Process for the formation of a three-dimensional microstructure

Invenfia se refer! la un procedeu de formare a unei microstructuri tridimensionale prin modificarea conform imaginii date a propriet!filor substanfei semifabricatului initial in sectoarele prelucrate și poate fi utilizat! in microelectronic! la prepararea celulelor solare, mijloacelor de p!strare a informatiei.

Este cunoscut procedeul de creare a structurilor tridimensionale. Esenfa procedeului const! in aceea c! prin doparea ionic! a solidelor concomitent! sau consecutiv!, totodat!, prin tratarea cu ioni de gaz inert in obiect se formeaz! nanopori de gaz cu umplerea concomitent! sau consecutiv! a volumului lor cu ioni ai elementelor de faz! nativ! [1].

Dezavantajul procedeului cunoscut const! in aceea c! fazele menfionate se formeaz! haotic in materialul prelucrat, far! distribuirea lor determinat! din start, ceea ce limiteaz! sfera aplic!rii lor practice.

Mai este cunoscut procedeul de preparare a imaginii conductibile in volumul straturilor fine cu grosimea de 20 nm prin extragerea atomilor nemetalici sub acfiunea unui fascicul de particule inc!rcate [2]. Dezavantajul procedeului cunoscut const! in aceea c! nu este posibil de obfinut structuri voluminoase cu grosimea (adâncimea) mai mare decât ~ 100 nm, inclusiv multistrat. Pentru majorarea densit!fii amplas!rii elementelor de structuri paternate la grosimi mai man ale straturilor prelucrate este necesar de a alege о astfel de energie pentru ca în!lțimea gâtului (gurii) retortei de dispersie s! coincid! cu grosimea straturilor prelucrate pentru a se evita unirea elementelor invecinate ale structurii conductibile la atingerea perefilor retortei de dispersie. Gâtul retortei de dispersie in acest procedeu poate avea о altitudine mic! datorit! grosimii mici a straturilor prelucrate. Simpla majorare a energiei particulelor care ar putea s! alungeasc! gâtul retortei de dispersie (și prin aceasta s! majoreze grosimea straturilor prelucrate f!r! micșorarea densit!fii atinse a structurilor formate paternate și far! modificarea condifiilor de realizare a procedeului duce la disparifia materialului in zonele supuse iradierii, cea ce poate fi explicat prin influenfa unor procese care au loc la iradiere (spre exemplu, tratament ionoreactiv, pulverizarea fizica). Afar! de aceasta in cazul dat apar mari probleme la evacuarea cildurii pentru menfinerea temperaturii admisibile a mostrelor in procesul de iradiere.

Cel mai apropiat de procedeul propus dup! esenfa tehnic! și rezultatul obfinut este procedeul de creare a structurii voluminoase, care include depunerea pe substrat a unuia sau mai multor straturi de lucru din combinafii de dou! sau multe straturi de lucru din compuși biatomici sau multiatomici, iradierea lor ulterioar! prin masc! sau șablon cu un fascicul de particule accelerate, care asigur! eliminarea selectiv! a atomilor de un anumit tip de pe sectoarele iradiate însoțit! de modificarea proprietăților substanfei, totodat! deasupra stratului de lucru se aplic! un strat suplimentar de substanf!, afinitatea chimic! a c!ruia la atomii eliminafi din stratul de lucru este mai mic! decât la atomii care nu au fost eliminafi din stratul de lucru [3].

Dezavantajul procedeului cunoscut const! in complexitatea lui și absorbfia inalt! de energie, totodat! procedeul nu permite de a obfine un relief bine conturat al imaginii și de a dirija arhitectura structurii voluminoase.

Problema pe care о rezolv! invenfia propus! const! in majorarea gradului de reliefare a imaginii structurii tridimensionale dup! schema stabilit! din start, facilitarea și ieftinirea procesului de obfinere a desenului in volumul straturilor cu grosimea de 100...700 nm și posibilitatea dirij!rii dimensiunilor și a propriet!filor structurilor obfinute.

Esenfa invenfiei const! in aceea c! procedeul de formare a unei microstructuri tridimensionale include depunerea pe un suport de Si a unui strat de lucru de substanf! cu structure compozit! ITO și prelucrarea structurii obfinute prin microindentare cu sarcini in limitele 0,01...0,50 N cu inl!turarea ulterioar! a sectoarelor deformate prin intermediul decap!rii chimice cu acid fluorhidric concentrat.

Procedeul permite evitarea aparifiei efectelor legate de iradierea stratului de lucru și contribuie la extinderea nomenclaturii tipurilor de compozifii chimice utilizate in calitate de strat de lucru și variafia alegerii diferitor combinafii „strat de lucru-substrat” ceea ce face posibil! aplicarea procedeului propus pentru crearea structurilor tridimensionale cu diferite destinafii. Procedeul permite de a dirija arhitectura structurii tridimensionale obfinute datorit! modific!rii grosimii stratului de lucru, timpului de tratament selectiv, m!rimii sarcinii la prelucrarea mecanic! a stratului și datorit! modific!rii desenului de prelucrare.

Rezultatul menfionat a fost obfinut la realizarea procedeului de formare a structurii tridimensionale, care include aplicarea pe un suport a unui strat de lucru și prelucrarea ulterioar! a structurii obfinute, ce permite inl!turarea selectiv! a stratului in sectoarele prelucrate, pentru aceasta in calitate de suport este folosit Si, in calitate de strat de lucru este aplicat un strat de ITO (indium tin oxide), pentru prelucrarea stratului de lucru se aplic! microindentarea structurii obfinute cu sarcini in limitele 0,01...0,5 N, iar eliminarea sectoarelor deformate este realizat! prin tratament chimic cu acid fluorhidric concentrat (HF).

Rezultatul tehnic al procedeului propus const! in obfinerea structurii tridimensionale dup! schema planificată, forma și dimensiunile c!reia pot fi dirijate in funcfie de domeniul aplic!rii practice. Invenfia se explic! prin desenele din fig. 1-4, care reprezint!:

MD 152 Z 2010.02.28

- fig. 1, microstructura, spectrele și compoziția chimică a structurii ΓΓΟ/Si în fimcție de distanța de la suprafață (aspectul în secțiune): A,b - in interiorul stratului ΓΓΟ; c,d - la о distanță de la stratul ITO In volumul cristalului de Si;

- fig. 2, amprente depuse cu diferite sarcini P, N: a - 0,15; b - 0,20; c - 0,50 x 800;

- fig. 3, aspectul amprentelor depuse cu trei sarcini diferite și zonele din jurul lor după tratamentul chimic timp de 2 min P, N: a - 0,01; b - 0,1; c - 0,4 x800;

- fig. 4, structure tridimensională (a, b) în secțiune și, respectiv, imaginea frontală a acestei figuri pe suprafafa stratului ГГО (c). P=0,1 N: (a) - relieful suprafeței amprentei (d) și zona din jurul ei până la tratamentul chimic (in secfiune), (b) - profilul zonei dizolvate (Df) după 4 min de tratament chimic selectiv cu acid fluorhidric concentrat (HF). Axa Y: run. Linia suprafefei de secfiune schematic este prezentată in insertie; (c) - suprafafa amprentei și zona din jurul ei după tratamentul selectiv cu HF (imagine frontală).

Procedeul propus se realizează in felul următor.

La prima etapă se obfine structure planară TCO/Si (oxizi conductibili transparenfi). In calitate de TCO se folosesc pelicule de In₂O₃-SnO₂ (ITO) cu grosimea de la 100 nmpână la 700 nmcare se depun pe substrat de Si. Structure de așa fel poate fi clasată drept tip ,,dur-pe-dur”.

După aceasta structure compozită se supune microindentării după metoda lui Vickers cu sarcini in limitele 0,01.. .0,5 N cu scopul de a crea amprente de duritate de diferite dimensiuni.

Următoarea etapă este extragerea parțială a stratului ΠΌ prin tratament chimic din zonele de deformare elastoplastică din jurul amprentelor utilizând acidul fluorhidric concentrat (HF).

Rezultatul acfiunii acidului fluorhidric este crearea figurilor de gravure a stratului ΓΓΟ. Forma și dimensiunea figurilor de gravure pot fi dirijate prin schimbarea sarcinii la microindentare, duratei timpului de acfiune chimică și modului de deformare după desenul planificat din start (depunerea amprentelor în serii după desenul dat, formarea zgârieturilor după о schemă anumită sau depunerea clișeului (matriției) de forma dorită).

Exemple de realizare a procedeului

Exemplul 1

Pe structure compozită obținută de ΓΓΟ/Si se depun amprente cu trei sarcini diferite: 0,1; 0,2 и 0,3 N, diagonalele cărora se măsoară. După aceasta structure compozită se supune tratamentului chimic cu aplicarea acidului fluorhidric concentrat (HF) timp de un minut, se spală cu apă distilată, apoi se măsoară diametral figurilor de gravure. Raportul dimensiunilor diagonalelor amprentelor (d) și diametrelor figurilor de gravură respective pentru timpul de acfiune de HF 1 min este prezentat in tabelul 1.

Tabelul 1

Raportul dimensiunilor diagonalelor de amprente (d) și diametrelor figurilor de gravure respective pentru timpul de acfiune de HF 1 min

<td> P, N</td><td> Diagonala amprentei, d, ?m</td><td> Diametral figurii de gravură, D_f, ?m</td><td> Δ Dj=D_rd</td>

<td> 0,1</td><td> 4,02</td><td> 5,60</td><td> 1,58</td>

<td> 0,2</td><td> 4,84</td><td> 6,72</td><td> 1,88</td>

<td> 0,3</td><td> 5,80</td><td> 7,80</td><td> 2,00</td>

Exemplul 2

Pe structure de compozit ITO/Si se depun amprente cu patru sarcini diferite: 0,1; 0,2; 0,3 și 0,5 N, diagonalele cărora se măsoară. După aceasta structure compozită se supune tratamentului chimic cu acid fluorhidric concentrat (HF) timp de 1, 2, 4 și 6 min, totodată pentru fiecare termen de tratament se măsoară diametral figurilor de gravură și se apreciază cinetica majorării diametrului figurilor de gravure odată cu majorarea duratei de tratament. Coeficienfii gradului de gravare al stratului ГГО in fiincfie de valoarea sarcinii aplicate (P) pentru diferite durate de gravare (τ) sunt prezentafi in tabelul 2.

Tabelul 2

Modificarea coeficientului gradului de gravare a stratului ITO in fiincfie de valoarea sarcinii aplicate (P) pentru diferite durate de gravare (r)

<td rowspan="2"> P, N</td><td> Diagonala amprentei, d, ?rn</td><td colspan="4"> k = D/d</td>

<td> τ min—&gt;</td><td> 1</td><td> 2</td><td> 4</td><td> 6</td>

<td> 0,1</td><td> 4,02</td><td> 1,39</td><td> 6,68</td><td> 21,2</td><td> 32,9</td>

<td> 0,2</td><td> 4,84</td><td> 1,39</td><td> 6,01</td><td> 18,9</td><td> 27,8</td>

<td> 0,3</td><td> 5,80</td><td> 1,34</td><td> 5,21</td><td> 15,9</td><td> 23,9</td>

<td> 0,5</td><td> 8,06</td><td> 1,39</td><td> 4,58</td><td> 10,3</td><td> 16,7</td>

MD 152 Z 2010.02.28

Exemplul 3

Pe structura de compozit ΠΌ/Si se depun amprente cu șapte sarcini diferite: 0,01; 0,03; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3 și 0,5 N. Pentru sarcini mai mici (0,01; 0,03; 0,05 N) amprentele sunt atât de mici, încât nu pot fi măsurate chiar la mărirea de 800x a microscopului optic. Ulterior structura compozită este supusă tratamentului chimic cu acid fluorhidric concentrat (HF) timp de 1, 2, 4 și 6 min, totodat! pentru fiecare termen de tratament se m!soar! diametral figurilor de gravur! obținute, cu excepția amprentei depuse cu 0,01 N (τ=1 min), pentru care figura se evidențiaz! începând cu timpul de tratament 2 min. Modificarea dimensiunii figurilor de gravur! a stratului ΓΓΟ din jural amprentelor de duritate in foncție de timpul acțiunii acidului concentrat HF (τ) pentru diferite valori ale sarcinii aplicate (P) este prezentat! in tabelul 3.’

Tabelul 3

Modificarea dimensiunii figurilor de gravur! a stratului ΓΓΟ din jural amprentelor de duritate in funcție de timpul acțiunii acidului concentrat HF (r) pentru diferite valori ale sarcinii aplicate (P)

<td rowspan="2"> Figurile comparate</td><td rowspan="2"> Durata tratamentului, τ, min</td><td colspan="7"> P,N</td>

<td> 0,01</td><td> 0,03</td><td> 0,05</td><td> 0,1</td><td> 0,2</td><td> 0,3</td><td> 0,5</td>

<td> Diagonala amprentei, d, ?m</td><td> 0</td><td> -</td><td> -</td><td> -</td><td> 4,0</td><td> 4,8</td><td> 5,8</td><td> 8,1</td>

<td rowspan="4"> Dimensiunea figurilor de gravur!, ΰβ ?m</td><td> 1</td><td></td><td> 3,36</td><td> 4,50</td><td> 5,60</td><td> 6,72</td><td> 7,80</td><td> 11,21</td>

<td> 2</td><td> 20,16</td><td> 21,28</td><td> 24,64</td><td> 26,88</td><td> 29,12</td><td> 30,24</td><td> 36,96</td>

<td> 4</td><td> 85,12</td><td> 85,12</td><td> 76,16</td><td> 85,12</td><td> 91,84</td><td> 92,08</td><td> 82,88</td>

<td> 6</td><td> 129,90</td><td> 129,90</td><td> 132,10</td><td> 132,10</td><td> 134,40</td><td> 138,80</td><td> 134,40</td>