RU2693546C2 - Method for deposition of colloidal nanoparticles of gold on surface of silicon semiconductor plates - Google Patents
Method for deposition of colloidal nanoparticles of gold on surface of silicon semiconductor plates Download PDFInfo
- Publication number
- RU2693546C2 RU2693546C2 RU2016149164A RU2016149164A RU2693546C2 RU 2693546 C2 RU2693546 C2 RU 2693546C2 RU 2016149164 A RU2016149164 A RU 2016149164A RU 2016149164 A RU2016149164 A RU 2016149164A RU 2693546 C2 RU2693546 C2 RU 2693546C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- silicon
- deposition
- gold nanoparticles
- gold
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 30
- 239000010931 gold Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 28
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 27
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 26
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 26
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 230000008021 deposition Effects 0.000 title claims description 16
- 239000010415 colloidal nanoparticle Substances 0.000 title description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 52
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 claims abstract description 21
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 abstract description 17
- 238000003491 array Methods 0.000 abstract description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 31
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 13
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 4
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 4
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 3
- 229920000729 poly(L-lysine) polymer Polymers 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- NJSVDVPGINTNGX-UHFFFAOYSA-N [dimethoxy(propyl)silyl]oxymethanamine Chemical compound CCC[Si](OC)(OC)OCN NJSVDVPGINTNGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 238000005421 electrostatic potential Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 230000005524 hole trap Effects 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- PHQOGHDTIVQXHL-UHFFFAOYSA-N n'-(3-trimethoxysilylpropyl)ethane-1,2-diamine Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCNCCN PHQOGHDTIVQXHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000011860 particles by size Substances 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
- H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
- H01L21/3205—Deposition of non-insulating-, e.g. conductive- or resistive-, layers on insulating layers; After-treatment of these layers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Chemically Coating (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к формированию массивов наночастиц золота на поверхности кремниевых пластин как для создания приборов на их основе, так и их последующего использования в качестве катализаторов роста для полупроводниковых нитевидных нанокристаллов и углеродных нанотрубок, а именно к способу осаждения на поверхность кремниевых полупроводниковых пластин золотых наночастиц из растворов благодаря проведению процессов предварительной ионно-плазменной обработки поверхности этих пластин.The invention relates to the formation of arrays of gold nanoparticles on the surface of silicon wafers for creating devices based on them, and their subsequent use as growth catalysts for threadlike nanocrystals and carbon nanotubes, and specifically to a method for precipitating gold nanoparticles on solutions from silicon semiconductor wafers from solutions due to the preliminary ion-plasma treatment of the surface of these plates.
Уровень техникиThe level of technology
В настоящее время массивы наночастиц золота, созданные на поверхности полупроводниковых, в том числе, кремниевых, пластин представляют большой интерес как с точки зрения создания новых приборов, например, различных биологических сенсоров, работа которых может быть основа на поверхностном плазменном резонансе, флуоресценции и т.д., так и их использовании в качестве катализаторов для синтеза полупроводниковых нитевидных нанокристаллов и углеродных нанотрубок.Currently, arrays of gold nanoparticles created on the surface of semiconductor, including silicon, wafers are of great interest both from the point of view of creating new devices, for example, various biological sensors, whose operation can be based on surface plasma resonance, fluorescence, etc. and their use as catalysts for the synthesis of semiconductor filamentous nanocrystals and carbon nanotubes.
Подобные массивы наночастиц на поверхности полупроводниковых пластин могут быть получены с помощью различных технологических подходов. Так, например, они могут быть созданы путем термического отжига предварительно нанесенной на поверхность пластины тонкой пленки золота. Однако в этом случае будет наблюдаться большая дисперсия по размерам наночастиц золота - от 10 процентов и более, что существенно сужает спектр их возможных применений. В свою очередь минимальный разброс в размерах наночастиц может быть получен при использовании метода электронно-лучевой литографии сверхвысокого разрешения. Тем не менее, данный способ является слишком времязатратным, особенно если необходимо получать массивы наночастиц на большой площади поверхности.Similar arrays of nanoparticles on the surface of semiconductor wafers can be obtained using various technological approaches. For example, they can be created by thermal annealing of a thin film of gold deposited on the plate surface. However, in this case there will be a large dispersion in the size of gold nanoparticles - from 10 percent or more, which significantly narrows the range of their possible applications. In turn, the minimum variation in the size of nanoparticles can be obtained by using the method of electron-beam lithography of high resolution. However, this method is too time-consuming, especially if it is necessary to obtain arrays of nanoparticles on a large surface area.
Поэтому в последнее время уделяется пристальное внимание использованию коллоидных растворов наночастиц золота, которые представляют собой водные растворы наночастиц золота и лигандов, которые необходимы предотвращения образования агломераций. Для их получения наиболее часто используют конденсационные методы. Сепарацию по размерам наночастиц обычно осуществляют с помощью относительно простого метода центрифугирования. Поэтому в настоящее время подобные растворы могут содержать наночастицы с требуемыми диаметрами в достаточно широком диапазоне от единиц до сотен нм. При этом, дисперсия по размерам наночастиц золота может быть менее 2 процентов.Therefore, recently, close attention has been paid to the use of colloidal solutions of gold nanoparticles, which are aqueous solutions of gold nanoparticles and ligands, which are necessary to prevent the formation of agglomerations. To obtain them most often used condensation methods. Nanoparticle size separation is usually carried out using a relatively simple centrifuging method. Therefore, at present, such solutions may contain nanoparticles with the required diameters in a fairly wide range from units to hundreds of nanometers. At the same time, the dispersion in the size of gold nanoparticles can be less than 2 percent.
Несмотря на всю привлекательность использования коллоидных растворов наночастиц золота существует ряд проблем, связанных с процессами их осаждения на поверхность полупроводниковых пластин. С одной стороны, процесс, по сравнению с вышеперечисленными методами, является простым. Достаточно нанести раствор на поверхность, например, кремниевой пластины и дать испариться жидкостной основе. Однако поверхность полупроводниковых подложек зачастую является гидрофобной по отношению к раствору, а сами наночастицы в растворе имеют отрицательный заряд. Поэтому однородное нанесение коллоидного раствора с наночастицами на поверхность полупроводниковых подложек обычно затруднено также как и последующее осаждение наночастиц из данных растворов.Despite the attractiveness of using colloidal solutions of gold nanoparticles, there are a number of problems associated with the processes of their deposition on the surface of semiconductor wafers. On the one hand, the process, compared to the methods listed above, is simple. It is enough to apply the solution to the surface, for example, a silicon wafer and allow the liquid to evaporate. However, the surface of semiconductor substrates is often hydrophobic with respect to the solution, and the nanoparticles themselves in solution have a negative charge. Therefore, the uniform application of a colloidal solution with nanoparticles on the surface of semiconductor substrates is usually difficult as well as the subsequent deposition of nanoparticles from these solutions.
Очевидно, что для улучшении адгезии и более однородного нанесения золотых наночастиц требуется модифицировать свойства, в данном случае, поверхности кремниевых пластин, например, ее заряд. Для этого могут быть использованы различные методы. Так, например, на подложку покрывают слоем синтетического полимера поли-L-лизина (ПЛЛ), на который затем наносят коллоидный раствор наночастиц. Дополнительный полимерный слой существенно улучшает адгезию наночастиц за счет ионного взаимодействия между отрицательно заряженными наночастицами золота с положительно заряженным слоем ПЛЛ. Такой способ подготовки поверхности подложек для нанесения коллоидных наночастиц является довольно простым и широко применяется при создании различных оптических и электронных приборов, а также при синтезе ННК методом газофазной эпитаксии. Тем не менее, существует ряд задач, для решения которых использование подобных полимеров из-за дополнительного неконтролируемого загрязнения поверхности подложек недопустимо. Например, для синтеза полупроводниковых нитевидных нанокристаллов с помощью метода молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) при повышенных температурах может приводить к загрязнению органическими остатками как образца, так и самой высоковакуумной МПЭ установки.It is obvious that in order to improve adhesion and more uniform deposition of gold nanoparticles, it is required to modify the properties, in this case, the surface of silicon wafers, for example, its charge. For this, various methods can be used. For example, a substrate is coated with a layer of a synthetic poly-L-lysine polymer (PLL), which is then coated with a colloidal solution of nanoparticles. An additional polymer layer significantly improves the adhesion of nanoparticles due to ionic interaction between negatively charged gold nanoparticles with a positively charged layer of PLL. This method of preparing the surface of the substrate for the deposition of colloidal nanoparticles is quite simple and is widely used to create various optical and electronic devices, as well as to synthesize nanowires using gas-phase epitaxy. However, there are a number of tasks for which the use of such polymers due to additional uncontrolled contamination of the surface of the substrates is unacceptable. For example, for the synthesis of semiconductor filamentary nanocrystals using the molecular beam epitaxy (MBE) method at elevated temperatures can lead to contamination by organic residues of both the sample and the high vacuum MPE installation.
В свою очередь, осаждение золотых наночастиц из коллоидных растворов на поверхность кремниевых пластин может быть осуществлено и без использования полимеров. Если перед непосредственным нанесением на пластины в коллоидный раствор добавить плавиковую кислоту. Изменение рН коллоидного раствора может привести к дестабилизации наночастиц и выпадению их в осадок. Главным недостатком такого метода является малое время использования раствора (менее минуты), поскольку изменение электролитических свойств может приводить к образованию большого количества агломераций наночастиц.In turn, the deposition of gold nanoparticles from colloidal solutions on the surface of silicon wafers can be carried out without the use of polymers. If you add hydrofluoric acid to the colloidal solution before applying it to the plates. A change in the pH of the colloidal solution may destabilize the nanoparticles and precipitate them. The main disadvantage of this method is the short time of use of the solution (less than a minute), since a change in electrolytic properties can lead to the formation of a large number of agglomerations of nanoparticles.
Еще один способ осаждения наночастиц золота из коллоидных растворов базируется на использовании электроспрея. В этом случае коллоидный раствор пропускается через капилляр в сильном электрическом поле. В результате электродинамического распада на кончике капилляра раствор распылялся маленькими заряженными каплями, в которых содержатся наночастицы. Далее наночастицы в потоке газа носителя могут быть доставлены на на полупроводниковую подложку. Данный метод аналогичен методу нанесения аэрозольных частиц, но при этом может быть осуществлена дополнительная сепарация частиц по размерам. Также при таком нанесении отсутствует необходимость обработки поверхности полимером для адгезии наночастиц. При этом плотность наночастиц может неконтролируемо варьироваться в широком диапазоне по подложке. Кроме того, нанесение коллоидного раствора наночастиц золота с помощью электроспрея является существенно более дорогим и сложным по сравнению с методом прямого нанесения.Another way to precipitate gold nanoparticles from colloidal solutions is based on the use of electrospray. In this case, the colloidal solution is passed through a capillary in a strong electric field. As a result of electrodynamic decomposition at the tip of the capillary, the solution was sprayed with small charged drops containing nanoparticles. Further, the nanoparticles in the carrier gas flow can be delivered to the semiconductor substrate. This method is similar to the method of applying aerosol particles, but it can be carried out additional separation of particles by size. Also, with this application, there is no need for surface treatment with a polymer to adhere nanoparticles. At the same time, the density of nanoparticles can vary uncontrollably in a wide range over the substrate. In addition, the application of a colloidal solution of gold nanoparticles using electrospray is significantly more expensive and difficult compared to the direct deposition method.
Поэтому, способ основанный на проведении процессов предварительной ионно-плазменной обработки поверхности кремниевых пластин с целью создания возможности для прямого нанесения наночастиц золота из коллоидных растворов обладает рядом существенных преимуществ.Therefore, the method based on carrying out the processes of preliminary ion-plasma treatment of the surface of silicon wafers in order to create the possibility for the direct deposition of gold nanoparticles from colloidal solutions has a number of significant advantages.
Наиболее близкими к предлагаемому техническому решению являются следующие изобретения:The closest to the proposed technical solution are the following inventions:
Патент WO 2011017016 A1 «Selective deposition of nanoparticle on semiconductor substrate using electron beam lithography and galvanic reaction» (номер заявки PCT/US 2010/042942, опубл. 10.02.2011 г.), в котором описан способ создания массивов наночастиц на поверхности подложек методом их роста в предварительно созданных местах с помощью полимерных слоев.Patent WO 2011017016 A1 "Selective deposition of a nanoparticle on a semiconductor substrate using an electron beam reaction and a galvanic reaction" (application number PCT / US 2010/042942, publ. 10.02.2011), which describes how to create arrays of nanoparticles on the surface of the substrate by their growth in previously created places using polymer layers.
Данный способ базируется на использовании достаточно технологически сложных процессов, связанных как с нанесением полимерных слоев и созданием масок, так и непосредственного роста наночастиц благородных металлов.This method is based on the use of quite technologically complex processes associated with the application of polymer layers and the creation of masks, as well as the direct growth of nanoparticles of noble metals.
Наиболее близким способом к предлагаемому изобретению и выбранным за прототип является «Method of depositing nanometer scale particles» (см. US 5997958 А, номер заявки US 09/038,939, опубл. 07.12.1999 г.), в которой описан метод нанесения наночастиц металлов, например, золота, на кремниевую подложку с помощью осаждения наночастиц на поверхность предварительно обработанную в растворе 3-(2-аминоэтиламино) пропилтриметоксисилана (APTMS). Данный способ также может быть использован для получения массивов наночастиц золота на поверхности кремниевых пластин, однако при его использовании возможно образование больших агломераций наночастиц.The closest way to the proposed invention and selected for the prototype is "Method of depositing nanometer scale particles" (see US 5997958 A, application number US 09 / 038,939, publ. 12.12.1999), which describes a method of applying metal nanoparticles, for example, gold, on a silicon substrate using the deposition of nanoparticles on the surface pretreated in a solution of 3- (2-aminoethylamino) propyltrimethoxysilane (APTMS). This method can also be used to obtain arrays of gold nanoparticles on the surface of silicon wafers; however, using it, it is possible to form large agglomerations of nanoparticles.
Раскрытие изобретенияDISCLOSURE OF INVENTION
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является контролируемое нанесение золотых наночастиц на поверхность кремниевых полупроводниковых пластин.The problem solved by the present invention is the controlled deposition of gold nanoparticles on the surface of silicon semiconductor wafers.
Технический результат достигается за счет предварительной обработки (активации) поверхности полупроводниковых пластин, предусматривающем ионно-плазменную обработку в тлеющем разряде ионным пучком инертного газа такого, как аргон или ксенон.The technical result is achieved by pre-processing (activation) of the surface of semiconductor wafers, which involves ion-plasma treatment in a glow discharge with an ion beam of an inert gas such as argon or xenon.
Во время проведения предварительной обработки вследствие инертности атомов аргона (или ксенона) химические связи не образуются, а происходит образование дефектов таких, как объемные дефекты двуокиси кремния (Е’-центры) и приповерхностные дефекты на границе раздела Si/SiO2 (Pb-центры). При этом накопление поверхностного заряда носит следующий механизм. В результате плазменной обработки происходит генерация как вышеперечисленных РЬ и Е' центров, так и электронно-дырочных пар. Под действием электрического поля, вызванного положительно заряженными ионами аргона или ксенона более подвижные электроны покидают окисел. При этом атомы кремния, имеющие ненасыщенную химическую связь, действуют как дырочные ловушки и положительно заряжаются при отдаче электрона. В результате этого происходит накопление дырочного заряда, что приводит к возникновению встроенного положительного электростатического потенциала и изменению приповерхностных электрофизических свойств подложки кремния.During the pre-treatment because of the inertia of argon (or xenon) chemical bonds are formed, and the formation of defects such as defects in the bulk silicon dioxide (E 'centers) and near-surface defects on the boundary section Si / SiO 2 (Pb-centers) . In this case, the accumulation of the surface charge carries the following mechanism. As a result of the plasma treatment, the above-mentioned Pb and E 'centers, as well as electron-hole pairs, are generated. Under the action of an electric field caused by positively charged ions of argon or xenon, more mobile electrons leave the oxide. In this case, silicon atoms with an unsaturated chemical bond act as hole traps and are positively charged when the electron is recovered. As a result, a hole charge accumulates, which leads to the appearance of an embedded positive electrostatic potential and a change in the near-surface electrophysical properties of the silicon substrate.
При последующем нанесении коллоидного раствора на обработанную указанным способом поверхность кремниевых подложек, вследствие модификации поверхности и улучшению гидрофильных свойств происходит равномерное растекание раствора (см. Фиг. 1).Upon subsequent application of the colloidal solution onto the surface of silicon substrates treated in this way, due to surface modification and improvement of hydrophilic properties, the solution spreads evenly (see Fig. 1).
Непосредственное нанесение коллоидного раствора наночастиц золота может осуществляться любым способом. Для улучшения контроля над процессами нанесения могут быть использованы различные дозаторы. В результате нанесения наночастицы из раствора будут осаждаться на поверхность обработанной кремниевой пластины (см. Фиг. 2). Поверхностная плотность наночастиц будет зависеть от времени осаждения (см. Фиг. 3) и может варьироваться в широком диапазоне. По завершению процесса осаждения, остатки коллоидного раствора должны быть удалены в потоке газообразного азота.Direct application of a colloidal solution of gold nanoparticles can be carried out in any way. Various dispensers can be used to improve control over the application processes. As a result of the deposition, the nanoparticles from the solution will be deposited on the surface of the treated silicon wafer (see Fig. 2). The surface density of the nanoparticles will depend on the deposition time (see Fig. 3) and can vary over a wide range. Upon completion of the precipitation process, residual colloidal solution should be removed in a stream of nitrogen gas.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг. 1 - Схематическое изображение установления равновесного контакта капли коллоидного раствора на поверхности Si.FIG. 1 - Schematic representation of the establishment of the equilibrium contact of a drop of a colloidal solution on the Si surface.
Фиг. 2 - Изображение, полученное с помощью растровой электронной микроскопии, поверхности кремниевой пластины с осажденными за 15 секунд наночастицами золота диаметром РЭМ изображения наночастиц золота с диаметрами равными 40 нм. Масштабная метка соответствует 200 нм.FIG. 2 - Image obtained using scanning electron microscopy, the surface of a silicon wafer with gold nanoparticles precipitated in 15 seconds with an SEM diameter of gold nanoparticles with diameters equal to 40 nm. Scale mark corresponds to 200 nm.
Фиг. 3 - Зависимость поверхностной плотности наночастиц золота с диаметром 40 нм от времени осаждения на поверхность кремниевой подложки.FIG. 3 - Dependence of the surface density of gold nanoparticles with a diameter of 40 nm on the time of deposition on the surface of a silicon substrate.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Для проведения процессов предварительной обработки кремниевые пластины с естественным или нанесенным слоем окисла должны быть помещены в вакуумную камеру, обеспечивающую возможность нагрева до 100°C, а также возможность обработки поверхности в плазме тлеющего разряда или ионным пучком инертного газа (аргона, ксенона). Вакуумная система должна обеспечивать остаточное давление в рабочей камере не хуже 5*10-6 мБар.For pretreatment processes, silicon wafers with a natural or deposited oxide layer should be placed in a vacuum chamber that can be heated to 100 ° C, as well as the possibility of surface treatment in a glow discharge plasma or an ion beam of inert gas (argon, xenon). The vacuum system should provide a residual pressure in the working chamber not worse than 5 * 10 -6 mbar.
После вакуумизации образцы нагреваются до температуры 90-100°C. В случае работы с установкой с тлеющим разрядом в рабочую камеру напускается инертный газ до давления р~3-7*10-2 мБар и поджигается разряд с напряжением от 500 до 1000 В и плотностью тока j от 10 до 100 мкА/см. В случае работы с установкой с ионным пучком инертный газ подается в разрядную камеру ионной пушки и обеспечиваются условия для обработки ионами с энергией от 500 до 10000 эВ и плотностью тока от 10 до 500 мкА/см2.After evacuation, the samples are heated to a temperature of 90-100 ° C. In the case of operation with a glow discharge unit, an inert gas is fed into the working chamber to a pressure of p ~ 3-7 * 10 -2 mbar and the discharge is ignited with a voltage of 500 to 1000 V and a current density j from 10 to 100 μA / cm. In the case of operation with an ion beam installation, inert gas is fed into the discharge chamber of the ion gun and conditions are provided for treatment with ions with energy from 500 to 10,000 eV and current density from 10 to 500 μA / cm 2 .
Обработка проводится в течение времени обеспечивающей достижение экспозиции соответствующей плотности энергии от 1 до 10 Дж/см. Для снижения плотности радиационных дефектов при использовании ионных пучков высоких энергий образцы должны располагаться под углом к направлению пучка от 45 до 80 градусов по отношению к нормали поверхности.The treatment is carried out over a period of time ensuring that the exposure achieves an appropriate energy density from 1 to 10 J / cm. To reduce the density of radiation defects when using high energy ion beams, the samples should be placed at an angle to the beam direction from 45 to 80 degrees relative to the surface normal.
После ионно-плазменной или ионно-лучевой обработки разряд или пучок выключаются, и рабочая камера откачивается до остаточного давления. Разгерметизация проводится только после остывания образцов и не позднее чем через 2 часа.After ion-plasma or ion-beam treatment, the discharge or beam is turned off, and the working chamber is pumped out to a residual pressure. Depressurization is carried out only after the samples have cooled down and no later than 2 hours later.
В результате обработки происходит модификация поверхностных свойств кремниевых пластин вследствие образования дефектов, которая приводит к появлению избыточного положительного заряда на поверхности.As a result of processing, the surface properties of the silicon wafers are modified due to the formation of defects, which leads to the appearance of an excess positive charge on the surface.
Непосредственное осаждение наночастиц золота осуществляется методом прямого нанесения коллоидного раствора на поверхность обработанной кремниевой пластины. Поверхностная плотность наночастиц контролируется временем нахождения коллоидного раствора на поверхности обработанной пластины. После проведения осаждения требуемой длительности остатки раствора могут быть удалены с помощью любого доступного способа, например, потока сжатого воздуха или азота.The direct deposition of gold nanoparticles is carried out by the method of direct deposition of a colloidal solution on the surface of the treated silicon wafer. The surface density of the nanoparticles is controlled by the residence time of the colloidal solution on the surface of the treated plate. After conducting the precipitation of the required duration, residual solution can be removed using any available method, for example, a stream of compressed air or nitrogen.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016149164A RU2693546C2 (en) | 2016-12-14 | 2016-12-14 | Method for deposition of colloidal nanoparticles of gold on surface of silicon semiconductor plates |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016149164A RU2693546C2 (en) | 2016-12-14 | 2016-12-14 | Method for deposition of colloidal nanoparticles of gold on surface of silicon semiconductor plates |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016149164A RU2016149164A (en) | 2018-06-18 |
| RU2016149164A3 RU2016149164A3 (en) | 2019-01-30 |
| RU2693546C2 true RU2693546C2 (en) | 2019-07-03 |
Family
ID=62619464
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016149164A RU2693546C2 (en) | 2016-12-14 | 2016-12-14 | Method for deposition of colloidal nanoparticles of gold on surface of silicon semiconductor plates |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2693546C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5997958A (en) * | 1997-03-13 | 1999-12-07 | Hitachi Europe Limited | Method of depositing nanometer scale particles |
| US7838074B2 (en) * | 2005-09-29 | 2010-11-23 | Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) | Method for preparing an oriented and nanostructured surface of a polymer |
| WO2011017016A1 (en) * | 2009-07-29 | 2011-02-10 | Massachusetts Institute Of Technology | Selective deposition of nanoparticle on semiconductor substrate using electron beam lithography and galvanic reaction |
| CN102978592A (en) * | 2012-12-24 | 2013-03-20 | 厦门大学 | Method for depositing gold nanoparticles on silicon surface by wet process |
-
2016
- 2016-12-14 RU RU2016149164A patent/RU2693546C2/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5997958A (en) * | 1997-03-13 | 1999-12-07 | Hitachi Europe Limited | Method of depositing nanometer scale particles |
| US7838074B2 (en) * | 2005-09-29 | 2010-11-23 | Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) | Method for preparing an oriented and nanostructured surface of a polymer |
| WO2011017016A1 (en) * | 2009-07-29 | 2011-02-10 | Massachusetts Institute Of Technology | Selective deposition of nanoparticle on semiconductor substrate using electron beam lithography and galvanic reaction |
| CN102978592A (en) * | 2012-12-24 | 2013-03-20 | 厦门大学 | Method for depositing gold nanoparticles on silicon surface by wet process |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| D Buttard, F Oelher and T David, Gold colloidal nanoparticle electrodeposition on a silicon surface in a uniform electric field, Buttard et al. Nanoscale Research Letters, 2011. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016149164A (en) | 2018-06-18 |
| RU2016149164A3 (en) | 2019-01-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7232771B2 (en) | Method and apparatus for depositing charge and/or nanoparticles | |
| US8093494B2 (en) | Methods of making functionalized nanorods | |
| JP6864376B2 (en) | Extremely shallow etching method using neutral beam processing based on gas cluster ion beam technology | |
| KR100499594B1 (en) | Method for forming ordered structure of fine metal particles | |
| US7592269B2 (en) | Method and apparatus for depositing charge and/or nanoparticles | |
| WO1999047726A1 (en) | Process for depositing atomic to nanometer particle coatings on host particles | |
| JP5680552B2 (en) | Method of forming nanowires and related optical component manufacturing method | |
| JP2010513032A (en) | Method for manufacturing quantum dots embedded in a matrix and quantum dots embedded in a matrix manufactured using the method | |
| JP2012516242A5 (en) | ||
| Zayer et al. | Accurate controlled deposition of silver nanoparticles on porous silicon by drifted ions in electrolytic solution | |
| Park et al. | Effect of electric bias on the deposition behavior of ZnO nanostructures in the chemical vapor deposition process | |
| Altmann et al. | Polymer deposition morphology by electrospray deposition-Modifications through distance variation | |
| US7829139B2 (en) | Method of making nanoparticle wires | |
| RU2693546C2 (en) | Method for deposition of colloidal nanoparticles of gold on surface of silicon semiconductor plates | |
| JP2011158257A (en) | Sample for image resolution evaluation, charged particle beam device, and sample preparation method | |
| JP2007182349A (en) | Method for producing nanotube and quantum dot | |
| Naim et al. | Electrostatic deposition of aerosol particles generated from an aqueous nanopowder suspension on a chemically treated substrate | |
| US8883266B2 (en) | Irradiation assisted nucleation of quantum confinements by atomic layer deposition | |
| US9321633B2 (en) | Process for producing 3-dimensional structure assembled from nanoparticles | |
| WO2004074173A1 (en) | Method of forming quantum layer and patterned structure by multiple dip-coating process | |
| CN115260567B (en) | Method for preparing micrometer/nanometer pore polymer film | |
| Rehacek et al. | Deposition of gold nanoparticles from colloid on TiO surface | |
| Das et al. | Implementation of complex nanosystems using a versatile ultrahigh vacuum nonlithographic technique | |
| RU2712534C9 (en) | Method of forming thin ordered semiconductor filamentary nanocrystals without participation of external catalyst on silicon substrates | |
| Potejanasak | Agglomeration control of self-organized gold nanodots on the chemically treated quartz substrate |