of controlled electrokinetic filters and electrophysical detection methods based on high-tech and biocompatible single-crystal silicon.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012146733/28A RU2516612C1 (en) | 2012-11-01 | 2012-11-01 | Canal matrix and method of its production |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012146733/28A RU2516612C1 (en) | 2012-11-01 | 2012-11-01 | Canal matrix and method of its production |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012146733A RU2012146733A (en) | 2014-05-10 |
RU2516612C1 true RU2516612C1 (en) | 2014-05-20 |
Family
ID=50629357
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012146733/28A RU2516612C1 (en) | 2012-11-01 | 2012-11-01 | Canal matrix and method of its production |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2516612C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5997713A (en) * | 1997-05-08 | 1999-12-07 | Nanosciences Corporation | Silicon etching process for making microchannel plates |
RU2388109C1 (en) * | 2009-03-24 | 2010-04-27 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ОФП СО РАН) | Method for production of silicon microchannel membrane in monolithic framing |
US7759138B2 (en) * | 2008-09-20 | 2010-07-20 | Arradiance, Inc. | Silicon microchannel plate devices with smooth pores and precise dimensions |
RU2410792C1 (en) * | 2009-08-28 | 2011-01-27 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Method of producing silicon microchannel matrix |
RU2428763C1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-09-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Channel matrix obtaining method |
US8052884B2 (en) * | 2008-02-27 | 2011-11-08 | Arradiance, Inc. | Method of fabricating microchannel plate devices with multiple emissive layers |
RU2433502C1 (en) * | 2010-07-08 | 2011-11-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Method of producing silicon channel matrix |
-
2012
- 2012-11-01 RU RU2012146733/28A patent/RU2516612C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5997713A (en) * | 1997-05-08 | 1999-12-07 | Nanosciences Corporation | Silicon etching process for making microchannel plates |
US8052884B2 (en) * | 2008-02-27 | 2011-11-08 | Arradiance, Inc. | Method of fabricating microchannel plate devices with multiple emissive layers |
US7759138B2 (en) * | 2008-09-20 | 2010-07-20 | Arradiance, Inc. | Silicon microchannel plate devices with smooth pores and precise dimensions |
RU2388109C1 (en) * | 2009-03-24 | 2010-04-27 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ОФП СО РАН) | Method for production of silicon microchannel membrane in monolithic framing |
RU2410792C1 (en) * | 2009-08-28 | 2011-01-27 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Method of producing silicon microchannel matrix |
RU2428763C1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-09-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Channel matrix obtaining method |
RU2433502C1 (en) * | 2010-07-08 | 2011-11-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Method of producing silicon channel matrix |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012146733A (en) | 2014-05-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6914008B2 (en) | Structure having pores and its manufacturing method | |
US7297041B2 (en) | Method of manufacturing microdischarge devices with encapsulated electrodes | |
WO2015197217A1 (en) | Method of transferring a graphene film | |
US9324534B2 (en) | Cold field electron emitters based on silicon carbide structures | |
CN103241728B (en) | Porous anodic aluminium oxide is utilized to prepare the method for grapheme nano-pore array for templated chemistry vapour deposition | |
Liu et al. | Barrier layer non-uniformity effects in anodized aluminum oxide nanopores on ITO substrates | |
EP2458037A1 (en) | A method for precisely controlled masked anodization | |
US9412556B2 (en) | Transmission electron microscope cells for use with liquid samples | |
US20100147762A1 (en) | Membrane assemblies and methods of making and using the same | |
US20160159064A1 (en) | Electrochemical Method for Transferring Graphene | |
US11407642B2 (en) | Method for exfoliating and transferring graphene from a doped silicon carbide substrate to another substrate | |
US9293759B2 (en) | Nanoscale three-dimensional battery architecture | |
Shin et al. | A facile route for the fabrication of large-scale gate-all-around nanofluidic field-effect transistors with low leakage current | |
Chubenko et al. | Influence of the surface layer on the electrochemical deposition of metals and semiconductors into mesoporous silicon | |
RU2516612C1 (en) | Canal matrix and method of its production | |
DE19754513A1 (en) | Producing a microstructure for chemical sensors etc. | |
RU2388109C1 (en) | Method for production of silicon microchannel membrane in monolithic framing | |
Müller et al. | High aspect ratio microstructures based on anisotropic porous materials | |
JP5528430B2 (en) | Formation method of oxide layer | |
RU2428763C1 (en) | Channel matrix obtaining method | |
Hippo et al. | Formation mechanism of 100-nm-scale periodic structures in silicon using magnetic-field-assisted anodization | |
Bano et al. | SiC nanowire-based transistors for electrical DNA detection | |
RU2433502C1 (en) | Method of producing silicon channel matrix | |
Bellemare et al. | Etching the oxide barrier of micrometer-scale self-organized porous anodic alumina membranes | |
Zeng et al. | Formation of uniform and square nanopore arrays on (100) InP surfaces by a two-step etching method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171102 |