Методы формирования слоев пористого кремния

Формирование ПК с широким набором структурных параметров оказалось возможным благодаря использованию различных методик формирования ПК метода электрохимического травления кремния в электролитах на основе плавиковой кислоты HF при широкой вариации параметров процесса анодирования. Слои ПК формировались при помощи методик жидкостного и сухого контакта к нерабочей стороне кремниевой пластины. Принципиальная схема методики жидкостного контакта, предложенной Х. Унно и К. Имаи, приведена на рис. 1.1. Фторопластовая ванна содержала два независимых объема, разделенных держателем с обрабатываемой кремниевой пластиной. По обеим сторонам пластины на одинаковом расстоянии были установлены электроды из платинородиевого сплава (Pt-Rh). Ванна заполнялась электролитом на основе плавиковой кислоты и имела вентиль, через который производился слив электролита по окончании процесса анодирования. К платино-родиевым электродам от источника питания, работающего в режиме стабилизации тока, подавалось постоянное напряжение. Основными параметрами режима травления являлись плотность анодного тока j, время анодирования ta, состав электролита, освещенность и т. д. Плотность анодного тока определялась как.

j =Ia/S*.

где Ia — ток анодирования, S* - площадь обрабатываемой пластины. На рабочей (анодной) стороне пластины при реализации условий порообразования происходило формирование слоя ПК. Электрический контакт к нерабочей (катодной) стороне кремниевой пластины в методике Унно-Имаи осуществлялся за счет контакта с электролитом. Это обеспечивало высокую однородность характеристик пористого слоя по площади пластины и упрощало процесс подготовки пластины к анодированию, т.к. отпадала необходимость предварительного формирования на нерабочей стороне пластины сильно легированного слоя или слоя металлизации. Считалось, что на катодной стороне не происходит никаких электрохимических процессов, приводящих к изменению свойств кремниевой поверхности. Однако наши эксперименты показали, что при определенных условиях анодирования на катодной стороне возникает модифицированный пористый слой. После процесса травления пластины кремния промывались в проточной дистиллированной воде в течение 15 минут и сушились при температуре 80 °C в течение 30 минут. Ряд образцов ПК в данной работе был получен с применением методики сухого контакта к нерабочей стороне пластины. На рис. 1.2 представлена принципиальная схема однокамерной электролитической ячейки вертикального типа. На нерабочую сторону пластины предварительно методом вакуумного напыления наносился слой алюминия толщиной около 1 мкм и проводилась операция вжигания в инертной среде с целью создания омического контакта. Пластина помещалась в электролитическую ячейку так, чтобы возникал контакт алюминиевой пленки на нерабочей стороне пластины с нижним металлическим электродом. Сверху пластина прижималась герметичным кольцом, которое не позволяло электролиту проникать под кремниевую пластину. Ячейка заполнялась электролитом и на верхний электрод из платины подавался отрицательный потенциал, а на нижний — положительный. На поверхности кремниевой пластины, которая оказалась не закрытой кольцом, при реализации условий процессов порообразования начинался процесс формирования слоя ПК, толщина которого определялась временем анодирования. По окончании электрохимической обработки слои ПК промывались в деионизованной воде и сушились в струе сжатого воздуха.

Для формирования слоев ПК были использованы пластины pи n-типа проводимости с различной легирующей примесью и разным уровнем легирования. Применялись пластины кремния марок КДБ-0,005, КДБ-0,03, КДБ-1, КДБ-10, КЭФ-1, КЭФ-4,5, КЭФ-20, КЭС-0,01 ориентации (111) и (100). Режимы получения пористых слоев соответствовали стандартным рекомендуемым режимам формирования пористых структур. Широкие возможности вариации состава электролита (водные растворы HF c различным содержанием плавиковой кислоты, водные растворы HF + изопропанол и т. д.), плотности тока анодирования (5−60 мА/см2), подсветки (0−310 лк), уровня легирования (1014 — 1019 см-3), времени анодирования (5 — 120 мин) и т. д. позволили получать слои пористого кремния с разнообразной морфологией пор от макропористых структур с порами диаметра порядка 1 мкм до микропористых структур с поперечными размерами пор в единицы нанометров. Контроль пористости материала (P) проводился двумя методами: гравиметрическим и акустическим. Первый из методов основан на измерении потери массы образца после анодирования (?m), площади слоя ПК (S*) и его толщины (dпк).

P=(?m/2,33S*dпк)· 100%,.

где 2,33 — плотность монокристаллического кремния в г/см3.

Второй метод использует зависимость скорости поверхностных акустических волн от величины пористости. На акустическом микроскопе ELSAM измерялись скорости поверхностных акустических волн, по величине которых определялось значение пористости. Пористость исследуемых образцов находилась в интервале 3- 70%, что соответствует известным данным для пористых слоев, сформированных анодным травлением.

Таблица 1 Сведения об исследуемых образцах пористого кремния.

Толщина слоев ПК определялась измерением соответствующего расстояния при наблюдении изображения скола структуры в оптическом или электронном микроскопе. Толщина ПК (при толщине исходной пластины 340−400 мкм) составляла 1−166 мкм.

Для проведения сравнительных измерений были изготовлены также двухсторонние пористые структуры, в которых толстые пористые слои толщиной 200 и 160 мкм находились на двух сторонах кремниевой пластины толщиной 380 мкм. Это оказалось возможным за счет изменения полярности подаваемого напряжения в методике жидкостного контакта. В данной работе исследованы образцы ПК с широким набором структурных и электрических свойств, общая информация о которых сведена в таблице 1.