СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР
METHOD FOR GENERATION OF NANOSTRUCTURES

Изобретение относится к нанотехнологии и производству наноструктур, к способу получения протяженных массивов наноструктур и нанопорошков из различных материалов (углеродные, углеродосодержащие, металлы, многокомпонентные сплавы), а также получению наноструктурированных композитных материалов как промежуточного продукта при получении наноструктур. Может быть использовано в микроэлектронике, электротехнике, в оптических и нелинейно-оптических системах и устройствах, магнитооптических системах, а также для создания новых магнитных носителей информации.
Известен способ формирования тонких пленок на полупроводниковой подложке и устройство для его осуществления (Патент РФ № 2046450, МПК H01L 21/30). Способ включает приготовление наносимой жидкости на полупроводниковую подложку, которая закреплена на вращающемся столике, снабженном вакуумным захватом. На первом этапе подложку вращают вокруг горизонтальной оси в резервуаре с наносимой жидкостью. На втором этапе подложку вынимают из резервуара и вращают с увеличенной скоростью. После этого подложку опускают в резервуар с образованием зазора между подложкой и поверхностью, находящейся в резервуаре жидкости, снизу под давлением на поверхность вращающейся подложки подают фильтрованную наносимую жидкость, затем столик с подложкой вращают с увеличенной скоростью перед возвращением в исходное положение, а отработанную жидкость сбрасывают из резервуара в систему рециркуляции и через фильтр направляют на повторный цикл нанесения пленки.
Известен способ фотохимического осаждения тонких пленок и устройство для его осуществления (Патент РФ № 2059322, МПК H01L 21/31). Способ включает нагрев подложки в реакторе атмосферного давления, подачу смеси реагирующих газов, облучение зоны осаждения вакуумным ультрафиолетовым излучением эксимерных молекул инертного газа газоразрядной плазмы барьерного типа при напряжении 1-20 кВ и частоте 1-20 кГц, причем спектр излучения выбирают из области спектра поглощения реагирующих газов. Недостатками данного способа являются: 1) для получения тонких пленок необходим реактор атмосферного давления; 2) необходимо облучать зону осаждения ультрафиолетовым излучением эксимерных молекул инертного газа газоразрядной плазмы барьерного типа.
В качестве прототипа был выбран способ получения пленочного покрытия со свойствами углеродного стекла и установка для осуществления способа (Патент РФ № 2340550, МПК С01В 31/00). В атмосфере инертного газа с фиксированным давлением, превышающим давление в тройной точке углерода, осуществляют испарение образца высокоориентированного графита в пределах локальной зоны лазерным импульсом таким образом, чтобы перегреть углерод относительно равновесной температуры плавления графита, соответствующей этому фиксированному давлению. Испарение ведут через пластину из кварцевого стекла, установленную с зазором 10-100 мкм относительно образца. Осаждение полученного пара проводят на части образца, примыкающей к локальной зоне. Для реализации способа устройство содержит размещенный в атмосфере инертного газа образец высокоориентированного графита, расположенную над ним кварцевую пластину, находящийся с ними в оптической связи импульсный лазер, пирометр для регистрации температуры жидкого углерода и фотоприемник для регистрации мощности лазерного импульса, а также устройство для изменения взаимного положения образца и кварцевой пластины, выполненное в виде разрезной пружинной прокладки, на которую нажимает гайка. Предложенное изобретение обеспечивает повышение сплошности и однородности получаемых покрытий со структурой стеклоуглерода.
К недостаткам вышеуказанного способа можно отнести то, что для получения пленок нужна атмосфера инертного газа с фиксированным давлением, превышающим давление в тройной точке углерода. В результате чего необходимое давление в данной точке по классической диаграмме равно 20-40 кПа. Это приводит к значительным технологическим затруднениям. Также при технологическом цикле прототипа не представляется возможным получить протяженные массивы наноструктур, нанопорошки.
Техническим результатом данного изобретения является получение наноструктур, например протяженных массивов наноструктур, однородных тонких пленок, нанопорошков с возможностью обеспечения эффективного управления формой и ориентацией синтезируемых частиц, селекцией легких и тяжелых частиц для получения большей однородности массивов наноструктур на подложке.
Этот технический результат достигается тем, что в способе формирования наноструктур на подложке, путем управляемого лазерного воздействия на образец через подложку с зазором между подложкой и образцом, варьируя параметрами лазерного излучения и расстоянием между образцом и подложкой, производят селекцию наночастиц, которые в процессе осаждения формируют наноструктуру на подложке при зазоре от нескольких микрон до 2 мм в атмосфере воздуха. Так же в качестве образца можно использовать материал с наноструктурированной поверхностью или нанопористый материал.
Зазор может быть создан с помощью технологической оснастки, позволяющей регулировать высоту между подложкой и образцом и определять преимущественное направление распространения плазмы, например, подложку, на которой происходит осаждение, можно закрепить на платформе с шаговым двигателем, тем самым изменяя расстояние между подложкой и образцом.
Подложку для напыления делают из прозрачного для лазерного излучения с заданной длинной волны материала. Также возможно использование непрозрачных подложек, в которых для прохождения лазерного излучения выполнено отверстие.
На образец 3 производят воздействие лазерным излучением 1. В результате образуется плазменно-эрозионный факел, частицы которого осаждаются на холодной подложке 2. Между образцом и подложкой существует расстояние, которое создается с помощью прослойки 4. Если исходная мишень двухкомпонентная, то в плазменном факеле будут присутствовать тяжелые и легкие частицы, и будет наблюдается эффект обострения при разлете тяжелых частиц, обеспеченный тем, что более тяжелые частицы распространяются в облаке легких частиц. Такое наблюдение и эффект обострения показаны в работе «Избранные задачи теории лазерной абляции» С.И.Анисимова и Б.С.Лукьянчука, журнал "Успехи физических наук".
Заявляемый способ управления и получения наноструктур основан на проведенных исследованиях физико-химических процессов формирования наночастиц и наноструктур под действием лазерного излучения. В настоящем способе формирование наноструктур проводится под действием лазерного излучения.
Особенность способа заключается в лазерно-плазменных технологиях. Применение лазерной плазмы позволяет улучшить селекцию атомов до размера получения отдельных наночастиц порядка 2-50 нм, а эффект обострения предоставляет возможность добиваться селекции тяжелых и легких частиц. Данный процесс может происходить в атмосфере воздуха из-за перенасыщенности паров, которые не взаимодействуют с окружающей средой. Изменяя расстояние между образцом и подложкой, управляя геометрией канала для движения плазмы, можно добиться селекции осаждаемых частиц. А варьируя параметрами лазерного излучения, можно добиться того, что тяжелые частицы не смогут достигать холодной подложки или же, чтобы легкие частицы покидали область осаждения. Предлагаемый способ формирования наноструктур, например протяженных массивов наноструктур, тонких пленок и нанопорошков позволяет удешевить технологический цикл получения готовых изделий с возможностью дальнейшего применения.
Получаемые тонкие пленки могут использоваться в качестве защитных или декоративных покрытий (например, оксид и нитрид титана, оксид алюминия, оксид цинка и т.д.), протяженные массивы наноструктур, в случае их чередования, позволяют их использовать в качестве микро- и нано- электронных устройств, за счет разной проводимости в слоях материала, получаемые нанопорошки могут применяться в различных отраслях промышленности в качестве наполнителей, катализаторов и т.д.
Пример осуществления способа. На чертеже представлена схема формирования наноструктур. Воздействуя лазерным излучением 1 на образец 3, образовывается плазменный факел, из которого вылетают частицы, которые осаждают на холодной подложке 2. Между образцом и подложкой существует регулируемый зазор, который создается с помощью прослойки 4.