RU2539757C1 - Method of forming nanodots on crystal surface - Google Patents

Abstract

FIELD: nanotechnology.

SUBSTANCE: condensation is performed on the surface of material substrate intended for formation of nanodots, and in vacuum the cleavage of the single crystal is obtained, which is used as a substrate on which regularly located create point defects are created, for which the resist is applied on the substrate surface, then the substrate surface is exposed through the template with electromagnetic radiation, after which the irradiated areas of the resist are removed, then the substrate surface is irradiated with rigid electromagnetic radiation to form the point defects in the areas where the resist is removed, then the condensation of material intended to form nanodots is carried out to the substrate surface within the time t_cr required for obtaining nanodots with the diameter d_p, at that the substrate temperature is increased to a value a priori sufficient for providing the growth of nuclei of condensate on the created point defects and the absence of nuclei between these defects, after which the resist residues are removed.

EFFECT: providing the ability to create a simple and efficient technology of production of solid-state regularly arranged on the substrate of the nanoparticles of the required diameter of different metals and semiconductors, suitable for thermal evaporation, on the surface of any single crystal.

9 cl, dwg

Description

Изобретение относится к области технологии микроэлектроники и наноэлектроники, а именно к технологии формирования упорядоченных наноструктур на поверхности твердого тела, и может быть использовано для создания наночастиц (наноточек) металлов или полупроводников.The invention relates to the field of technology of microelectronics and nanoelectronics, in particular to the technology of the formation of ordered nanostructures on the surface of a solid, and can be used to create nanoparticles (nanodots) of metals or semiconductors.

Особое место в развитии наноэлектроники отводится наноструктурам на основе массивов квантовых точек (наноточек), изолированных друг от друга. Коррелированные массивы квантовых точек сегодня являются наиболее перспективными кандидатами для создания устройств квантовой логики и квантовых компьютеров, а благодаря эффективной эмиссии и высокому квантовому выходу массивы квантовых точек полупроводников перспективны для создания источников излучения видимой области, солнечных батарей или флуоресцентных меток.A special place in the development of nanoelectronics is given to nanostructures based on arrays of quantum dots (nanodots) isolated from each other. Correlated arrays of quantum dots today are the most promising candidates for creating quantum logic devices and quantum computers, and due to efficient emission and high quantum output, semiconductor quantum dot arrays are promising for creating visible radiation sources, solar cells, or fluorescent labels.

На сегодняшний день существуют различные методы создания упорядоченных наноструктур на поверхности твердого тела - методы химического синтеза, методы осаждения из пара или из жидкой фазы, выращивание наноструктур на специальных субстратах. Однако наиболее простой и эффективной технологией формирования объектов нанометрового масштаба, на наш взгляд, является конденсация из паровой фазы либо магнетронное распыление мишени.Today, there are various methods for creating ordered nanostructures on the surface of a solid - chemical synthesis methods, methods of deposition from vapor or from the liquid phase, growing nanostructures on special substrates. However, in our opinion, the simplest and most effective technology for the formation of nanometer-scale objects is condensation from the vapor phase or magnetron sputtering of the target.

Известен способ синтеза наноточек Fe на естественно окисленных монокристаллических подложках Si(111). Матрицы наноточек Fe получали путем травления сфокусированным пучком ионов Ga⁺ [2].A known method for the synthesis of Fe nanodots on naturally oxidized single crystal Si (111) substrates. Matrices of Fe nanodots were obtained by etching by a focused beam of Ga ⁺ ions [2].

Очевидно, описанный способ формирования наноточек крайне нетехнологичен. Во-первых, диаметр наноточек не может быть меньше диаметра фокусированного пучка ионов (в работе диаметр наноточек составлял 600 нм). Во-вторых, способ требует нанесения буферных слоев пленок толщиной 3 нм. Этот этап крайне сложен в реализации. После естественного окисления на поверхности кристалла Si в случайном месте появляются вакансии и конденсируются ионы воды из воздуха, которые становятся центрами зародышеобразования, поэтому рост упорядоченных наноструктур становится невозможен. В-третьих, выбор материалов для наноточек и буферного слоя в этом способе ограничен. Дело в том, что пленки малой толщины представляют собой конденсат, состоящий из отдельных зародышей (островков). Для того чтобы реализовать на подложке пленку толщиной 3 нм вакуумной конденсацией, необходимо, чтобы адсорбированные атомы (адатомы) практически не диффундировали по подложке. В противном случае, они образуют устойчивые зародыши достаточно большого размера при отсутствии заполнения адатомами подложки между ними, как показано в [4].Obviously, the described method of forming nanodots is extremely low-tech. First, the diameter of the nanodots cannot be less than the diameter of the focused ion beam (in the work, the diameter of the nanodots was 600 nm). Secondly, the method requires the application of buffer layers of films with a thickness of 3 nm. This stage is extremely difficult to implement. After natural oxidation, vacancies appear in a random place on the surface of the Si crystal and water ions condense from the air, which become nucleation centers, so the growth of ordered nanostructures becomes impossible. Thirdly, the choice of materials for nanodots and the buffer layer in this method is limited. The fact is that films of small thickness are a condensate consisting of individual nuclei (islands). In order to realize a 3 nm thick film on a substrate by vacuum condensation, it is necessary that the adsorbed atoms (adatoms) practically do not diffuse across the substrate. Otherwise, they form stable nuclei of a sufficiently large size in the absence of filling by the adatoms of the substrate between them, as shown in [4].

Известно, что коэффициент диффузии определяется выражением:It is known that the diffusion coefficient is determined by the expression:

$$D=\frac{1}{2}{a}^{2}v\eta \exp \left(-\frac{E_d}{kT}\right),\text{ (1)}$$

$$D=\frac{\mathrm{one}}{2}{a}^{2}v\eta \exp \left(-\frac{E_d}{kT}\right),\text{(one)}$$

где а - постоянная решетки подложки;where a is the lattice constant of the substrate;

v - частота тепловых колебаний;v is the frequency of thermal vibrations;

E_d - энергия активации диффузии;E _d is the diffusion activation energy;

η - вероятность того, что новое место адсорбции диффундирующего атома свободно [5, 6].η is the probability that the new adsorption site of the diffusing atom is free [5, 6].

Поэтому для получения сплошной очень тонкой пленки (менее 5 нм) температура подложки при конденсации должна быть близка к абсолютному нулю, либо материал буферного слоя должен иметь с подложкой большое значение E_d, что накладывает существенные ограничения на технологию формирования и выбор материала наноточек.Therefore, to obtain a continuous very thin film (less than 5 nm), the temperature of the substrate during condensation should be close to absolute zero, or the material of the buffer layer should have a large value of E _d with the substrate, which imposes significant restrictions on the technology of formation and choice of material of nanodots.

В качестве прототипа может рассматриваться патент РФ №2385835 [7]. В этом способе получения наноструктур полупроводника, включающем формирование пористой матрицы из оксидов металлов или неметаллов с последующим осаждением в матрицу полупроводниковых материалов, формирование матрицы осуществляют путем двухстадийного анодного окисления исходного материала матрицы до образования упорядоченно расположенной структуры нанопор, а полупроводник осаждают в матрицу термическим испарением его в вакууме, затем на заполненную матрицу наносят проводящую основу в виде пленки с последующим удалением матрицы.As a prototype can be considered a patent of the Russian Federation No. 2385835 [7]. In this method of producing semiconductor nanostructures, including the formation of a porous matrix from metal or non-metal oxides followed by deposition of semiconductor materials into the matrix, the matrix is formed by two-stage anodic oxidation of the matrix starting material until an ordered structure of nanopores is formed, and the semiconductor is deposited into the matrix by thermal evaporation of it into vacuum, then a conductive base in the form of a film is applied to the filled matrix, followed by removal of the matrix.

Этот способ получения наноструктур имеет ряд существенных недостатков.This method of producing nanostructures has a number of significant drawbacks.

1. Диаметр наноточек определяется диаметром отверстий в пористой матрице (5-200 нм). Это может сделать невозможным получение наноточек с необходимыми параметрами (например, энергия анизотропии пропорциональна объему наноточки).1. The diameter of the nanodots is determined by the diameter of the holes in the porous matrix (5-200 nm). This may make it impossible to obtain nanodots with the necessary parameters (for example, the anisotropy energy is proportional to the volume of the nanodot).

2. Трудоемкая технология: получение повторяющейся в различных партиях пористой матрицы методом двустадийного анодного окисления в растворяющих электролитах - сложнейший технологический процесс, требующий отдельной разработки.2. Labor-consuming technology: obtaining a repeated porous matrix in various batches by the method of two-stage anodic oxidation in dissolving electrolytes is a complex technological process requiring separate development.

3. Прототип позволяет получить только полупроводниковые наноструктуры. Однако на практике применяются наноточки, например, из ферромагнитных материалов [1], которые позволяют создавать сверхплотные носители информации и сверхчувствительные магнитные датчики.3. The prototype allows to obtain only semiconductor nanostructures. However, in practice, nanodots are used, for example, from ferromagnetic materials [1], which allow the creation of ultra-dense storage media and ultra-sensitive magnetic sensors.

Эти недостатки в предлагаемом способе отсутствуют.These disadvantages in the proposed method are absent.

Задачей изобретения является создание технологии получения наночастиц (наноточек) из различных материалов, пригодных для термического испарения, на подложке, представляющей собой любой монокристалл за короткий промежуток времени без использования буферных слоев или пористых матриц.The objective of the invention is to provide a technology for producing nanoparticles (nanodots) from various materials suitable for thermal evaporation on a substrate, which is any single crystal in a short period of time without the use of buffer layers or porous matrices.

Техническим результатом изобретения является создание простой и эффективной технологии получения твердотельных регулярно расположенных на подложке наночастиц (наноточек) необходимого диаметра из различных металлов и полупроводников, пригодных для термического испарения, на поверхности любого монокристалла.The technical result of the invention is the creation of a simple and effective technology for producing solid-state nanoparticles regularly located on a substrate (nanodots) of the required diameter from various metals and semiconductors suitable for thermal evaporation on the surface of any single crystal.

Для решения поставленной задачи в известном способе, включающем конденсацию на поверхность подложки материала, предназначенного для формирования наноточек, согласно изобретению в вакууме получают скол монокристалла, который используют в качестве подложки, на которой создают регулярно расположенные точечные дефекты, для чего наносят на поверхность подложки резист, далее поверхность подложки экспонируют через шаблон электромагнитным излучением, после чего удаляют облученные участки резиста, далее облучают поверхность подложки жестким электромагнитным излучением для образования точечных дефектов в местах, где удален резист, затем на поверхность подложки проводят конденсацию материала, предназначенного для формирования наноточек, в течение времени t_кр, необходимого для получения наноточек диаметром d_p, при этом повышают температуру подложки до значения, априори достаточного для обеспечения роста зародышей конденсата на созданных точечных дефектах и отсутствия зародышей между этими дефектами, после чего удаляют остатки резиста.To solve the problem in a known method, including condensation on the surface of the substrate of a material intended for the formation of nanodots, according to the invention, a single crystal chip is obtained in vacuum, which is used as a substrate on which regularly placed point defects are created, for which a resist is applied to the substrate surface, then the surface of the substrate is exposed through the template with electromagnetic radiation, after which the irradiated portions of the resist are removed, then the surface of the substrate is irradiated rigidly electromagnetic radiation to form point defects in places where the resist is removed, then the material intended for the formation of nanodots is condensed on the surface of the substrate for the time t _cr necessary to obtain nanodots with a diameter d _p , while the temperature of the substrate is raised to a priori sufficient to ensure the growth of condensate nuclei on the created point defects and the absence of nuclei between these defects, after which the residual residues are removed.

Дополнительно, расчет времени t_кр, необходимого для получения наноточек диаметром d_p, осуществляют по формуле:Additionally, the calculation of the time t _cr required to obtain nanodots with a diameter of d _p is carried out according to the formula:

где a - постоянная кристаллической решетки подложки;where a is the lattice constant of the substrate;

N_d - плотность точечных дефектов, определяется используемым шаблоном;N _d is the density of point defects, determined by the template used;

R - скорость конденсации;R is the condensation rate;

d_p - диаметр наноточки.d _p is the diameter of the nanodot.

Дополнительно, в качестве жесткого электромагнитного излучения используют ультрафиолетовое излучение с длиной волны не более 200 нм, или рентгеновское излучение, или гамма-излучение.Additionally, ultraviolet radiation with a wavelength of not more than 200 nm, or x-ray radiation, or gamma radiation is used as hard electromagnetic radiation.

Дополнительно, в качестве материала, предназначенного для формирования наноточек, используют металл или полупроводник.Additionally, metal or a semiconductor is used as a material for forming nanodots.

Дополнительно, в процессе формирования упорядоченных точечных дефектов на поверхность подложки наносят фоторезист и экспонируют поверхность подложки через шаблон оптическим или ультрафиолетовым излучением.Additionally, in the process of the formation of ordered point defects, a photoresist is applied to the surface of the substrate and the surface of the substrate is exposed through the pattern by optical or ultraviolet radiation.

Дополнительно, в процессе формирования упорядоченных точечных дефектов на поверхность подложки наносят рентгенорезист и экспонируют поверхность подложки через шаблон излучением с длиной волны от 0,4 нм до 5,0 нм.Additionally, in the process of the formation of ordered point defects, a X-ray resist is applied to the surface of the substrate and the surface of the substrate is exposed through a pattern with radiation with a wavelength of 0.4 nm to 5.0 nm.

Дополнительно, в процессе формирования упорядоченных точечных дефектов на поверхность подложки наносят электронорезист и экспонируют поверхность подложки через шаблон острофокусированным электронным пучком, отклоняемым магнитной системой.Additionally, in the process of the formation of ordered point defects, an electron resist is applied to the surface of the substrate and the surface of the substrate is exposed through a pattern with an electronically focused beam deflected by the magnetic system.

Изобретение поясняется с помощью следующих чертежей:The invention is illustrated using the following drawings:

на фиг.1 представлены данные электронно-микроскопического исследования наноструктур Au, полученных по предлагаемому способу, на подложке NaCl. Увеличение микрофотографии - 60 тыс. раз;figure 1 presents the data of electron microscopic studies of Au nanostructures obtained by the proposed method on a NaCl substrate. An increase in microphotography - 60 thousand times;

на фиг.2 представлено устройство, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ получения наноточек.figure 2 presents a device by which the proposed method for producing nanodots can be implemented.

Предлагаемый способ заключается в следующем.The proposed method is as follows.

Осуществляют конденсацию материала, пригодного для термического испарения, например: алюминия, сурьмы, мышьяка, бария, бериллия, висмута, бора, кадмия, кальция, хрома, кобальта, меди, галлия, германия, золота, индия, железа, свинца, магния, марганца, молибдена, никеля, палладия, платины, родия, селена, серебра, стронция, тантала, теллура, олова, титана, ванадия, цинка, циркония и их сплавов, на подложку, представляющую собой поверхность любого кристалла, на которой искусственно создают упорядоченные точечные дефекты. Такими точечными дефектами являются, например, вакансии, которые могут быть получены, например, ультрафиолетовым облучением с короткой длиной волны, рентгеновским облучением, гамма-облучением подложки.Condensation of a material suitable for thermal evaporation is carried out, for example: aluminum, antimony, arsenic, barium, beryllium, bismuth, boron, cadmium, calcium, chromium, cobalt, copper, gallium, germanium, gold, indium, iron, lead, magnesium, manganese , molybdenum, nickel, palladium, platinum, rhodium, selenium, silver, strontium, tantalum, tellurium, tin, titanium, vanadium, zinc, zirconium and their alloys, on a substrate representing the surface of any crystal on which ordered point defects are artificially created . Such point defects are, for example, vacancies that can be obtained, for example, short-wavelength ultraviolet radiation, x-ray radiation, substrate gamma radiation.

Главное отличие заявляемого способа от прототипа заключается в новом принципе формирования наноточек посредством использования механизма диффузии адатомов к точечным дефектам поверхности подложки. Убедительно доказано, что на грани ионного кристалла островки образуются на дефектах кристаллической решетки, прежде всего на точечных дефектах [2, 8, 9].The main difference of the proposed method from the prototype is the new principle of the formation of nanodots by using the diffusion mechanism of adatoms to point defects on the surface of the substrate. It has been convincingly proved that, on the edge of an ionic crystal, islands are formed on defects of the crystal lattice, primarily on point defects [2, 8, 9].

Из формулы (1) видно, что диффузия адатомов по подложке - термоактивационный процесс, поэтому для его ускорения используют подогрев подложки. Температура нагрева должна быть такова, чтобы полностью подавить бездиффузионное зарождение островков. Таким образом, добиваются образования островков на точечных дефектах и их отсутствие на бездефектных участках подложки.It can be seen from formula (1) that the diffusion of adatoms on a substrate is a thermal activation process, therefore, substrate heating is used to accelerate it. The heating temperature should be such as to completely suppress the diffusionless nucleation of islands. Thus, islands are formed on point defects and their absence on defect-free areas of the substrate.

Точечные дефекты на поверхности кристалла должны быть упорядочены. Для этого используют, например, метод литографии, но с некоторыми изменениями в технологии. Классическая технология литографии подразумевает нанесение сплошной тонкой пленки на поверхность подложки, затем нанесение на полученную пленку резиста, экспонирование через шаблон облучением для изменения химического состава резиста в выбранных точках подложки, травление засвеченного резиста, травление пленки под удаленными участками резиста, удаление остатков резиста [10]. В нашем случае резист наносится непосредственно на подложку, и уже на него конденсируется пленка. Таким образом, последовательность операций выглядит следующим образом: нанесение на подложку резиста, экспонирование через шаблон облучением для изменения химического состава резиста в выбранных точках подложки, травление засвеченного резиста, получение в освобожденных частях подложки точечных дефектов, конденсация пленки при повышенной температуре, травление остатков резиста. В этом случае стравливать пленку с поверхности оставшегося резиста нет необходимости, потому что она там практически отсутствует, поскольку, как отмечалось ранее, вследствие диффузии почти все адатомы «стекаются» к созданным точечным дефектам. Выбор травителей, как и в классической технологии литографии, определяется типом резиста и материалом конденсата. Шаблон получают методом электронной литографии, например с помощью установки [11].Point defects on the surface of the crystal must be ordered. To do this, use, for example, the lithography method, but with some changes in technology. The classical lithography technology involves applying a continuous thin film to the surface of the substrate, then applying a resist to the resulting film, exposing it through the template by irradiation to change the chemical composition of the resist at selected points on the substrate, etching the exposed resist, etching the film under remote sections of the resist, removing residual resists [10] . In our case, the resist is applied directly to the substrate, and the film is already condensing on it. Thus, the sequence of operations is as follows: applying a resist to the substrate, exposure through a template by irradiation to change the chemical composition of the resist at selected points of the substrate, etching the exposed resist, obtaining point defects in the liberated parts of the substrate, condensation of the film at elevated temperature, etching of the residues of the resist. In this case, there is no need to etch the film from the surface of the remaining resist, because it is practically absent there, because, as noted earlier, due to diffusion, almost all adatoms “flock” to the created point defects. The choice of etchants, as in the classical lithography technology, is determined by the type of resist and the condensate material. The template is obtained by electronic lithography, for example, using the installation [11].

В предлагаемом способе могут быть использованы различные методы литографии: фотолитография (оптическая литография), рентгеновская литография, электронная литография (электронно-лучевое экспонирование). В каждом случае используют излучение с такой длиной волны, которое изменяет химический состав резиста, а также травители, соответствующие выбранному типу резиста. Следует отметить, что фотолитография, несмотря на меньшую разрешающую способность по сравнению с другими видами литографии, гораздо проще в реализации, требует менее дорогостоящего оборудования и в состоянии обеспечить минимальное расстояние между наноточками ~1 мкм, что оказывается достаточно для их практического применения.In the proposed method, various lithography methods can be used: photolithography (optical lithography), X-ray lithography, electron lithography (electron beam exposure). In each case, radiation with such a wavelength is used that changes the chemical composition of the resist, as well as etchings corresponding to the selected type of resist. It should be noted that photolithography, despite its lower resolution compared to other types of lithography, is much easier to implement, requires less expensive equipment and is able to provide a minimum distance between nanodots of ~ 1 μm, which is enough for their practical application.

В предлагаемом способе подложка не оказывает существенного влияния на скорость диффузии, что позволяет использовать любой кристалл. Однако, для получения идеально упорядоченного массива наноточек, целесообразно использовать монокристалл, сколотый в вакууме по любой плоскости, кроме плоскости спайности, поскольку последняя, помимо точечных дефектов, содержит большое число линейных дефектов. Если в качестве подложки использовать произвольную поверхность кристалла, или скол монокристалла, сделанный на воздухе, на подложке будет большое количество неупорядоченных точечных дефектов, образующихся естественным путем, появятся конденсируемые из воздуха капли воды, которые являются помехой для данного способа. Очень важным является необходимость использования свежего скола монокристалла, поскольку в противном случае на подложке даже при комнатной температуре в случайном месте самопроизвольно будут образовываться точечные дефекты.In the proposed method, the substrate does not significantly affect the diffusion rate, which allows the use of any crystal. However, to obtain a perfectly ordered array of nanodots, it is advisable to use a single crystal cleaved in vacuum along any plane except the cleavage plane, since the latter, in addition to point defects, contains a large number of linear defects. If you use an arbitrary crystal surface as a substrate, or a single-crystal cleavage made in air, there will be a large number of disordered point defects that form naturally on the substrate, water droplets condensed from the air will appear, which are an obstacle for this method. The need to use a fresh cleaved single crystal is very important, because otherwise, point defects will spontaneously form on a substrate even at room temperature in a random place.

Механизм получения скола монокристалла и определения плоскости спайности подробно рассмотрены в [12].The mechanism of obtaining a single-crystal cleavage and determining the cleavage plane are considered in detail in [12].

Заявляемый способ может быть реализован с помощью устройства, представленного на фиг.2, где обозначено:The inventive method can be implemented using the device shown in figure 2, where it is indicated:

1 - средство для осуществления конденсации (например, вакуумный универсальный пост BH 2000 [13] или его аналог), удовлетворяющее следующим требованиям: наличие вакуумной камеры, возможность применять вакуумную конденсацию или магнетронное распыление сплавной мишени, реализация высокой скорости конденсации с возможностью ее регулирования в широких пределах; сохранение соотношения компонентов при распылении вещества сложного состава, обеспечение распыления нескольких материалов без разгерметизации объема, небольшое тепловое воздействие на получаемую структуру, возможность использования для осаждения и травления широкого класса материалов, высокая энергетическая эффективность процесса конденсации;1 - means for carrying out condensation (for example, a BH 2000 vacuum universal post [13] or its analogue) that meets the following requirements: the presence of a vacuum chamber, the ability to apply vacuum condensation or magnetron sputtering of an alloy target, the implementation of a high condensation rate with the possibility of its regulation in wide limits; maintaining the ratio of components when spraying substances of complex composition, ensuring the spraying of several materials without depressurization of the volume, a small thermal effect on the resulting structure, the possibility of using a wide class of materials for deposition and etching, high energy efficiency of the condensation process;

2 - закрепленная на штативе подложка, на которой формируют наноточки;2 - a substrate fixed on a tripod on which nanodots are formed;

3 - средство для изготовления скола кристалла;3 - means for the manufacture of chip chips;

4 - реле времени, например, серии РВВ [14], которое посылает сигнал окончания работы средству 1;4 - time relay, for example, series RVV [14], which sends a signal to end the work tool 1;

5 - средство для экспонирования подложки через шаблон электромагнитным излучением, в качестве которого можно использовать, например, установку MDA-150 [15] (в случае применения фотолитографии), или установку 09ФСР-1-001 «Рентгенотрон» [16] (в случае применения рентгенолитографии), или установку EBPG5200 [11] (в случае применения электронолитографии);5 - means for exposing the substrate through the template with electromagnetic radiation, for example, the MDA-150 installation [15] (in the case of photolithography), or the 09ФСР-1-001 "X-rayotron" installation [16] (in the case of application X-ray lithography), or the EBPG5200 installation [11] (in the case of electron lithography);

6 - средство для нагрева и регулирования температуры подложки, в качестве которого можно использовать, например, нагревательный элемент РТС 706 [17];6 - means for heating and regulating the temperature of the substrate, which can be used, for example, a heating element RTS 706 [17];

7 - средство для облучения подложки жестким электромагнитным излучением. Выбор типа облучения зависит от материала подложки и имеющегося оборудования. Следует отметить, что использовать средство для экспонирования подложки через шаблон электромагнитным излучением на этом этапе нельзя, несмотря на то что оно тоже имеет в своем составе источник для облучения резиста. Это связано с тем, что излучение у подобного оборудования, как правило, сфокусировано в узкий пучок, в то время как нужно облучить всю поверхность подложки. Это может быть: 1) ультрафиолетовое облучение с длиной волны не более 200 нм (коротковолновый диапазон); 2) рентгеновское облучение; 3) гамма-облучение. Ультрафиолетовое излучение подходит для подложек, энергия образования вакансий на поверхности которых невелика (около 1 эВ), и может быть реализовано, например, с помощью установки УОЛП-1, используемой в [18, 19]. Оставшийся на подложке слой резиста не позволяет образоваться вакансиям в произвольных точках поверхности подложки. В случае применения рентгеновского облучения следует использовать, например, рентгеновский аппарат РПД-150 [20]; а в случае применения гамма-облучения - гаммарид [21];7 - means for irradiating the substrate with hard electromagnetic radiation. The choice of type of exposure depends on the substrate material and the equipment available. It should be noted that it is impossible to use the tool for exposing the substrate through the template with electromagnetic radiation at this stage, despite the fact that it also has a source for irradiating the resist. This is due to the fact that the radiation from such equipment is usually focused into a narrow beam, while it is necessary to irradiate the entire surface of the substrate. This can be: 1) ultraviolet irradiation with a wavelength of not more than 200 nm (short wavelength range); 2) x-ray irradiation; 3) gamma radiation. Ultraviolet radiation is suitable for substrates whose energy of vacancy formation on the surface is low (about 1 eV), and can be realized, for example, using the UOLP-1 device used in [18, 19]. The resist layer remaining on the substrate does not allow vacancies to form at arbitrary points on the surface of the substrate. In the case of X-ray irradiation, for example, an RPD-150 X-ray apparatus should be used [20]; and in the case of gamma irradiation, gamma-ray [21];

8 - средство для измерения углов между плоскими гранями тела (плоскости спайности), в качестве которого можно использовать, например, гониометр СГ-5Ц [22].8 - means for measuring the angles between the flat faces of the body (cleavage plane), which can be used, for example, goniometer SG-5Ts [22].

Алгоритм реализации заявляемого способа включает следующие этапы:The implementation algorithm of the proposed method includes the following steps:

I. Подготовка подложки.I. Preparation of the substrate.

Этот этап включает в себя следующие операции:This step includes the following operations:

- определение ориентации плоскости спайности с помощью средства 8;- determining the orientation of the cleavage plane using means 8;

- изготовление в вакууме сколов кристаллов с помощью средства 3 по любой плоскости, кроме плоскости спайности.- manufacture in a vacuum of chips of crystals using means 3 on any plane except the cleavage plane.

II. Получение на поверхности подложки упорядоченного массива точечных дефектов.II. Obtaining an ordered array of point defects on the surface of the substrate.

Этот этап включает следующие операции:This step includes the following operations:

- нанесение на поверхность подложки резиста (для этого используют, например, вакуумную камеру средства 1), проводят различными способами: центрифугированием, пульверизацией и т.д. Нанесенный на подложку резист препятствует образованию в случайном месте точечных дефектов на ее поверхности, поэтому далее все операции можно проводить не в вакууме, а в обычных условиях;- applying a resist to the surface of the substrate (for this, use, for example, a vacuum chamber of means 1), is carried out in various ways: by centrifugation, pulverization, etc. The resist applied to the substrate prevents the formation of point defects in a random place on its surface; therefore, further all operations can be carried out not under vacuum, but under ordinary conditions;

- экспонирование поверхности подложки через шаблон электромагнитным излучением для изменения химического состава резиста в выбранных точках подложки (осуществляется с помощью средства 5). В случае использования фоторезиста, экспонируют шаблон оптическим или ультрафиолетовым излучением, в случае применения рентгенорезиста экспонируют шаблон излучением с длиной волны от 0,4 нм до 5,0 нм, а в случае использования электронорезиста - экспонируют шаблон острофокусированным электронным пучком, отклоняемым магнитной системой. При этом длительность облучения зависит от химического состава резиста и определяется в процессе отработки технологии. Как правило, длительность облучения составляет от 0,1 с до 1 мин;- exposure of the surface of the substrate through the template with electromagnetic radiation to change the chemical composition of the resist at selected points of the substrate (carried out using means 5). In the case of using a photoresist, the template is exposed to optical or ultraviolet radiation, in the case of using X-ray resist, the template is exposed to radiation with a wavelength of 0.4 nm to 5.0 nm, and in the case of using an electron resist, the template is exposed to a sharply focused electron beam deflected by the magnetic system. In this case, the duration of irradiation depends on the chemical composition of the resist and is determined during the development of the technology. As a rule, the exposure time is from 0.1 s to 1 min;

- удаление облученных участков резиста травлением (осуществляется с помощью средства 5 или вручную);- removal of the irradiated sections of the resist by etching (carried out using means 5 or manually);

- облучение поверхности подложки жестким электромагнитным излучением (ультрафиолетовым с длиной волны не более 200 нм, рентгеновским или гамма-излучением) с помощью средства 7;- irradiation of the surface of the substrate with hard electromagnetic radiation (ultraviolet with a wavelength of not more than 200 nm, x-ray or gamma radiation) using means 7;

- удаление остатков резиста химическим способом, т.е. травлением (осуществляется с помощью средства 5 или вручную).- removal of residual resist chemically, i.e. etching (carried out using means 5 or manually).

III. Процесс вакуумной конденсации или магнетронного распыления материала, предназначенного для формирования наноточек, проводится с помощью средства для осуществления конденсации 1.III. The process of vacuum condensation or magnetron sputtering of a material intended for the formation of nanodots is carried out using means for the implementation of condensation 1.

Необходимый диаметр наноточек d_p обеспечивается конденсацией на положку материала в течение расчетного времени t_кр, в соответствии с формулой:The required diameter of the nanodots d _{p is} provided by condensation on the position of the material during the estimated time t _cr , in accordance with the formula:

где a - постоянная кристаллической решетки подложки;where a is the lattice constant of the substrate;

N_d - плотность точечных дефектов, определяется используемым шаблоном;N _d is the density of point defects, determined by the template used;

R - скорость конденсации;R is the condensation rate;

d_p - диаметр наноточки.d _p is the diameter of the nanodot.

Вывод формулы (2) основан на требовании отсутствия проводимости между отдельными наноточками, а также утверждении [23], что проводимость островковых пленок возникает при характерном расстоянии между островками (зародышами) конденсата ~100 Å.The derivation of formula (2) is based on the requirement of the absence of conductivity between individual nanodots, as well as on the statement [23] that the conductivity of island films arises at a characteristic distance between islands (nuclei) of the condensate of ~ 100 Å.

При этом с помощью средства 6 осуществляют подогрев поверхности подложки для активации диффузионных процессов до значения, априори достаточного для обеспечения роста зародышей конденсата на созданных точечных дефектах и отсутствия зародышей между этими дефектами.In this case, using the means 6, the surface of the substrate is heated to activate diffusion processes to a value a priori sufficient to ensure the growth of condensate nuclei on the created point defects and the absence of nuclei between these defects.

Таким образом, в предлагаемом способе наноточки можно получить из разных материалов на различных кристаллических подложках, сколотых по любой плоскости (кроме плоскости спайности), в течение сравнительно малого промежутка времени. Подложку, при необходимости, можно удалить, используя различные травители, выбор которых зависит от материала подложки. В этом случае перед стравливанием подложки на нее конденсируют проводящую пленку толщиной несколько нанометров. При использовании в качестве подложки ионных кристаллов подложку можно растворить в воде.Thus, in the proposed method, nanodots can be obtained from different materials on different crystalline substrates, chipped on any plane (except the cleavage plane), for a relatively short period of time. The substrate, if necessary, can be removed using various etchants, the choice of which depends on the substrate material. In this case, before etching the substrate, a conductive film several nanometers thick is condensed onto it. When using ionic crystals as the substrate, the substrate can be dissolved in water.

Основные преимущества использования изобретения по сравнению с прототипом следующие.The main advantages of using the invention in comparison with the prototype are as follows.

1. Появляется возможность для конкретных нужд заказчика в формируемом массиве выбрать диаметр наноточек, который определяет их свойства.1. There is an opportunity for the specific needs of the customer in the array being formed to choose the diameter of the nanodots, which determines their properties.

2. Упрощение технологии: нет необходимости формировать пористую матрицу или буферные слои.2. Simplification of technology: there is no need to form a porous matrix or buffer layers.

3. Способ позволяет создавать наноточки из металлов, полупроводников или их сплавов.3. The method allows you to create nanodots from metals, semiconductors or their alloys.

Предложенный способ дает возможность непрерывного массового изготовления наноточек. Подложка может представлять собой движущуюся ленту транспортера, на одной части которой будет проводиться вакуумная конденсация, а с другой части будут сниматься готовые нанопроволоки.The proposed method allows continuous mass production of nanodots. The substrate can be a moving conveyor belt, on one part of which vacuum condensation will be carried out, and on the other part, finished nanowires will be removed.

Таким образом, при использовании изобретения могут изготавливаться твердотельные наноточки необходимого диаметра, которые в зависимости от материала обладают ферромагнитными или полупроводниковыми свойствами. Важно также, что они образуют упорядоченные массивы, при этом каждый элемент массива является электрически изолированным от соседей.Thus, when using the invention, solid-state nanodots of the required diameter can be produced, which, depending on the material, have ferromagnetic or semiconductor properties. It is also important that they form ordered arrays, with each element of the array being electrically isolated from neighbors.

За счет возможности выбирать химический состав наноточек в широких пределах, они обладают прочностью и стойкостью к внешней среде (температуре, давлению, свету, химической стойкостью и т.д.), а также другими желаемыми свойствами, присущими веществу, из которых их формируют. Они представляют собой подобие атома, поскольку их энергетические уровни являются дискретными и не сливаются в зону; структурой этих уровней можно управлять, изменяя параметры островков. Такие структуры используют для изготовления светодиодов и полупроводниковых лазеров.Due to the ability to choose the chemical composition of nanodots in a wide range, they have strength and resistance to the external environment (temperature, pressure, light, chemical resistance, etc.), as well as other desirable properties inherent in the substance from which they are formed. They are like an atom, because their energy levels are discrete and do not merge into a zone; the structure of these levels can be controlled by changing the parameters of the islands. Such structures are used for the manufacture of LEDs and semiconductor lasers.

Источники информацииInformation sources

1. Иванов Ю.П. Процессы перемагничивания упорядоченного ансамбля ферромагнитных наноточек / Ю.П. Иванов, Е.В. Пустовалов, А.В. Огнев и др. // Физика твердого тела. - 2009. - Т. 51. - №11. - С.2167-2170.1. Ivanov Yu.P. Remagnetization processes of an ordered ensemble of ferromagnetic nanodots / Yu.P. Ivanov, E.V. Pustovalov, A.V. Ognev et al. // Solid State Physics. - 2009. - T. 51. - No. 11. - S.2167-2170.

2. Косевич В.М. Центры зарождения конденсированной фазы на ионных кристаллах / В.М. Косевич, Л.С. Палатник, А.А. Сокол и др. Доклады Акад. Наук СССР. 1968. - Т. 180. - №3. - С.586-588.2. Kosevich V.M. Centers of nucleation of the condensed phase on ionic crystals / V.M. Kosevich, L.S. Palatnik, A.A. Falcon and others. Reports Acad. Science of the USSR. 1968. - T. 180. - No. 3. - S.586-588.

3. Палатник Л.С. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок / Л.С. Палатник, М.Я. Фукс, В.М. Косевич. - М.: Наука, 1972. - 319 с.3. Palatnik L.S. The mechanism of formation and substructure of condensed films / L.S. Palatnik, M.Ya. Fuchs, V.M. Kosevich. - M .: Nauka, 1972.- 319 p.

4. Точицкий Э.И. Кристаллизация и термообработка тонких пленок / Э.И. Точицкий. - Минск: Наука и техника, 1976. - 311 с.4. Tochitsky E.I. Crystallization and heat treatment of thin films / E.I. Tochitsky. - Minsk: Science and technology, 1976. - 311 p.

5. Омороков Д.Б. Исследование процесса формирования нанопроволоки и ее применение в элементной базе радиотехники / Д.Б. Омороков, Е.В. Шведов // Теория и техника радиосвязи. - 2009. - №1. - С.96-100.5. Omorokov D. B. Investigation of the process of nanowire formation and its application in the element base of radio engineering / DB. Omorokov, E.V. Shvedov // Theory and technique of radio communication. - 2009. - No. 1. - S.96-100.

6. Трофимов В.И. Рост и морфология тонких пленок / В.И. Трофимов, В.А. Осадченко. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 272 с.6. Trofimov V.I. Growth and morphology of thin films / V.I. Trofimov, V.A. Osadchenko. - M.: Energoatomizdat, 1993 .-- 272 p.

7. Пат. 2385835, Российская Федерация, МПК B82B 3/00 (2006.01), H01L 21/20 (2006/01). Способ получения наноструктур полупроводника / К.С. Напольский, Р.Г. Валеев, И.В. Росляков и др.7. Pat. 2385835, Russian Federation, IPC B82B 3/00 (2006.01), H01L 21/20 (2006/01). The method of obtaining nanostructures of the semiconductor / K.S. Napolsky, R.G. Valeev, I.V. Roslyakov et al.

8. Иевлев В.М. Тонкие пленки неорганических материалов: механические свойства и структура: учеб. пособие / В.М. Иевлев. - Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2008. - 496 с.8. Ievlev V.M. Thin films of inorganic materials: mechanical properties and structure: textbook. allowance / V.M. Ievlev. - Voronezh: CPI Voronezh State University, 2008 .-- 496 p.

9. Трофимов В.И. О центрах зародышеобразования золота на кристаллах NaCl / В.И. Трофимов, В.М. Лукъянович // ФТТ. - 1968. - Т. 10. - №6. - С.1889-1891.9. Trofimov V.I. On the centers of gold nucleation on NaCl crystals / V.I. Trofimov, V.M. Lukyanovich // FTT. - 1968. - T. 10. - No. 6. - S. 1889-1891.

10. Фотолитография - Википедия. - Электрон. дан. - Режим доступа: http:/rum.wikipedia.org/wiki/Фотолитография (21.05.13).10. Photolithography - Wikipedia. - The electron. Dan. - Access mode: http: /rum.wikipedia.org/wiki/Photolithography (05.21.13).

11. Установка EBPG5200 - фирма Vistec Lithography презентирует. - Электрон. дан. - Режим доступа: http:/http://www.tower-pr.com/en/newsarchive/195~-ebpg520-vistec-lithography-(23.05.2013).11. Installation EBPG5200 - the company Vistec Lithography presents. - The electron. Dan. - Access mode: http: / http: //www.tower-pr.com/en/newsarchive/195~-ebpg520-vistec-lithography- (05.23.2013).

12. Пат. 2401246, Российская Федерация, МПК B82B 3/00 (2006.01). Способ формирования проводящего элемента нанометрового размера / Д.Б. Омороков, Н.И. Козленко, Е.В. Шведов.12. Pat. 2401246, Russian Federation, IPC B82B 3/00 (2006.01). The method of forming a conductive element of nanometer size / DB Omorokov, N.I. Kozlenko, E.V. Swedes.

13. Универсальный вакуумный пост ВН 2000. - Электрон. дан. - Режим доступа: http:/http://www.ukrrospribor.com.ua (19.03.13).13. Universal vacuum post VN 2000. - Electron. Dan. - Access mode: http: / http: //www.ukrrospribor.com.ua (03.19.13).

14. ЗАО "ТАУ" - реле времени серии «РВВ». - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.tau-spb.ru. (19.03.13).14. CJSC "TAU" - time relay of the "RVV" series. - The electron. Dan. - Access mode: http://www.tau-spb.ru. (03/19/13).

15. ООО «Энергоавангард» | Установки фотолитографии компании MIDAS System CO., Ltd., MDA-150 / MDA-60MS - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.eavangard-semi.ru/midasmda60ms80ms (19.03.13).15. LLC "Energoavangard" | Photolithography plants of MIDAS System CO., Ltd., MDA-150 / MDA-60MS - Electron. Dan. - Access mode: http://www.eavangard-semi.ru/midasmda60ms80ms (03/19/13).

16. Исследование рентгенолитографических процессов и разработка оборудования для получения структур субмикронных размеров - темы… - Электрон. дан. - Режим доступа: http:/http://www.referun.com/n/issledovanie-rentgenolitograficheskih-protsessov-i-razrabotka-oborudovaniya-dlya-polucheniya-structur-submikronnyh-razmer (23.05.13).16. The study of X-ray lithographic processes and the development of equipment for obtaining structures of submicron sizes - topics ... - Electron. Dan. - Access mode: http: / http: //www.referun.com/n/issledovanie-rentgenolitograficheskih-protsessov-i-razrabotka-oborudovaniya-dlya-polucheniya-structur-submikronnyh-razmer (05.23.13).

17. PTC нагревательный элемент. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.scat-technology.ru (19.03.13).17. PTC heating element. - The electron. Dan. - Access mode: http://www.scat-technology.ru (03.19.13).

18. А.С. СССР №1228716, кл. 21/268, 1984. Кущев С.Б., Тонких Н.Н., Злобин В.П. и др. Способ изготовления элементов металлизации.18. A.S. USSR No. 1228716, cl. 21/268, 1984. Kushchev S.B., Tonkikh N.N., Zlobin V.P. and others. A method of manufacturing metallization elements.

19. Пат. 2341847, Российская Федерация, МПК H01L 21/26 (2006.01). Способ синтеза карбида кремния на кремниевой подложке / В.М. Иевлев, С.В. Канныкин, С.Б. Кущев, С.А. Солдатенко, Е.Н. Федорова, Н.В. Черников.19. Pat. 2341847, Russian Federation, IPC H01L 21/26 (2006.01). The method of synthesis of silicon carbide on a silicon substrate / V.M. Ievlev, S.V. Kannykin, S.B. Kushchev, S.A. Soldatenko, E.N. Fedorova, N.V. Chernikov.

20. Теплопромсервис - Рентгеновский аппарат постоянного действия РПД-150. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.tpsnk.ru/radio_equip/rpd_150.20. Teplopromservice - X-ray apparatus of continuous action RPD-150. - The electron. Dan. - Access mode: http://www.tpsnk.ru/radio_equip/rpd_150.

21. Гаммарид - Рентгеновские генераторы - Армада НТД. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.armada-ntd.ra/product_info/php?products_id=2915.21. Gammarid - X-ray generators - Armada NTD. - The electron. Dan. - Access mode: http: //www.armada-ntd.ra/product_info/php? Products_id = 2915.

22. НПК Диагностика-гониометр СГ-5Ц. - Электрон. дан. - Режим доступа: http:/http://www.diagnostica-spb.ru/goniometer_sg5.html (19.03.13).22. NPK Diagnostics-goniometer SG-5Ts. - The electron. Dan. - Access mode: http: / http: //www.diagnostica-spb.ru/goniometer_sg5.html (03/19/13).

23. Борзяк П.Г. Электронные процессы в островковых металлических пленках / П.Г. Борзяк, Ю.А. Кулюпин. - Киев: Наукова Думка, 1980. - 239 с.23. Borzyak P.G. Electronic processes in islet metal films / P.G. Borzyak, Yu.A. Kulupin. - Kiev: Naukova Dumka, 1980 .-- 239 p.

Claims (9)

1. Способ получения твердотельных регулярно расположенных на подложке наночастиц (наноточек), включающий конденсацию на поверхность подложки материала, предназначенного для формирования наноточек, отличающийся тем, что в вакууме получают скол монокристалла, который используют в качестве подложки, на которой создают регулярно расположенные точечные дефекты, для чего наносят на поверхность подложки резист, далее поверхность подложки экспонируют через шаблон электромагнитным излучением, после чего удаляют облученные участки резиста, далее облучают поверхность подложки жестким электромагнитным излучением для образования точечных дефектов в местах, где удален резист, затем на поверхность подложки проводят конденсацию материала, предназначенного для формирования наноточек, в течение времени t_кр, необходимого для получения наноточек диаметром d_p, при этом повышают температуру подложки до значения, априори достаточного для обеспечения роста зародышей конденсата на созданных точечных дефектах и отсутствия зародышей между этими дефектами, после чего удаляют остатки резиста.1. A method of producing solid-state nanoparticles (nanodots) regularly located on a substrate, comprising condensation on a substrate surface of a material intended for forming nanodots, characterized in that a single crystal is cleaved in vacuum, which is used as a substrate on which regularly located point defects are created, why a resist is applied to the surface of the substrate, then the surface of the substrate is exposed through the template with electromagnetic radiation, after which the irradiated sections of the resist are removed, Lee irradiated substrate surface rigid with electromagnetic radiation to form the point defects in places where removed the resist, then to the substrate surface is carried out the condensation of the material intended to form nanodots, for a time t _cr required to obtain nanodots diameter d _p, wherein the raised temperature of the substrate to a value a priori sufficient to ensure the growth of condensate nuclei on the created point defects and the absence of nuclei between these defects, after which residual p Zist. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчет времени t_кр, необходимого для получения наноточек диаметром d_p, осуществляют по формуле:

где а - постоянная кристаллической решетки подложки;
N_d - плотность точечных дефектов, определяется используемым шаблоном;
R - скорость конденсации;
d_p - диаметр наноточки.2. The method according to claim 1, characterized in that the calculation of the time t _cr needed to obtain nanodots with a diameter of d _p is carried out according to the formula:

where a is the lattice constant of the substrate;
N _d is the density of point defects, determined by the template used;
R is the condensation rate;
d _p is the diameter of the nanodot. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жесткого электромагнитного излучения используют ультрафиолетовое излучение с длиной волны не более 200 нм.3. The method according to claim 1, characterized in that ultraviolet radiation with a wavelength of not more than 200 nm is used as hard electromagnetic radiation. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жесткого электромагнитного излучения используют рентгеновское излучение.4. The method according to claim 1, characterized in that x-ray radiation is used as hard electromagnetic radiation. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жесткого электромагнитного излучения используют гамма-излучение.5. The method according to claim 1, characterized in that gamma radiation is used as hard electromagnetic radiation. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала, предназначенного для формирования наноточек, используют металл или полупроводник.6. The method according to claim 1, characterized in that as the material intended for the formation of nanodots, use a metal or semiconductor. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе формирования упорядоченных точечных дефектов на поверхность подложки наносят фоторезист и экспонируют поверхность подложки через шаблон оптическим или ультрафиолетовым излучением.7. The method according to claim 1, characterized in that during the formation of ordered point defects, a photoresist is applied to the surface of the substrate and the surface of the substrate is exposed through the template with optical or ultraviolet radiation. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе формирования упорядоченных точечных дефектов на поверхность подложки наносят рентгенорезист и экспонируют поверхность подложки через шаблон излучением с длиной волны от 0,4 нм до 5,0 нм.8. The method according to claim 1, characterized in that in the process of forming ordered point defects, an X-ray resist is applied to the surface of the substrate and the surface of the substrate is exposed through a pattern with radiation with a wavelength from 0.4 nm to 5.0 nm. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе формирования упорядоченных точечных дефектов на поверхность подложки наносят электронорезист и экспонируют поверхность подложки через шаблон острофокусированным электронным пучком, отклоняемым магнитной системой. 9. The method according to claim 1, characterized in that in the process of forming ordered point defects, an electron resist is applied to the surface of the substrate and the surface of the substrate is exposed through a template by an electronically focused beam deflected by the magnetic system.

Images