Processo di caratterizzazione del silicio poroso 138

Il processo svolto per la produzione di silicio poroso su substrati di tipo p+ o di tipo

n+ è descritto qui di seguito.

I wafer sia di tipo p+ che di tipo n+, come prima cosa sono stati tagliati per ottenere dei campioni di dimensioni 2.7cm x 2.7cm circa. La superficie di attacco della cella elettrochimica infatti consiste in un’area circolare delimitata da un o-ring in materiale inerte con un diametro circa di 1.1 cm. Il taglio dei campioni è stato effettuato manualmente servendosi di una punta diamantata, tenendo presente che le loro dimensioni devono essere tali da poter ricoprire interamente l’o-ring della cella elettrolitica, ovvero l’anello che permette l’adesione, senza perdite di

secondo solvente, in particolare, è in grado di rimuovere eventuali residui di acetone, essendo miscibile sia in acetone che in acqua. Tutte le operazioni vengono eseguite in un ambiente il più possibile pulito, sotto cappa a flusso laminare continuo.

Dopo la pulizia dei campioni si procede alla pulizia della cella elettrochimica tramite risciacqui in acqua deionizzata e etanolo e infine alla sua asciugatura. A questo punto prima di posizionare il campione all’interno della cella viene rimosso lo strato d’ossido presente sulla sua superficie tramite l’immersione nel BHF (soluzione composta da 32.8g di HF al 48% e da 190.5g di NH4F per una quantità

totale di 200 ml).

La soluzione elettrolitica per l’anodizzazione del silicio viene preparata utilizzando le seguenti proporzioni tra acqua deionizzata e HF al 48%:

HF(48%) : H2O = 1 : 4 (27)

come si è specificato in precedenza all’acqua viene aggiunto un surfattante, Wako NCW 1001, in piccole quantità. Per 200 ml di soluzione le quantità sono le seguenti: 160 ml di acqua deionizzata più 0.34 ml di NCW 1001 (12 gocce) e 40 ml di HF al 48%.

Una volta puliti i campioni, preparata la soluzione e rimosso l’ossido, il passaggio successivo è quello di posizionare il campione all’interno della cella e di procedere con l’attacco.

Durante la sperimentazione sul silicio poroso si è cercato di trovare il substrato e la porosità più congeniale alla fase sucessiva di deposizione dell’ossido di titanio. I parametri importanti da questo punto di vista sono stati la corrente imposta durante l’attacco per l’ottimizzazione della porosità, e i tempi di attacco per quanto riguarda il controllo dello spessore.

Come punto di partenza è stata fatta nella prima esperienza la caratterizzazione dell’intero sistema, tracciando la caratteristica I-V del processo di anodizzazione sia per quanto riguarda il silicio p+ sia per quanto riguarda il silicio n+ (Fig.77). È stata imposta una tensione a partire da 0 V fino ad arrivare a 4 V con passi di 50 mV ed è stata misurata la corrente a ogni passo. In questo modo è stato possibile ricavarsi la Ips relativa ai due tipi di substrati e impostare le prove successive.

Fig. 100 - Caratteristiche I-V relative al silicio di tipo p+ e di tipo n+.

Dalle due caratteristiche ottenute tramite le misure è stata riscontrata una Ips, per

quanto riguarda il campione n+, di 80 mA mentre il campione p+ riporta una corrente di electropolishing inferiore, pari a circa 56 mA.

Le successive prove sono state improntate allo scopo di ricavare la velocità di formazione del silicio poroso. Ricavata la corrente di electropolishing sono state fatte tre prove con tempi di 30, 40 e 50 secondi a una corrente di 100 mA per il p+ e di 140 mA per l’n+; correnti ragionevolmente superiori alla Ips dei due substrati

per essere certi della completa dissoluzione del silicio. Le misure effettuate sui campioni con un profilometro, per misurare il valore dello scalino prodotto tra la zona di attacco e la zona esterna all’o-ring, sono state impiegate per ricavare la velocità di dissoluzione (rps) e, tramite la relazione empirica che le lega (equazione

(28)), la velocità di formazione del poroso (rp) relativa ai due substrati.

rps =0.65×rp (28)

La seguente tabella riassume il valore della velocità di dissoluzione e di crescita del poroso, ricavate con un approssimazione lineare, dai grafici di Figura 78 e 79:

Substrato Velocità di dissoluzione

(rps)

Velocità di crescita del silicio poroso (rp)

Silicio di tipo p+ 1.34 µm/min 2.06 µm/min

molteplici e i valori riportati nei grafici seguenti sono frutto di una media di esse.

Fig. 101 - Grafico dell'altezza dello scalino misurato in funzione del tempo per il silicio p+.

Fig. 102 - Grafico delle misure fatte sullo scalino in funzione del tempo per il silicio

n+.

A questo punto si è passati alla crescita dello spessore di silicio poroso sui differenti tipi di substrato. L’obiettivo principale di questa parte del lavoro è stato trovare i valori di corrente, da imporre durante l’anodizzazione, per ottenere la porosità desiderata. La porosità dello strato, infatti oltre che dipendere dal tipo e dal valore del drogaggio, e dalla soluzione utilizzata, dipende anche dalla corrente imposta durante l’intero processo. Per il silicio di tipo p+ sono state utilizzate le seguenti correnti: 44 mA, 46 mA, 50 mA e 57 mA. Le misure sulla porosità sono state ricavate attraverso l’utilizzo di un ellissometro a singola lunghezza d’onda: dalla conoscenza dello spessore del silicio poroso realizzato, tramite indagine SEM, è posibile risalire all’indice di rifrazione di un mezzo equivalente omogeneo, dal quale tramite l’Approssimazione di Mezzo Equivalente (EMA) di Bruggeman è possibile risalire alla porosità del layer (Appendice C). I valori di porosità misurati per le correnti di 44 e 46 mA sono stati nell’intorno del 60% per la prima e del 70% per quanto riguarda la seconda. In corrispondenza di 50 mA si è riscontrata una porosità di circa l’80%, ottimale in termini di dimensioni dei pori per la deposizione di TiO2. Mentre per 57 mA, corrente praticamente coincidente con quella di

elettropolishing, la superficie a mostrato una morfologia alterna di strati porosi e strati in silicio planarizzato. Prima di ogni attacco è stato usato l’accorgimento di rimuovere eventuali impurità e planarizzare al meglio la superficie effettuando un primo passo di electropolishing di durata 30 secondi, questo procedimento è stato adottato sia per i substrati p+ che per quelli n+.

elevate. In definitiva però il risultato ottenuto con la corrente a 64 mA si è dimostrato più che soddisfacente sia come uniformità che come porosità.

Qui di seguito verranno ora mostrate le immagini e le misure effettuate utilizzando un microscopio a scansione elettronica (SEM) sui campioni dei due substrati.

Fig. 103 - Immagine al SEM dello strato di silicio poroso cresciuto.

La Figura 80 mostra un immagine a 5000 ingrandimenti relativa allo spessore di SiPo cresciuto. A questo valore di ingrandimenti non si apprezzano differenze per i due tipi di substrato, è possibile però aumentando lo zoom sul fondo dello strato misurare il diametro dei pori (Fig. 81 e 82). A 25000 ingrandimenti è stato possibile misurare il diametro dei pori, che si attesta per il silicio p+ con una corrente di 50 mA nell’ordine dei 64 nm, mentre per il silicio n+ in corrispondenza di una corrente di 64 mA nell’ordine dei 107 nm in media.

Fig. 104 - Immagine al SEM relativa alla parte inferiore dello strato di silicio poroso con i relativi marker che indicano il diametro dei pori per substrato p+ e corrente di

Fig. 105 - Immagine al SEM relativa alla parte inferiore dello strato di silicio poroso con i relativi marker che indicano il diametro dei pori per substrato n+ e corrente di

attacco di 64 mA.

Per il proseguo di questo lavoro è stato scelto il substrato di tipo n+ principalmente per due motivi:

• Lo strato ottenuto presenta un’omogeneità e una grandezza dei pori che meglio rispecchia l’esigenza di deposizione. Con un diametro di circa 100 nm la soluzione dovrebbe penetrare meglio, inoltre in vista di uno sviluppo del lavoro con il distaccamento dell’ossido di titanio deposto si è pensato che una dimensione dei pori più ampia possa offrire resistenza maggiore ai fenomeni di sticking che saranno presenti nel processo di distacco dal silicio.

• Il silicio n+ si adatta in maniera migliore, in termini di allineamento delle bande, al TiO2 rispetto ad un substrato di tipo p.