xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Τεχνολογία Ανάπτυξης Διατεταγμένων Δομών στο Si για Φωτονικές Εφαρμογές Μέσω
Λεπτών Υμενίων Αυτο-οργανούμενης Πορώδους Αλουμίνας
Ζαχαράτος Φ. * , Γιαννέτα Β. και Νασιοπούλου Α. Γ.
Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», Αγ. Παρασκευή 15310 Αθήνα
*fzacharat@imel.demokritos.gr
Οι φωτονικοί κρύσταλλοι αποτελούν αντικείμενο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας τα τελευταία χρόνια, με πληθώρα
εφαρμογών σε φίλτρα, κυματοδηγούς και άλλα. Για την παρασκευή τους απαιτείται ακριβής αποτύπωση σχεδίου στο
αντίστοιχο υλικό, σε μια, δύο ή τρεις διαστάσεις. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκε τεχνολογία κατασκευής κατακόρυφων
πόρων σε υπόστρωμα πυριτίου, διατεταγμένων σε διδιάστατο εξαγωνικό πλέγμα, χρησιμοποιώντας ως μάσκα για την
εγχάραξη αυτο-οργανούμενα υμένια πορώδους αλουμίνας, που αναπτύσσονται στο πυρίτιο με ηλεκτροχημική οξείδωση
αλουμινίου [1]. Η διάμετρος και η πυκνότητα των πόρων εξαρτώνται από τις ηλεκτροχημικές διεργασίες. Τόσο η πορώδης
αλουμίνα όσο και οι φωτονικές δομές στο πυρίτιο μπορούν να παρασκευαστούν τοπικά σε προ-επιλεγμένες επιφάνειες στο
Si μέσω σχηματοποίησης του λεπτού υμενίου Al. Η διεργασία αυτή αναπαρίσταται στο σχήμα 1.
1. Γενικά περί μακροπορώδους πυριτίου.
Το μακροπορώδες πυρίτιο σχηματίζεται με ηλεκτροχημική διάλυση πυριτίου παρουσία ηλεκτρολύτη περιέχοντα
υδροφθόριο [2]. Η θεωρητική ανάλυση της διεργασίας αυτής θα παρουσιαστεί στο συνέδριο. Οι πόροι που προκύπτουν με
αυτή τη διαδικασία έχουν μέση διάμετρο 1μm και είναι διατεταγμένοι κατακόρυφα ως προς το υπόστρωμα. Το μήκος τους
μπορεί να φτάνει έως αρκετές εκατοντάδες μικρόμετρα. Επιπλέον, η κατανομή τους στην επιφάνεια είναι τυχαία και η
διασπορά της διαμέτρου τους μεγάλη (σχήμα 2). Ωστόσο, έχει παρατηρηθεί ότι με κατάλληλη επιφανειακή προεργασία είναι
δυνατόν να παρασκευαστούν προτιμητέα σημεία έναρξης της ηλεκτροχημικής διάλυσης, στα οποία συνεπώς θα
αναπτυχθούν οι μακρο-πόροι [3]. Αν τα σημεία αυτά σχεδιαστούν με φωτολιθογραφία κι εγχάραξη σύμφωνα με κάποια
συγκεκριμένη γεωμετρία, τότε οι προκύπτοντες μακροπόροι θα ακολουθούν καθορισμένη διάταξη και θα έχουν απόλυτα
ομοιόμορφη διάμετρο (σχήμα 3). Το μέγεθός τους σε αυτή την περίπτωση θα κυμαίνεται μεταξύ 2-8μm και κατά συνέπεια η
επιφανειακή πυκνότητα πόρων σε ένα τέτοιο δείγμα θα λαμβάνει τιμές μεταξύ 10 7 -10 8 πόροι/cm 2 . Παρά την επιτυχία αυτής
της τεχνικής όσον αφορά στην κατανομή και την ομοιομορφία των πόρων, η παρασκευή μακροπόρων μικρότερων
διαστάσεων απαιτεί την υιοθέτηση λιθογραφικών τεχνικών υψηλής διακριτικής ικανότητας (EUV lithography, e-beam
lithography), οι οποίες είναι χρονοβόρες και υψηλού κόστους. Στην εργασία αυτή αναπτύχθηκε μια πρωτοποριακή μέθοδος
για την ανάπτυξη μακροπόρων μέσης διαμέτρου 300nm με εξαγωνική διάταξη, η οποία συνίσταται σε δύο στάδια τα όπως
περιγράφονται κατωτέρω.
α) Σχηματοποίηση της επιφάνειας υποστρωμάτων πυριτίου με χημική ή ηλεκτροχημική εγχάραξη μέσω μάσκας από
λεπτό υμένιο πορώδους αλουμίνας.
Αρχικά εναποτέθηκε στο υπόστρωμα υμένιο αλουμινίου το οποίο μετατράπηκε με ηλεκτροχημική διεργασία σε
πορώδη αλουμίνα. Οι πειραματικές συνθήκες ρυθμίστηκαν έτσι ώστε να προκύψουν πόροι διαστάσεων 150nm κατακόρυφοι
ως προς το υπόστρωμα (υδατικό διάλυμα οξαλικού οξέος 5% κ.β. σταθερή τάση 40Volts). Η απόσταση μεταξύ των πόρων
είναι τριπλάσια της διαμέτρου τους και είναι διατεταγμένοι σε συστοιχίες που ακολουθούν εξαγωνική συμμετρία (σχήμα 4).
Η μεμβράνη της πορώδους αλουμίνας είναι δυνατόν να λειτουργήσει ως μάσκα που θα διοχετεύσει επιλεκτικά διάφορα
διαλύματα, υπό κατάλληλες προυποθέσεις. Στην υπό μελέτη περίπτωση σημαντικό ρόλο διαδραματίζει η χημική
ανθεκτικότητα της αλουμίνας στα υδατικά διαλύματα TMAH (tetramethylammoniumhydroxide) και HF. Η αλουμίνα είναι
γενικά χημικά αδρανές υλικό ωστόσο επειδή τα διαλύματα που χρησιμοποιήθηκαν για εγχάραξη είναι ιδιαίτερα δραστικά, η
διάρκεια της διαδικασίας είχε χρονικό περιορισμό. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε υδατικό διάλυμα TMAH 25% στους 70 o C. Το
συγκεκριμένο διάλυμα είναι από τα πιο δημοφιλή για εγχάραξη πυριτίου και παρουσιάζει ανισοτροπική δράση με
προτιμητέα διεύθυνση την (111). Επετεύχθη ο σχηματισμός ανεστραμμένων πυραμίδων διαστάσεων 200nm πυκνά
διατεταγμένων σύμφωνα με την εξαγωνική συμμετρία της πορώδους αλουμίνας. Για την αρχική σχηματοποίηση του Si
χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρολυτική εγχάραξη με υδατικά διαλύματα περιέχοντα υδροφθόριο. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες
πειραματικές συνθήκες και οι προκύπτουσες δομές ποίκιλαν ως προς την πυκνότητα και την ομοιομορφία. Σε γενικές
γραμμές εν τούτοις, παρουσίαζαν ημισφαιρικό σχήμα, είχαν διάμετρο από 150-400nm και η διάταξή τους είχε εμφανείς
επιρροές από την αρχική μάσκα αλουμίνας. Με τη βελτιστοποίηση των ηλεκτροχημικών συνθηκών επετεύχθη η παρασκευή
δομών με εξαγωνική διάταξη, μεγάλη ομοιογένεια και επιφανειακή πυκνότητα της τάξης του 2x10 9 πόροι/cm 2 .
β) Ανάπτυξη μακροπόρων διαμέσου των σχηματοποιημένων επιφανειών.
Μετά την ολοκλήρωση της σχηματοποίησης η εναπομείνασα αλουμίνα απομακρύνθηκε με χημική εγχάραξη. Τα
δείγματα τοποθετήθηκαν σε ηλεκτρολυτική κυψελίδα και ακολούθησε ανοδίωση σε διάλυμα HF:H 2 O:DMF με σταθερή
πυκνότητα ρεύματος J=20mA/cm 2 . To μήκος των πόρων είναι ανάλογο με τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής διεργασίας,
ωστόσο όσο αυτό αυξάνει, τόσο η πορώδης μεμβράνη καθίσταται πιο εύθραυστη. Αρχικά η ανάπτυξη των μακροπόρων έχει
ισοτροπικό χαρακτήρα αλλά σύντομα η διάμετρός τους λαμβάνει την τελική της τιμή καθώς οι αμοιβαίες απωστικές
δυνάμεις των τοιχωμάτων έρχονται σε ισορροπία. Ακολούθως η ανάπτυξη συνεχίζεται σε διέυθυνση κατακόρυφη του
υποστρώματος. Παρασκευάστηκαν πόροι διαμέτρου 300nm και μήκους 9μm (σχήμα 5). Η απόσταση μεταξύ των πόρων έχει
ελαττωθεί σε σχέση με το συμβατικό μακροπορώδες πυρίτιο και είναι ίση με τη διάμετρό τους. Οι πόροι είναι διατεταγμένοι
σε συστοιχίες με εξαγωνική συμμετρία (όπως η αρχική μάσκα) και παρουσιάζουν ομοιομορφία όσον αφορά στο σχήμα και
στο μέγεθος (σχήμα 6). Η επιφανειακή τους πυκνότητα είναι αυξημένη σε σχέση με το συμβατικό μακροπορώδες πυρίτιο
κατά μία τάξη μεγέθους. Τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, όπως διαφαίνεται στις
μικρογραφίες που ακολουθούν (σχήματα 2-7).
36