СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ УПОРЯДОЧЕННЫХ НАНОСТРУКТУР НА ПОДЛОЖКЕ
METHOD TO FORM ORDERED NANOSTRUCTURES ON SUBSTRATE

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для изготовления упорядоченных наноструктур, используемых в микро- и наноэлектронике, оптике, в том числе нанофотонике, биологии и медицине.
Более конкретно, способ относится к способам формирования сложных мозаичных картин из наночастиц на подложке.
Известно, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять такое вещество в очень малой части. Тщательно очищенные наночастицы могут быть организованы с образованием упорядоченных структур, и такие строго организованные наноструктуры зачастую проявляют свойства, необычные для данного вещества. Тип организации наночастиц и формируемая структура зависят от условий синтеза, диаметра частиц, вида внешнего воздействия на структуру.
В настоящее время в электронике одна из основных технологий получения наноструктур - литография. Для промышленных целей в настоящее время широкое применение получил метод микролитографии, который позволяет формировать на поверхности подложки плоские наноструктурные объекты размером от 50 нм. Именно этот способ широко применяется в современной микроэлектронике. Известен способ формирования структур в микролитографии, включающий нанесение на подложку позитивного электронорезиста, проведение экспонирования рисунка, проявление, нанесение дополнительного слоя материала, удаление резиста с регламентированными параметрами процесса (RU 2072644 С1, 27.01.1997, H05K 3/06) [1]. Способ позволяет уменьшить размеры элементов формируемых наноструктур и позволяет изготовить наноструктуры с размерами элементов или зазоров между ними 0,1-0,5 мкм за счет именно регламентированных в способе параметров проведения процесса литографии.
Однако процесс микролитографии требует высоких температур, высокой степени вакуума и химической обработки. Это сразу же исключает использование биологических и органических материалов (вследствие их повреждения и полного разрушения), что важно не только в биологии и медицине, но и в областях техники, которые ранее использовали только неорганические материалы. Уже сегодня рынок органических светодиодов составляет около 3 млрд долларов и, по оценкам экспертов, рынок органической нанофотоники к 2015 г. увеличится в 10 раз. Это говорит о весьма широких и быстро растущих сегментах рынка новых технологий, для развития которых внедрение данного метода может быть весьма эффективным. Таким образом, одной из важнейших задач, поставленных развитием современной техники перед нанотехнологиями, является развитие новых, щадящих методов создания микро- и наноструктур, исключающих применение высоких температур и агрессивных сред.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в том, что предлагаемый способ позволяет расширить класс материалов, из которых можно формировать упорядоченные наноструктуры (включая, в том числе, органические материалы и биологические ткани и объекты) с обеспечением точности воспроизведения нанообъектов на подложке выше или сопоставимой с имеющимися методами. Заявленный способ позволяет стабильно проводить процесс формирования в одном технологическом пространстве. При этом заявляемым способом могут быть изготовлены однослойные и многослойные наноструктуры (двухмерные, трехмерные), в том числе содержащие слои различного состава материалов.
Указанный технический результат достигается тем, что подложку и исходный субстрат, содержащий наночастицы, располагают с образованием пространства между ними, в указанном пространстве распыляют субстрат в виде облака капель, каждая из которых содержит, по меньшей мере, одну наночастицу, при этом создание субстрата в виде распыленного облака капель осуществляют посредством ультразвукового воздействия при размещении источника ультразвукового воздействия относительно подложки с возможностью организации распыленного облака капель в указанном пространстве, а управление движением в указанном пространстве и осаждением капель на подложку осуществляют воздействием на них внешними электрическими и/или магнитными полями.
В исходный субстрат может быть введен наполнитель.
Формирование упорядоченных наноструктур на подложке может осуществляться в условиях вакуума.
Заявленный способ формирования упорядоченных наноструктур на подложке может быть реализован, например, с помощью нижеописанного устройства. Такое устройство должно содержать герметичную камеру, либо содержащую очищенный газ (в том числе воздух), либо вакуумированную (степень очистки или вакуумирования определяется конкретными задачами, в частности размером получаемых структур), оснащенную экраном для создания электростатической защиты, модуль формирования облака (взвеси) капель, содержащий источник ультразвукового воздействия (ультразвуковых колебаний) для распыления исходного субстрата, наносимого на поверхность модуля, устройство для внесения субстрата на поверхность модуля и устройство для координатной ориентации подложки в камере. При этом подложка и содержащий наночастицы субстрат располагаются в камере с образованием пространства между ними, с возможностью распыления субстрата с образованием облака капель в данном пространстве. Также устройство для реализации заявленного способа должно содержать систему электродов, обеспечивающую манипулирование (управление движением, перемещением, осаждением) капель в указном пространстве. Система электродов должна быть оснащена модулем управления сигналами, подаваемыми на электроды. Посредством данной системы электродов осуществляется воздействие внешними электрическими и/или магнитными полями на капли, содержащие наночастицы. Расположение и конфигурация электродов определяют ориентацию векторов электрической и магнитной напряженности поля. Устройство для реализации заявленного способа также должно содержать оптический микроскоп, позволяющий анализировать и контролировать процесс формирования наноструктуры на подложке.
Параметры источника ультразвукового воздействия должны при распылении обеспечивать заданный размер капель. Ультразвуковое воздействие может быть осуществлено посредством объемных или поверхностных акустических волн (ультразвуковая волна может быть сформирована, например, с помощью пьезоэлектрического преобразователя). Заданный размер капель достигается при задании частоты переменного электрического напряжения, а достижение необходимой скорости формирования капель достигается заданием амплитуды приложенного электрического напряжения. В частности, знание скорости формирования капель необходимо для расчета толщины формируемых наноструктур, и, соответственно, для определения времени их формирования.
Параметры напряжения, подаваемого на электроды, т.е. характеристики создаваемых электрических и/или магнитных полей, определяются требуемой картиной упорядочения наноструктуры. Задание управляющих сигналов (параметров напряжения), подаваемых на электроды, в соответствии с картиной упорядочения наноструктуры позволяет формировать в пространстве нахождения облака капель электрические и/или магнитные поля с необходимыми характеристиками. Воздействие такими электрическими и/или магнитными полями на капли приводит к организации потоков капель, содержащих наночастицы, отклоняющихся и выстраивающихся при осаждении на подложку в соответствии с ориентацией в пространстве векторов напряженности электрического и/или магнитного полей.
При этом для четкого фиксирования наноструктуры материал подложки должен быть химически стойким по отношению ко всему субстрату.
Различные жидкие и твердые реагенты могут вводиться в исходный субстрат для протекания необходимых химических реакций с активизацией наночастиц.
Следует отметить, что капли исходного субстрата после распыления должны обладать электрическим зарядом и/или магнитным моментом для последующего управления их движением и осаждением на подложку с помощью электрического и/или магнитного поля. При этом исходный субстрат, из которого изготавливается наноструктура, должен обладать возможностью распыления с помощью ультразвуковых волн (быть раствором, суспензией или эмульсией, в том числе, например, органических материалов, а также биологических тканей или культур, или, например, быть расплавленным металлом или полупроводником). Таким образом, с целью придания субстрату возможности его распыления, субстрат может содержать помимо наночастиц наполнитель (например, воду и/или спирт в произвольной концентрации).
Формирование упорядоченных наноструктур по заявленному способу может быть осуществлено следующим образом. В заданное пространство камеры вносится подложка, исходный субстрат, содержащий наночастицы, наносится на поверхность модуля формирования облака капель. При приложении соответствующего электрического напряжения к пьезоэлектрическому преобразователю воздействие возникающей ультразвуковой волны на субстрат приводит к его распылению с образованием облака капель, каждая из которых может содержать одну или несколько (по меньшей мере, одну) наночастиц. В камере создаются электрические и/или магнитные поля с заданными характеристиками, что приводит к организации потоков заряженных капель, их отклонению и выстраиванию при осаждении на подложку в соответствии с ориентацией в пространстве векторов напряженности электрического и/или магнитного полей. Для этого на систему электродов подаются соответствующие управляющие сигналы, параметры которых определяются требуемой картиной упорядочения наноструктуры. Применение воздействия электрическим и/или магнитным полями на капли, содержащие наночастицы, для управления их движением в пространстве облака и их осаждением на подложке позволяет не использовать маску при формировании наноструктур, что, в свою очередь, позволяет организовать проведение процесса формирования в одном технологическом пространстве камеры за один этап, то есть повышает гибкость способа (за счет возможности создания различных структур не с помощью изготовления новых масок, а изменением параметров управляющих сигналов и устраняет расходы на создание маски). Капли осаждаются на подложку в соответствии с требуемой картиной упорядоченной наноструктуры. Летучие компоненты облака либо являются химически инертными по отношению к материалу наноструктур и постепенно испаряются с подложки в окружающее пространство, либо таковых не остается (в случае расплавленных металлов или полупроводников).
Таким образом, создание субстрата в виде распыленного облака капель, содержащих, по крайней мере, одну наночастицу, посредством ультразвукового воздействия является щадящим и экологически безопасным, что позволяет расширить класс материалов, из которых можно формировать упорядоченные наноструктуры с обеспечением высокой точности воспроизведения наноструктуры на подложке. Управление движением и осаждением капель воздействием внешних электрических и/или магнитных полей позволяет управлять движением и осаждением капель и, таким образом, находящихся в них наночастиц, несущих электрический заряд или магнитный момент. Класс таких частиц очень широк и включает растворы, суспензии и эмульсии неорганических и органических материалов, а также биологических тканей или культур, в том числе расплавленные металлы или полупроводники. Применение воздействия электрическим и/или магнитным полями на капли для управления их движением в пространстве облака и их осаждением на подложку позволяет не использовать маску при формировании наноструктур, что, в свою очередь, позволяет организовать проведение процесса формирования в одном технологическом пространстве камеры за один этап. Заявленный способ позволяет формировать многослойные упорядоченные структуры, что возможно при внесении в камеру подложки с нанесенным слоем упорядоченной наноструктуры для формирования следующего слоя, при этом картины упорядочения слоем наноструктур могут быть различными. Заявленным способом могут быть получены двухмерные, трехмерные упорядоченные структуры из различных материалов.
Заявленный способ формирования упорядоченных наноструктур на подложке позволяет получать упорядоченные наноструктуры с высокой точностью воспроизведения картины упорядочения наночастиц в структуре.