RU2433502C1

RU2433502C1 - Method of producing silicon channel matrix

Info

Publication number: RU2433502C1
Application number: RU2010128369/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Романов (RU); Сергей Иванович Романов; Наталья Владимировна Вандышева (RU); Наталья Владимировна Вандышева; Александр Фёдорович Данилюк (RU); Александр Фёдорович Данилюк; Ольга Ивановна Семенова (RU); Ольга Ивановна Семенова; Сергей Сергеевич Косолобов (RU); Сергей Сергеевич Косолобов
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2011-11-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: proposed method comprises anode etching of single-crystal p-type silicon with seed holes on surface in solution of electrolytes containing ions of hydrogen and fluorine, stopping opened micro channels by plugs of silicon dioxide nanoparticles to perform low-temperature deposition of porous-silicon film on matrix continuous surface and produce channels from pores of said silicon in entire nanometre range.

EFFECT: decreased transverse sizes of channels, expanded range of products, lower costs.

7 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится преимущественно к области мембранных нанотехнологий, индустрии наносистем и материалов, молекулярной биологии, генетике и цитологии и может быть использовано в производстве нанофлюидных фильтров для разделения и концентрирования наноматериалов, в изготовлении биосенсорных устройств и приборов медицинской диагностики, а также при создании активных сред для источников лазерной генерации на наночастицах.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 manufacture of nanofluidic filters for separation and concentration of nanomaterials, in the manufacture of biosensor devices and medical diagnostic devices, as well as in the creation of active media for sources laser generation on nanoparticles.

Известен способ получения микроканального кремния (Lehmann V., Rönnebeck S.J. Electrochem. Soc., 146 (8), 2968-2975 (1999)), включающий создание затравочных ямок на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния электронного или дырочного типа, формирование на тыльной стороне пластины омического контакта и анодное травление в водных растворах фтористого водорода.A known method of producing microchannel silicon (Lehmann V., Rönnebeck SJ Electrochem. Soc., 146 (8), 2968-2975 (1999)), including the creation of seed pits on the front surface of the wafer of single-crystal silicon electron or hole type, the formation on the back side of the wafer ohmic contact and anodic etching in aqueous solutions of hydrogen fluoride.

Основным недостатком известного способа является тот факт, что получаемый микроканальный кремний имеет поперечные размеры каналов в микрометровом диапазоне и поэтому не может быть использован в качестве фильтров для наноматериалов.The main disadvantage of this method is the fact that the resulting microchannel silicon has a transverse channel size in the micrometer range and therefore cannot be used as filters for nanomaterials.

Из известных способов получения матриц со сквозными каналами наиболее близок к заявляемому является способ, представленный в патенте США №5997713, Charles P. Beetz, Robert W. Boerstler, John Steinbeck, David R. Winn, МПК C25D 5/34, 1999 года. Согласно этому способу матрицу со сквозными каналами получают посредством создания упорядоченно расположенных затравочных ямок на фронтальной поверхности монокристаллического кремния дырочного типа, формирования омического контакта на тыльной поверхности пластины, анодного травления в растворе электролитов, содержащем ионы водорода и фтора, и вскрытия каналов.Of the known methods for producing arrays with through channels, the closest to the claimed one is the method presented in US patent No. 5997713, Charles P. Beetz, Robert W. Boerstler, John Steinbeck, David R. Winn, IPC C25D 5/34, 1999. According to this method, a matrix with through channels is obtained by creating ordered seed pits on the front surface of hole-type single-crystal silicon, forming an ohmic contact on the back surface of the plate, anode etching in an electrolyte solution containing hydrogen and fluorine ions, and opening the channels.

Основным недостатком известного 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 ультрадиспергированные вещества органического и неорганического происхождения в нанометровом диапазоне размеров. Отмеченный недостаток затрудняет использование канальных матриц, полученных существующим способом.The main disadvantage of this 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 obtained microchannel matrices does not allow to separate and concentrate ultradispersed substances of organic and inorganic origin in the nanometer size range. The noted drawback complicates the use of channel matrices obtained by the existing method.

Техническим результатом изобретения является значительное уменьшение поперечных размеров каналов за счет перекрывания микроканалов осажденным пористым кремнием и создания в нем каналов с нанометровыми поперечными размерами.The technical result of the invention is a significant reduction in the transverse dimensions of the channels due to the overlapping of the microchannels by deposited porous silicon and the creation of channels with nanometer transverse dimensions in it.

Технический результат достигается тем, что в способе получения кремниевой 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, и вскрытие микроканалов, причем на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа вскрытые микроканалы перекрывают пробками из наночастиц двуокиси кремния, осуществляют осаждение пористого кремния на фронтальную поверхность пластины монокристаллического кремния дырочного типа с перекрытыми пробками из наночастиц двуокиси кремния микроканалами и затем удаляют пробки из наночастиц двуокиси кремния.The technical result is achieved by the fact that in the method for producing a silicon channel matrix, which includes 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 a hole type single crystal silicon wafer, anode etching in an electrolyte solution containing hydrogen ions and fluorine, and opening of microchannels, moreover, on the front surface of a plate of single-crystal silicon hole type, the opened microchannels are blocked with plugs of silicon dioxide nanoparticles, porous silicon is deposited on the front surface of a hole type single-crystal silicon wafer with blocked plugs of silicon dioxide nanoparticles by microchannels, and then the plugs are removed from silicon dioxide nanoparticles.

В способе после удаления из микроканалов пробок из наночастиц двуокиси кремния создают каналы в осажденном пористом кремнии до получения заданного поперечного размера каналов.In the method, after removing the plugs from the silicon dioxide nanoparticles from the microchannels, channels are formed in the deposited porous silicon to obtain a predetermined lateral size of the channels.

В способе на фронтальную поверхность пластины монокристаллического кремния дырочного типа с перекрытыми пробками из наночастиц двуокиси кремния микроканалами проводят осаждение пористого кремния плазмохимическим методом.In the method, the porous silicon is deposited by the plasma-chemical method on the front surface of a hole-type single-crystal silicon wafer with blocked plugs of silicon dioxide nanoparticles by microchannels.

В способе удаление из микроканалов пробок из наночастиц двуокиси кремния осуществляют химическим или электрохимическим травлением.In the method, the removal from the microchannels of plugs from silicon dioxide nanoparticles is carried out by chemical or electrochemical etching.

В способе создание каналов в осажденном пористом кремнии выполняют химическим или термическим окислением кремния с последующим удалением окислов кремния химическим травлением.In the method, the creation of channels in the deposited porous silicon is performed by chemical or thermal oxidation of silicon, followed by removal of silicon oxides by chemical etching.

В способе создание каналов в осажденном пористом кремнии выполняют электрохимическим травлением кремния.In the method, the creation of channels in the deposited porous silicon is performed by electrochemical etching of silicon.

В способе создание каналов в осажденном пористом кремнии проводят неоднократно до получения заданного поперечного размера каналов.In the method, the creation of channels in the deposited porous silicon is carried out repeatedly until a given transverse size of the channels is obtained.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.The invention is illustrated by the following description and the accompanying drawings.

На фиг.1 приведена схема получения кремниевой канальной матрицы предлагаемым способом: позиция 1 - исходная пластина монокристаллического кремния дырочного типа, позиция 2 - пластина монокристаллического кремния дырочного типа с упорядоченно расположенными затравочными ямками на фронтальной поверхности, позиция 3 - пластина монокристаллического кремния дырочного типа с затравочными ямками и омическим контактом на тыльной поверхности, позиция 4 - канальная матрица с невскрытыми микроканалами, позиция 5 - канальная матрица с вскрытыми микроканалами, позиция 6 - канальная матрица с перекрытыми пробками из наночастиц двуокиси кремния микроканалами на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа, позиция 7 - канальная матрица с осажденным пористым кремнием на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа с перекрытыми пробками из наночастиц двуокиси кремния микроканалами, позиция 8 - кремниевая канальная матрица (молекулярная матрица) с осажденным пористым кремнием на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа после удаления из микроканалов пробок из наночастиц двуокиси кремния, позиция 9 - кремниевая канальная матрица с созданными каналами в осажденном пористом кремнии. Элементы: 1 - пластина монокристаллического кремния дырочного типа, 2 - затравочная ямка, упорядоченно расположенная на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа, 3 - монолитная часть пластины монокристаллического кремния дырочного типа, 4 - омический контакт на тыльной поверхности пластины, 5 - невскрытый микроканал, 6 - вскрытый микроканал, 7 - канальная матрица с вскрытыми микроканалами, 8 - пробка из наночастиц двуокиси кремния, перекрывающая вскрытый микроканал, 9 - осажденный пористый кремний, 10 - кремниевая канальная матрица (молекулярная матрица) с осажденным пористым кремнием, 11 - осажденный пористый кремний с созданными каналами, 12 - кремниевая канальная матрица с созданными в осажденном пористом кремнии каналами.Figure 1 shows a diagram of the silicon channel matrix of the proposed method: position 1 - the initial plate of single-crystal silicon hole type, position 2 - the plate single-crystal silicon hole type with ordered seed holes on the front surface, position 3 - the plate single-crystal silicon hole type with seed holes and ohmic contact on the back surface, position 4 is a channel matrix with unopened microchannels, position 5 is a channel matrix with open mic rock channels, position 6 is a channel matrix with overlapped plugs of silicon dioxide nanoparticles by microchannels on the front surface of a hole-type single crystal silicon plate, position 7 is a channel matrix with deposited porous silicon on the front surface of a hole type monocrystalline silicon plate with overlapped plugs of silicon dioxide nanoparticle micro-channels, position 8 — silicon channel matrix (molecular matrix) with deposited porous silicon on the front surface of the monofilament plate hole-type crystalline silicon after removing plugs from silicon dioxide nanoparticles from microchannels, position 9 is a silicon channel matrix with created channels in deposited porous silicon. Elements: 1 - hole-type single-crystal silicon wafer, 2 - hole-type hole, arranged orderly on the front surface of hole-type single-crystal silicon wafer, 3 - monolithic part of hole-type single-crystal silicon wafer, 4 - ohmic contact on the back surface of the wafer, 5 - unopened microchannel, 6 - open microchannel, 7 - channel matrix with open microchannels, 8 - plug of silicon dioxide nanoparticles, overlapping open microchannel, 9 - deposited porous silicon, 10 - silicon A channel channel matrix (molecular matrix) with deposited porous silicon, 11 is deposited porous silicon with created channels, 12 is a silicon channel matrix with channels created in deposited porous silicon.

На фиг.2 показано электронно-микроскопическое изображение упорядоченно расположенных затравочных ямок на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа, элементы 2 и 3 на поз.2 фиг.1.Figure 2 shows the electron microscopic image of the ordered seed pits on the front surface of the plate of single-crystal silicon hole type, elements 2 and 3 in position 2 of figure 1.

На фиг.3 представлены электронно-микроскопические изображения сверху, фиг.3(а), и сбоку, фиг.3(б), канальной матрицы с невскрытыми микроканалами, элементы 3 и 5 на поз.4 фиг.1.Figure 3 presents the electron microscopic image on top, figure 3 (a), and on the side, figure 3 (b), channel matrix with unopened microchannels, elements 3 and 5 in position 4 of figure 1.

На фиг.4 приведены электронномикроскопические изображения поверхностей а) канальной матрицы с вскрытыми микроканалами, перекрытыми пробками из наночастиц двуокиси кремния (кремнеземные пробки), фиг.4(а), и б) кремнеземной пробки в отдельном микроканале, фиг.4(б), элементы 6, 7 и 8 на поз.5 и 6 фиг.1.Figure 4 shows electron microscopic images of the surfaces of a) a channel matrix with open microchannels, blocked by plugs of silicon dioxide nanoparticles (silica plugs), Fig. 4 (a), and b) silica plugs in a separate microchannel, Fig. 4 (b), elements 6, 7 and 8 in pos.5 and 6 of figure 1.

На фиг.5 (а) представлен электронно-микроскопический снимок канальной матрицы с осажденным пористым кремнием на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа с перекрытыми кремнеземными пробками микроканалами, элементы 7 и 9 на поз.7 фиг.1. На фиг.5(б) дается электронно-микроскопическое изображение поверхности осажденного пористого кремния кремниевой канальной матрицы (молекулярной матрицы) в отдельном микроканале после удаления кремнеземных пробок, элемент 9 на поз.8 фиг.1. На фиг.5(в) и фиг.5(г) представлены электронно-микроскопические снимки поверхностей осажденного пористого кремния с созданными каналами кремниевой канальной матрицы в отдельном микроканале, элемент 11 на поз.9 фиг.1.Figure 5 (a) shows an electron microscopic image of a channel matrix with deposited porous silicon on the front surface of a hole-type single-crystal silicon wafer with microchannels blocked by silica plugs, elements 7 and 9 in item 7 of Fig. 1. Figure 5 (b) gives an electron microscopic image of the surface of the deposited porous silicon silicon channel matrix (molecular matrix) in a separate microchannel after removing silica plugs, element 9 in position 8 of figure 1. Figure 5 (c) and figure 5 (d) presents electron microscopic images of the surfaces of the deposited porous silicon with the created channels of the silicon channel matrix in a separate microchannel, element 11 in position 9 of figure 1.

На фиг.6 приведены оптические снимки кремниевой канальной матрицы (молекулярной матрицы) после экспериментов по селективному фильтрованию полупроводниковых наночастиц со стороны наноканальной мембраны, фиг.6(а), и со стороны микроканальной основы, фиг.6(б), элементы 9 и 10 на поз.8 фиг.1.Fig.6 shows optical images of a silicon channel matrix (molecular matrix) after experiments on the selective filtering of semiconductor nanoparticles from the side of the nanochannel membrane, Fig.6 (a), and from the side of the microchannel base, Fig.6 (b), elements 9 and 10 in position 8 of figure 1.

Сущность изобретения заключается в том, что при получении кремниевой канальной матрицы после анодного травления и вскрытия микроканалов проводятся дополнительные операции, не применяемые в известном способе, а именно: перекрывание кремнеземными пробками микроканалов и осаждение пористого кремния с последующим созданием в нем каналов с заданным поперечным размером. После того как в известном способе на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа (фиг.1 поз.1 элемент 1) с помощью фотолитографии по слою двуокиси кремния и химического травления кремния в окнах диэлектрика созданы упорядоченно расположенные затравочные ямки (фиг.1 поз.2 и фиг.2 элемент 2), сформирован омический контакт на тыльной поверхности монокристаллического кремния дырочного типа (фиг.1 поз.3 элемент 4), проведено анодное травление каналов (фиг.1 поз.4 и фиг.3 элемент 5) и осуществлено их вскрытие (фиг.1 поз.5 элемент 6), на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа вскрытые микроканалы перекрывают кремнеземными пробками (фиг.1 поз.6 и фиг.4 элемент 8) и проводят осаждение пористого кремния в виде сплошной пленки (фиг.1 поз.7 и фиг.5(а) элемент 9), составляющей после удаления пробок из микроканалов основу молекулярной матрицы - кремниевой канальной матрицы с каналами в несколько нанометров (фиг.1 поз.8 и фиг.5(б)), которые впоследствии доводят до заданного поперечного размера (фиг.1 поз.9, фиг.5(в) и фиг.5(г) элемент 11).The essence of the invention lies in the fact that upon receipt of the silicon channel matrix after anodic etching and opening of the microchannels, additional operations are carried out that are not used in the known method, namely, overlapping silica plugs of the microchannels and the deposition of porous silicon with the subsequent creation of channels with a given transverse size in it. Once in the known method on the front surface of the plate of single-crystal silicon hole type (Fig. 1 item 1 element 1) using photolithography on a layer of silicon dioxide and chemical etching of silicon in the windows of the dielectric created orderly located seed pits (figure 1 item 2 and Fig. 2 element 2), an ohmic contact is formed on the back surface of single-crystal silicon of the hole type (Fig. 1 pos. 3 element 4), anodic etching of the channels is carried out (Fig. 1 pos. 4 and Fig. 3 element 5) and their autopsy (Fig. 1, pos. 5 element 6), on the front surface of a plate of single-crystal silicon of a hole type, the opened microchannels are blocked with silica plugs (Fig. 1, pos. 6 and Fig. 4, element 8) and porous silicon is deposited in the form of a continuous film (Fig. 1, pos. 7 and FIG. 5 (a) element 9), which, after removing the plugs from the microchannels, forms the basis of the molecular matrix — a silicon channel matrix with channels of several nanometers (FIG. 1, pos. 8 and FIG. 5 (b)), which are subsequently adjusted to a predetermined lateral size ( Fig.1 pos.9, Fig.5 (c) and Fig.5 (d) element 11).

Введением кремнеземных пробок в микроканалы подготовленной анодным травлением и вскрытием каналов матрицы получают сплошную фронтальную поверхность кремниевой пластины, фиг.4. На этой поверхности низкотемпературным плазмохимическим осаждением кремния при температурах, не превышающих 300°С, создают сплошную пленку пористого кремния, которая пропускает через свою структуру водные растворы электролитов при анодном и химическом травлении кремния и его окислов, фиг.5(а). После химического или электрохимического удаления пробок, состоящих из наночастиц SiO₂ диаметром 50-100 нм, получают молекулярную матрицу, включающую в себя кремниевую пленку толщиной 100-500 нм, свободно висящую над микроканалами, фиг.5(б), и микроканальную основу, представления о которой дают снимки на фиг.3. Размеры пор - дефектов структуры пленки, не превышают нескольких нанометров (N.J.Shevchik, W.Paul "Voids in amorphous semiconductors", J. Non-Crystalline Solids, 16 (1974) 55-71).By introducing silica plugs into the microchannels prepared by anodic etching and opening the matrix channels, a continuous frontal surface of the silicon wafer is obtained, Fig. 4. On this surface, low-temperature plasma-chemical deposition of silicon at temperatures not exceeding 300 ° C creates a continuous film of porous silicon, which passes through its structure aqueous solutions of electrolytes during anodic and chemical etching of silicon and its oxides, Fig. 5 (a). After chemical or electrochemical removal of plugs consisting of SiO ₂ nanoparticles with a diameter of 50-100 nm, a molecular matrix is obtained, including a silicon film 100-500 nm thick, hanging freely over the microchannels, Fig. 5 (b), and the microchannel base, representations about which give pictures in figure 3. The pore sizes, which are defects in the film structure, do not exceed several nanometers (NJShevchik, W. Paul "Voids in amorphous semiconductors", J. Non-Crystalline Solids, 16 (1974) 55-71).

Слабым химическим или термическим окислением развитой внутренней поверхности пленки пористого кремния с последующим удалением окислов кремния химическим травлением, а также прямой электрохимической обработкой поры в пленке превращают в каналы, размеры которых контролируемым образом увеличивают до получения заданного поперечного размера, фиг.5 (в) и фиг.5 (г), что невозможно получить известным способом.By weak chemical or thermal oxidation of the developed inner surface of the porous silicon film, followed by the removal of silicon oxides by chemical etching, as well as by direct electrochemical treatment, the pores in the film are converted into channels, the dimensions of which are controlled in a controlled manner to obtain a given transverse size, FIG. 5 (c) and FIG. .5 (g), which is impossible to obtain in a known manner.

Поскольку при изготовлении кремниевой канальной матрицы поперечные размеры каналов со стороны фронтальной поверхности пластины постоянно увеличивают, предлагаемый способ получает краткое название «способа "снизу-вверх"». Нанометровые каналы расположены достаточно упорядоченно за счет проявления, в какой-то степени, эффекта наносферной литографии от наночастиц кремнезема, составляющих структуру пробок и создающих поверхностный рельеф осажденной кремниевой пленки, фиг.5.Since in the manufacture of a silicon channel matrix, the transverse dimensions of the channels from the side of the frontal surface of the wafer are constantly increasing, the proposed method is briefly called the “bottom-up method”. The nanometer channels are arranged quite orderly due to the manifestation, to some extent, of the effect of nanospheric lithography from silica nanoparticles that make up the structure of the tubes and create a surface relief of the deposited silicon film, Fig. 5.

Применение рассмотренных выше операций дает возможность создать кремниевую канальную матрицу, конструкция которой отличается монолитным соединением наноканальной мембраны с несущей микроканальной основой и имеет достаточно упорядоченно расположенные каналы нанометрового диапазона, фиг.3, фиг.4 и фиг.5. Конструкция заключена в монолитное обрамление из пластины монокристаллического кремния, что позволяет использовать кремниевую канальную матрицу в качестве элементов приборных устройств, принцип работы которых основан на применении мембранных нанотехнологий, фиг.6.The application of the above operations makes it possible to create a silicon channel matrix, the design of which is distinguished by a monolithic connection of a nanochannel membrane with a supporting microchannel base and has fairly ordered channels of the nanometer range, Fig. 3, Fig. 4 and Fig. 5. The design is enclosed in a monolithic frame of a single-crystal silicon wafer, which allows the use of a silicon channel matrix as elements of instrument devices, the principle of operation of which is based on the use of membrane nanotechnologies, Fig.6.

Пример 1Example 1

1. Пластину монокристаллического кремния дырочного типа с удельным сопротивлением 40 Ом·см и ориентацией (100) (фиг.1 поз.1 элемент 1) 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°С 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.1 поз.2 и фиг.2 элементы 2 и 3).1. A hole-type single-crystal silicon wafer with a specific resistance of 40 Ohm · cm and an orientation of (100) (Fig. 1, item 1, element 1) is subjected to thermal oxidation, photolithography on a layer of silicon dioxide on the front surface, chemical etching of silicon in dielectric windows in water a solution of 20% KOH at a temperature of 60 ° C for 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. 1, pos. 2 and Fig. 2 elements 2 and 3).

2. Формирование омического контакта на тыльной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа с затравочными ямками осуществляют осаждением алюминия и отжигом при температуре 450°С в атмосфере аргона 15 минут (фиг.1 поз.3 элемент 4).2. The formation of ohmic contact on the back surface of a plate of single-crystal silicon hole type with seed holes is carried out by the deposition of aluminum and annealing at a temperature of 450 ° C in an argon atmosphere for 15 minutes (Fig. 1 item 3 element 4).

3. Анодное травление канальной матрицы проводят в режиме закономерно изменяемой во времени плотности постоянного тока в пределах 10-38 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 10-38 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 0,5 см в течение 160 минут (фиг.1 поз.4, фиг.3(а) и фиг.3(б) элементы 3 и 5).on an area of 0.5 cm for 160 minutes (figure 1, position 4, figure 3 (a) and figure 3 (b) elements 3 and 5).

4. Вскрытие каналов осуществляют шлифовкой/полировкой тыльной поверхности пластины с использованием микропорошка синтетических алмазов, размешанного в растворе глицерина и изопропилового спирта. В результате получают канальную матрицу толщиной 270 мкм с поперечным размером вскрытых каналов в приповерхностной области 2,2 мкм (фиг.1 поз.5 и фиг.4(а) элементы 6 и 7).4. The opening of the channels is carried out by grinding / polishing the back surface of the plate using micropowder of synthetic diamonds mixed in a solution of glycerol and isopropyl alcohol. The result is a channel matrix with a thickness of 270 μm with a transverse size of the opened channels in the surface region of 2.2 μm (Fig. 1, pos. 5 and Fig. 4 (a), elements 6 and 7).

5. Перекрывание микроканалов в приповерхностной области фронтальной поверхности канальной матрицы кремнеземными пробками, состоящими из наночастиц SiO₂ диаметром 50 нм, проводят, используя спиртовый золь этих наночастиц объемом 8 мкл (фиг.1 поз.6 и фиг.4 элементы 7 и 8).5. The overlapping of the microchannels in the surface region of the frontal surface of the channel matrix with silica plugs consisting of SiO ₂ nanoparticles with a diameter of 50 nm is carried out using an alcohol sol of these nanoparticles with a volume of 8 μl (Fig. 1 pos.6 and Fig. 4 elements 7 and 8).

6. Плазмохимическое осаждение пористого кремния на фронтальную поверхность канальной матрицы с перекрытыми кремнеземными пробками микроканалами осуществляют из межэлектродного радиочастотного тлеющего разряда газовой смеси моносилана SiH₄ и аргона при частоте 40 МГц, давлении ~0,2 мм рт.ст. при температуре 200°С в течение 20 минут. Толщина пленки осажденного пористого кремния составляет 450 нм (фиг.1 поз.7 и фиг.5(а) элемент 9).6. Plasma-chemical deposition of porous silicon on the front surface of the channel matrix with blocked silica plugs by microchannels is carried out from an interelectrode radio frequency glow discharge of a gas mixture of SiH ₄ monosilane and argon at a frequency of 40 MHz, pressure ~ 0.2 mm Hg. at a temperature of 200 ° C for 20 minutes. The film thickness of the deposited porous silicon is 450 nm (Fig.1 pos.7 and Fig.5 (a) element 9).

7. Удаление кремнеземных пробок в вскрытых микроканалах выполняют электрохимическим травлением в электролитическом растворе NH₄F(40%):HCl(36,5%):Н₂О:неонол =2,5:1:6,5:0,025 в течение 18 минут при напряжениях 0,1-1,0 В и плотностях тока 0,2-11,6 мкА/см² (фиг.1 поз.8 и фиг.5(б)).7. Removing silica plugs in open microchannels is performed by electrochemical etching in an electrolytic solution of NH ₄ F (40%): HCl (36.5%): H ₂ O: neonol = 2.5: 1: 6.5: 0.025 for 18 minutes at voltages of 0.1-1.0 V and current densities of 0.2-11.6 μA / cm ² (Fig.1 pos.8 and Fig.5 (b)).

В результате получают кремниевую канальную матрицу - молекулярную матрицу с каналами размером в единицы нанометров, представленную на фиг.1 поз.8 и фиг.6 элементом 10.The result is a silicon channel matrix - a molecular matrix with channels in the size of a few nanometers, presented in figure 1, item 8 and figure 6 element 10.

Пример 2Example 2

Операции 1-5 выполняют аналогично операциям 1-5 в примере 1.Operations 1-5 are performed similarly to operations 1-5 in example 1.

6. Плазмохимическое осаждение пористого кремния на фронтальную поверхность канальной матрицы с перекрытыми кремнеземными пробками микроканалами осуществляют из межэлектродного радиочастотного тлеющего разряда газовой смеси моносилана SiH₄ и аргона при частоте 40 МГц, давлении ~0,2 мм рт.ст. при температуре 300°С в течение 18 минут. Толщина пористой пленки осажденного кремния составляет 400 нм (фиг.1 поз.7 элемент 9).6. Plasma-chemical deposition of porous silicon on the front surface of the channel matrix with blocked silica plugs by microchannels is carried out from an interelectrode radio frequency glow discharge of a gas mixture of SiH ₄ monosilane and argon at a frequency of 40 MHz, pressure ~ 0.2 mm Hg. at a temperature of 300 ° C for 18 minutes. The thickness of the porous film of deposited silicon is 400 nm (Fig.1 pos.7 element 9).

7. Удаление кремнеземных пробок в вскрытых микроканалах выполняют химическим травлением в растворе NH₄F(40%):HCl(36,5%):Н₂О:неонол =2,5:1:6,5:0,025 в течение 15 минут (фиг.1 поз.8).7. Removing silica plugs in open microchannels is performed by chemical etching in a solution of NH ₄ F (40%): HCl (36.5%): H ₂ O: neonol = 2.5: 1: 6.5: 0.025 for 15 minutes (Fig. 1, pos. 8).

8. Создание каналов в осажденном кремнии проводят химическим окислением кремния в перекисно-аммиачном растворе H₂O:H₂O₂:NH₄OH=10:1:1 в течение 5 минут с последующим удалением окиси кремния в растворе NH₄F(40%):HCl(36,5%):H₂O:неонол =2,5:1:6,5:0,025 в течение 5 минут (фиг.1 поз.9 и фиг.5(в) элемент 11).8. The creation of channels in precipitated silicon is carried out by chemical oxidation of silicon in a peroxide-ammonia solution of H ₂ O: H ₂ O ₂ : NH ₄ OH = 10: 1: 1 for 5 minutes, followed by removal of silicon oxide in a solution of NH ₄ F (40 %): HCl (36.5%): H ₂ O: neonol = 2.5: 1: 6.5: 0.025 for 5 minutes (Fig. 1, pos. 9 and Fig. 5 (c) element 11).

В результате получают кремниевую канальную матрицу с поперечными размерами каналов ~6 нм (фиг.1 поз.9 элемент 12).The result is a silicon channel matrix with a transverse channel size of ~ 6 nm (Fig. 1, pos. 9, element 12).

9. Повторное создание каналов в осажденном пористом кремнии выполняют электрохимическим травлением кремния в электролитическом растворе NH₄F(40%):HCl(36,5%):Н₂О:неонол =2,5:1:6,5:0,025 в течение 15 минут при напряжениях 0,5-1,5 В и плотностях тока 1,0-22,0 мкА/см² (фиг1 поз.9 и фиг.5(г) элемент 11).9. The re-creation of channels in the deposited porous silicon is performed by electrochemical etching of silicon in an electrolytic solution of NH ₄ F (40%): HCl (36.5%): H ₂ O: neonol = 2.5: 1: 6.5: 0.025 in for 15 minutes at voltages of 0.5-1.5 V and current densities of 1.0-22.0 μA / cm ² (Fig. 1, pos. 9 and Fig. 5 (g), element 11).

В результате получают кремниевую канальную матрицу с каналами, поперечные размеры которых увеличивают до ~50 нм (фиг.1 поз.9 элемент 12).The result is a silicon channel matrix with channels whose transverse dimensions are increased to ~ 50 nm (Fig. 1, pos. 9, element 12).

Кремниевая канальная матрица, изготовленная предлагаемым способом "снизу-вверх", имеет следующие типичные характеристики:Silicon channel matrix made by the proposed method from the bottom up, has the following typical characteristics:

толщину наноканальной части матрицы 100-500 нм,the thickness of the nanochannel part of the matrix is 100-500 nm,

толщину микроканальной части матрицы 200-250 мкм,the thickness of the microchannel part of the matrix is 200-250 microns,

поперечный размер каналов 1-100 нм,the transverse size of the channels is 1-100 nm,

достаточно упорядоченно расположенные каналы с поверхностнойfairly ordered channels with surface

плотностью 10¹⁰-10¹¹ см^-2.density 10 ¹⁰ -10 ¹¹ cm ^-2 .

При получении кремниевой канальной матрицы методы создания каналов в осажденном пористом кремнии могут выполняться в разной последовательности в зависимости от задаваемого вида матрицы.Upon receipt of the silicon channel matrix, the methods for creating channels in the deposited porous silicon can be performed in a different sequence depending on the specified type of matrix.

Полученные параметры свидетельствуют о высоком качестве кремниевых канальных матриц, изготовленных предлагаемым способом.The obtained parameters indicate the high quality of silicon channel matrices manufactured by the proposed method.

Использование заявляемого способа получения кремниевой канальной матрицы обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:Using the proposed method for producing a silicon channel matrix provides the following advantages in comparison with existing methods:

улучшение эксплуатационных характеристик за счет значительного уменьшения поперечных размеров каналов, диапазон которых 1-100 нм охвачен единой технологией изготовления,improvement of operational characteristics due to a significant reduction in the transverse dimensions of the channels, the range of which 1-100 nm is covered by a single manufacturing technology,

расширение номенклатуры изделий мембранной техники в производстве нанофлюидных фильтров, биосенсорных устройств, приборов медицинской диагностики за счет применения высокотехнологического и биосовместимого монокристаллического кремния и интеграции с электронными, оптическими и биологическими устройствами на элементной базе микроэлектроники.expanding the range of membrane technology products in the production of nanofluidic filters, biosensor devices, medical diagnostic devices through the use of high-tech and biocompatible single-crystal silicon and integration with electronic, optical and biological devices based on the element base of microelectronics.

Claims

1. Способ получения кремниевой канальной матрицы, включающий 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, и вскрытие микроканалов, отличающийся тем, что на фронтальной поверхности пластины монокристаллического кремния дырочного типа вскрытые микроканалы перекрывают пробками из наночастиц двуокиси кремния, осуществляют осаждение пористого кремния на фронтальную поверхность пластины монокристаллического кремния дырочного типа с перекрытыми пробками из наночастиц двуокиси кремния микроканалами и затем удаляют пробки из наночастиц двуокиси кремния.1. A method of producing a silicon channel matrix, including 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 a hole-type single-crystal silicon wafer, anode etching in an electrolyte solution containing hydrogen and fluorine ions, and opening microchannels characterized in that on the front surface of a plate of single-crystal silicon of a hole type, the opened microchannels of per they are covered with plugs of silicon dioxide nanoparticles, porous silicon is deposited on the front surface of a hole-type single crystal silicon wafer with blocked plugs of silicon dioxide nanoparticles by microchannels, and then plugs are removed from silicon dioxide nanoparticles.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после удаления из микроканалов пробок из наночастиц двуокиси кремния создают каналы в осажденном пористом кремнии до получения заданного поперечного размера каналов.2. The method according to claim 1, characterized in that after removing from the microchannels of the plugs from the silicon dioxide nanoparticles, channels are created in the deposited porous silicon to obtain a predetermined lateral size of the channels.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на фронтальную поверхность пластины монокристаллического кремния дырочного типа с перекрытыми пробками из наночастиц двуокиси кремния микроканалами проводят осаждение пористого кремния плазмохимическим методом.3. The method according to claim 1, characterized in that the porous silicon is deposited by the plasma-chemical method on the front surface of a hole-type single-crystal silicon wafer with blocked plugs of silicon dioxide nanoparticles by microchannels.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление из микроканалов пробок из наночастиц двуокиси кремния осуществляют химическим или электрохимическим травлением.4. The method according to claim 1, characterized in that the removal from the microchannels of plugs from silicon dioxide nanoparticles is carried out by chemical or electrochemical etching.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что создание каналов в осажденном пористом кремнии выполняют химическим или термическим окислением кремния с последующим удалением окислов кремния химическим травлением.5. The method according to claim 2, characterized in that the creation of channels in the deposited porous silicon is performed by chemical or thermal oxidation of silicon, followed by the removal of silicon oxides by chemical etching.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что создание каналов в осажденном пористом кремнии выполняют электрохимическим травлением кремния.6. The method according to claim 2, characterized in that the creation of channels in the deposited porous silicon is performed by electrochemical etching of silicon.

7. Способ по пп.2, или 5, или 6, отличающийся тем, что создание каналов в осажденном пористом кремнии проводят неоднократно до получения заданного поперечного размера каналов. 7. The method according to PP.2, or 5, or 6, characterized in that the creation of channels in the deposited porous silicon is carried out repeatedly until the specified transverse size of the channels.