СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ЛАТЕРАЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫХ НИТЕВИДНЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ ОКСИДА ЦИНКА
METHOD OF GROWING THREAD-LIKE CRYSTALS OF ZINC OXIDE

Изобретение относится к области нанотехнологии и наноэлектроники, а конкретно к получению латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка.
Известен способ выращивания вертикально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка [1]. Способ включает создание на поверхности подложки вертикально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка методом низкотемпературного жидкостного химического осаждения из водного раствора цинковых солей с добавлением гексаметилтетрамина и метинамина. Недостатком данного способа является невозможность создания латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка.
Известен способ выращивания латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка [2]. Способ включает формирование на рабочей стороне подложки фоторезистивной маски, формирование двухслойного покрытия последовательным осаждением слоев оксида цинка и защитного материала. В качестве защитного выбирают материал, химически инертный к химическому раствору, для роста нанокристаллов оксида цинка. В качестве защитного материала используют хром. С помощью техники взрывной литографии формируют локальные области двухслойного покрытия с вертикально расположенными торцевыми участками. Полученную структуру погружают и выдерживают в химическом растворе для выращивания нитевидных нанокристаллов оксида цинка. В качестве химического раствора используют водный раствор, содержащий цинкосодержащие соли и гексаметилтетрамин. Затем подложку извлекают из химического раствора и сушат. Рост нанокристаллов оксида цинка в данном способе происходит при температуре от 60 до 90°С. Недостатком данного способа является малая воспроизводимость процесса латерального роста нитевидных нанокристаллов оксида цинка, так как часть нанокристаллов растет в различных направлениях относительно латерального. Кроме того, в качестве химического раствора для выращивания нитевидных нанокристаллов оксида цинка используют раствор, обеспечивающий лишь гомогенный рост нитевидных нанокристаллов оксида цинка, что в значительной степени повышает вероятность образования в объеме раствора кристаллитов оксида цинка и, как следствие, также снижает воспроизводимость процесса роста латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ выращивания латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка [3]. Способ включает формирование на рабочей стороне кремниевой подложки затравочного слоя оксида цинка. Для этого на рабочей стороне кремниевой подложки формируют фоторезистивную маску. Селективно в кремниевой подложке создают углубления. Методом магнетронного напыления под углом 45 градусов к поверхности рабочей стороны кремниевой подложки наносят слой наночастиц оксида цинка (несплошной слой). Затем на затравочном слое оксида цинка проводят выращивание латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка. Рост нанокристаллов оксида цинка осуществляют из газовой фазы. Недостатком данного метода является малая воспроизводимость процесса латерального роста нитевидных нанокристаллов оксида цинка, так как часть нанокристаллов растет в различных направлениях относительно латерального. Кроме того, из-за использования операции газофазного осаждения нитевидных нанокристаллов оксида цинка при температурах более 500°С, не обеспечивается возможность применения подложек, характеризующихся невысокой тепловой устойчивостью (например, металлоорганических), что ограничивает номенклатуру используемых для выращивания нитевидных нанокристаллов оксида цинка подложек.
Задача изобретения - повышение воспроизводимости процесса латерального роста нитевидных нанокристаллов оксида цинка.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Способ выращивания латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка включает формирование на рабочей стороне подложки затравочного слоя оксида цинка. При этом затравочный слой оксида цинка осаждают на горизонтальную поверхность рабочей стороны подложки сплошной пленкой. После осаждения затравочного слоя оксида цинка на него осаждают слой защитного материала. В качестве слоя защитного материала может быть использована пленка титана. Литографически формируют локальные области затравочного слоя и слоя защитного материала с совпадающими торцевыми участками. Подложку погружают и выдерживают в химическом травителе оксида цинка для подтравливания торцевых участков затравочного слоя оксида цинка на величину, не меньшую 5 нм. Проводят выращивание на затравочном слое латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка. Выращивание проводят погружением и выдержкой подложки в химическом растворе для выращивания нитевидных нанокристаллов оксида цинка рабочей стороной подложки вниз. В качестве химического раствора для выращивания нитевидных нанокристаллов оксида цинка может быть использован водный раствор цинкосодержащих солей с добавлением щелочи.
Детальный анализ способа-прототипа показал, что часть нанокристаллов оксида цинка растет с отклонением от латерального направления. Это связано с тем, что в данном способе отсутствует ограничитель роста нанокристаллов в вертикальном направлении. В предложенном способе такой ограничитель роста создают тем, что подложку погружают и выдерживают в химическом травителе оксида цинка для травления торцевых участков слоя оксида цинка (подтравливание слоя оксида цинка с торцевых участков). Травление торцевых участков слоя оксида цинка проводят на величину, не меньшую 5 нм. В результате этого над слоем оксида цинка образуется нависающая часть защитного слоя (козырек), служащая эффективным ограничителем роста нанокристаллов в вертикальном направлении. Из проведенного нами детального экспериментального исследования было установлено, что при травлении торцевых участков слоя оксида цинка на величину, меньшую 5 нм, существенно увеличивается число нанокристаллов оксида цинка, отклоняющихся от растущих в горизонтальном направлении.
В объеме химического раствора для выращивания нанокристаллов оксида цинка непрерывно образуются кристаллиты оксида цинка, которые способны осаждаться на латерально выращиваемые нитевидные нанокристаллы и затруднять их дальнейший направленный рост. В предложенном способе погружение и выдержку подложки в химическом растворе проводят в горизонтальном положении рабочей стороной подложки вниз. Это позволяет избежать попадания кристаллитов на выращиваемые нитевидные нанокристаллы оксида цинка.
В качестве химических растворов для выращивания нитевидных нанокристаллов оксида цинка используют растворы, обеспечивающие как гомогенный, так и гетерогенный рост нитевидных нанокристаллов оксида цинка. В первом случае в значительной степени повышается вероятность образования в объеме раствора кристаллитов оксида цинка, и, как следствие, снижается воспроизводимость процесса роста латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка. В качестве химического раствора для выращивания нитевидных нанокристаллов оксида цинка в заявляемом способе предлагается использование водного раствора цинкосодержащих солей с добавлением щелочи. Это позволяет проводить гетерогенный рост нитевидных нанокристаллов оксида цинка и существенно снизить вероятность образования в объеме раствора кристаллитов оксида цинка.
Титан обладает высокой адгезионной способностью к слою оксида цинка, проявляет другие свойства защитного материала, поэтому является эффективным материалом для создания защитного слоя.
На чертеже приведена краткая технологическая последовательность выращивания латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка, где а - формирование на подложке затравочного слоя оксида цинка и слоя защитного материала, б - формирование локальных областей затравочного слоя и слоя защитного материала с совпадающими торцевыми участками, в - подтравливание торцевых участков слоя оксида цинка, г - выращивание латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка, где 1 - подложка, 2 - слой оксида цинка, 3 - слой защитного материала, 4 - латерально расположенные нитевидные нанокристаллы оксида цинка.
Пример исполнения
3
2
Способ выращивания латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка включает формирование на рабочей стороне подложки затравочного слоя оксида цинка. При этом затравочный слой оксида цинка осаждают на горизонтальную поверхность рабочей стороны подложки сплошной пленкой толщиной 300 нм. После осаждения затравочного слоя оксида цинка на него осаждают слой защитного материала. В качестве слоя защитного материала осаждают пленку титана толщиной 200 нм. Литографически формируют локальные области затравочного слоя и слоя защитного материала с вертикально расположенными совпадающими торцевыми участками. Подложку погружают и выдерживают в химическом травителе оксида цинка для подтравливания торцевых участков затравочного слоя оксида цинка на величину 10 нм. В качестве травителя используют раствор 0,1 М соляной кислоты. Затем проводят выращивание на затравочном слое латерально расположенных нитевидных нанокристаллов оксида цинка. Выращивание проводят погружением и выдержкой подложки в химическом растворе для выращивания нитевидных нанокристаллов оксида цинка рабочей стороной подложки вниз. В качестве раствора используют водный раствор цинкосодержащих солей с добавлением щелочи (0,01 М Zn(NO) и 0,4 М NaOH). Погружение и выдержку подложки в химическом растворе проводят в горизонтальном положении рабочей стороной подложки вниз. В заключение подложку извлекают из химического раствора и сушат.
Положительный эффект от использования предлагаемого способа заключается в повышении воспроизводимости процесса латерального роста нитевидных нанокристаллов оксида цинка. Из-за применения низкотемпературного роста нитевидных нанокристаллов оксида цинка в латеральном направлении, обеспечивается возможность использования более дешевых подложек (в сравнении с кремнием), что значительно снижает себестоимость создания структур, содержащих латерально расположенные нитевидные нанокристаллы оксида цинка.
Практическая значимость предлагаемого способа заключается в возможности создания на основе структур с латерально расположенными нанокристаллами оксида цинка высокочувствительных датчиков различных газов, микрогенераторов тока.
Источники информации
1. Патент США US 007265037, H01L 21/20.
2. Yong Qin, Rusen Yang, and Zhong Lin Wang, Growth of Horizontal ZnO Nanowire Arrays on Any Substrate, J. Phys. Chem. C, 2008, vol.112, no.48, p.18734-18736.
3. Патент США US 007208094, C23F 1/00, H01L 21/00 - прототип.