книги / Электрохимические процессы в технологии микро- и наноэлектроники
..pdf124 Глава 2. Процессы анодного растворения в технологии, наноструктур
изготовления анемометра и тонкопленочного болометра, предполагающие использование пористого кремния в каче стве жертвенного слоя.
Взаключение описания применений пористого кремния
втехнологии МЭМС следует отметить отличительные пре имущества данного способа. На рис. 2.26 представлены спо собы изготовления мембранных конструкций с использо ванием различных технологических подходов. Применение жертвенного слоя относительно большой толщины, с одной стороны, позволяет исключить длительное (порядка 8 ч) анизотропное удаление материала подложки, как в варианте на рис. 2.26, а, а с другой — создавать протяженные мембра ны и избегать провисания, как в варианте на рис. 2.26, б.
Рис. 2.26. Технологические подходы, применяемые при создании кремниевых мембран
Пористый кремний в технологии интегральных оптических устройств
Волноводные структуры на основе por-Si пока уступают традиционно применяемым, тем не менее, имеется реальная
2.1. Анодное растворение полупроводников |
125 |
перспектива создания планарных оптических линий связи для оптоэлектронных схем, разрабатываемых fra кремние вых подложках. Оптические волноводы на основе порис того кремния представляют собой двухслойную структуру, в которой слой с меньшей пористостью и, соответственно, большим показателем преломления ограничен воздухом и более пористым слоем. Такой способ формирования оп тических волноводов является наиболее простым в техно логическом исполнении, так как плотность пористого слоя легко контролируется режимами анодного формирования.
Анизотропия структуры, наблюдаемая в por-Si и свя занная с анизотропным характером растворения, приводит к анизотропии оптических свойств.
Пористые слои для волноводных структур формируют анодным травлением моиокристаллических пластин силь но легированного кремния /7-типа. В качестве электролита используют раствор плавиковой кислоты (45% водный рас твор) в этиловом спирте с объемным соотношением ком понентов соответственно 1 : 2. Формирование пористого кремния проводят в темноте, для того чтобы исключить влияние интенсивности фотогенерации неравновесных но сителей заряда, изменяющейся с ростом толщины пористо го слоя, на морфологические параметры структур.
Изменение пористости между верхним и нижним слоями пористого кремния осуществляют посредством изменения плотности тока анодирования. Формирование световодно го слоя проводят при меньшей плотности тока, а нижний, более пористый слой и, соответственно, имеющий пони женный показатель преломления, формируют при большей плотности тока. После анодного формирования двухслой ные структуры окисляют в атмосфере влажного кислорода при температуре 1000 °С в течение 1 ч.
Получаемые структуры характеризуются различием ве личины эффективного показателя преломления по отноше нию к свету, поляризованному под разными углами к оси распространения пор.
Известно, что поры в пористом кремнии /?+-типа распро страняются строго перпендикулярно к поверхности, если ис ходная поверхность пластины имеет ориентацию (100). В слу чае подложки, поверхность которой имеет ориентацию (111), поры ориентированы более хаотично, но среднее направле ние осей пор также совпадает с нормалью к поверхности. Для такой столбчатой структуры можно применить известные
126 Глава 2. Процессы анодного растворения в технологии, наноструктур
результаты расчета эффективной диэлектрической функции среды со значением диэлектрической проницаемости ко торая пронизана массивом ориентированных нормально по верхности цилиндров, заполненных материалом с диэлектри ческой проницаемостью е2. Согласно данным теоретических расчетов тензор диэлектрической проницаемости пористого материала на оптических частотах еху = (п^)2 зависит только от двух параметров, которые определяются в виде
е г г = ( 1 - Р ) е 1 + Р е 2 |
( 2 . 1 3 ) |
( 2 . 1 4 )
где Р — пористость материала; ось z совпадает с осью ци линдров, а оси х и у образуют правую тройку.
Как следует из уравнений (2.13) и (2.14), exv> вгг при любых значениях пористости в случае пористого диоксида кремния.
Известно, что отношение объема кремния к объему обра зующегося диоксида характеризуется величиной 0,45. Учи тывая то, что в высокопористой структуре увеличение объема происходит изотропно, пористость оксида можно представить как функцию пористости исходного кремния в виде
P SiO2 = l - 0 . 4 5 5 - ^ ( l - P s l ) .
Для того чтобы учесть неидеальную ориентацию пор, предложен следующий подход к определению эффектив ной диэлектрической функции пористого S i0 2. Очевидно, что пористость оксида может быть определена в виде
^Si02 =^1 +^2>
где Рх —доля ненаправленных пор в объеме пористого слоя, определяющих диэлектрическую постоянную среды, в ко торой имеются ориентированные вдоль одного направле ния поры; Р2 —доля направленных пор. Эти две величины определяются выражениями
2.1. Анодное растворение полупроводников |
127 |
|
2 |
2 |
|
D _ "matrix |
пе |
|
2 |
|
|
"matrix “Т |
|
Взаимосвязь между показателем преломления матрицы и измеренными показателями преломления обыкновенного п0и необыкновенного пилучей задается в виде
К
■1Ш1Л Л J 7 1+и,1- К
Высокая чувствительность показателя преломления к структуре и пористости волноводного слоя позволяет применять измерения профилей показателя преломления для исследования кинетики формирования por-Si. Напри мер, для определения предельной плотности диффузионно го тока реакции образования гексафторида кремния в ходе образования por-Si.
Выбор режимов формирования por-Si позволяет созда вать многослойные структуры с изменяющимися показа телями преломления. На основе таких структур возмож на разработка не только волноводов, но и многослойных диэлектрических зеркал. Такие зеркала характеризуются большим коэффициентом отражения и малыми потеря ми. Зеркала состоят из чередующихся четвертьволновых слоев с высоким и низким показателями преломления. На рис. 2.27 представлена спектральная зависимость отраже ния 10-слойной структуры пористого кремния с толщиной каждого из отдельных слоев 2,5 мкм. Нечетные слои для зеркала формировали в электролите HF : С2Н5ОН = 1 : 1 при плотности тока 10 мА/см2 в течение 250 с, четные — при 50 мА/см2 в течение 50 с. Ширина полосы высокого отражения составляет примерно 0,57 мкм на длине волны
10мкм.
Измеренный коэффициент отражения зеркала составля
ет примерно 0,8. Для 10-слойной структуры такая величина соответствует отношению между показателями преломле ния четных и нечетных слоев примерно 0,8.
Результаты исследования оптических свойств много слойных структур por-Si показал возможность применения этого материала при создании пассивных оптических эле ментов.
128 Глава 2. Процессы анодного растворения в технологии, наноструктур
Рис. 2.27. Спектральная зависимость отражения 10-слойного зеркала на основе por-Si из чередующихся 2,5 мкм слоев с разной пористостью
Макропористый кремний
Макропористый кремний получают электрохимическим травлением монокристаллических подложек обоих типов проводимости, на поверхности которых методами литогра фии и анизотропного травления в щелочах сформированы зародыши пор в виде инверсных пирамид. При этом форми рование пор происходит только в местах, заданных маской. Схема получения макропористого кремния представлена на рис. 2.28. Наиболее эффективно управлять параметра ми макропористой структуры удается при использовании кремния п-типа ориентации (100). В этом случае травление протекает с участием неосновных носителей заряда — ды рок. Необходимая для протекания реакции растворения концентрация дырок обеспечивается освещением обрат ной стороны пластины, либо инжекцией дырок из пред варительно сформированной на обратной стороне области р-типа. Под действием электрического поля неравновесные дырки движутся к обрабатываемой поверхности. Наиболь шая напряженность электрического поля достигается в об ласти вершин инверсных пирамид, что обеспечивает лока лизацию процесса растворения.
2.1. Анодное растворение полупроводников |
129 |
| *
1rSi,N,
Формирование 1г ОКОИ
Анизотропное
гтравление
Анодное
лгтравление
аев=ш т г ^
а |
б |
Рис. 2.28. Схема формирования структурмакропористого кремния (а ) итиповая конструкцияячейки
для его изготовления (6)
Геометрические параметры получаемых макропористых структур зависят от концентрации HF, температуры элек тролита и степени легирования подложки. Латеральное раз растание пор ограничивается шириной обедненной носи телями ОПЗ. Как правило, толщина стенок, разделяющих поры, составляет не менее двух значений ширины ОПЗ.
Формирование макропор описывается следующим об разом. Теоретическая средняя толщина стенок пор ятеор со ставляет примерно две ширины ОПЗ L0U3, т.е.
атеор ~ 2 АэПЗ-
Отношение площади сечения поры Лрог = nd2/& (где d — диаметр поры) к площади участка, с которого собираются фотогенерированные носители Agen>определяется отноше нием приложенной плотности тока j к величине пикового токаУКр, определяемого из поляризационной кривой, т.е.
=>/v
Средние диаметр пор и расстояние между порами со ставляют с учетом уравнения для ширины ОПЗ
130 Глава 2. Процессы анодного растворения в технологии, наноструктур
d =4£опзО'/"Лр),/2 = m 0jU/iwNDu s, f 2-,
а = 21опз = d /2 (^Kp /;),/2 *(.8es0U/eND)'l2,
где U — величина изгиба зон; е и е0 —постоянные Si соот ветственно диэлектрическая и электрическая; ND—концен трация доноров.
Рассчитанные согласно приведенным формулам геомет рические параметры являются оптимальными, гак как от клонение от них приводит к образованию перекрывающих ся пор либо к образованию пор вне участков, определяемых инверсными пирамидами.
Для пиковой плотности тока известно следующее эмпи рическое уравнение:
где с - концентрация HF (мас.%); С= 3300 мА см“2 мас.%"3/2; Еа =343 мэВ; Т —температура, К.
Макропористый кремний нашел широкое применение в области создания и применения фотонных кристаллов. Этим термином обозначается новый класс оптических ма териалов, для которых характерно наличие следующих двух свойств. Первое свойство — это периодическая модуляция (трансляционная симметрия) диэлектрической проницае мости с периодом, сравнимым с длиной волны света. Вто рое свойство — наличие связанной с периодичностью кри сталла полной запрещенной зоны в спектре собственных электромагнитных состояний кристалла. Оно означает, что в данном спектральном диапазоне свет любой поляризации не может войти в образец или выйти из него ни в каком направлении. Это и есть уникальное свойство фотонного кристалла, с которым принято связывать возможные рево люционные события в технике оптической связи, физике лазеров и оптической компьютерной технологии.
Различают три вида фотонных кристаллов в зависимо сти от того, в скольких направлениях в них реализуется периодическая модуляция диэлектрической проницаемо сти: трехмерные (наиболее ярким представителем этой группы является опал); двумерные — пористые материалы