Устройство для контролируемого получения пористых оксидов полупроводников in situ

Изобретение относится к области получения пористых анодных оксидов полупроводников и изучения полупроводниковых материалов в процессе их формирования (т.е. in situ). Техническая проблема заключается в возможности получения полупроводниковых наноструктурированных материалов с прогнозируемым комплексом свойств. Технический результат заявляемого устройства состоит в возможности измерения параметров получаемого материала в процессе его формирования, в частности пористости, толщины пористого слоя, оптических свойств и химической активности. Технический результат достигается тем, что устройство для контролируемого получения пористых оксидов полупроводников in situ, включающее электрохимическую ячейку, содержащую емкость для электролита, катод, анод в виде полупроводниковой подложки, источник излучения, окно для прохождения излучения, блок обработки информации, согласно изобретению дополнительно содержит полупрозрачное поворотное зеркало, окно для прохождения излучения выполнено в месте расположения анода-подложки, при этом зеркало расположено вне ячейки, в качестве источника излучения выбран лазер, расположенный с возможностью направления излучения перпендикулярно на анод через зеркало и окно для прохождения излучения, устройство дополнительно содержит блок регистрации излучения от лазера и блок регистрации излучения, отраженного от полупроводникового анода, выходы блоков регистрации подключены к входу блока обработки информации. 3 ил.

 

Изобретение относится к области получения пористых анодных оксидов полупроводников и изучения полупроводниковых материалов в процессе их формирования (т.е. in situ).

Из уровня техники известна электрохимическая ячейка для получения пористых анодных оксидов металлов и полупроводников (Патент на полезную модель RU № 122385, МПК C25D 11/00, опубл. 27.11.2012). Данная электрохимическая ячейка содержит ванну для электролита, катод, анод, установленный изолированно от электролита, уплотняющую прокладку, датчик температуры, устройство регулирования температуры в электрохимической ячейке, контактирующее с обратной поверхностью теплопроводящего держателя образца, блок диссипации тепла, контактирующий с устройством регулирования температуры, блок управления.

Известна электрохимическая ячейка (Патент на изобретение RU № 2425181, МПК C25D 11/02, опубл. 27.07.2011), которая является наиболее близкой к заявляемой полезной модели. Электрохимическая ячейка для получения пористых анодных оксидов металлов и полупроводников в in situ экспериментах по мало-
угловому рассеянию излучения, содержащая ванну, электропроводящую крышку, предназначенную для прижимания образца к торцу ячейки, термостат, при этом корпус ячейки замкнут, состоит из двух соосных цилиндров с возможностью заполнения электролитом и снабжен штуцерами для прокачки электролита через электрохимическую ячейку и удаления газообразных продуктов, торцевая стенка ячейки выполнена непоглощающей рентгеновское или нейтронное излучение и содержит прозрачное для пучка указанных излучений окно, а термостат выполнен с возможностью регулирования температуры электролита в пределах от -30 до +200°С.

Недостатком известных технических решений является невозможность получения полупроводниковых наноструктурированных материалов с прогнозируемым комплексом свойств.

Техническая проблема заключается в возможности получения полупроводниковых наноструктурированных материалов с прогнозируемым комплексом свойств.

Технический результат заявляемого устройства состоит в возможности измерения параметров получаемого материала в процессе его формирования, в частности пористости, толщины пористого слоя, оптических свойств и химической активности.

Технический результат достигается тем, что устройство для контролируемого получения пористых оксидов полупроводников in situ, включающее электрохимическую ячейку, содержащую емкость для электролита, катод, анод в виде полупроводниковой подложки, источник излучения, окно для прохождения излучения, блок обработки информации, согласно решению, дополнительно содержит полупрозрачное поворотное зеркало, окно для прохождения излучения выполнено в месте расположения анода-подложки, при этом зеркало расположено вне ячейки, в качестве источника излучения выбран лазер, расположенный с возможностью направления излучения перпендикулярно на анод через зеркало и окно для прохождения излучения, устройство дополнительно содержит блок регистрации излучения от лазера, и блок регистрации излучения, отраженного от полупроводникового анода, выходы блоков регистрации подключены ко входу блока обработки информации.

Сущность заявляемого устройства поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства.

На фиг. 2 представлен ход лучей в структуре с образующимся слоем пористого кремния (ПК),

На фиг. 3 представлена нормированная интерферограмма коэффициенте отражения от формируемого пористого кремния, полученного на облученной подложке, где:

1 - блок обработки информации,

2 - блок регистрации сигнала в опорном канале,

3 - блок регистрации сигнала в основном канале,

4 - полупрозрачное поворотное зеркало,

5 - катод,

6 - электрохимическая ячейка,

7 - анод - подложка,

8 - лазер,

9 - анализирующее излучение,

10 - образующийся слой пористого кремния на аноде-подложке 7,

d - толщина анода-подложки,

n₁₀ - показатель преломления пористого кремния,

n₇ - показатель преломления полупроводниковой пподложки,

n₉ - показатель преломления воздуха.

Устройство состоит из блока обработки информации 1, блоков регистрации сигналов в опорном канале 2 и основном канале 3, полупрозрачного поворотного зеркала 4, на которое направлен источник излучения 8, из которого направляется лазерный луч перпендикулярно через оптический ввод в электрохимической ячейке 6 снизу на обрабатываемый анод-подложку 7. Анод-подложка 7 крепится во фторопластовой электрохимической ячейке 6. Катод 5 представляет собой спираль, выполненную из платиновой проволоки. Катод и анод располагаются горизонтально друг против друга.

Устройство работает следующим образом. Анодная обработка проводится в гальваностатическом режиме. В устройстве контролируемого получения пористых материалов источником излучения 8 является лазер с длиной волны 0,63 и 1,15 мкм. Лазерный луч проходит через оптический ввод в электрохимической ячейке 6 снизу и попадает на обрабатываемый анод-подложку 7. Отраженный луч поступает на фотоприемник основного канала 3. Для нормировки сигнала и исключения погрешности используется опорный канал, в котором излучение лазера, частично прошедшее через полупрозрачное зеркало 4 регистрируется фотоприемником с усилителем 2. Оба сигнала с основного и опорного каналов подаются на блок обработки информации 1.

Например, при образовании слоя пористого кремния на поверхности анода-подложки, лазерный луч с λ=1,15 мкм, попадая в исследуемый полупроводник со стороны, обратной травящейся, отражается соответственно от границы раздела «анод-подложка -воздух» и «анод-подложка - электролит». В ходе образовании слоя пористого кремния регистрируется временная зависимость отраженного излучения R(t) (непосредственно связанная с пористостью, толщиной, показателем преломления и скоростью образования получаемого пористого слоя), которая существенно отличается от коэффициента отражения исходного анода-подложки (например, кремния). Регистрируемые временные зависимости являются результатом интерференции излучений, отраженных от трех плоскостей - внешняя поверхность кремния, внутренняя подвижная плоскость раздела кремний - ПК и плоскость пористый кремний - электролит (фиг. 2).

Значения R(t) образуют систему совместных уравнений для двух неизвестных - скорости образования ПК и его показателя преломления - n₁₀ с учетом n₇ и n₉. Число уравнений может существенно превышать число неизвестных. При этом скорость образования пористого слоя полагается постоянной, по крайней мере, в пределах одного полупериода высокочастотной составляющей интерференции. В ходе анодной обработки толщина анода-подложки d уменьшается с той же скоростью, с какой растет толщина слоя ПК. Поскольку показатель преломления кремния n₃ в 1,5 - 2 раза больше, чем у пористого кремния, фазовая толщина подложки изменяется значительно быстрее фазовой толщины слоя ПК. Это является основой для упрощенной процедуры определения толщины и показателя преломления образующего слоя.

Пример использования.

Получение пористого кремния при анодной электрохимической обработке монокристаллического кремния в растворах на основе плавиковой кислоты HF. Состав электролита: 48% раствор плавиковой кислоты смешивался с изопропиловым спиртом (С₃Н₈О) в количестве 1:1. В качестве анода служит подложка кремния, в качестве катода платиновая проволока. Электрохимическая обработка проводится в гальваностатическом режиме при постоянном токе. В процессе снималась интерферограмма. В качестве подложек для получения пористого кремния использовались радиационно обработанные образцы кремния различного уровня легирования γ-квантами радиоизотопного источника ²²⁶Ra и на пучке тормозного излучения бетатрона. На модифицированных подложках кремния методом электрохимического травления при контроле in situ, изготовлялись образцы пористого кремния и исследовались их свойства.

Обработка in situ интерферограмм коэффициента отражения процесса получения пористого кремния с помощью быстрого преобразования Фурье (или методом пробного периода) с целью выявления высокочастотной (связана с изменением толщины анода-подложки) и низкочастотной (связана с толщиной образуемого слоя пористого кремния) составляющих сигнала отраженного излучения, позволяющих определять контролировать и определять кинетику скорости образования и показатель преломления, образующегося слоя пористого кремния, при этом погрешность измерения скорости роста, показателя преломления и пористости 0.6%, 6% и 6%, соответственно, при толщинах больше 2 мкм и пористости больше 60% при длине волны анализирующего излучения 1.15 мкм. Обработка in situ интерферограмм формируемых пористых слоев позволило установить, что на образцах пористого кремния, полученных на облученной подложке интерферограммы процесса более стабильны, чем не на облученных и, как следствие, более стабильны скорости образования и показатель преломления.

Устройство для контролируемого получения пористых оксидов полупроводников in situ, содержащее электрохимическую ячейку, состоящую из емкости для электролита, катода и анода в виде полупроводниковой подложки, источник излучения, окно для прохождения излучения и блок обработки информации, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит полупрозрачное поворотное зеркало, блок регистрации излучения от лазера и блок регистрации излучения, отраженного от полупроводниковой подложки, при этом выходы блоков регистрации подключены к входу блока обработки информации, окно для прохождения излучения выполнено в месте расположения анода, зеркало расположено вне ячейки, а в качестве источника излучения использован лазер, расположенный с возможностью направления излучения перпендикулярно на полупроводниковую подложку через зеркало и окно для прохождения излучения.