Способ изготовления пористого кремния

Изобретение относится к технологии изготовления слоев пористого кремния, выполненных на поверхности монокристаллического кремния, которые могут быть использованы в оптике и оптоэлектронике. Способ заключается в формировании на поверхности исходной подложки монокристаллического кремния слоя пористого кремния путем ионной имплантации ионами металлов серебра или кобальта с энергией 10-50 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 3·1020-6·1023 атомов/см3, плотностью тока ионного пучка 2·1012-1·1014 ион/см2 с и при температуре подложки во время облучения 20-400°C. Изобретение обеспечивает возможность изготовления слоев пористого кремния непосредственно на поверхности монокристаллического кремния методом ионной имплантации с исключением из технологической цепочки операции высокотемпературного отжига получаемых изделий. 9 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к оптике и оптоэлектронике, а именно к способам изготовления слоев пористого кремния, выполненных на поверхности монокристаллического кремния. На практике слои пористого кремния могут быть использованы в устройствах [1]:

- в качестве излучающих в видимом диапазоне света фото- и электролюминесцентных элементов для оптической коммуникации;

- в зависимости от степени пористости и эффективного показателя преломления как в качестве полупроводниковых, так и диэлектрических слоев в приборах и интегральных схемах, в частности, в виде планарных световодов;

- в качестве интерференционных фильтров Фабри-Перо в оптике для инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой области спектра и др. (рис. 1 в работе [1]).

Известен способ изготовления слоев пористого кремния, выбранный в качестве аналога, который заключается в анодной электрохимической обработке монокристаллического кремния в растворах на основе плавиковой кислоты [1].

Недостатком способа по аналогу является то, что электрохимическая технология, проводимая в растворе, не может быть эффективно использована в электронике при конструировании современных твердотельных микросхем и процессоров, в которых при изготовлении отдельных элементов требуется высокая пространственная локализация обрабатываемого материала на уровне микро- и наномасштаба.

Известен способ изготовления пористого кремния путем имплантации ионов газов водорода или гелия с энергиями 100-300 кэВ дозами 1016-1017 ион/см2 с обязательными последующими термообработками, обеспечивающими образование микрополостей [2, 3]. Первый этап термообработки требуется для собирания ионов газа в пузырьки. Второй этап термообработки необходим для выхода (испарения) газа из пузырьков, из которых формируются поры.

Известен способ изготовления слоя пористого кремния путем имплантации ионов металла Sb+ с последующими термообработками монокристаллических пластин кремния [4]. Для этого были выбраны энергия имплантируемых ионов - 60 кэВ и доза 2·1015 ион/см2. Термообработка проводится в два этапа. Показано, что при ионной имплантации и термообработке при низкой температуре (1000°C в течение 15 мин) образуются преципитаты сурьмы, которые при проведении последующей термообработки при высокой температуре (1220-°C) распадаются, и атомы сурьмы диффундируют в объем кристалла. Как отмечают сами авторы [4], на месте преципитатов образуются поры (микропустоты) размером от 20 до 50 нм. Для получения такого результата необходима термообработка в атмосфере азота при температуре 1220°C в течение 4 часов.

При используемой дозе 2·1015 ион/см2 и энергии имплантированных ионов Sb+ 60 кэВ, объемная концентрация сурьмы на полувысоте профиля распределения (т.е. в глубине образца) превышает предел ее растворимости в объеме кремния [4]. В этом локальном слое под поверхностью кремния и происходит образование преципитатов сурьмы. Стандартные расчеты по традиционно-используемой на практике программе SRIM-2013 [5], показывают, что соответствующая глубина на полувысоте профиля распределения сурьмы в кремнии для данных условий имплантации составляет от 27 до 49 нм. Иными словами, при имплантации кремния ионами сурьмы поры оказываются заглубленными в объеме имплантированного материала.

Эта технология изготовления слоя пористого кремния на подложке монокристаллического кремния [4] является наиболее близкой к заявляемому способу, и поэтому выбрана в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются:

- обязательное проведение после имплантации дополнительной технологической операции - термообработки с дополнительными затратами времени, электроэнергии и расходных материалов (газ для отжига - азот);

- пористый слой заглублен в объеме имплантированного материала, тогда как для множества приложений [1], требуется расположение слоя пористого кремния непосредственно на поверхности монокристаллического кремния.

Решаемая техническая задача в заявляемом способе заключается в обеспечении возможности изготовления слоя пористого кремния непосредственно на поверхности монокристаллического кремния методом ионной имплантации с исключением из технологической цепочки операции высокотемпературного отжига получаемых изделий.

Поставленная техническая задача в предлагаемом способе изготовления пористого кремния, заключающимся в формировании на поверхности исходной подложки монокристаллического кремния слоя пористого кремния путем ионной имплантации, достигается тем, что ионную имплантацию осуществляют ионами металлов серебра или кобальта с энергией 10-50 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 3·1020-6·1023 атомов/см3, плотностью тока ионного пучка 2·1012-1·1014 ион/см2с и температуры подложки во время облучения 20-400°C.

На фиг 1. показано изображение, полученное на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) при малом увеличении, поверхности слоя пористого кремния, сформированного имплантацией монокристаллического кремния ионами серебра.

На фиг. 2 показано изображение, полученное на СЭМ при большом увеличении, поверхности слоя пористого кремния, сформированного имплантацией монокристаллического кремния ионами серебра.

На фиг.3 показано СЭМ-изображение поверхности неимплантированного кремния.

На фиг. 4 показана гистограмма распределения по размерам пор в структуре пористого кремния (фиг. 2), сформированной имплантацией монокристаллического кремния ионами серебра.

На фиг. 5 показано изображение, полученное на атомно-силовом микроскопе (АСМ), поверхности слоя пористого кремния, сформированного имплантацией монокристаллического кремния ионами серебра.

На фиг. 6 показан профиль поперечного сечения (cross-section) отдельных пор, измеренный по направлению, обозначенному на фрагменте фиг. 5.

На фиг. 7 показано изображение, полученное на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) при малом увеличении, поверхности слоя пористого кремния, сформированного имплантацией монокристаллического кремния ионами кобальта.

На фиг. 8 показано изображение, полученное на СЭМ при большом увеличении, поверхности слоя пористого кремния, сформированного имплантацией монокристаллического кремния ионами кобальта.

На фиг. 9 показано СЭМ-изображение поверхности слоя пористого кремния, полученного имплантацией Ag+-ионой в монокристаллический кремний, нагретый перед облучением до 200°C.

Рассмотрим осуществление предлагаемого способа на конкретных примерах.

Пример 1. Рассмотрим осуществление способа изготовления пористого кремния, заключающегося в формировании на поверхности исходной подложки монокристаллического кремния слоя пористого кремния путем ионной имплантации, при котором ионную имплантацию осуществляют на ускорителе ИЛУ-3 ионами благородного металла - Ag+ с энергией Е=30 кэВ, дозой облучения D=1.5·1017 ион/см, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 6.0·1022 атомов/см3, плотностью тока ионного пучка J=3·1013 ион/см2с и комнатной температуре подложки во время облучения.

Моделирование концентрационных профилей распределения имплантированного серебра с энергией 30 кэВ в кремний по глубине с помощью компьютерного алгоритма SRIM-2013 [5], показало, что в приповерхностном имплантированном слое кремния происходит накопление атомов серебра, при этом общая толщина имплантированного приповерхностного слоя с наночастицами серебра не будет превышать 50 нм.

На фиг. 1 и 2 в различных масштабах приведены изображения поверхности кремния, имплантированного ионами серебра, наблюдаемые на сканирующем электронном микроскопе Merlin Zeiss (СЭМ). Как следует из приведенных СЭМ-изображений, морфология облученного кремния в отличие от исходной полированной подложки (фиг. 3) характеризуется наличием ярко-выраженной пористой кремниевой структурой. При этом сформированный имплантацией слой пористого кремния выглядит однородным на большой площади образца в десятки микрон (фиг. 1), что является важной характеристикой для технологических приложений (масштабируемость) [6].

Увеличение фрагмента поверхности (фиг. 2) позволяет оценить средний диаметр отверстий пор (черные области): ~150-180 нм, как это следует из гистограммы распределения пор по размерам (фиг. 4) и толщину стенок пор (светлые серые области): ~30-60 нм.

Следует отметить, что формирование слоя пористого кремния происходит сразу же за или одновременно с зарождением и ростом металлических наночастиц из ионов имплантируемой примеси. В случае примера 1 одновременно с ростом кремниевых пор при имплантации монокристаллического кремния происходит образование наночастиц серебра. На фиг. 2 наночастицы серебра хорошо просматриваются в виде светлых пятен на стенках кремниевых пор. Средний размер наночастиц оценивается величиной порядка 5-15 нм. Иными словами, обязательным условием появления пор, является синтез металлических наночастиц, и требуемая для их зарождения доза имплантированных ионов.

Дополнительная информация, подтверждающая формирование слоя пористого кремния при имплантации на поверхности монокристаллического кремния, имплантированного ионами серебра, наблюдалась на атомно-силовом микроскопе - (АСМ) Innova Broker. На фиг. 5 приведены АСМ-изображения фрагмента поверхности пористого кремния, которые выглядят типичными для пористых кремниевых структур, синтезированных электрохимическими способами [6]. На рис. 6, представлен профиль сечения отдельных пор, измеренный по направлению, указанному на рис. 5, позволяющий оценить глубину пор: ~100 нм. Таким образом, из АСМ также можно заключить, что в результате имплантации кремния ионами серебра формируется слой пористого кремния.

Пример 2. Рассмотрим осуществление способа изготовления пористого кремния, заключающегося в формировании на поверхности исходной подложки монокристаллического кремния слоя пористого кремния путем ионной имплантации, при котором ионную имплантацию осуществляют на ускорителе ИЛУ-3 однозарядными ионами переходного металла Co+ с энергией Е=40 кэВ, дозой облучения D=1.5·1017 ион/см2, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 1023 атомов/см3, плотностью тока ионного пучка J=3·1013 ион/см2с и комнатной температуры подложки во время облучения.

Моделирование концентрационных профилей распределения имплантированного кобальта с энергией 40 кэВ в кремний по глубине с помощью компьютерного алгоритма SRIM-2013 [5], показало, что в приповерхностном имплантированном слое кремния происходит накопление атомов кобальта, при этом общая толщина имплантированного приповерхностного слоя не будет превышать 80 нм.

СЭМ-изображения в различных масштабах поверхности монокристаллического кремния, имплантированного ионами Co+, приведены на фиг. 7 и 8. Аналогично имплантации ионами серебра (фиг. 1) морфология имплантированной ровной гладкой поверхности кремния (фиг. 3) трансформируется в развитую структуру пористую структуру кремния. Также сформированный имплантацией слой пористого кремния выглядит достаточно однородным и масштабируемым на большой площади образца в десятки микрон (фиг. 7). Увеличение масштаба наблюдаемой поверхности (фиг. 8) позволяет наблюдать подробную пористую структуру.

Пример 3. В качестве подложки используют пластину монокристаллического кремния. Имплантацию осуществляют на ускорителе ИЛУ-3 однозарядными ионами благородного металла Ag+ с энергией E=30 кэВ, дозой облучения D=1.0·1017 ион/см2, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 2.0·1022 атомов/см3, плотностью тока ионного пучка J=3·1013 ион/см2с и температуры подложки во время облучения 200°C.

СЭМ-изображение поверхности модифицированного материала полученного после имплантации ионами Ag+ монокристаллического кремния при температуре 200°C подложки во время облучения приведено на фиг. 9. Как видно из фиг. 9, аналогично имплантации ионами серебра в не нагретую подложку кремния (фиг. 1) морфология поверхности, полученной при имплантации нагретого кремния, также характеризуется развитой структурой пористого кремния.

Выбор режимов ионной имплантации, энергия ионов E=10·50 кэВ, D - доза облучения, обеспечивающая концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 3·1020-6·1023 атомов/см3, плотностью тока ионного пучка J=2·1012-1·1014 ион/см2с и температура подложки во время облучения Т=20-400°C, обуславливается тем, что за границами этих режимов не достигается необходимый технический результат получения слоя пористого кремния на поверхности монокристаллического кремния.

Энергия иона Е обуславливает величину его среднего проекционного пробега, которое определяет глубину залегания имплантированного иона, а следовательно, толщину модифицированного слоя от поверхности образца. Сверху энергия ускорения иона ограничена величиной Е=50 кэВ, поскольку при увеличении данной энергии происходит столь глубокое проникновение имплантированных ионов металла, что зарождение пористого слоя будет инициироваться не на поверхности, а в глубине облучаемой подложки. Ограничение снизу величиной Е=5 кэВ связано с тем, что при дальнейшем уменьшении Е не удается получить достаточно крупные элементы структуры кремния, чтобы характеризовать их как поры, а наблюдается лишь распыление его поверхностного слоя [7].

Доза облучения D определяется количеством атомов металлического вещества, необходимое для образования металлических наночастиц, формирование которых в облучаемой матрице вызывает порообразование кремния. Это условие, согласно нашим исследованиям зависимости появления пор на поверхности облучаемого кремния от дозы имплантации, выполняется при концентрациях атомов металла в объеме облучаемого материала порядка 3·1020 атомов/см3. при этом количество внедренной примеси не должно превышать той дозы, при которой начнется слипание растущих металлических наночастиц, приводящее к образованию сплошной металлической пленки, и по нашим оценкам составляет не более 6·1023 атомов/см3.

Плотность тока в ионном пучке J определяет, с одной стороны, время набора дозы имплантации, а с другой стороны скорость нагрева облучаемого материала. Экспериментально установлено, что при превышении плотности ионного тока J=1·1014 ион/см2с разогрев локального поверхностного слоя кремния, приводящего к его плавлению, происходит настолько быстро, что формирование пор не происходит. Облучение с малой плотностью ионного тока нецелесообразно увеличивает время имплантации. поэтому, минимальная плотность ионного тока ограничена величиной J=2·1012 ион/см2с.

Температура облучаемой подложки Т определяет, эффективность гетеррирования (собирания) имплантированных ионов переходных и благородных металлов в металлические наночастицы. при температуре ниже T=20°C, скорость диффузии внедренных ионов металла столь невелика, что образования металлических наночастиц не происходит. С другой стороны, при увеличенная скорость диффузии ионной примеси металла при температуре более T=400°C столь высока, что происходит скоротечный отток примеси из имплантированного приповерхностного слоя облучаемого кремния вглубь образца, что неминуемо ведет к снижению концентрации примеси, не достижения ей предела растворимости и, как следствие, невозможности зарождения и роста металлических наночастиц.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет изготавливать слои пористого кремния непосредственно на поверхности монокристаллического кремния и без дополнительной технологической операции - термического отжига.

Список цитируемой литературы

1. С.П. Зимин, Пористый кремний - материал с новыми свойствами, Соровский образовательный журнал, 2004, Том. 8, №1, С. 101-107.

2. A. Kinomura, R. Suzuki, Т. Ohdaira, M. Nuramatsu, C. He, N. Oshima, T. Matsumoto, H. Tanoue, Y. Horino, Temperature-dependent growth and transient state of hydrogen-induced nanocavities in silicon, J. Appi Phys. 2008. V. 104. P. 34301-1-34301-16.

3. I. Perichaud, E. Yakimov, S. Martinuzzi, C. Dubois, Trapping of gold by nanocavities induced by H+ anf He++ implantation in float zone and Czochralscki grown silicon wafers, J. Appl. Phys. 2001. V. 90, P. 2806-2812.

4. Садовский П.К., Челядинский А.Р., Оджаев В.Б., Тарасик М.И., Турцевич А.С., Васильев Ю.Б., Создание геттера в кремнии путем имплантации ионов сурьмы, ФТТ 2013. Т. 55, вып. 6, С. 1071-1073.

5. SRIM-2013, www.srim.com

6. Ищенко А.А., Фетисов Г.В., Асланов Л.А.: Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля. M.: Физматлит, 2011. 573 с.

7. Герасименко H., Пархоменко Ю. Кремний - материал наноэлектронике. M.: Техносфера, 2007. 276 с.

Способ изготовления пористого кремния, заключающийся в формировании на поверхности исходной подложки монокристаллического кремния слоя пористого кремния путем ионной имплантации, отличающийся тем, что ионную имплантацию осуществляют ионами металлов серебра или кобальта с энергией 10-50 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 3·1020-6·1023 атомов/см3, плотностью тока ионного пучка 2·1012-1·1014 ион/см2 с и при температуре подложки во время облучения 20-400°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к средствам и способам маркировки ценных изделий, преимущественно драгоценных камней, в частности ограненных алмазов (бриллиантов), и может быть использовано для последующей идентификации данных изделий.

Изобретение относится к области легирования твердых тел путем их облучения пучком ионов из фазообразующих атомов и может быть использовано для структурно-фазовой модификации твердых тел, например для улучшения их физико-механических, коррозионных и других практически важных свойств.
Изобретение относится к области получения специальных сплавов в виде покрытий или самонесущих изделий и может быть использовано в металлургии, машиностроении, материаловедении и других отраслях.

Изобретение относится к области легирования твердых тел путем облучения ионами фазообразующих элементов и может быть использовано для ионной модификации структуры и физико-механических свойств металлов, полупроводников и сверхпроводников.

Изобретение относится к получению специальных материалов электронной техники и может быть использовано в оптои акустоэлектронике при создании ультрафиолетовых твердотельных лазеров, люминофоров и т.д.

Изобретение относится к технологии получения высокочистых длинномерных кремниевых подложек для производства солнечных батарей. Способ осуществляют в технологическом реакторе, содержащем подпитывающий кремний-сырец 1, формообразователь 4 с отверстием 5, индукционный нагреватель 3, обеспечивающий столб расплава 2 кремния над формообразователем 4, и кремневую затравку 6, подаваемую в отверстие формообразователя снизу, при этом в технологическом реакторе создают кислородсодержащую атмосферу.

Изобретение относится к металлургии полупроводниковых материалов и может быть использовано, например, при выращивании монокристаллов кремния методом Чохральского.

Изобретение относится к технологии получения чистых веществ, используемых в отраслях высоких технологий: полупроводниковой, солнечной энергетики, волоконно-оптической связи.

Изобретение относится к технологии получения высокочистых полупроводниковых материалов для электронной, электротехнической промышленности и солнечной энергетики.

Изобретение относится к производству стержней поликристаллического кремния. Способ осуществляют в реакторе, содержащем донную плиту, образующую нижнюю часть реактора и колоколообразный вакуумный колпак, прикрепленный с возможностью снятия к донной плите, в котором на донной плите расположено множество газоподводящих отверстий для подачи сырьевого газа снизу вверх в реактор, и газовыводящих отверстий для выпуска отработанного газа после реакции, и в котором множество газоподводящих отверстий расположено концентрически по всей площади, охватывающей верхнюю поверхность донной плиты, в которой устанавливают множество кремниевых затравочных стержней, причем кремниевые затравочные стержни нагревают, и поликристаллический кремний осаждают из сырьевого газа на поверхностях кремниевых затравочных стержней, при этом прекращают подачу сырьевого газа из газоподводящих отверстий вблизи центра реактора в течение заданного времени, в то время как подают сырьевой газ из других газоподводящих отверстий на ранней стадии реакции, и обеспечивают путь для нисходящего газового потока после столкновения с потолком вакуумного колпака.

Изобретение относится к области получения монокристаллов кремния. .

Изобретение относится к технологии получения стержней из поликристаллического кремния. .

Изобретение относится к технологии полупроводниковых материалов и может быть использовано в производстве поликристаллического кремния. .

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов кремния способом Чохральского или мультикристаллов кремния методом направленной кристаллизации, которые в дальнейшем служат материалом для производства солнечных элементов и батарей (модулей) с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Изобретение относится к нанотехнологиям в области химии. .

Изобретение относится к технологии получения чистого наноструктурированного кремния и может быть использовано в разных областях полупроводниковой техники. Наноразмерные структуры кремния получают термическим разложением моносилана, которое проводят адиабатическим сжатием смеси 10 об.% моносилана в аргоне при начальном давлении 0,095 МПа и температуре 130°С.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электротермическому способу получения кремния и кремнистых сортов ферросплавов в руднотермических печах.

Изобретение относится к технологии изготовления слоев пористого кремния, выполненных на поверхности монокристаллического кремния, которые могут быть использованы в оптике и оптоэлектронике. Способ заключается в формировании на поверхности исходной подложки монокристаллического кремния слоя пористого кремния путем ионной имплантации ионами металлов серебра или кобальта с энергией 10-50 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 3·1020-6·1023 атомовсм3, плотностью тока ионного пучка 2·1012-1·1014 ионсм2 с и при температуре подложки во время облучения 20-400°C. Изобретение обеспечивает возможность изготовления слоев пористого кремния непосредственно на поверхности монокристаллического кремния методом ионной имплантации с исключением из технологической цепочки операции высокотемпературного отжига получаемых изделий. 9 ил., 3 пр.

Наверх