Диссертация (1102884), страница 12
Текст из файла (страница 12)
2.10 : Зависимость физической скорости травления пористого кремния от концентрации HF при фиксированном токе травления 100 мА/см2 .При помощи сканирующей электронной микроскопии были напрямуюизмерены размеры пор. Результаты измерения размеров пор для различных плотностей тока и концентраций HF приведены на рис. 2.11. И действительно, размер пор увеличивается с ростом плотности тока и падаетс ростом концентрации HF. Высокая погрешность определения диаметрапор, связанная с пределом разрешающей способности имеющегося электронного микроскопа и неровностью пор на сколе образца, не позволяет судить о конкретном виде зависимости.
Возможно лишь качественноутверждать, что зависимость размера пор от плотности тока монотонная,возрастающая и слабее линейной (∼ 0.3 ...0.7 ). Зависимость размера порот концентрации HF монотонная и убывающая.6618%21%24%28%Размер пор (нм)120100806040200050100150Плотность тока (А/см2)200Рис. 2.11 : Зависимость размера пор пористого кремния от плотности тока травления приконцентрациях плавиковой кислоты 18, 21, 24, 28 процентов по массе2.2.6.Режим электрополировкиПри увеличении плотности тока травления выше некоторого критического значения соседние поры становятся настолько широкими, что перекрываются.
Травление происходит единым фронтом без образования пористой структуры. Кремний удаляется с анода, оставляя гладкую поверхность. В литературе [82] данный режим травления называется электрохимической полировкой (см. п. 1.3.1).я0.4ле0.3Покр рием стыни ййктпо рохли имро ичвк еса ка0.5ЭПлотность тока (А/см2)0.60.20.10.00510152025303540Концентрация HF (%/w)Рис. 2.12 :Распределение изготовленных образцов на диаграмме "Концентрация HF -плотность тока травления".
Звездами обозначены образцы в режиме электрохимической полировки, пустыми кружками - образцы в режиме формирования пористого кремния. Обозначенаграница между областями двух режимов.67Накопленная в рамках данной работы статистика образцов, изготовленных при различных значениях концентрации HF и плотности тока травления представлена на рис. 2.12. Граница области электрополировки проведена приблизительно. Следует учитывать, что вблизи границы областиэлектрополировки получаемые структуры обладают высокой пористостьюи потому слабой механической прочностью.
Для изготовления образцовфотонных кристаллов разумно выбирать токи травления на достаточномудалении от области электрополировки. Так, для изготовления фотонныхкристаллов в рамках данной работы использовались плотности тока 40 и200 мА/см2 при концентрации плавиковой кислоты 28% в растворе электролита.§ 2.3.Структуры большой толщины на основе пористого кремнияПри изготовлении структур большой толщины с увеличением глубины пор возникает падение концентрации HF, что приводит к серьёзному изменению качества структуры, особенно заметному на многослойныхструктурах (рис.
2.13). В слоях, соответствующих большей плотности тока, происходит истощение стенок пор вплоть до их полного исчезновения. Вданных слоях травление переходит в режим электрополировки. На многихобразцах отчетливо заметно нарастание расслоения вглубь структуры.Рис. 2.13 :Расслоение фотонного кристалла из пористого кремния, вызванное падениемконцентрации HF в порах и расширением пор до полного истощения стенок.68Рис. 2.14 : Снимки в электронный микроскоп скола ФК толщиной 1000 слоёв, (a) - слоив начале процесса травления, приблизительно слои 1-25; (b) - слои в середине фотонногокристалла; (c) - слои на финальной стадии процесса травления, приблизительно 988-1000.Для детального исследования изменения качества слоёв фотонногокристалла был изготовлен образец со следующими параметрами: прогнозируемые толщины слоёв 1 = 60 нм, 2 = 100 нм, плотности тока 1 = 200мА/см2 , 2 = 40 мА/см2 , 1000 слоёв.
Снимки поперечного сечения данного ФК, полученные с помощью электронного микроскопа, приведены нарис. 2.14. Были сделаны снимки поперечного скола в трёх разичных областях, соответствующих начальной, среднеё и финальной стадии травления структуры вглубь кристалла кремния. Из приведенных изображенийвидно, что слои брэгговского зеркала на последних стадиях изготовлениястали тоньше. Это не может быть вызвано уменьшением плотности токаили времени травления, т.к. эти параметры заданы и их постоянство строгоподдерживалось.
Следовательно, уменьшение скорости травления вызваноуменьшением концентрации кислоты. Возможны два варианта уменьшенияконцентрации:1. Падение концентрации кислоты во всем объеме электрохимическойячейки, вызванное расходом кислоты в реакции.2. Локальное падение концентрации в глубине пор, вызванное недостаточной скоростью поступления в поры непрореагировавшего раствора.Исследуем каждый из них подробно.692.3.1.Уменьшение концентрации плавиковой кислоты в объемераствораОценим падение концентрации кислоты в ячейке при травленииструктуры толщиной 400 мкм.При электрохимическом травлении кремния на аноде происходит следующая реакция:Si + 6F− + 2H+ + 2h+ = SiF2−6 + H2(2.6)Из уравнения реакции видно, что на 1 моль кремния расходуется 6 мольплавиковой кислоты.
При травлении структуры толщиной 0.04 см, пористостью ∼ 0.5, площадью 1.76 см2 из кремния плотностью 2.33 г/см3 и молярной массой 28 г/моль в реакцию вступит 0.0013 моль кремния, на чтобудет израсходовано 0.008 моль плавиковой кислоты. Исходная концентрация ∼ 10 моль/л, в объеме ячейки 20 см3 содержится 0.2 моль кислоты.Относительная доля израсходованной кислоты составляет 0.04.Проверим нашу оценку экспериментально. Можно предложить следующий эксперимент:1. Травлением в свежем растворе изготовляется брэгговское зеркало спрогнозируемым положением ФЗЗ 600-650 нм, толщина образца 25слоев, что составляет физическую толщину 2 мкм, раствор послетравления сливается.2.
Травлением в свежем растворе изготавливается образец физическойтолщиной 400 мкм. Раствор после травления выливается в отдельнуюемкость.3. Травлением в растворе, использованном в п.2, изготовляется образецс параметрами, использованными в п.1.4. Сравниваются спектры коэффициентов отражения образцов из п.1 ип.3 (рис.2.15).Из результатов, приведённых на рис. 2.15 следует, что спектр коэффициента отражения образца, изготовленного в уже использовавшемсярастворе, сдвинут в синюю сторону на ∼4 нм относительно контрольного образца из п.1. Это означает, что скорость травления в растворе послетравления структуры толщиной 400 мкм уменьшается примерно на 0.01Коэффициент отражения701.0Новый растворИспользованный0.80.60.40.20.0500600700Длина волны (нм)800Рис. 2.15 : Спектры коэффициента отражения ФК, изготовленных в свежем и бывшем вупотреблении растворах электролита на основе плавиковой кислоты.долю своей величины.
А это, в соответствии с выводами п. 2.2.5, означает,что относительная доля израсходованной кислоты составляет 0.01. Экспериментальный результат по порядку величины совпадает с оценочным.Итак, расходом кислоты в объеме ячейки может быть объяснено падение скорости травления лишь на один процент. Значит, необходимо рассмотреть локальное падение концентрации кислоты в порах.2.3.2.Локальное уменьшение концентрации плавиковой кислоты: влияние перемешиванияВ том случае, если ухудшение травления вызвано локальным падением концентрации в порах образца, при сохранении постоянства HF в объёме раствора можно предложить использовать перемешивание раствора.Эффективность перемешивания следует определить экспериментально.Для эксперимента были изготовлены 3 фотонных кристалла, расчетное положение центра ФЗЗ для всех трех образцов составляло 650 нм.
Прогнозируемые толщины слоёв 1 = 60 нм, 2 = 100 нм. Суммарная толщинаструктуры 1000 слоёв, или 80 мкм. Первый ФК изготавливался без перемешивания раствора. Второй был изготовлен при "небольшой"скоростиперемешивания (80 об/мин), третий - при 160 об/мин. Подходящая степеньперемешивания определялась визуально из наблюдений за жидкостью, перемешивающейся в ячейке с открытой крышкой. Предположительно, наи-1.00.80.60.40.20.0450500550600650700Длина волны (нм)750800Фронтальная сторонаТеория1.00.80.60.40.20.0450500550600650700Длина волны (нм)750Коэффициент отраженияФронтальная сторонаТыльная сторонаКоэффициент отраженияКоэффициент отражения71800Тыльная сторонаТеория1.00.80.60.40.20.0450500550600650700Длина волны (нм)750800Рис. 2.16 : Спектры отражения фронтальной и тыльной стороны ФК, изготовленного безперемешивания раствора в сравнении с теоретической аппроксимацией.
Параметры аппрокси-0.80.60.40.20.0450500550600650700Длина волны (нм)750800Фронтальная сторонаТеория1.00.80.60.40.20.0450500550600650700Длина волны (нм)750Коэффициент отраженияФронтальная сторонаТыльная сторона1.0Коэффициент отраженияКоэффициент отражениямации в табл. 2.1.800Тыльная сторонаТеория1.00.80.60.40.20.0450500550600650700Длина волны (нм)750800Рис. 2.17 : Спектры отражения фронтальной и тыльной стороны ФК, изготовленного c перемешиванием раствора со скоростью 80 об/мин в сравнении с теоретической аппроксимацией.Параметры аппроксимации в табл. 2.1.более благоприятная степень перемешивания означает, что жидкость вращается внутри ячейки с частотой, примерно равной частоте вращения перемешивающего столика.
Движение должно сохраняться ламинарным. Дляконтроля ламинарности потока в жидкость подмешивался краситель либодобавлялись маленькие кусочки бумаги.Остальные внешние условия изготовления, а также времена травления, поддерживались неизменными. После изготовления структура отделялась от подложки, просушивалась, оценивалась визуально. Затем измерялся спектр коэффициента отражения фронтальной и тыльной (со стороныподложки) стороны структуры.
Спектры представлены на рис. 2.16, 2.17,2.18 соответственно.На этих рисунках видно, что спектры фронтальной стороны всех трехобразцов практически не различаются, что вызвано тем, что на начальныхстадиях травления концентрация кислоты вблизи поверхности образца неуспевает измениться. Что же касается спектров отражения тыльной стороны, то отчетливо видно, что чем больше степень перемешивания, темменьше спектр отражения тыльной стороны отличается от спектра фрон-1.00.80.60.40.20.0550600650700Длина волны (нм)Рис. 2.18 :750800Фронтальная сторонаТеория1.0Коэффициент отраженияФронтальная сторонаТыльная сторонаКоэффициент отраженияКоэффициент отражения720.80.60.40.20.0550600650700Длина волны (нм)750800Тыльная сторонаТеория1.00.80.60.40.20.0550600650700Длина волны (нм)750800Спектры отражения фронтальной и тыльной стороны ФК, изготовленного cперемешиванием раствора со скоростью 160 об/мин в сравнении с теоретической аппроксимацией.
Параметры аппроксимации в табл. 2.1.Образец Скорость перемешвания,об/мин10, фронтальная сторона0, тыльная сторона280, фронтальная сторона80, тыльная сторона3160, фронтальная сторона160, тыльная сторона1 ,нм6040605261612 ,нм9873998710010012120.490.520.490.500.490.500.680.720.680.700.680.682.262.162.262.222.262.221.641.531.641.591.641.64Таблица 2.1: Параметры теоретических аппроксимаций спектров отражения ФК, изготовленных при различных скоростях перемешивания раствора: толщины слоёв , пористости ,показатели преломления на длине волны 800 нм . Толщина структур 1000 слоёв.тальной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
