Диссертация (1102884), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Таким образом, перемешивание обеспечивает стабильность концентрации кислоты и скорости травления. При достаточном перемешивании травление происходит с постоянной скоростью, что видно на примеретретьего образца, у которого спектры отражения фронтальной и тыльнойсторон отличаются незначительно.Спектры отражения были аппроксимированы при помощи расчетаспектра отражения многослойной структуры рекурсивным методом. Параметры аппроксимации приведены в таблице 2.1.Сравнение параметров аппроксимации для фронтальных и тыльныхсторон показывает, что при слабом перемешивании раствора происходитпадение скорости травления с глубиной травления: толщины слоёв вблизифронтальной стороны остаются практически неизменными, вблизи тыльной стороны толщины уменьшаются вместе со степенью перемешивания.Пористость, в свою очередь, растёт с глубиной, что хорошо заметно благодаря уменьшению показателей преломления.
Два этих факта говорят опадении концентрации в области травления, т.е. в порах образца.Коэффициент отражения73Рис. 2.19 :Фронтальная сторонаТыльная сторонаТеория1.00.80.60.40.20.0550600650700Длина волны (нм)750800Спектры отражения фронтальной и тыльной сторон ФК толщиной 400 мкм.(800)Параметры теоретического 1 = 62 нм, 2 = 100 нм, 1 = 0.48, 2 = 0.61, 1(800)2= 2.29,= 1.86, = 5000.Путем изготовления еще нескольких фотонных кристаллов и проведения аналогичных исследований удалось подобрать оптимальную для имеющейся конфигурации электрохимической ячейки скорость перемешивания150 об/мин.После установления оптимальной скорости перемешивания был изготовлен фотонный кристалл толщиной 5000 слоёв. Прогнозируемые толщины слоёв 1 = 60 нм, 2 = 100 нм.
Суммарная его толщина составила 400мкм. Спектры отражения фронтальной и тыльной сторон представлены нарис. 2.19, они совпадают друг с другом и с теоретической аппроксимацией.Параметры численного расчёта спектра отражения соответствуют прогнозируемым согласно калибровке экспериментальной установки параметрамфотонного кристалла.Снимок в электронный микроскоп слоёв фотонного кристалла толщиной 400 мкм представлен на рис. 2.20. На снимке видно, что период ФКсохраняется на протяжении всей процедуры травления. Слои остаются параллельными, толщина кристалла сохраняется по всей площади.
Толщиныслоёв в пределах погрешности совпадают с прогнозируемыми.2.3.3.Причины ухудшения травленияИтак, экспериментально установлено, что изменение качества фотонных кристаллов на основе пористого кремния большой толщины имеет место вследствие локального падения концентрации плавиковой кислоты в74Рис. 2.20 : Изображение бокового скола ФК толщиной 2500 периодов: (а) - участок, соответствующий началу процесса травления, (b) - середине процесса, (c) - завершающей стадии.Слои ФК горизонтальны, процесс травления сверху вниз.области дна пор. Как было указано ранее в п. 1.3.1, данный фактор является одним из ограничивающих процесс травления.При локальном уменьшении концентрации плавиковой кислоты в растворе электролита в области дна пор происходит смещение рабочей точкипроцесса в сторону меньших концентраций (влево на диаграмме 2.12).
Таккак плотность тока травления поддерживается постоянной, рабочая точкапроцесса травления приближается к кривой критической плотности тока.Процесс травления переходит в режим электрополировки.Таким образом продемонстрировано, что возможно изготовление фотонных кристаллов оптического диапазона на основе слоёв пористого кремния разной пористости суммарной толщиной до 400 мкм с периодичностью,сохраняющейся на протяжении тысяч периодов.§ 2.4.Термическое окислениеКак следует из результатов пп. 2.2.3 и 2.2.4, кристаллический кремний, особенно с высоким допированием, обладает высоким линейным инелинейным поглощением. Для существенного снижения поглощения в литературе [132] предлагается термически окислять пористый кремний допористого оксида кремния.Структуры из пористого кремния способны окисляться термическипри температурах более 700° С в воздушной атмосфере.
Характерная рабочая температура порядка 900°, время экспозиции около 2 часов. Притаких условиях, согласно [113], на поверхности кристаллического кремния75образуется оксидная плёнка толщиной 20 нм. При характерном размерепор 50 нм и пористости порядка 50% очевидно, что полное окисление образца происходит при окислении стенок пор и перекрытии оксидного слоясоседних пор.2.4.1.Отжиг тонких структур.
Смещение спектраПри окислении фотонного кристалла из пористого кремния толщиной20 периодов без отделения от подложки не происходит видимых изменений,кроме изменения цвета. Происходит смещение спектра отражения в синююобласть (рис. 2.21). Фотонная запрещенная зона при этом сужается, чтоговорит о падении контраста показателей преломления.Перед окислениемПосле окисленияКоэффициент отражения1.21.00.80.60.40.20.0400500600700800Длина волны (нм)900Рис.
2.21 : Спектр отражения фотонного кристалла из 20 периодов до окисления и послеЧисленный расчёт спектров отражения данного фотонного кристалла до окисления и после представлен на рис. (рис. 2.22). При выбранных значениях показателей преломления и толщин слоёв теоретическийспектр аппроксимирует экспериментальный с весьма большой точностью.Особенно хорошее совпадение наблюдается в области фотонной запрещенной зоны. Вне её наблюдаются интерференционные осцилляции, периодкоторых, равно как положение их минимумов и максимумов, аппроксимируется достаточно точно.
Однако их амплитуда расходится с расчётной,причём расчёт дает более высокую амплитуду по сравнению с экспериментом, особенно в коротковолновой области. Объяснить этот факт можно при761.0Перед окислениемТеория(а)0.80.60.40.20.04001.2Коэффициент отраженияКоэффициент отражения1.2500Рис. 2.22 :600700800Длина волны (нм)9001.0После окисленияТеория(б)0.80.60.40.20.0400500600700800Длина волны (нм)Аппроксимация спектров отражения ФК из 20 периодов (а) - до окисления.(800)Параметры аппроксимации 1 = 82 нм, 2 = 100 нм, 1 = 0.50, 2 = 0.64, 1(800)2900= 2.22,= 1.78, = 40.
(б) - после окисления. Параметры аппроксимации 1 = 88 нм, 2 = 104нм, 1 = 1.48, 2 = 1.36, = 40.помощи не учтённого в расчете ослабления света внутри фотонного кристалла вследствие рэлеевского рассеяния на порах. Величина рэлеевскогорассеяния в пористом кварце будет рассмотрена ниже.Анализируя спектры отражения образца до и после отжига (рис.2.22), можно увидеть, что показатели преломления слоёв значительноуменьшаются: от 2.22 до 1.48 и от 1.78 до 1.36, что связано со значительноменьшим показателем преломления оксида кремния по сравнению с кремнием. Толщины слоёв при окислении практически не изменяются: физическая толщина более плотного слоя возросла на 7%, а менее плотного слоя на 4%. Кроме того, пористость структуры при окислении падает. Оба этихэффекта объясняется увеличением доли вещества в структуре, увеличением содержания атомов в единице объёма: каждый атом кремния присоединяет два атома кислорода, в результате объёмная доля пустот снижается,а кристалл увеличивается в размерах тем больше, чем больше была долякремния.2.4.2.Отжиг толстых структурПри отжиге структур, отделенных от подложки, образцы испытывают механические напряжения вследствие различных коэффициентов теплового расширения кристаллического кремния и аморфного оксида кремния, а также пространственной неоднородности процесса отжига.
Это обстоятельство накладывает ограничение на минимальную толщину струк-77тур: около 100 слоёв или 20-30 мкм. Структуры меньшей толщины, отделенные от подложки, при отжиге деформируются слишком серьёзно иразрушаются от механического напряжения.Рис. 2.23 : Фотография фотонного кристалла из пористого кремния до (красная) и после(жёлтая, синяя) термического окисления (900°, 2 ч.) (а) - в проходящем свете, (б) - в отражённом светеСтруктуры толщиной порядка 100 мкм и больше при отжиге испытывают расширение в латеральном направлении порядка 15-20 % и изгиб, какправило, выпуклостью к фронтальной стороне.
Расширение в направлениинормали (в толщину) незначительно, менее 5%, что измерялось микрометром.Фотография структуры толщиной 500 периодов, которая была разделена на две части: контрольную и подвергшуюся окислению, представленана рис. 2.23. Красная половина образца - исходная структура пористогокремния, остальное - термически окисленная при 900° в течение 2ч.
Видно, что при окислении структура увеличилась в размере. В отражённомсвете видно, что ФЗЗ в красной области спектра на неотожженной структуре переместилась в синюю область на отожженной. Кроме того, вне ФЗЗструктура стала прозрачной: в проходящем свете сквозь неё видны неровности подложки. Структура до отжига совершенно непрозрачна.Для исследования спектральных характеристик окисленных толстыхобразцов был изготовлен другой образец с исходным положением ФЗЗ вближней ИК области (900-1000 нм).Спектр пропускания фотонного кристалла на основе окисленного пористого кремния представлен на рис. 2.24.
ФК состоит из 1000 слоёв с толщинами 1 = 90 нм, 2 = 110 нм и показателями преломления 1 = 1.48,Коэффициент пропускания781.00.80.61.00.40.80.60.20.05000.4600400700500600800Длина волны (нм)700900Рис. 2.24 : Спектр коэффициента пропускания одномерного фотонного кристалла на основе пористого плавленого кварца с показателями преломления 1 = 1.48, 2 = 1.32 и с толщиной1000 слоёв. На вставке: спектры коэффициента пропускания однородных пластин с показателями преломления, соответствующими показателям преломления слоёв ФК, толщиной равнойтолщине ФК.2 = 1.32. Суммарная толщина структуры = 100 мкм. На спектре отчетливо видна фотонная запрещенная зона в диапазоне 600-650 нм. Длинноволновый край ФЗЗ достаточно резкий, в области длинных волн показатель пропускания практически достигает единицы. Коротковолновый крайФЗЗ несколько смазан и пропускание в коротковолновой области ухудшено.Ухудшение свойств ФК в коротковолновой области спектра можетбыть объяснено релеевским рассеянием света на порах.
Коэффициент пропускания рассеивающей среды и сечение релеевского рассеяния:(︂)︂22 5 6 2 − 1− =, =,(2.7) =03 4 2 + 2где - толщина среды, - концентрация пор, - размер пор, - длинаволны, - показатель преломления.Для проверки данной гипотезы были изготовлены две однородныепластины из пористого плавленого кварца толщинами 1 = 2 = 100 мкм ипоказателями преломления, соответствующими показателям преломленияслоёв фотонного кристалла. Их спектр пропускания приведен на вставке нарис. 2.24. Спектры пропускания могут быть аппроксимированы функцией−4 () = 1 − − с параметрами 1 = 2.6x10−3 мкм4 и 2 = 2.5x10−2 мкм4соответственно.79Для толщин 1 = 2 = 100 мкм, показателей преломления 1 = 1.48,2 = 1.32, диаметров пор 1 = 30 нм, 2 = 60 нм, концентраций пор,вычисленных из пористости слоёв согласно формуле Бруггемана (1.34),сечения рэлеевского рассеяния равны 1 = 1.4x10−15 cm2 и 2 = 1.5x10−13cm2 .
Соответствующие коэффициенты прохождения для длины волны =400 нм составляют, соответственно, 1 = 0.9, 2 = 0.4, что совпадает сэкспериментальным результатом (рис. 2.24, вставка).Термическое окисление позволяет полностью избежать оптическогопоглощения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
