Диссертация (1102884), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Троицк. () ≈ 1 −§ 2.2.Исследование особенностей процесса электрохимическоготравления высоколегированного −кремнияВсе структуры из пористого кремния в данной работе были изготовлены автором из пластин монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией рабочей поверхности (100), легированного бором (кремний). Толщина пластин составляла 420 мкм. Степень их легированияхарактеризует удельное сопротивление, составляющее 0.002-0.005 Ом·см.Это высоколегированный кремний: его сопротивление в 108 раз меньше сопротивления чистого кремния и примерно равно сопротивлению графита(0.006 Ом·см).Оптические свойства высоколегированного кремния исследовались встатье [131]. Отмечено, что коэффициент поглощения кремния, легированного бором, незначительно отличается от коэффициента поглощения чистого кремния.
Однако исследуемый в статье кремний имеет меньшую степеньлегирования (∼ 1 Ом·см), поэтому необходимо измерить спектр поглощения изготовленного пористого кремния непосредственно.602.2.1.Зависимость толщины пористого слоя от времени травления. Скорость травленияСамый простой образец, который можно изготовить из пористогокремния - однородная пластина - слой пористого кремния, протравленныйпри постоянном токе. Для изучения зависимости процесса травления отвремени были изготовлены две серии однородных пластин с плотностямитока 1 = 10 мА/см2 , 2 = 100 мА/см2 .
Концентрация HF в электролитахвыбиралась одинаковой составляла 21%.10 мА/см2Толщина слоя (нм)50ndd40100 мА/см2ndd3020100Рис. 2.5 :0250500750 1000 1250 1500 1750 2000Время травления (с)Зависимость физической и оптической толщин однородных пластин пористогокремния от времени травления.Путем изготовления однородных пластин с разным временем травления и последующим измерением их физической и оптической толщиныпри помощи электронного микроскопа и оптической спектроскопии установлено (рис. 2.5), что как физическая, так и оптическая толщина пластинпрямо пропорциональна времени травления, т.е.
травление происходит спостоянной скоростью, показатель преломления и, следовательно, пористость остаются постоянными в процессе травления при постоянной плотности тока. В связи с данным фактом можно ввести понятие скороститравления, равной толщине слоя, протравливаемого в единицу времени.Скорость травления, следовательно, является характеристикой процессатравления при заданной концентрации кислоты и плотности тока. В даль-61нейшем также будут использоваться понятия физическая и оптическаяскорости травления, когда речь идет о физической и оптической толщине,соответственно.2.2.2.Зависимость скорости травления от плотности тока травленияДля изучения зависимости скорости травления от плотности токатравления были изготовлены серии однородных пластин с различной плотностью тока в пределах серии.
Каждая серия отличалась концентрациейплавиковой кислоты, составлявшей 18%, 21%, 24%, 28%. Для каждой пластины в серии при помощи электронной микроскопии определялась физическая толщина пластины и скорость травления. При помощи оптическойспектроскопии были определены оптические толщины и показатели преломления.Скорость травления (нм/с)140120100806040200Рис. 2.6 :050100150Плотность тока (мА/см2)200Зависимость физической скорости травления однородных пластин пористогокремния от плотности тока травления. Концентрация HF 21%.На рис. 2.6 приведена зависимость скорости травления однородныхпластин пористого кремния от плотности тока травления для серии сHF =21%.
Таким образом, экспериментальные данные указывают на то,что скорость травления линейно зависит от плотности тока при заданнойконцентрации HF в растворе.На основании этих экспериментальных данных была произведена калибровка экспериментальной установки, позволяющая заранее вычислить62физическую толщину и показатель преломления изготавливаемого образца.2.2.3.Линейное поглощение света в пористом кремнии0.8(а)0.60.40.20.05000.4600 700 800 900 1000Длина волны (нм)4(б)0.3Im(n)*1031.0Длина затухания (мм)Коэффициент пропусканияДля исследования оптического поглощения пористого кремния была изготовлена однородная пластина физической толщиной 100 мкм притоке травления 65 мА/см2 и концентрации кислоты 21%.
Пластина былаотделена от подложки, был измерен ее спектр пропускания, который былпересчитан в длину поглощения - расстояние, на котором интенсивностьсвета падает в раз. Кроме того, спектр пропускания был пересчитан вмнимую часть показателя преломления. (рис. 2.7).0.20.10.0500(в)321600 700 800 900 1000Длина волны (нм)0700800900Длина волны (нм)1000Рис. 2.7 : Спектр пропускания, длина затухания и мнимая часть показателя преломленияоднородной пластины пористого кремния.Рассматривая характер спектральной зависимости длины поглощения, можно утверждать, что возможно исследовать образцы пористогокремния со следующими толщинами:∙ толщиной .100 мкм при ≥ 800 нм∙ толщиной .300 мкм при ≥ 900 нмОднако, такой толщины образца может не хватить для экспериментального наблюдения эффекта временного деления импульсов.
Коэффициент поглощения пористого кремния, согласно рис. 2.7, имеет тенденциюк уменьшению при росте длины волны, что объясняется спектральной зависимостью непрямозонных переходов в кристаллическом кремнии (см. п.1.3.4). Для того, чтобы проверить данную тенденцию для случая пористогокремния с рассматриваемой в работе пористостью степенью легированияв инфракрасном диапазоне, был измерен спектр пропускания той же пластинки в диапазоне 1200 - 25000 нм (рис. 2.8). Данное измерение былопроведено при помощи упомянутого ранее Фурье-спектрометра.1.0(а)Коэффициент пропусканияКоэффициент пропускания630.90.80.70.61.52.02.53.03.5Длина волны (мкм)4.01.0(б)0.80.60.40.20.05101520Длина волны (мкм)25Рис. 2.8 : Спектр пропускания пластинки пористого кремния в диапазоне 1.2-4 мкм (а) ив диапазоне 1.2-25 мкм (б).Видно, что в диапазоне 1200 - 2000 нм спектр пропускания изменяется слабо и составляет приблизительно примерно 0.9, что соответствуетдлине поглощения 0.6 - 0.7 мм.
Таким образом, при работе с мезопористымкремнием необходимо выбирать либо диапазон больших длин волн, либодостаточно тонкие образцы. Кроме того, можно увеличить интенсивностьисточника света. При больших интенсивностях могут играть роль нелинейные эффекты, например, нелинейное поглощение.2.2.4.Нелинейное поглощение света в пористом кремнииВ процессе измерений было обнаружено нелинейное поглощение в пористом кремнии. Величина нелинейного поглощения измерялась методомбезапертурного −сканирования [129]. Результаты − сканирования - зависимость мощности лазерного излучения, прошедшего сквозь пластинупористого кремния в зависимости от её расстояния от фокуса линзы - показаны на рис.
2.9. Была исследована пластина кремния толщиной 200мкм, изготовленная при плотности тока травления 30 мА/см2 , концентрации кислоты 21%. Средняя мощность излучения, падающая на пластинку,составляла 1.385 ± 0.005 мВт и фокусировалась линзой в перетяжку около 20 мкм. Это соответствует пороговой средней интенсивности излученияоколо 300 Вт/см2 , выше которой наблюдается разрушение образца.
Мгновенная мощность импульса накачки составляла около 5 · 1012 Вт/см2 .Вдали от фокуса линзы мощность выходного излучения составляkf0.76 мВт, в фокусе 0.23 мВт. Падение мощности выходного излучения от-7701.06160.84620.63080.41540.20-10Рис. 2.9 :-50510Положение образца (мм)150.0Нормированная мощность (отн.ед.)Мощность (мкВт)64Зависимость мощности, проходящей через однородную пластинку пори-стого кремния, от положения пластинки относительно фокуса линзы (безапертурное zсканирование).носительно мощности входного вдали от фокуса - в 1.8 раз, в фокусе - в6.0 раз.В соответствии с формулой 2.5, коэффициент двухфотонного поглощения составляет = 2 · 10−5 см/MВт.В структуре толщиной 500-600 мкм падающее излучение будет ослабляться в 100-200 раз и мощность выходного излучения окажется ниже порога чувствительности имеющихся детекторов (около 50 мкВт). Следовательно, необходимо понижать интенсивность излучения в перетяжке, увеличивая её диаметр.Для перетяжки диаметром 100 мкм пороговая средняя мощность разрушения образца составляет уже около 30 мВт, потому что интенсивностьизлучения в перетяжке линзы уменьшается в 25 раз.
При падающей мощности 10 мВт, согласно формуле 2.5, отношение коэффициентов пропускания в перетяжке линзы и вдали от нее составляет 0.99. Следовательно, мыможем учитывать только линейное поглощение, вследствие которого интенсивность прошедшего через структуру излучения составит 1 мВт, чтопревышает порог чувствительности детектора.2.2.5.Влияние концентрации плавиковой кислотыПосле изготовления серий образцов однородных пластин пористогокремния с использованием электролитов различной концентрации, изме-65Скорость тоавления (нм/с)рения физической и оптической толщин полученных образцов при помощисканирующей электронной микроскопии и оптической спектроскопии былаустановлена зависимость скорости травления от концентрации плавиковойкислоты.Для различных концентраций HF в растворе скорость травления изменяется следующим образом (рис. 2.10): при равной плотности тока травления скорость с увеличением концентрации кислоты в растворе растет.Принимая во внимание, что уравнения электрохимической реакции требует расхода фиксированного числа электронов на изъятие заданного количества атомов кремния из заготовки, следует ожидать уменьшение размерапор с ростом концентрации плавиковой кислоты.7570656055504540161820 22 24 26 28Концентрация HF (w%)3032Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
