книги / Электрохимические процессы в технологии микро- и наноэлектроники

либо массивы цилиндрических структур; одномерные —

Брэгговские решетки.

С точки зрения применения в технологии структур для интегральной оптики, наибольший интерес представляют двумерные фотонные кристаллы, т.к. они могут быть ин­ тегрированы в технологию создания светодиодов, лазеров и планарных волноводов. Высокая степень локализации световой волны обеспечивает низкие оптические потери в элементах интегральной оптики.

Диапазон частот со, в котором реализуются уникальные свойства фотонных кристаллов, определяется периодом модуляции X диэлектрической проницаемости. К числу наиболее важных задач в создании фотонной запрещенной зоны относятся следующие две: щель с «рабочей» длиной волны 1,5 мкм (стандарт «telecom»), щель в видимой об­ ласти спектра. Для приложений в оптической связи и оп­ тоэлектронике вблизи 1,5 мкм (ближняя инфракрасная об­ ласть) постоянная решетки фотонного кристалла должна быть около 0,5 мкм. Соответственно, для «освоения» диа­ пазона более коротких длин волн требуется переход далеко в субмикронную область. Перспективными материалами для этого диапазона считаются самоорганизующиеся сис­ темы, такие как коллоидные структуры и искусственные опалы и пористые полупроводники.

На рис. 2.29 приведено изображение скола слоя макро­ пористого кремния и данные о его структуре фотонной за­ прещенной зоны. Как следует из результатов теоретических и экспериментальных исследований, положением фотонной запрещенной зоны для светоразличной поляризации (ТЕРо1. и ТМ -Pol.) можно управлять посредством варьирова­ ния отношения радиуса поры г к периоду расположения пор X. Такое варьирование достигается посредством зада­ ния плотности тока анодного травления.

На основе макропористого кремния созданы волновод­ ные структуры и структуры с высоким аспектным отноше­ нием, используемые в микросистемах (рис. 2.30).

Дополнительная степень свободы в управлении струк­ турой макропористого кремния появляется в результате возможности изменения значения задаваемой плотности тока посредством изменения интенсивности освещения об­ ратной стороны. Модуляция освещенности позволяет фор­ мировать трехмерные фотонные кристаллы. На рис. 2.31 представлен один из примеров модулированной по глубине фотонной структуры.

Другие области применения пористого кремния

Благодаря набору уникальных свойств, пористый крем­ ний нашел применение не только в технологиях электрон­ ных и оптических устройств. Наиболее интересным на­ правлением использования пористого кремния является биомедицинская область.

Исследования показали, что пористый кремний являет­ ся биосовместимым материалом. На поверхности нанокри­ сталлов удается формировать гидроксиапатиты, которые являются основным компонентом костной ткани. Таким образом, пористый кремний может использоваться для соз­ дания имплантантов.

Высокая биоактивность поверхности кремниевых на­ нокристаллов позволяет выращивать культуры клеток без применения специальных функциональных покрытий.

Оптические свойства кремниевых нанокристаллов дают возможность использовать порошки пористых частиц в ка­ честве защиты кожи от ультрафиолетового воздействия. Кроме того, под воздействием солнечного света нанокри­ сталлы кремния способны стимулировать выделение синглетного кислорода, играющего важную роль в средствах борьбы с раковыми заболеваниями.

Еще одним важным свойством нанокристаллов кремния является то, что они достаточно быстро реагируют с плаз­ мой крови и превращаются в молекулы кремниевой кисло­ ты Si(OH)4, которая легко удаляется из организма.

Благодаря высокой пористости данный материал может быть использован как средство доставки лекарств к пора­ женным органам. А будучи пропитанным сильными окис­ лителями пористый кремний используют как взрывчатое вещество большой мощности.

В научно-технической литературе постоянно появляют­ ся сообщения о все новых областях применения пористого кремния, что позволяет прогнозировать не снижающийся интерес к этому материалу и в будущем.

22. Анодное растворение кремния в щелочных электролитах

Водные растворы КОН и NaOH являются анизотропны­ ми растворителями кремния. Скорость растворения плоско­ сти ориентации (100) в 400 раз превышает скорость раство­ рения плоскости ориентации (111). Травление в щелочных

Как и в случае электрохимического растворения при по­ тенциале разомкнутой цепи протекает реакция самораство­ рения кремния с образованием растворимой кремниевой кислоты

S i+ 4Н20 Si(OH )4 + 2Н2

При более положительном потенциале растворение включает стадию анодного окисления

Si + 40Н " + Ah+ -> S i0 2 + 2Н20

При достижении потенциала пассивации скорость роста оксида становится больше скорости его химического рас­ творения, и травление останавливается.

Действие гальванического элемента наглядно демонст­ рируется на рис. 2.35. Кривая ( 1) представляет анодную по­ ляризационную зависимость кремниевого электрода в на­ сыщенном кислородом щелочном растворе. Кривые (2,3) демонстрируют катодную часть поляризационной зависи­ мости золотого электрода, на котором протекает реакция окисления кислорода

0 2+ 2Н20 + 4 е - > 4 0 Н “1

Рис. 235. Схематическое объяснение действия гальванического элемента:

1 — поляризационная кривая p-Si электрода; 2,3 —поляризаци­ онные кривые металлического электрода соответственно с мень­ шей и большей площадью

138 Глава 2. Процессы анодного растворения в технологии, наноструктур

Окислительно-восстановительная пара 0 2/ОН~ опреде­ ляет равновесный потенциал металлического электрода. На зависимости имеется горизонтальный участок (dl/clE = 0), отражающий ограничение скорости восстановительной реак­ ции диффузией кислорода. При более отрицательных потен­ циалах ток начинает возрастать в результате реакции выде­ ления водорода

2Н20 +2е Н2 +20Н"

При замыкании цепи Si—Au устанавливается равновес­ ный потенциал, при котором ток анодного окисления крем­ ния становится равным току восстановления кислорода. Предельный диффузионный ток реакции восстановления может оказаться меньше максимального тока пассивации кремния, т.е. устанавливается потенциал более отрицатель­ ный, чем потенциал пассивации, и остановка травления кремния становится невозможной. Увеличить предельный диффузионный ток можно увеличением площади металли­ ческого электрода или увеличением концентрации кислоро­ да. В этом случае равновесный потенциал достигает и даже превышает потенциал пассивации, и кремний эффективно пассивируется оксидом. Обычно площадь катода должна в несколько десятков раз превышать площадь растворяе­ мой поверхности.

В качестве примера использования гальванического стоптравления можно привести пример изготовления пьезорези­ стивного датчика давления. Схематически его конструкция представлена на рис. 2.36.

Рис. 2.36. Конструкция датчика давления, изготовленного гальваническим стоп-травлением

Металлизация выполняет одновременно роль контактов в приборе и катодов в гальваническом элементе

Для его изготовления эпитаксиальный слой и-типа (2—5 Ом • см) толщиной 4 мкм формируют на подложке р-типа (2—5 Ом • см). Имплантацией бора создают /^-об­ ласти, выполняющие роль пьезорезистора. Далее осуще­ ствляют маскирование поверхности пленкой Si3N4 с обеих сторон пластины. В маске формируют окна для травления обратной анодной стороны и катодные контактные окна

срабочей стороны пластины. Как показывает опыт, ка­ тодные контакты не должны располагаться далее 2 мм от обрабатываемой области. В заключение пленка золота с ад­ гезионным подслоем хрома наносится на рабочую сторону

сцелью формирования катода гальванического элемента.

Сформированные структуры погружают в раствор для стоп-гравления. На начальном этапе р-п переход эффектив­ но изолирует область p -типа от катода, т.е. гальванический элемент находится в разомкнутом состоянии. Когда фронт травления достигает границы перехода, в гальваническом элементе начинает протекать ток, т.е. цепь замыкается. Протекающий ток пассивирует растворяемую поверхность, а выделяющиеся пузырьки водорода указывают на оконча­ ние процесса стоп-травления.

Глава 3

АНОДНЫЕ ОКСИДНЫЕ ПЛЕНКИ

ВТЕХНОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

ИТВЕРДОТЕЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУР

Взависимости от состава раствора и величины анодно­ го потенциала поверхность электрода может растворяться, или на ней образуются нерастворимые продукты. В водных растворах такие продукты часто представляют собой окси­ ды, характеризующиеся диэлектрическими свойствами.

Диэлектрические анодные пленки металлов и полупро­ водников применяются при изготовлении тонкопленоч­ ных конденсаторов, для защиты поверхности от внешнего воздействия и электромиграции атомов металла, при изго­ товлении многоуровневой коммутации, для изготовления изолированных алюминиевых и титановых подложек в тех­ нологии ГИС. Анодные оксидные пленки полупроводников широко применяются в качестве маскирующих слоев для локализации процессов легирования, металлизации и др. Применение анодного окисления с последующим травле­ нием оксида позволяет реализовать процесс прецизионного удаления слоев материала при изучении профиля распреде­ ления легирующих примесей. Особенности анодного окис­ ления эпитаксиальных слоев на полуизолирующих подлож­ ках позволяют получать активные слои арсенидгаллиевых приборов с высокой степенью однородности. Анодное окис­ ление широко применяется и в технологии создания нано­ структур различного функционального назначения.

Внастоящей главе рассмотрены основные закономерно­ сти формирования анодных оксидных пленок с заданными структурой и составом, которые обеспечивают решение, ши­ рокого диапазона прикладных задач в микро- и нанотехно­ логии.