РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМІВ СТАБІЛІЗАЦІЇ
ЕЛЕКТРОХІМІЧНОГО ПРОЦЕСУ ФОРМУВАННЯ СТРУКТУР МАКРОПОРИСТОГО КРЕМНІЮ
Двовимірні структури макропористого кремнію були сформовані електрохімічним методом з освітленням для генерації дірок, які беруть участь у процесі фотоанодного травлення кремнію. Виготовлення досконалих фотонних структур макропористого кремнію потребує стабілізації та керування режимами електрохімічного процесу для формування періодичних циліндричних макропор. У зв'язку з цим у розділі 2 представлені устаткування для фотоанодного травлення кремнію, методика підготовки і виготовлення зразків макропористого кремнію; для управління режимами формування макропор проаналізовані вольт-амперні характеристики системи "напівпровідник - електроліт", встановлена модель переносу дірок протягом електрохімічного процесу формування макропор у кремнії і визначені межі дії цієї моделі; досліджені режими стабілізації процесу електрохімічного травлення макропористого кремнію та наведені умови реалізації цих режимів.
2.1. Устаткування для фотоанодного травлення напівпровідників.
Формування двовимірних структур макропористого кремнію проводилось за допомогою установки, схема якої наведена на рис. 2.1. Підготовлений зразок 1 монтувався на вікні А в боковій стінці комірки 2, виготовленої з плексигласу, хімічно стійкого матеріалу до розчину HF з ваговою концентрацією до 15% [49, 75]. У якості електроліту 3 використовувався водний розчин HF з ваговою концентрацією до 5% і 1-2 краплі етилового спирту у якості змочувального реагенту. Протягом електрохімічного травлення на дні комірки обертався ротор магнітної мішалки 4 для усунення продуктів реакції з поверхні зразка та пор. Вертикальне розташування зразка під час процесу електрохімічного формування макропор дає змогу використовувати магнітну мішалку, що сприяє кращому видаленню продуктів реакції з оброблюваної поверхні, та зменшує тиск електроліту на зразок. У якості омічного контакту 5 до кремнієвого зразка використовувалась In-Ga евтектика (24% вагових In [130]), яка була нанесена по периметру освітлюваної поверхні пластини кремнію. Допоміжний електрод 6 та електрод порівняння 7, які були виготовлені з платини, монтувалися на кришці Б комірки. Електрохімічна комірка підключалася до потенціостату 8 (П-5827М) за триелектродною схемою [75]. Робочі поверхні аноду (пластини кремнію) і допоміжного електроду були сумірні і дорівнювали 1 см2. Прикладена напруга вимірювалася відносно електроду порівняння, розташованого у вигляді зонду (загострений платиновий провідник) поблизу кремнієвого аноду. Струм через зразок контролювався за допомогою міліамперметра 9 (М1109). Потенціостат П-5827М являв собою джерело постійного струму, за допомогою якого можна встановлювати сталі значення напруги або струму, а також лінійну зміну цих параметрів під час електрохімічного травлення. Для вимірювання вольт-амперних характеристик використовувались розгортка, вмонтована у блок напруг, який входить до складу потенціостату, і двокоординатний самописний потенціометр 10 (ПДС-021), який підключався до потенціостату. Для вимірювання ВАХ системи "кремнієвий анод - електроліт" при великих напругах до потенціостату підключався додатковий стабілізований блок живлення 11. Генерація нерівноважних дірок здійснювалася за допомогою освітлювача, який складається з галогенної вольфрамової лампи 12, конденсора 13 і світлофільтру 14 (СЗС-26) для усунення при освітленні спектральної області домішкового поглинання кремнію [75].
Рис. 2.1. Блок-схема установки для електрохімічної обробки кремнію.
Склад установки:
1 - зразок n-Si, який оброблюється;
2 - електрохімічна комірка;
А - вікно електрохімічної комірки;
Б - кришка електрохімічної комірки;
3 - електроліт;
4 - магнітна мішалка;
5 - омічний контакт;
6 - допоміжний електрод;
7 - електрод порівняння;
8 - потенціостат П-5827М;
9 - міліамперметр М1109;
10 - двокоординатний самописний потенціометр ПДС-021;
11 - додатковий стабілізований блок живлення;
12 - галогенна вольфрамова лампа;
13 - конденсор;
14 - світлофільтр.
Наведена на рис. 2.1 установка при використанні вказаних приладів забезпечує такі характеристики:
* діапазон прикладеної постійної напруги ? 4 В;
* похибка задатчиків напруги ? 1 мВ + 0,2% від встановленого значення;
* діапазон прикладеного постійного струму через зразок ? 500 мА;
* похибка установки заданого струму через зразок ? 0,2%;
* діапазон лінійної зміни напруги ? 4 В, при використанні додаткового блоку живлення ? 50 В;
* швидкість лінійної зміни напруги 80-160 мВ/с, її нелінійність 3%;
* нестабільність прикладеної сталої напруги за 8 год. ? 5 мВ.
Параметри виготовлених структур макропористого кремнію (глибина, діаметр і концентрація макропор) визначалися за допомогою оптичного металографічного мікроскопу МИМ-7. Похибка вимірювання глибини макропор складала ? 10 мкм, діаметра ? 1 мкм і концентрації макропор ? 104см-2.
2.2. Підготовка зразків та методика виготовлення структур макропористого кремнію.
Структури макропористого кремнію були виготовлені на пластинах кремнію n-типу провідності з питомим опором ? = 2,0-5,0 Ом?см, орієнтацією <100> і товщиною H = 300-350 мкм. Вихідні пластини були розрізані за допомогою алмазного склорізу на квадрати розміром 17?17 мм2, відшліфовані за допомогою абразиву з розміром гранул 10 мкм. Потім зразки хімічно полірувались у травильній композиції складу (об. %) 3 HNO3 : 1 HF [131] при кімнатній температурі (200С) із швидкістю травлення 16 мкм/хв протягом 3 хвилин при інтенсивному перемішуванні травника, після чого проводилась промивка зразків у дистильованій воді. Глибина знятого хімічною поліровкою шару складає 50 мкм. Таким чином усувається порушений шар, і забезпечується однорідність оброблюваної поверхні різних пластин.
Формування макропор проводилося на полірованих та анізотропно травлених в КОН зразках і на спеціально підготовлених фотолітографічним методом кремнієвих пластинах з ямками тр