Метод определения толщины слоя пористого кремния

Использование: в микро- и оптоэлектронике для получения пористого кремния при изготовлении различных структур, обладающих способностью к фотолюминесценции и электролюминесценции, например в качестве индикаторов, а также для изготовления пористой основы для химических сенсоров, просветляющего слоя для кремниевых солнечных элементов или промежуточный слой гетероструктур. Сущность изобретения: для определения толщины слоя пористого кремния, полученного электрохимическим травлением на подложке из монокристаллического кремния p-типа проводимости с последующим окислением, в процессе получения пористого кремния на этапе его окисления измеряют время окисления (τ, секунды) слоя пористого кремния, сформированного травлением, и вычисляют толщину (T, мкм) слоя пористого кремния по формуле T=(1,171+1,422In ρ)·τ (где ρ - удельное электросопротивление исходного монокристаллического кремния в интервале 0,5-50 Ом.см). Техническим результатом изобретения является упрощение способа определения толщины слоя пористого кремния и повышение точности определения. 1 табл.

 

Данное изобретение относится к области микро- и оптоэлектроники, а конкретно - к формированию пористого кремния в виде слоев на подложках из монокристаллического кремния. Пористый кремний является материалом, способным к фото- и электролюминесценции в видимой области спектра, который может быть использован для изготовления приборов, излучающих свет в видимой области от красного до зеленого в зависимости от характеристик сформированного пористого кремния. Кроме того, пористый кремний может быть использован в качестве пористой основы для химических сенсоров, а также как просветляющий слой для кремниевых солнечных элементов или промежуточный слой гетероструктур.

Для пористого кремния, сформированного электрохимическим травлением известен [Beale M.J., Benjamin J.D., Uren M.J. et al. An experimental and theoretical study of the formation and microstructure of porous silicon. // J.Cryst. Growth. 1985. Vol.73 (2). p.622] метод определения толщины получаемого слоя пористого кремния ее непосредственным измерением с помощью оптического или электронного микроскопа на сколе подложки со сформированным на ней слоем пористого кремния.

Недостатком этого метода является то, что он разрушающий приводит к уничтожению сформированного пористого кремния и не может быть использован непосредственно в процессе получения пористого кремния.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому методу является оптоакустический метод [С.М.Жаркий, А.А.Карабутов, И.М.Пеливанов, Н.Б.Подымова, В.Ю.Тимошенко. Исследование слоев пористого кремния лазерным ультразвуковым методом. - Физика и техника полупроводников, 2003, т.37, вып.4, стр.485-489], который основан на определении прохождения ультразвука, генерированного импульсным лазером, через подложку из монокристаллического кремния p-типа проводимости с удельным электросопротивлением 1 Ом.см со сформированным на ней электрохимическим травлением слоем пористого кремния с переотражением на границах сред. При этом подложку после формирования на ней слоя пористого кремния размещают в соответствующем измерительном устройстве, возбуждают ультразвуковую волну лазерным излучением и определяют датчиком величину задержки во времени восприятия переотраженной ультразвуковой волны. Данный метод является неразрушающим методом определения толщины слоя пористого кремния.

Недостатком прототипа является сравнительная сложность используемой измерительной аппаратуры и необходимость в дополнительных операциях для измерения толщины (размещение образца в измерительном устройстве и определение временных параметров переотражения ультразвуковой волны). Кроме того, в случае формирования сравнительно толстых слоев пористого кремния (при больших величинах времени и/или тока травления) увеличивается ошибка определения толщины, что связано с образованием углубления над сформированным слоем пористого кремния и изменением глубины такого углубления с изменением условий травления. Погрешность измерения толщины в прототипе составляла ±1 мкм, что соответствовало примерно 7%.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение метода определения толщины сформированного слоя пористого кремния и повышение точности определения.

Данный технический результат достигается тем, что непосредственно в процессе получения пористого кремния электрохимическим травлением с последующим окислением на этапе окисления измеряют время окисления (τ, секунды) слоя пористого кремния, сформированного травлением, и вычисляют толщину (T, мкм) слоя пористого кремния по формуле T=(1,171+1,422ln ρ)·τ (где ρ - удельное электросопротивление исходного монокристаллического кремния в интервале 0,5-50 Ом.см).

Под термином «время окисления» в данном описании понимается промежуток времени от момента начала этапа окисления до момента начала повышения напряжения на электролитической ячейке (при поддержании постоянной величины протекающего тока), который соответствует завершению этапа окисления пористого кремния.

Предлагаемый метод иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

В качестве исходного монокристаллического кремния использовали подложки из кремния марки КДБ-0,5 с полированной поверхностью (удельное электросопротивление монокристаллического кремния при его контрольном измерении четырехзондовым методом составляло 0,48 Ом.см). Подложки из монокристаллического кремния травили в электролитической ячейке с использованием платинового анода и свежеприготовленного (для каждого образца) электролита из плавиковой кислоты (47%) и этанола в объемном соотношении 3:7. Ток травления составлял 10 мА. Для получения слоев пористого кремния разной толщины изменяли время травления от 5 до 30 мин. После травления указанный электролит без извлечения образца из электролитической ячейки заменяли на электролит для окисления, в качестве которого использовали насыщенный водный раствор нитрата калия, и окисляли сформированные слои пористого кремния при токе через ячейку, составляющем 5 мА.

Для каждого из образцов определяют время окисления из зависимости напряжения на электролитической ячейке от времени. Для контроля для каждого из полученных образцов пористого кремния затем при использовании оптического микроскопа ПОЛАМ P-312 измеряют толщину слоя пористого кремния на сколе подложки. Полученные результаты представлены в таблице. Толщину (T, мкм) слоев пористого кремния от времени (т, секунды) окисления вычисляют по формуле:

где ρ - удельное электросопротивление исходного монокристаллического кремния, Ом.см, в данном примере 0,48 Ом.см.

В таблице представлены результаты расчетов толщины T в зависимости от времени окисления τ с учетом величины ρ исходного монокристаллического кремния (в данном примере 0,48 Ом.см) и результаты измерения толщины с использованием оптического микроскопа.

Пример 2

Пористый кремний формировали аналогично примеру 1, за исключением того, что в качестве исходного монокристаллического кремния использовали подложки из кремния марки КДБ-1 (удельное электросопротивление монокристаллического кремния составляло 1,05 Ом.см). Толщину (T, мкм) слоев пористого кремния от времени (τ, секунды) окисления вычисляют по формуле (1), где ρ составляло 1,05 Ом.см. Аналогично примеру 1, для контроля измеряют толщину слоев пористого кремния оптическим микроскопом на сколе подложки. В таблице представлены результаты расчетов толщины T в зависимости от времени окисления τ с учетом величины ρ исходного монокристаллического кремния (в данном примере 1,05 Ом.см) и результаты измерения толщины с использованием оптического микроскопа.

Пример 3

Пористый кремний формировали аналогично примеру 1, за исключением того, что в качестве исходного монокристаллического кремния использовали подложки из кремния марки КДБ-10 (удельное электросопротивление монокристаллического кремния составляло 9,8 Ом.см). Толщину (T, мкм) слоев пористого кремния от времени (τ, секунды) окисления вычисляют по формуле (1), где ρ составляло 9,8 Ом.см. Аналогично примеру 1, для контроля измеряют толщину слоев пористого кремния оптическим микроскопом на сколе подложки. В таблице представлены результаты расчетов толщины T в зависимости от времени окисления τ с учетом величины ρ исходного монокристаллического кремния (в данном примере 9,8 Ом.см) и результаты измерения толщины с использованием оптического микроскопа.

Пример 4

Пористый кремний формировали аналогично примеру 1, за исключением того, что в качестве исходного монокристаллического кремния использовали подложки из кремния марки КДБ-50 (удельное электросопротивление монокристаллического кремния составляло 51,0 Ом.см). Толщину (T, мкм) слоев пористого кремния от времени (τ, секунды) окисления вычисляют по формуле (1), где ρ составляло 51,0 Ом.см. Аналогично примеру 1, для контроля измеряют толщину слоев пористого кремния оптическим микроскопом на сколе подложки. В таблице представлены результаты расчетов толщины T в зависимости от времени окисления τ с учетом величины ρ исходного монокристаллического кремния (в данном примере 51,0 Ом.см) и результаты измерения толщины с использованием оптического микроскопа.

Из таблицы видно, что для монокристаллического кремния p-типа с удельным электросопротивлением в интервале 0,5-50 Ом.см время окисления зависит от толщины сформированного слоя пористого кремния, что используют для определения толщины сформированного слоя пористого кремния непосредственно в процессе его изготовления. Погрешность определения толщины составляет в среднем 2-3%.

Таким образом, предлагаемый метод не требует дополнительного оборудования, поскольку достаточно использовать лишь те приборы, которые необходимы для поддержания заданных технологических параметров процесса изготовления пористого кремния (в том числе, для поддержания заданной постоянной величины тока травления и окисления) при контроле времени этапов такого процесса (этапа электрохимического травления и этапа окисления).

Кроме того, предлагаемый метод определения толщины слоя пористого кремния по времени окисления можно использовать для контроля разброса толщины слоев в партии подложек из монокристаллического кремния со слоем пористого кремния, с тем, чтобы гарантировать постоянство толщины слоев пористого кремния в данной партии с отбраковкой образцов, не удовлетворяющих заданным критериям.

Параметры образцов пористого кремния, приготовленных в примерах практического осуществления 1-4
Пример №	Удельное электросопротивление исходного монокристаллического кремния ρ, Ом.см	Время травления, мин	Время окисления τ, с	Толщина слоя пористого кремния, измеренная оптическим микроскопом, мкм	Толщина слоя пористого кремния, рассчитанная по формуле (1) Т, мкм
1	0,48	5	4	0,5	0,5
		10	23	3	2,9
		20	85	11	10,8
30	115	14	14,6
2	1,05	5	3	4	3,8
		10	7	8,5	8,7
		20	10	12	12,4
30	12	15	14,9
3	9,8	10	3	13	13,2
		20	5	22	22,1
30	8	36	35,3
4	51,0	10	1,5	10	10,1
		20	2	13	13,5
30	2,5	16	16,9

Метод определения толщины слоя пористого кремния, полученного электрохимическим травлением на подложке из монокристаллического кремния p-типа проводимости с последующим окислением, отличающийся тем, что в процессе получения пористого кремния на этапе его окисления измеряют время окисления (τ, с) слоя пористого кремния, сформированного травлением, и вычисляют толщину (T, мкм) слоя пористого кремния по формуле T=(1,171+1,422 ln ρ)·τ (где ρ - удельное электросопротивление исходного монокристаллического кремния в интервале 0,5-50 Ом·см).