Способ получения тонких пленок с фрактальной структурой

Способ получения тонких пленок с фрактальной структурой

Реферат

 

Использование: в технологии наноструктурных пленок, в частности пленок с фрактальной структурой. Техническим результатом изобретения является разработка способа управляемого получения структурированных наноразмерных пленок, который позволил бы за один технологический цикл создать регулярную упорядоченную структуру, в частности фрактальную. Сущность изобретения: на подложку в вакууме осаждают материал пленки, а в непосредственной близости от подложки, но вне зоны потока осаждаемого материала помещают резонатор, содержащий подложку, на которой сформирована матрица, состоящая из набора одинаковых элементов, каждый из которых представляет собой центральную, симметричную относительно центра, часть фрактальной структуры с уровнем фрактализации М не менее трех, которая образована следующим образом: модуль первого уровня фрактализации состоит из 1+N окружностей радиуса r₀, где N больше двух, а центры N окружностей расположены на первой окружности через равные расстояния по ней, и окружности с радиусом 2R₀, центр которой совпадает с центром первой окружности, а окружность с радиусом 2R₀ является первой окружностью модуля второго уровня, и в точках ее сопряжения с окружностями первого уровня расположены центры модулей первого уровня, а полученную структуру охватывает окружность с радиусом 4R₀, являющаяся первой для модуля третьего уровня, и в точках ее сопряжения с окружностями модуля второго уровня расположены центры модулей второго уровня, а полученную структуру охватывает окружность с радиусом 8R_o, и далее структура сформирована таким же образом, причем фрактальная структура сформирована линиями из материала, имеющего кристаллическую решетку. 4 з.п.ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к способам получения наноструктурных пленок, в частности пленок с фрактальной структурой.

Создание наноразмерного изображения на поверхности пленки является сложной задачей. Для микроэлектроники структурирование состояло в создании изображения на поверхности пленки (удаление материала). В настоящее время единственным методом, с помощью которого удалось добиться подобного результата, является применение туннельно-зондовых технологий. Прежде всего, это туннельно-зондовый массоперенос. Однако туннельно-зондовые методы практического значения не имеют ни в настоящее время, ни, по-видимому, в сколь угодно далекой перспективе, т. к. являются методами индивидуальной обработки, нанотехнологическим аналогом электронной литографии с помощью остросфокусированного пучка электронов.

Получение фрактальных структур стало актуальным после установления их не совсем обычных свойств, которые обуславливают их применение в качестве медицинских аппликаторов, нейтрализаторов аномального электромагнитного излучения, оптических фильтров и т.п. Очень важно их получение для дальнейшего изучения их свойств, которые изучены очень мало.

Фрактальная структура - структура, в которой все внутренние составляющие являются подобными общей форме, а общая форма - производным аналогом своей базовой основы. Математическое понятие фрактала объединяет структурные формы различных масштабов, отражая иерархический принцип их организации (Л1). Концепция фрактальности в физике появилась сравнительно недавно, но ее использование дало дополнительную информацию о свойствах многих явлений, установило связи между, казалось бы, абсолютно разными физическими явлениями и объектами. Теория воздействия фрактальных структур на объекты находится в стадии разработки, накапливается экспериментальный материал.

Известен способ получения фрактального кластера (Л2). Малые частицы кобальта образовывались в атмосфере инертного газа при испарении металла традиционным способом при использовании нагретой вольфрамовой спирали в условиях конвекционного переноса пара. При этом образовывались фрактальные кластеры. Фрактальный кластер образуется при ассоциации частиц в газовой фазе. Такой процесс имеет место, если на первой стадии из вещества, находящегося в газе в виде отдельных атомов, образуются твердые макроскопические частицы. На следующей стадии процесса из этих частиц в результате их слипания образуется фрактальный кластер. При этом образуются кластеры микронных размеров. Как видно из описания процесса, образование фрактальных кластеров в этом случае носит неуправляемый вероятностный характер.

Известен способ (Л3) получения пленок с фрактальными структурами. Он является наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков. Известный способ заключается в следующем. Аморфную пленку GeSe₂ толщиной примерно 70 нм наносили на графитовую подложку путем испарения поликристаллического GeSe₂. Температура подложки в процессе формирования пленки поддерживалась комнатной, так что пленка имела аморфную структуру. Нагревание отдельных элементов пленки вызывает ее кристаллизацию, которая распространяется в виде волны кристаллизации. На фронте волны кристаллизации кристаллическая фаза образует фрактальные структуры. Они образуются из отдельных частиц на поверхности. При этом характер взаимодействия атомов или молекул материала пленки таков, что вызывает выделение материала (или новой фазы) на поверхности в виде частиц. При достаточной плотности материала эти частицы объединяются в кластер. Как и в рассмотренном выше способе, образование фрактальных кластеров носит вероятностный характер.

Задачей, решаемой изобретением является разработка способа управляемого получения структурированных наноразмерных пленок, который позволил бы за один технологический цикл создать регулярную упорядоченную структуру, в частности фрактальную.

В основе изобретения лежит использование процессов самоорганизации получаемых структур. Самоорганизованные структуры возникают в открытых системах, то есть системах, подвергающихся воздействию потока вещества или энергии через границы системы. Это обязательное, но не достаточное условие. Необходимо обеспечить определенную мощность воздействия, оно должно быть настолько интенсивным, чтобы обеспечить переход системы в особую, нелинейную область, называемую областью, удаленной от равновесия. Процесс самоорганизации является переходом от беспорядочного движения, хаотического состояния через нарастание флуктуации к новому порядку. Наиболее привлекательным с технологической точки зрения является создание на поверхности подложки переходного тонкопленочного или толстопленочного слоя и реализация на его поверхности наноразмерной и наноструктурированной пленки. Поскольку на поверхности подложки при этом не имеется (в идеале) примесей и структурных несовершенств, а миграция атомов по поверхности в поисках нерегулярностей структуры продолжает иметь место, то необходим физический агент, который реализовал бы на поверхности подложки в создаваемой пленке требуемую неоднородность какого-либо параметра. Естественно эта неоднородность должна иметь строго упорядоченную структуру и соответствовать тому распределению атомов на поверхности, которое является необходимым. Подобный процесс будет полностью соответствовать принципам реализации группового метода обработки, поскольку позволит на всей поверхности пленки за один технологический цикл получить требуемую регулярную структуру, состоящую из локальных упорядоченных групп различных атомов. Поскольку твердое тело представляет собой, в определенном смысле, волновую структуру, то целесообразно для воздействия на нее использовать пространственно структурированное электромагнитное поле. Мы предполагаем, что в предложенном способе реализуется именно это физическое явление.

Поставленная задача решается за счет того, что, как и в известном способе, на подложку в вакууме осаждают материал пленки, но в отличие от известного, в непосредственной близости от подложки, но вне зоны потока осаждаемого материала помещают резонатор, содержащий подложку, на которой сформирована матрица, состоящая из набора одинаковых элементов, каждый из которых представляет собой центральную, симметричную относительно центра, часть фрактальной структуры с уровнем фрактализации М не менее трех, которая образована следующим образом: модуль первого уровня фрактализации состоит из 1+N окружностей радиуса R₀, где N больше двух, а центры N окружностей расположены на первой окружности через равные расстояния по ней, и окружности с радиусом 2R₀, центр которой совпадает с центром первой окружности, а окружность с радиусом 2R₀ является первой окружностью модуля второго уровня, и в точках ее сопряжения с окружностями первого уровня расположены центры модулей первого уровня, а полученную структуру охватывает окружность с радиусом 4R₀, являющаяся первой для модуля третьего уровня, и в точках ее сопряжения с окружностями модуля второго уровня расположены центры модулей второго уровня, а полученную структуру охватывает окружность с радиусом 8R₀, и далее структура сформирована таким же образом, причем фрактальная структура сформирована линиями из материала, имеющего кристаллическую решетку.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 формулы изобретения, характеризуют способ, в котором во фрактальной структуре элемента матрицы через точки пересечения N окружностей первого модуля проходит по крайней мере одна дополнительная окружность и в этих же точках расположены центры окружностей с радиусом, равным радиусу дополнительной окружности, которые охватывает окружность с радиусом, равным двум радиусам дополнительной окружности, и далее сформированы дополнительные модули второго, ...n уровня, где n не превышает М.

Введение во фрактальную структуру дополнительной фрактализованной окружности меняет вид структурирования пленки.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 3 формулы изобретения, характеризуют способ, в котором матрица выполнена в форме квадрата.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 4 формулы изобретения, характеризуют способ, в котором подложка резонатора размещена на дополнительной подложке, на которой сформирована структура, содержащая восемь одинаковых окружностей, проходящих через местоположение центра матрицы, с равными расстояниями между центрами каждых двух соседних окружностей, четыре из которых расположены в точках пересечения сторон матрицы, и совокупность квадратов, стороны первого из которых совпадают со сторонами матрицы, стороны второго проходят через углы первого, а стороны третьего через углы второго, а также совокупность равных им соответственно квадратов с тем же центром, каждый из которых повернут относительно равного себе квадрата на 45^o.

Использование в резонаторе дополнительной подложки меняет вид структурирования пленки.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 5 формулы изобретения, характеризуют способ, в котором в непосредственной близости от подложки, но вне зоны потока осаждаемого материала помещают дополнительные резонаторы.

Внесение в установку дополнительных резонаторов меняет вид структурирования растущих пленок.

Изобретение поясняется чертежами, где показано: фиг.1 - общий вид резонатора; фиг.2-6 - этапы формирования фрактальной структуры; фиг.7 - общий вид резонатора, выполненного в соответствии с п. 4 формулы изобретения; фиг.8 (a-g) - фотографии пленок.

Прежде чем рассматривать примеры выполнения предлагаемого способа, покажем более подробно, каким образом строится матоица резонатора, общий вид которой приведен на фиг.1. Матрица состоит из набора одинаковых элементов, например, квадратов, (фиг.5, 6), каждый из которых представляет собой центральную, симметричную относительно центра, часть фрактальной структуры с уровнем фрактализации М не менее трех. Она образована следующим образом: модуль первого уровня фрактализации (фиг.2) состоит из 1+N окружностей радиуса R₀, где N больше двух (на фиг.2 показан модуль с N=4), а центры (1, 2, 3, 4) N окружностей расположены на первой окружности с центром в точке О через равные расстояния по ней, и окружности с радиусом 2R_o, центр которой совпадает с центром первой окружности в точке О. Построение первого модуля закончено, но окружность с радиусом 2R₀ является первой окружностью модуля второго уровня (фиг.3). На этой окружности в точках ее сопряжения с окружностями радиуса R₀ расположены центры модулей первого уровня. Построение модуля второго уровня завершается проведением окружности с радиусом 4Ro с центром в точке О, которая, в свою очередь, является первой окружностью модуля третьего уровня (фиг. 5). Далее построение идет аналогичным образом, т.е. в точках сопряжения окружности с радиусом 4R_o с окружностями с радиусом 2R₀ помещаются центры модулей второго уровня и затем проводится окружность с центром в точке О радиусом 8R_o и т.д. На фиг.4 показано выполнение модуля первого уровня с фрактализацией дополнительной окружности, которая проходит через точки пересечения N окружностей друг с другом (l₁ 2₁, 3₁, 4₁), а центры ее фрактализации расположены в этих точках. При N=4 каждая окружность пересекается с двумя соседними и через точки их пересечения проходит 1 дополнительная окружность. Матрица формируется на подложке и состоит из элементов, представляющих собой центральную, симметричную относительно центра часть фрактальной структуры, например квадратов (фиг.5. 6). Наиболее оптимальной величиной стороны квадрата будет величина L=2R₀(M+1). В этом случае плотность линий в квадрате достаточно равномерна и достигается максимально возможная сопряженность линий фрактальных структур соседних квадратов. При расположении в центре квадрата центра окружности с радиусом R₀ получаем симметричную, а следовательно, устойчивую структуру. Наиболее оптимальный размер R₀- порядка 30 мк. При использовании фрактальной структуры с дополнительными окружностями (фиг.4 и 6) плотность линий в квадрате можно получить очень высокую. В резонаторе подложка 1 (фиг.7) с матрицей может быть размещена на дополнительной подложке 2. На ней сформирована структура, содержащая восемь одинаковых окружностей. Окружности проходят через местоположение центра матрицы с равными расстояниями между центрами каждых двух соседних окружностей, четыре из которых расположены в точках пересечения сторон матрицы. Также на второй подложке резонатора сформирована совокупность квадратов, стороны первого из которых совпадают с контурами матрицы, стороны второго проходят через углы первого, а стороны третьего через углы второго, а также совокупность равных им соответственно квадратов с тем же центром, каждый из которых повернут относительно равного себе квадрата на 45^o. Структуры на обеих подложках сформированы линиями, материал которых имеет кристаллическую решетку, а линии на первой подложке электрически изолированы от линий на второй подложке.

Рассмотрим примеры реализации предлагаемого способа на примере получения тонких пленок методом магнетронного распыления. Напряжение источника питания - до 1кВ, ток разряда - до 2,5 А. Расстояние катод-подложка равно 80 мм. В установке предусмотрена подача постоянного напряжения на стол в пределах от 0 до 300 В. Магнетронное устройство изготовлено на базе бариевого магнита. В качестве подложек для выращивания пленок использовались пластины оптически полированного кремния с ориентацией пластин <100> и пластины оптического стекла, в качестве материала катода использовалась электролитическая медь, титан, индий. Полученные образцы тонкопленочных структур исследовались с помощью интерферометра и оптического микроскопа, с регистрацией полученного изображения цифровой камерой и цифровым фотоаппаратом. Толщина получаемых пленок лежит в пределах 0,4-0.9 мкм. В начале каждого экспериментального цикла пленка напылялась на контрольные образцы без присутствия в вакуумном объеме подложки с матрицей. Полученные пленки практически полностью повторяют структуру подложки (фиг.8а). Затем производилось напыление пленок на подложки в присутствии в вакуумной камере одного или нескольких резонаторов но вне зоны действия газового разряда, то есть вне потока осаждаемого материала.

1. Резонатор, выполненный в соответствии с п.1 формулы изобретения, размер которого равен 7,5 мм, в виде матрицы, сформированной на кремниевой подложке линиями из алюминия, закрепляется на анодной шайбе. Сверху на нем жестко фиксируется кремниевая подложка для выращивания пленки. Она обеспечивает изоляцию резонатора от зоны действия газового разряда. Напыление Сu в таких условиях показало, что на поверхности подложки образуется пленка с фрактальной структурой (фиг.8b).

2. Соблюдаются условия, указанные выше, но резонатор выполнен в соответствии с п.2 формулы изобретения. На поверхности подложки образуется пленка с выраженной фрактальной структурой (фиг.8с).

3. Те же самые резонаторы в количестве 9 штук закрепляются на анодной шайбе в виде квадрата с соблюдением условий, указанных выше. Полученная фрактальная структура дополнительно усложнилась (фиг.8d). В итоге образуются переплетения фрактальных элементов, причем наблюдаются элементы с различной степенью фрактализации, отличающиеся как по размерам, так и по структуре.

4. Использовался резонатор, содержащий дополнительную подложку, выполненный в соответствии с п.4 формулы изобретения. Вид полученной фрактальной структуры показан на фиг. 8е. Фрактальная структура пленки усложнилась по сравнению со структурой, полученной в первом эксперименте.

5. Резонаторы, содержащие вторую подложку в соответствии с п.4 формулы изобретения, помещаются в виде плотной гексагональной упаковки (один в центре и шесть вокруг него) на анодной шайбе с соблюдением условий, указанных выше. Достигается высокая степень фрактальности получаемой пленки (фиг.8f).

6. Те же условия, что и в пятом эксперименте, но дополнительно размещаются 9 резонаторов вдоль потока осаждающего материала. Для этого вне зоны действия газового потока, коаксиально с подложкой устанавливается кварцевый цилиндр, на внутренней стороне которого располагаются 9 резонаторов, снабженных дополнительной подложкой. Достигается очень высокая степень фрактальности получаемой пленки (фиг.8g).

Замена меди титаном, индием не вызывает заметных отклонений от результатов, полученных при осаждении меди. Также не вызывает заметных изменений полученных результатов замена кремниевой подложки на полированное стекло или на металлическую подложку. (Для получения металлической подложки на стеклянную полированную подложку осаждали слой хрома).

Проводились эксперименты с использованием метода термического вакуумного напыления. Наносились металлические пленки меди, индия и полупроводникового соединения PbSe. В этом случае получаемые фрактальные структуры выражены несколько меньше, по сравнению со структурами, полученными методом магнетронного распыления в присутствии одинаковых резонаторов. Вероятно, это объясняется более сильной энергетикой процесса магнетронного распыления по сравнению с процессом термического вакуумного напыления.

Эксперименты показывают возможность управляемого получения тонких наноструктурных пленок, который позволил бы за один технологический цикл создать регулярную структуру, в частности фрактальную.

Литература 1. Пайтген Х.О., Рихтер П.Х. Красота фракталов. - М.: Мир, 1993.

2. Смирнов Б. М. Физика фрактальных кластеров. - М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1991, с.34.

3. Смирнов Б. М. Физика фрактальных кластеров. - М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1991, с.42.

Формула изобретения

1. Способ получения тонких пленок с фрактальной структурой путем осаждения материала пленки на подложку в вакууме, отличающийся тем, что в непосредственной близости от подложки, но вне зоны потока осаждаемого материала помещают резонатор, содержащий подложку, на которой сформирована матрица, состоящая из набора одинаковых элементов, каждый из которых представляет собой центральную, симметричную относительно центра часть фрактальной структуры с уровнем фрактализации М не менее трех, которая образована следующим образом: модуль первого уровня фрактализации состоит из 1+N окружностей радиуса R₀, где N больше двух, а центры N окружностей расположены на первой окружности через равные расстояния по ней, и окружности с радиусом 2R₀, центр которой совпадает с центром первой окружности, а окружность с радиусом 2R₀ является первой окружностью модуля второго уровня, и в точках ее сопряжения с окружностями первого уровня расположены центры модулей первого уровня, а полученную структуру охватывает окружность с радиусом 4R₀, являющаяся первой для модуля третьего уровня, и в точках ее сопряжения с окружностями модуля второго уровня расположены центры модулей второго уровня, а полученную структуру охватывает окружность с радиусом 8R₀, и далее структура сформирована таким же образом, причем фрактальная структура сформирована линиями из материала, имеющего кристаллическую решетку.

2. Способ получения тонких пленок с фрактальной структурой по п. 1, отличающийся тем, что во фрактальной структуре элемента матрицы через точки пересечения N окружностей первого модуля проходит, по крайней мере, одна дополнительная окружность и в этих же точках расположены центры окружностей с радиусом, равным радиусу дополнительной окружности, которые охватывает окружность с радиусом, равным двум радиусам дополнительной окружности, и далее сформированы дополнительные модули второго, . . . n уровня, где n не превышает М.

3. Способ получения тонких пленок с фрактальной структурой по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что матрица выполнена в форме квадрата.

4. Способ получения тонких пленок с фрактальной структурой по п. 3, отличающийся тем, что подложка резонатора размещена на дополнительной подложке, на которой сформирована структура, содержащая восемь одинаковых окружностей, проходящих через местоположение центра матрицы, с равными расстояниями между центрами каждых двух соседних окружностей, четыре из которых расположены в точках пересечения сторон матрицы, и совокупность квадратов, стороны первого из которых совпадают со сторонами матрицы, стороны второго проходят через углы первого, а стороны третьего через углы второго, а также совокупность равных им соответственно квадратов с тем же центром, каждый из которых повернут относительно равного себе квадрата на 45^o, причем линии двух подложек электрически изолированы друг от друга.

5. Способ получения тонких пленок с фрактальной структурой по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в непосредственной близости от подложки, но вне зоны потока осаждаемого материала помещают дополнительные резонаторы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27

PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:Фонд развития новых медицинских технологий "АЙРЭС"

(73) Патентообладатель:Серов Игорь Николаевич

Договор № РД0047886 зарегистрирован 12.03.2009

Извещение опубликовано: 20.04.2009        БИ: 11/2009