Все начинается с крошечного октаэдра. Потом в его вершинах вырастают другие, еще меньше. Шаг за шагом создается структура, которая подходит, например, для использования в высококачественных фильтрах или при биологических исследованиях.

Схема процесса изготовления Серым показан монокристаллический кремний, красным — нитрид кремния, глубым — диоксид кремния.
Структура из диоксида кремния с пористыми вершинами
Структура из нитрида кремния

Фрактал — фигура, части которой подобны всей фигуре целиком. Если вы, разглядывая фрактал, увеличите его фрагмент, вы не увидите ничего нового. Та же самая картина, но в меньшем масштабе.

Одно из основных преимуществ трехмерных фрактальных структур — значительное увеличение площади поверхности. Уже на четвертом шаге создания фрактала из октаэдров их количество достигает 625, общая площадь поверхности возрастает в 6,5 раз по сравнению с начальной фигурой, при этом габариты объекта увеличиваются незначительно. У самых маленьких октаэдров (около 300 нм в поперечнике) «продырявлены» вершины: в них находятся поры размером около 100 нм. Такое количество пор в сочетании с развитой поверхностью позволяет использовать подобные структуры в качестве эффективных фильтров с низким сопротивлением потоку. Октаэдры также могут послужить «клетками для клеток»: помещенные в них биологические клетки помогут исследователям лучше понять особенности межклеточных «взаимоотношений». А как поведет себя свет в таком фрактале? Здесь тоже открывается простор для дальнейших исследований.

Собирать такую структуру из отдельных элементов — трудоемкая задача. Поэтому ученые из Института нанотехнологий MESA+ в голландском Университете Твенте разработали более остроумный способ.

Сначала на поверхности монокристаллической кремниевой пластины методом термического оксидирования создается пленка диоксида кремния. Затем на поверхность наносится литографическая маска с расположенными через каждые 12 мкм отверстиями диаметром 6 мкм. Затем поверхность подвергается анизотропному травлению: под действием кислоты в незащищенных маской местах образуются углубления, которые благодаря структурным особенностям кремния принимают форму пирамидок. Глубина каждой пирамидальной «ямки» — около 4 мкм.

Поверхность с «ямками» опять подвергается термическому оксидированию, в результате которого образуется 10 нм слой диоксида кремния. Поверх него методом химического парофазного осаждения наносится пленка нитрида кремния.

Обработка в горячей фосфорной кислоте позволяет легко удалить нитрид кремния с плоских поверхностей (граней пирамидки), но близ ребер он задерживается. В конце концов остаются лишь небольшие фрагменты этой пленки в вершинах фигуры. Тонкий слой диоксида при этом защищает кремний от повреждения фосфорной кислотой.

Следующий этап — увеличение толщины слоя диоксида до 80 нм методом локального окисления (LOCOS) везде, кроме вершин пирамидки, где этому процессу мешают остатки нитрида, под которыми сохраняется лишь незначительное количество диоксида. Более агрессивная обработка позволяет удалить и нитрид, и диоксид под ним, оставив пирамидку с «дырявой» вершиной. Сквозь эту «дырку» можно вытравить новую область в кристаллическом кремнии, на этот раз в форме октаэдра.

Затем процесс повторяется: в вершинах большого октаэдра вырастают другие, поменьше. Пока что исследователи ограничились четырьмя шагами создания трехмерного фрактала, но теоретически можно пойти дальше. Но это накладывает повышенные требования на технологический процесс.

По завершении работы пластину подвергают длительному травлению, в результате которого остатки кремния удаляются, а остаются только фрактальные структуры из его диоксида (или нитрида — в зависимости от того, в какой момент прерывается процесс).

По пресс-релизу Universiteit Twente