Небо в корундах — ученые научились дешево выращивать драгоценные для электроники нанопленки

Что общего у датчиков метана или влажности воздуха, тонких биологических сенсоров, анализов крови, лабораторий на чипе, ювелирной промышленности и, скажем, губки для мытья посуды? Ряд вышел широкий, но его можно было сделать еще шире. Грубо говоря, общее это корунд, он же — сапфир или рубин. Или Al2O3, оксид алюминия, из которого построено «сердце» многих приборов. Ученые кафедры нанотехнологий и микросистемной техники ЮФУ научились делать это «сердце», пористую пленку из оксида алюминия, особым методом. Теперь это одновременно дешевле и значительно эффективнее, чем раньше — метод почти бездефектный.

Кто ты со своим кислородом? Драгоценный камень, стекло, жидкость

Самый быстрый пример из школы вещества с одинаковой химической формулой, но разными физическими свойствами — это углерод и состоящие из него же алмаз, уголь или графит. С оксидом алюминия та же история. В зависимости от того, как «упакованы» друг относительно друга его молекулы, он может быть разным. Корунд, который красиво светится в ультрафиолетовых лучах, и грубый абразивный корунд, который может использоваться для заточки ножей и топоров — это один и тот же Al2O3. Сапфир и даже рубин — это все тоже он. По внешнему виду он может быть как камень, как стекло. А под микроскопом — даже как жидкость, если смотреть, как «текут» его молекулы, когда повреждена оксидная пленка, покрывающая алюминий. В целом, сегодня нас действительно интересует тот Al2O3, который невооруженным глазом не увидеть. Но он при этом драгоценный.

Роль оксида в электронике

В электронике кремний долгое время был и будет материалом №1 — он доступный («кремниевый кризис» никак не связан с сырьем) и дешевый, легкий в обработке и использовании. Распространение получил в том числе благодаря диэлектрическим свойствам своего оксида, который в микроэлектронике использовался в качестве изолятора. По мере того, как микроэлектроника все больше становилась наноэлектроникой, в большем почете в ней стал арсенид галлия (GaAs, соединение галлия и мышьяка). Он не вытеснил кремний, так как изготовить из него подложку под полупроводник выйдет примерно впятеро дороже, чем из кремния. Но арсенид галлия обладает рядом особых свойств: более высокая подвижность электронов, большая емкость так называемой запрещенной зоны, благодаря которой через полупроводник могут проходить только «нужные» электроны. Его легче «настраивать», изменяя состав или размеры полупроводника. В итоге с его помощью можно строить очень тонкую и сложную аппаратуру и ее компоненты — сверхвысокочастотные интегральные схемы, лазерные диоды, детекторы ядерных излучений. Например, мобильный телефон — это целая горсть сверхвысокочастотных схем, а лазерные диоды уже отслужили свое в CD- и DVD-проигрывателях. Но еще кое-где трудятся и сейчас в устройствах Blu-Ray, а также в оптических дальномерах, электронных микроскопах, дорогих «умных» оптических прицелах и даже в лазерных строительных рулетках. Что касается детекторов ядерных излучений, то здесь все предельно понятно — это технологии, без которых ядерная физика невозможна. Высокотехнологичные детекторы могут регистрировать не только наличие частиц, но их скорости, заряды, массы, траектории. Без таких данных ядерная физика не вышла бы за рамки теоретической и почти не имела бы практического применения. Детекторы это «глаза» физиков-ядерщиков.

ЮФУ

Но у арсенида галлия есть недостаток — он не окисляется на воздухе. А у кремния пленка естественного оксида образуется сама на поверхности, выступая при этом диэлектриком. Отрабатывая все возможные решения проблемы, ученые в итоге остановились на искусственном выращивании наноразмерных слоев оксида алюминия Al2O3. Он не проводит электрический ток и может выполнять роль так называемого диэлектрического затвора. Если сильно упростить, то очень хорошие полупроводники от просто хороших отличает сапфироподобный нанослой.

Долго, дорого, сложно

Создание ультратонкого слоя, да еще и с рядом требуемых свойств — очень сложная задача. Есть несколько типов технологий для получения таких пленок: детонационный метод напыления, химическое осаждение из газовой фазы (CVD, chemical vapor deposition), физическое осаждение из паровой фазы (PVD, physical vapor deposition), и магнетронное распыление. Среди вакуумных технологий лучше всего показывает себя электронно-лучевое испарение оксида алюминия и последующая конденсация парового потока на подложку в вакууме. Но при этом трудно обеспечить равномерность толщины и плотность слоя на изделиях сложной конфигурации, а рабочую камеру нельзя загрузить «до предела», часто приходится с каждым изделием работать отдельно.

Все эти методы не только сложно звучат, но и дорого обходятся — их не осуществить на примитивном оборудовании. Например, CVD-покрытие делается в камере, в которой поддерживается температура до 1200 градусов по Цельсию. Оксид алюминия поступает в камеру в паровом агрегатном состоянии и именно под действием высокой температуры вступает в контакт с заготовкой.

Но оксид как материал слишком хорош, чтобы от него отказываться. На примере разных режущих инструментов, покрытых тонким слоем оксида алюминия, стало ясно, что вещество значительно увеличивает стойкость предмета к высоким температурам и препятствует критическому нагреву инструмента, так как является хорошим термоизолятором.

Гель-открытие

Множество открытий ученых пылится на полке до тех пор, пока не найдется удобного способа применять его. Из пористого, легкого, прочного, приятного на ощупь оксида алюминия можно хоть дома строить, ведь земная кора состоит на 7-8% из этого металла, его запасы огромны. И человечество давно бы сделало это, будь способ формирования структур из оксида алюминия дешевым и простым (не нужно забывать, что оксид алюминия вполне может быть не пористым — вспомнить хотя бы корунд, который тоже является оксидом алюминия).

Ученые Института нанотехнологий, электроники и приборостроения (ИНЭП) ЮФУ изобрели доступный и надежный способ выращивания нанопленок, необходимых для разных датчиков и микросхем. Основные плюсы открытия — низкая себестоимость, надежность, бездефектность, возможность управлять свойствами получаемого материала.

В ЮФУ смогли получить наноразмерные мембраны из оксида алюминия, «вырастив» пленку золь-гель методом. Но это не все — в финальной фазе процесса пленку «запек» электронный луч, упрочнив ее. Золь-гель технология — это метод, при котором вещество, измельченное до фракций не более 50 нанометров, помещают в какой-либо растворитель. Размер частиц настолько мелкий, что в данном случае силой тяжести можно пренебречь, и частицы «в свободном плавании» выстраиваются в структуры, обусловленные кристаллическими решетками и зависящие уже от самого вещества. Al2O3 выстраивается в пористую сетку. Если из геля аккуратно, не нарушив структуру, испарить растворитель, то в случае с оксидом алюминия под микроскопом мы увидим подобие губки для мытья посуды — очень пористый материал, который, однако, довольно легко получить в виде «нанобруска» заданных размеров.

Masha Milshina

«В нашей работе предложен оригинальный способ создания акустического мембранного датчика, диафрагма которого выполнена из монолитного оксида алюминия. Диафрагма из пленкообразующего раствора оксида алюминия наносилась на рабочий диффузор и спекалась электронным лучом. Существует метод получения датчиков на сапфировой мембране, однако это устаревшая технология, крайне трудоемкая и затратная. Наша технология позволяет получать такие же и более тонкие мембраны с меньшими ресурсными и трудовыми затратами», — рассказал доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной техники ИНЭП ЮФУ Сергей Авдеев.

Итого ученые не только успешно синтезировали пленку оксида алюминия из неорганического раствора по золь-гель технологии, но и исследовали влияние высокотемпературной обработки на геометрические размеры, морфологию поверхности и твердость этих пленок. Оказалось, что за счет высокотемпературного спекания средние значения толщины пленки и шероховатости поверхности снижаются примерно в два раза. А в микроэлектронике и наноприборостроении Al2O3 подчиняется законам, обратным тем, что действуют в ювелирной промышленности. Более тонкий слой имеет большую ценность, так как сделать такой (и сделать бездефектно) тем сложнее, чем меньше толщина.

Датчик на основе такой пленки можно использовать в агрессивной среде, например, в морской воде. Поскольку получение пленки стало дешевым и простым, то и эксперименты с ней стали более доступными, ученые ЮФУ продолжают исследования. Метод может быть осуществлен полностью на основе отечественных технологий и производственных мощностей.

Какое значение все эти мембраны и пленки имеют уже сейчас, а не в туманном будущем? Ученые ЮФУ придумали простой и эффективный метод выращивания таких пленок, но сами пленки давно применяются в широком кругу изобретений. Оксид алюминия служит важным «напарником» арсенида галлия и помогает раскрыть весь потенциал соединения. Мы уже упоминали детекторы ядерных частиц, Blu-Ray-проигрыватели и электронные микроскопы. Мембрану из Al2O3 со слоем палладия используют для отделения водорода от азота и углекислого газа. Такую мембрану называют молекулярно-ситовой, эта технология крайне важна для «зеленой» водородной энергетики. И поскольку чаще всего мембраны упоминают как часть акустических датчиков, то представьте себе, что их стоимость упадет в несколько раз, они станут очень простой и доступной деталью. Тогда каждый светофор в городе сможет «слышать» — остался ли кто-то на «зебре» и можно ли включать красный свет.