Влияние света оптического диапазона на микромеханические свойства пористых слоев кремния, формируемых при электрохимическом анодировании Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 538.951

ВЛИЯНИЕ СВЕТА ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА НА МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ, ФОРМИРУЕМЫХ ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ АНОДИРОВАНИИ

© Д.Г. Гусева

Ключевые слова: пористый кремний; электрохимическое анодирование; подсветка; нанотвердость. Методом Continuous Stiffness Measurements (CSM) исследована зависимость нанотвердости H от глубины внедрения индентора образцов пористого кремния Si-por, сформированных при электрохимическом анодировании с разными параметрами (длина волны) подсветки. Установлено, что длина волны подсветки оказывает существенное влияние на толщину формируемых пористых слоев кремния и, соответственно, на их микромеханические свойства.

ВВЕДЕНИЕ

Уже многие десятилетия кремний является основным материалом для полупроводниковой электроники. В ближайшие годы существенных изменений в приоритетах используемых в этой отрасли материалов не предвидится. Столь важное значение кремния для микроэлектроники обусловлено широким набором уникальных свойств, многие из которых отсутствуют у других полупроводниковых материалов. Стимулирование новых направлений в исследованиях кремния и различных структур на его основе связано с доступностью высококачественных монокристаллов и отлаженной технологией работы с ним [1]. Известно, что на различные процессы перестройки кристаллической структуры могут оказывать существенное влияние даже слабые физические поля (радиационные, электромагнитные) [2-4].

Одно из перспективных направлений связано с получением и использованием пористого кремния З^рог. Пористый кремний обладает свойствами фотолюминесценции, электролюминесценции, в связи с чем он находит свое применение при создании различного рода светоизлучающих приборов. Кроме того З^рог используется в медицине для лечения онкологических заболеваний, диабета и др. [5].

Уникальные качества пористого кремния обусловлены его структурой и при ее механическом нарушении значительно ухудшаются или вообще исчезают. В связи с этим микромеханические свойства З^рог оказываются не менее важными, чем электрические и фотооптические. Вместе с тем систематических исследований механических свойств пористого кремния до сих пор не проводилось.

На сегодняшний день основным методом формирования пористой структуры является электрохимическое анодирование. Известно, что изменения структуры и, соответственно, свойств или отдельных характеристик пористого кремния могут быть вызваны влиянием света оптического диапазона в процессе анодирования. В связи с этим целью данной работы являлось исследование влияния длины волны подсветки, осуществляе-

мой в процессе электрохимического анодирования, на нанотвердость формируемых пористых слоев кремния.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для изготовления образцов пористого кремния использовались монокристаллы Si и-типа проводимости (легированные фосфором) и ориентацией поверхности (100) с удельным сопротивлением 4,5 Ом-см. Слои пористого кремния формировались в процессе электрохимического анодирования в смеси HF (48 %) и этилового спирта (в объемном соотношении 1:1) в течение 4 минут при плотности тока J = 10 мА/см2. Процесс анодирования проводился при постоянной подсветке образца от сменных светодиодных ламп (синяя, X = 463 нм; зеленая, X = 512 нм; красная, X = 619 нм; белая, 380 нм < X < 653 нм).

Принципиальная схема установки для анодирования кремния представлена на рис. 1. Для изготовления образцов пластина кремния с площадью рабочей поверхности S = 1 см2 располагалась на графитовом аноде и плотно прижималась закручивающейся частью фторопластовой емкости во избежание утечки электролита. Затем фторопластовую ванну наполняли электролитом. В качестве катода использовалась вольфрамовая проволока, обладающая достаточной коррозионной стойкостью по отношению к электролиту. Через кремниевую пластину пропускали ток. В течение всего времени травления производилась подсветка образца. Тестирование нанотвердости в режиме Continuous Stiffness Measurements (CSM) проводилось на наноидентометре NanoIndenter G200 (фирма MTS Nanolnstruments, USA).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 представлена зависимость нанотвердости H пористого кремния от глубины h внедрения инден-тора при различных режимах подсветки, осуществляемой в процессе анодирования. Видно, что при малых глубинах внедрения индентора (0 < h < 250 нм) незави-

Рис. 1. Принципиальная схема установки для электрохимического анодирования: 1 - фторопластовая емкость; 2 - вольфрамовый катод; 3 - угольный анод; 4 - образец кремния; 5 -устройство для перемешивания электролита; 6 - светодиодная лампа

Рис. 2. Зависимость нанотвердости от глубины внедрения индентора (полученная в режиме CSM) на образцах ^^ст, сформированных при анодировании с подсветкой красным (1), зеленым (2), синим (3) и белым (4) светом, а также образцах монокристаллического кремния (5)

симо от длины волны подсветки нанотвердость образцов Зьрог варьируется в пределах 1-1,5 ГПа. Для сравнения на том же рис. 2 представлена зависимость И(к), полученная на монокристаллическом кремнии с-81.

Столь существенное различие в значениях H, полученных для и $1-рог, по-видимому, связано с ох-рупчиванием материала, вызванным образованием пористой структуры в приповерхностном слое монокристаллического кремния. Подобные результаты наблюдались в [6] при тестировании микромеханических свойств $1-рог, сформированного электрохимическим анодированием в темноте. Известно [7], что для тестирования микромеханических свойств тонких пленок, нанесенных (выращенных) на подложках методом ин-дентирования, необходимо выполнение условия <3 > > 7^10й, где < - толщина пленки, к - глубина внедрения индентора. По мере приближения к к < все большую роль при определении микро- или нанотвердости начинает играть материал подложки. Этим, по-видимому, обусловлен рост значений микротвердости

Si-por при увеличении глубины внедрения индентора (рис. 2, кривые 1-4). В соответствии с этим, значение глубины внедрения индентора h, при котором твердость образца выходит в насыщение, достигая значений, близких к микротвердости монокристаллического Si (рис. 2), можно определенным образом соотносить с толщиной пористого слоя Si-por. Другими словами, анализ зависимости H(h), полученной в режиме CSM, позволяет производить оценку толщины пористого слоя Si-por. Это, в свою очередь, позволяет произвести сравнение толщины пористого слоя, формируемого при электрохимическом анодировании с разными параметрами (длина волны) подсветки.

Обнаружено, что при варьировании длины волны подсветки от 635 нм (красный) до 463 нм (синий), при идентичных условиях анодирования происходит изменение угла наклона на зависимости H(h). Анализ зависимостей H(h) с учетом вышесказанного позволяет утверждать, что при красной подсветке толщина Si-por минимальна, при синей подсветке - максимальна.

Переходя к обсуждению, отметим, что действие подсветки сводится к обеспечению повышенной концентрации дырок на границе кремния с электролитом. В связи с поглощением света в растущем слое пористого кремния освещенность кристаллической подложки кремния постепенно (по мере увеличения d) уменьшается. Это приводит к снижению темпа генерации носителей тока [7]. В свою очередь это приводит к уменьшению эффективности образования пор. Таким образом, на определенной стадии формирования пористого слоя (когда свет полностью поглощается пористой структурой) образование пористого слоя прекращается. Отличия в поглощающей способности света с различными длинами волн X пористым кремнием обусловливают наблюдаемое влияние X на толщину d формируемого при анодировании Si-por.

Таким образом, в работе обнаружено и обосновано влияние длины волны подсветки на нанотвердость пористого кремния, формируемого при электрохимическом анодировании.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зимин С.П. Пористый кремний - материал с новыми свойствами // Соровский образовательный журнал (Физика). 2004. Т. 8. № 1. С. 101-107.

2. Golovin Yu.I., Morgunov R.B., Dmitrievskii A.A. Influence of a weak magnetic field on spin-dependent relaxation of structural defects in di-amagnetic crystals // Materials Science and Engineering: A. 2000, V. 288. № 2. P. 261-265.

3. Головин Ю.А., Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю., Толотаев М.Ю. Изменения микротвердости кремния, индуцируемые слабоинтенсивным потоком электронов // Поверхность. Рентгеновские, син-хротронные и нейтронные исследования. 2007. Вып. 4. С. 34-36.

4. Головин Ю.А., Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю. Влияние типа и концентрации легирующей примеси на динамику бета-индуцированного изменения микротвердости кремния // ФТТ. 2008. Т. 50. № 1. С. 26-28.

5. Ксенофонтова О.И., Васин А.В., Егоров В.В., Бобыль А.В., Солда-тенков Ф.Ю., Теруков Е.И., Улин В.П., Улин Н.В., Киселев О.И. Пористый кремний и его применение в биологии и медицине // ЖТФ. 2014. Т. 84. Вып. 1. С. 67-78.

6. Дмитриевский А.А., Ефремова Н.Ю., Дружкин А.В., Коростеле-ва Т.О., Гусева Д.Г. Влияние длительности электрохимического анодирования на микротвердость макропористого кремния // Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48. Вып. 9. С. 12341236.

7. Головин Ю.И., Наноиндентирование и механические свойства твердых тел в субмикрообъемах, тонких приповерхностных слоях и пленках (Обзор) // ФТТ. 2008. Т. 50. № 12. С. 2113-2142.

Поступила в редакцию 6 июня 2014 г.

Guseva D.G. INFLUENCE OF LIGHT IN VISUAL RANGE ON MICROMECHANICAL PROPERTIES OF POROUS SILICON LAYERS, FORMED BY ELECTROCHEMICAL ANODIZATION

Nanohardness of porous silicon was studied as a function of indentation depth by continuous stiffness measurements of Continuous Stiffness Measurements method. Porous silicon was

produced by illumination-assisted electrochemical anodization method with various light wavelengths. It is found that illumination light wavelength has measurable effect on thickness of porous silicon layers and on their micromechanical properties.

Key words: porous silicon; electrochemical anodization; illumination; nanohardness.

Гусева Дарья Геннадиевна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, магистрант по направлению подготовки «Физика» института математики, физики и информатики, е-mail: [email protected]

Guseva Darya Gennadyevna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate for Master's Degree of Direction of Preparation "Physics" of Mathematics, Physics and Informatics Institute, е-mail: dashadansec @mail. ru