CC BY
6Ученые записки Таврического национального университета имени В.И. Вернадского Серия «Физико-математические науки». Том 23 (62). 2010 г. № 3. С. 182-186
УДК 621.315.592; 535.37
ПОЛ1РУВАННЯ ПОВЕРХН1 МОНОКРИСТАЛ1ЧНОГО n-InP
Сичжова Я. О., Шдалов В.В., Гайчук А. С.
Бердянский державный педаголчний yHieepcumem, Бердянск, Украгна
E-mail: vaiiasiicliikovaUiinailru
В робота розглядаеться методика електрохiмiчного пол1рування монокристалу n-InP. Показано, що за умови використання у якост електролпу розчину плавиково! та бромоводнево! кислот, можна досягти високо! якостi понровано! поверхш. Представлено механiзм неселективного електрохiмiчного травлення натвпров1дниюв, результатом якого е отримання дзеркально гладко! поверхнi. Ключевые слова: поруватий InP, анодне травлення, дзеркально-гладка поверхня.
ВСТУП
Вiд стану поверхш нашвпровщникового матерiалу, !! дефектностi залежить досконалють структури епiтаксiальних та поруватих шарiв нарощуваних на не! при виготовленш напiвпровiдникових приладiв. Задачею полiрування е усунення слiдiв попередньо! обробки та рiзних поверхневих нерiвностей (штрихiв, подряпин, неглибоких раковин та шших дефектiв) з метою отримання гладко! поверхш, що мае високу здатнють вщбиття свiтла. Процедура полiрування кристалу мае критичне значення у тих випадках, коли вщ стану поверхш кристалу залежить яюсть подальшо! обробки (наприклад, при виготовленш поруватих шарiв). Навпъ незначнi дефекти мiкронного порядку можуть значно впливати на переб^ всього технолопчного процесу. Наприклад, в робой [1] дослщжувалося явище пороутворення фосфщу iндiю з нанесеними на його поверхню наноподряпинами. В результат встановлено, що подряпини являть собою мюцями першочергового утворення пор. Рiзнi пояснення процесу полiрування можна звести до наступних трьох напрямiв:
1) мехашчне полiрування - механiзм процесу пояснюеться «зчищенням» мiкронерiвностей з поверхневого шару, а хщ процесу - такими мехашчними властивостями матерiалу, як твердють та пластичнiсть.
2) хiмiчне полiрування - процес пояснюеться в основному видаленням оксидних плiвок, що постшно утворюються пiд дiею навколишнього середовища.
3) Фiзичне полiрування - основними причинами, що визначають процес вважають температуру плавлення та теплопровщшсть полiруючого матерiалу.
Кожен з цих тишв полiрування матерiалу мае сво! переваги та недолiки, але слщ мати на увазi, що вибiр типу залежить вiд матерiалу та вимогами до його чистоти та поверхнево! досконалостг
Слiд вiдмiтити, що при використаш напiвпровiдникiв у якосп сировини для виготовлення наноматерiалiв, фiзичнi та механiчнi методи не являються ефективними, так як поверхня оброблюваного кристалу може мати рiвень шорсткосп, що не е допустимим в межах нанотехнологш.
ПОЛ1РУВАННЯ ПОВЕРХН1 МОНОКРИСТАЛ1ЧНОГО и-InP
У данш робот представлено метод електрохiмiчноl полiровки кристалiв фосфiду iндiю. Вiдомо, що електрохiмiчне травлення напiвпровiдникiв, зокрема InP активно використовуеться для отримання поруватих та текстурованих структур [2 -4]. Проте, змшюючи умови травлення, можливо проводити яюсне полiрування кристатв, що е не менш важливим технолопчним аспектом сучасно! нанотехнологи.
1. ТЕХН1КА ЕКСПЕРИМЕНТУ
Електрохiмiчне полiрування вщбуваеться занурюванням обробленою поверхнi у ванну з хiмiчно активними розчинами, де в результат виникаючих хiмiчних та локальних електрохiмiчних процесiв вiдбуваеться розчинення нашвпровщника. Всi процеси електрохiмiчного полiрування супроводжуються активним видiленням газу та пару кислот (в залежносп вщ складу травника). Одним з основних переваг електрохiмiчного полiрування е його простота. До недолшв такого полiрування можна вiднести складнiсть коректування (пщдержування елементу) розчинiв та малий термш 1'х служби.
Для експерименту були обраш зразки монокристалiчного ^-InP (100) з концентращею носив 2,3х1018 см-3. Як електролгг використалися розчини плавиково! кислоти. Щiльнiсть струму вибиралася в дiапазонi вiд 30 до 180 мА/см2, час травлення вiд 5-30 хвилин. Катодом в електрохiмiчнiй комiрцi служить пластина платини.
При подачi напруги на електроди починаеться процес розчинення матерiалу. Розчинення вiдбуваеться переважно на виступах мiкронерiвностей поверхнi в наслщок бiльш високо! щiльностi струму на 1'х верхiвках. Крiм того, впадини мiж нерiвностями заповнюються продуктами розчинення: оксидами, солями, що мають понижену провщшсть. В результатi селективного розчинення, тобто бшьшо! швидкостi розчинення вистутв, мiкронерiвностi згладжуються i оброблювана поверхня набувае металевий блиск. Електрополiрування покращуе електрофiзичнi характеристики зразкiв, так як зменшуеться глибина мiкротрiщiн, поверхневий шар оброблюемих поверхонь не деформуеться, виключаються термiчне змiнення структури, тдвищуеться корозiйна стiйкiсть.
2. РЕЗУЛЬТАТИ ТА IX ОБГОВОРЕННЯ
Процес полiруючого травлення може мати мюце лише за умови гомогенносп фiзико-хiмiчних властивостей оброблювально! пластини напiвпровiдника. Для гомогешзацп поверхш необхiдно забезпечити умови, за яких швидюсть електронного обмiну мiж гетерогенними у фiзико-хiмiчному вiдношеннi точками поверхш буде бшьше або дорiвнювати швидкосп електронного обмiну мiж цими точками i травником.
Згщно вiдомим теорiям ефект хiмiчного або електрохiмiчного полiрування може бути досягнуто за умови, що в процес травлення на поверхш нашвпровщника утворюеться в'язка плiвка з продукпв розчинення нашвпровщника. Таю плiвки е гомогенними i мають велике значення питомого опору. Це призводить до
зменшення швидкостi розчинення, яке в проходить через високоомну гомогенну плiвку. Тому для досягнення ефекту полiровки необхщно застосовувати в'язкi розчини, часто при додаванш iнгiбiторiв.
На рис. 1 зображено типову залежнють щшьносп струму вiд напруги при електрохiмiчному полiруваннi монокристалу фосфiду iндiю.
и, В
Рис. 1. Типова залежнють щшьносп струму рщ напруги при електрохiмiчному полiруваннi фосфiду iндiю.
На дшянщ АБ пiдвищення щiльностi струму майже пропорцшно збiльшенню напруги. На дшянщ БВ режим нестабшьний, спостер^аеться коливання струму i напруги. Граничний струм, вщповщний дiлянцi ВГ, характеризуе процес формування на анодi пасивно! плiвки. При цьому пiдвищення напруги в досить широкому iнтервалi не супроводжуеться змшою щiльностi струму. По досягненш напруги, вiдповiдного точцi повороту Г на кривш, починаеться новий процес -утворення газоподiбного кисню. Залежно вiд концентрацп електролiту та оброблюваного кристалу полiрування ведуть при режимах, вщповщних рiзним дiлянкам криво!.
Слщ зазначити, що на цей процес впливають рiзнi чинники (стан поверхш, електролiт, режими травлення тощо).
На рис. 2 показано протшання процесу електрохiмiчного полiрування. Завдяки спещально пiдiбраному складу електролiту i створюваним умовами (утворення плiвки 2 тдвищеного опору) розчинення здiйснюеться нерiвномiрно.
ПОЛ1РУВАННЯ ПОВЕРХН1 МОНОКРИСТАЛ1ЧНОГО и-1пР
Рис. 2. Схема протшання електрохiмiчного полiрування. 1 - кристал, 2 - оксидна плiвка тдвищеного опору, 3 та 4 - макро- та мшровиступи вщповщно.
У першу чергу розчиняються найбiльш виступаючi точки 3 (виступи), внаслщок чого шорсткiсть зменшуеться, а поим зникае, i поверхня деталi стае гладкою i блискучою. Селективне розчинення елеменив протiкае з одночасним отриманням блиску.
Видалення великих вистутв 3 називаеться макро-полiруванням, а розчинення мiкроскопiчно малих нерiвностей 4 - мiкро-полiруванням. Якщо макро- та мшро-полiрування протшае одночасно, то поверхня набувае гладюсть i блиск. У рядi випадюв цi якостi можуть бути незв'язаними один з одним, тобто блиск може досягатися без згладжування, а згладжування - без блиску. У процес електрохiмiчного полiрування на поверхш анода (полiрованоl деталi) утворюеться оюсна або гiдроокiсна плiвка. Якщо ця плiвка рiвномiрно покривае поверхню, то вона створюе умови, необхiднi для протшання мiкро-полiрування. Зовнiшня частина ще! плiвки безперервно розчиняеться в електролт. Тому для успiшного проведення процесу необхщно створення умов, в яких юнувало б рiвновага мiж швидкостями утворення оюсно! плiвки i швидюстю И хiмiчного розчинення з тим, щоб товщина плiвки пiдтримувалася незмшною. Наявнiсть плiвки обумовлюе можливiсть обмшу електронами мiж полiруючим зразком та юнами електролiту без небезпеки мюцевого руйнування кристалу агресивним електролiтом. Макрополiрування також е процесом, залежним вщ наявностi прианодно! плiвки. Будучи бшьш товстою в поглибленнях i бшьш тонкою на виступах, ця плiвка сприяе !х прискореному розчиненню, так як на виступах створюеться бшьш висока щшьнють струму, а електричний отр над ними менший, шж над поглибленнями. Ефективнiсть ди плiвки збiльшуеться з пiдвищенням И внутршнього опору.
Експериментально було встановлено, що для якiсного полiрування поверхнi п-1пР необхiдно використовувати наступний електролгг: H2O:HF:HBr=5:5:1. При цьому для досягнення ефекту час процесу повинен складати 15 хв. При цьому для досягнення ефекту час процесу повинен складати 15 хв.
Змша даного спiввiдношення у 6îk збiльшення концентрацiï HF приводить до осадження на полiрованiй поверхнi кристалтв, що мiстять значну долю фтору. Якщо концентрацiя плавиковоï кислоти нижча, то спостертаеться розтравлювання поверхнi а утворення поруватого шару. Використання бромоводневоï кислоти е необхщною умовою для отримання дзеркально глад^' поверхнi, за ïï вiдсутностi зразки пiсля полiрування мають високий рiвень шорсткостi.
ВИСНОВКИ
Таким чином, при використанш травника для неселективного травлення фосфщу шдда «-типу до складу якого входить плавикова та бромоводнева кислоти у вказаних вище концентращях, можливим стае яюсне полiрування поверхнi напiвпровiдника вiдмiнноï якостi. Перевагою такого способу полiрування е його низька вартiсть, легюсть виконання, можливiсть обробляти партiю зразюв по всiй поверхнi злиткiв.
Список л^ератури
1. Masahiro Seo. Selective formation of porous layer on n-type InP by anodic etching combined with scratching / Masahiro Seo, Tadafumi Yamaya // Electrochimica Acta. -2005, 51. - с. 787-794.
2. Сычикова Я.А. Формирование регулярной пористой структуры p-InP / Сычикова Я.А., Кидалов В.В., Сукач Г.А. // ФИП. - 2010. - Т. 8, № 1. - с. 81-87.
3. Suchikova J.A. Morphology of porous n-InP (100) obtained by electrochemical method / Suchikova J.A., Kidalov V.V., Sukach G.A. // Functional materials. - 2010. - 17. №1. - р. 1-4.
4. Taketomo Sato. Electrochemical Formation of Size-Controlled InP Nanostructures Using Anodic and Cathodic Reactions / Taketomo Sato, Toshiyuki Fujino, and Tamotsu Hashizume // Electrochemical and Solid-State Letters. - 2007. - V. 10(5). - P. H153-H155.
Сычикова Я.А. Полирование поверхности монокристаллического n-InP / Сычикова Я.А., Кидалов В.В., Гайчук А.С. // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Серия: Физико-математические науки. - 2010. - Т. 23(62), №3. - С. 182-186. В работе рассматривается методика электрохимической полировки монокристалла n-InP. Показано, что при использовании в качестве электролита раствора плавиковой и бромоводородной кислот, можно достичь высокого качества полированной поверхности. Представлен механизм неселективного электрохимического травления полупроводников, результатом которого является получение зеркально гладкой поверхности.
Km4oei слова: пористый фосфид индия, анодное травленние, зеркально гладкая поверхность.
Suchikova J.A. Polishing of monocrystalline n-InP / Suchikova J.A., Kidalov V.V., Gaichuk A.S. //
Scientific Notes of Taurida National V.I. Vernadsky University. - Series: Physics and Mathematics Sciences. - 2010. - Vol. 23(62), No.3. - P. 182-186.
In this paper the method of electrochemical polishing of single crystal n-InP. It is shown that when used as an electrolyte solution of hydrofluoric and hydrobromic acids, can achieve high quality polished surface. The mechanism non-selective electrochemical etching of semiconductors, the result of which is to receive a mirror smooth surface.
Keywords: porous indium phosphide, electrochemical etching, a mirror smooth surface.
Поступила в редакцию 11.11.2010 г.
