WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1 Формирование двумерных структур фотонных кристаллов в кремнии для ближнего ИК диапазона с использованием остросфокусированных ионных пучков © А.Ф. Вяткин, Е.Ю. Гаврилин, Ю.Б. Горбатов, В.В. Старков, В.В. Сироткин Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия E-mail: Vyatkin@ipmt-hpm.ac.ru Одним из двух вариантов реализации двумерных фотонных кристаллов в кремнии являются упорядоченные структуры макропор в кремниевой подложке. Характерные размеры пор — диаметр и толщина стенок между порами — определяют диапазон длин волн, в котором такая структура проявляет свойства фотонного кристалла. Для ближнего ИК диапазона эти размеры приближаются к одному микрону и даже уходят в субмикронную область. В настоящей работе попытка формирования упорядоченной структуры макропор с такими размерами предпринята с использованием остросфокусированных ионных пучков для стимулирующего воздействия имплантированных ионов на процесс зарождения пор в заданных местах поверхности кремниевой подложки. Показано, что уже при малых дозах ионной имплантации (2 1013 ion/cm2) происходит зарождение пор в местах ионного облучения. Предложена модель, описывающая ориентирующее влияние ионного облучения на зарождение пор.

В качестве элементной базы микро- и нанофотоники размеров, можно ожидать, что их применение позволит фотонные кристаллы представляются чрезвычайно пер- решить сформулированную выше задачу формирования спективными материалами, особенно в области ближне- фотонных кристаллов для ближнего ИК диапазона.

го ИК диапазона, используемого для приборов современных средств коммуникации. Фотонные кристаллы на 1. Эксперимент основе кремния в этом ряду занимают исключительно важное место потому, что использование кремния и его высокоразвитой микроэлектронной технологии дает воз- Ранее нами было показано [3], что процесс анодного травления кремния — это двухстадийный процесс, можность реализовать системные приборные решения, включающий в себя стадию зарождения и начального когда на одном чипе размещаются и микроэлектронные, развития поры и стадию роста поры. Если парамети оптические схемы.

ры процесса анодного травления, такие как плотность Двумерные фотонные кристаллы в кремнии — это тока и напряжение, состав электролита, температура упорядоченные структуры макропор на кремниевой подложке. Характерные размеры пор — диаметр и тол- проведения процесса, определяют скорость роста пор, то плотность зарождающихся пор определяется прощина стенки между порами — определяют диапазон цессами, механизм которых не установлен до настоядлин волн, в котором может работать такая пористая щего времени. В настоящей работе на первом этапе структура. Для ближнего ИК диапазона эти размеры приближаются к 1 µm или уходят в субмикронную об- с использованием установки с остросфокусированным ласть [1]. Формирование упорядоченного макропористо- ионным пучком на поверхности кремния создавалась го кремния с такими размерами пор представляет зна- упорядоченная структура имплантированных областей.

Затем такая облученная пластина кремния подвергалась чительные трудности для обоих используемых сегодня процессу глубокого анодного травления.

методов получения макропористого кремния с порами с высоким аспектным отношением: плазмо-химическое Для экспериментов использовались пластины кремтравление через маски и электрохимическое глубокое ния p-типа проводимости с удельным сопротивлением анодное травление. Также известно, например, что ион- 5–8 cm и ориентацией поверхности (100). Энергия ное облучение поверхности пластины кремния n-типа однозарядных ионов галлия составляла 25 keV. Диаметр ионами бора приводит к блокировке процесса анодного ионного зонда на образце равнялся 100 nm, плотность травления в облученных местах [2], что связывалось с тока составляла около 1 А/cm2. Экспонирование струкинверсией типа проводимости в этих областях. тур проводилось путем перемещения пучка ионов по В настоящей работе предпринята попытка найти но- поверхности образца с помощью компьютерной провое решение этой сложной задачи, базирующееся на граммы PROXY. Доза экспонирования определялась вреиспользовании остросфокусированных ионных пучков менем выдержки пучка в точке и изменялась от 2 · для стимулирующего воздействия имплантированных до 6 · 1014 cm-2. При этом наибольшее значение дозы ионов на процесс зарождения пор в заданных местах выбиралось из соображений наименьшего распыления поверхности кремниевой подложки. Поскольку ионные поверхности в местах воздействия ионов (наибольшая пучки могут быть сфокусированы до нанометровых величина распыленного слоя при дозе 6 · 1014 cm-2 не 3 36 А.Ф. Вяткин, Е.Ю. Гаврилин, Ю.Б. Горбатов, В.В. Старков, В.В. Сироткин превышает согласно расчетным данным 0.5 nm). Наименьшее значение величины дозы определялось техническими возможностями установки и составляло величину 2 · 1013 cm-2. При этом минимальное время экспозиции в одной точке равно 10 µs. Размер экспонируемых ионным зондом участков составлял 100 nm, а расстояние между центрами этих областей изменялось от 1 до 5 µm.

Процесс глубокого анодного травления проводился при комнатной температуре в растворе плавиковой кислоты в диметилформамиде (DMF) в объемных соотношениях HF : DMF = 1 : 9 при плотности тока травления 9mA· cm-2. Глубина травления, геометрические размеры пор, а также расстояние между порами определялись по оптическому и электронно-микроскопическим изображениям шлифов планарной части и поперечного скола пластины в упорядоченных и неупорядоченных областях образца.

Рис. 1. Оптическая фотография поверхности пластины крем2. Результаты ния, подвергнутой глубокому анодному травлению.

Глубокое анодное травление образцов кремния, подвергнутых предварительному облучению ионами галлия, показало, что зарождение пор происходит только в профиль легирующей примеси укладывается в глубине облученных местах. При травлении образцов с различкремниевой подложки 50 nm. Если же ионное облуной величиной дозы имплантации не было установлено чение проводить через слой окисла толщиной 20 nm, существенной зависимости формирования пор от дозы что фактически означает уменьшение глубины легироваоблучения для всего диапазона исследованных доз. Опния, то стимулирующее воздействие ионного облучения тическая фотография поверхности образцов с сформинивелируется и процесс зарождения и роста пор происрованной системой упорядоченных пор представлена на ходит самопроизвольно и неупорядочено.

рис. 1. Видно, что происходит упорядоченное образование макропор в кремнии в области, предварительно экспонированной остросфокусированным ионным пучком с 3. Обсуждение результатов периодом 2.4 µm (левая часть рис. 1).

Ориентирующее влияние сфокусированного ионного Увеличение шага экспонирования приводит к тому, что, начиная с некоторых его значений, в результате глу- пучка на формирование упорядоченной структуры пор можно понять, если процесс электрохимического травбокого анодного травления кремния поры формируются ления представить протекающим по следующей схеме.

не только в имплантируемых областях, но и между ними, Процесс электрохимического травления кремния, сот. е. проявляется так называемый „эффект близости“, провождающийся образованием макропор, как однозначописанный в работе [3]. Уменьшение значения шага но установлено, происходит при некотором недостатке экспонирования до 1 µm приводит к тому, что часть проимплантированных областей выпадает из ансамбля носителей заряда, поставляемых в место протекания растущих пор, т. е. часть образовавшихся на начальной электрохимической реакции. Поэтому на начальной стастадии травления пор с межцентровым расстоянием дии процесс травления реализуется в первом атомном 1 µm перестает развиваться при дальнейшем проведе- слое кристалла в некоторых особых „слабых“ местах, нии процесса глубокого анодного травления. При этом например, в местах расположения легирующей примеси.

межцентровое расстояние стремится к значению 2.4 µm. Удаление атома из первого слоя обеспечивает более обСледует отметить, что расстояние между центрами легченные условия для травления соседних атомов перпор, равное 2.4 µm, характерно для самопроизвольного вого слоя кристалла. Процесс продолжается в первом неоднородного глубокого анодного травления образца слое до тех пор, пока во втором слое не откроется атом кремния с такой же величиной удельного сопротивления легирующей примеси. В этот момент процесс травления (правая часть рис. 1). распространяется и на второй атомный слой кристалла.

Инициирующее влияние ионного облучения на про- Далее процесс повторяется на третьем и последующих цесс зарождения пор проявляется, однако, только в том слоях. При этом очевидно, что не все центры зарослучае, когда глубина легирования кремния примесью ждения пор имеют равную скорость распространения галлия превышает некоторую критическую величину. в глубь кристалла, так как для каждой зародившейся При имплантации ионов галлия с энергией 25 keV весь поры существует разная вероятность встречи атома леФизика твердого тела, 2004, том 46, вып. Формирование двумерных структур фотонных кристаллов в кремнии для ближнего ИК диапазона... 4) При достижении латеральным фронтом травления кремния места, в котором локализована примесь во втором слое, процесс моментально переходит во второй слой. Процесс травления кремния далее распространяется в латеральном направлении во втором слое. При этом скорость латерального движения фронта травления равна скорости латерального травления в первом слое до тех пор, пока не происходит образования двухатомной ступени. Скорость латерального травления двухатомной ступени принимается меньшей на порядок величины по сравнению со скоростью латерального травления моноатомной ступени.

Рис. 2. Изображение поверхности кремниевой пластины в 5) При открытии примеси в третьем слое процесс сканирующем электронном микроскопе после проведения про- травления переходит в третий слой и т. д. При этом цесса глубокого анодного травления в условиях самопроизскорость латерального травления трехатомной ступени вольного зарождения пор.

и каждой последующей ступени принимается на порядок меньшей предыдущей.

6) Такой сценарий развития событий справедлив только до некоторой глубины травления поры в кремнии, т. е.

гирующей примеси в последующем слое. Это приводит только для начальной стадии процесса травления. Как к тому, что только некоторая часть зародившихся пор только достигается момент, когда все носители заряда, имеет шанс распространиться в глубь кристалла.

поставляемые на межфазную границу кремний–элекТакое представление о процессе электрохимического тролит, концентрируются на дне сформированных пор, травления позволяет создать компьютерную модель пропроцесс травления переходит в стадию роста пор и цесса. Физические принципы, положенные в ее основу, его параметры определяются другими характеристикаперечислены далее.

ми: плотность тока, напряжение смещения, состав элек1) Формирование макропор в кремнии происходит тролита, температура в системе кремний–электролит.

при недостатке носителей заряда на межфазной граСледствием предложенной модели является тот факт, нице кремний–электролит, поэтому процесс травления что не все примесные центры на поверхности пластины кремния начинается только в выделенных местах на кремния будут являться источниками формирующихся поверхности пластины.

пор. Выжить, т. е. сформировать пору, распространяю2) Предполагается, что такими местами являются щуюся в объем кремния, смогут только поры, зародивместа, в которых локализована примесь.

3) Уход примеси в раствор электролита (травле- шиеся от примесного атома на поверхности пластины, для которого вероятность встречи примесного атома в ние примеси) открывает возможность распространения каждом последующем слое в направлении, перпендипроцесса травления кремния с заметной скоростью в латеральном направлении в слое, из которого ушла кулярном поверхности, выше некоторой критической, примесь. зависящей от концентрации примеси в кристалле кремРис. 3. Двумерное представление трех последовательных стадий развития процесса глубокого анодного травления: начальная стадия (a); стадия, когда фронт травления достиг 10-го монослоя кристалла (b); и стадия, когда фронт травления достиг 20-го монослоя (c). Светлые символы — атомы примеси, темные символы — атомы кремния.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 38 А.Ф. Вяткин, Е.Ю. Гаврилин, Ю.Б. Горбатов, В.В. Старков, В.В. Сироткин ния. Это значит, что на поверхности пластины кремния при неупорядоченном самопроизвольном формировании пор будет наблюдаться ансамбль неразвившихся пор (кратеров) с небольшим количеством пор, уходящих в глубь пластины кремния. Такой результат действительно наблюдается на реальных пластинах кремния, подвергнутых анодному травлению (рис. 2). Этот же результат предсказывает описанная выше модель (рис. 3).

4. Выводы 1) Показано, что техника, базирующаяся на использовании остросфокусированных ионных пучков может быть использована для формирования упорядоченных структур макропор в кремнии.

2) Предложена модель, описывающая начальную стадию формирования макропор в кремнии и заключающаяся в том, что имплантация из остросфокусированного ионного пучка приводит к локальному увеличению концентрации в облученной области и, следовательно, к увеличению вероятности встречи атома примеси в каждом последующем слое в этой области, что в соответствии с моделью обеспечивает распространение поры в объем кремния в данном месте.

3) Качественное соответствие предсказаний модели и экспериментальных результатов указывает на справедливость основных положений модели.

Список литературы [1] T.F. Krauss, R.M. De La Rue. Progr. Quantum. Electronics 23, 51 (1999).

[2] E.V. Astrova, T.N. Vasunkina. Semiconductors 36, 5, (2002).

[3] A. Vyatkin, V. Starkov, V. Tzeitlin, H. Presting, J. Konle, U. Konig. J. Electrochem. Soc. 149, 1, G7 (2002).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.