DE4304846A1

DE4304846A1 - Verfahren und Anordnung zur Plasma-Erzeugung

Info

Publication number: DE4304846A1
Application number: DE4304846A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Phys Kozlowski; Peter Dipl Phys Steiner; Walter Dr Ing Lang; Martin Dipl Phys Sauter; Axel Dr Ing Richter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-02-17
Filing date: 1993-02-17
Publication date: 1994-08-18

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren sowie einer Anordnung zur Plasma-Erzeugung.

Ein Gas, dessen Eigenschaften wesentlich durch die Existenz positiver und negativer Ionen, aber auch freier Elektronen bestimmt werden, bezeichnet man als Plasma. Die Plasma-Er zeugung ist üblicherweise mit einem sehr hohen apparativen Aufwand verbunden. Eine typische Anordnung besteht bei spielsweise aus einer Röhre, in der ein Edelgas mit niedri gem Druck enthalten ist, über das durch eine Kathode und eine Anode eine hohe Spannung angelegt wird. Typischerweise ist noch eine zusätzliche Zündvorrichtung vorgesehen. Der artige Vorrichtungen sind nicht nur technisch aufwendig, sondern auch verhältnismäßig voluminös.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren sowie eine vereinfachte Anordnung zur Plasma-Erzeugung an zugeben.

Der Erfindung liegt die verblüffende Erkenntnis zugrunde, daß es bei Anlegen einer Spannung an zwei voneinander beab standeten Punkten eines mikroporösen Körpers innerhalb des mikroporösen Körpers zur Erzeugung von Plasmen kommt. Wie noch im einzelnen erläutert wird, wurde dieses Phänomen be sonders ausgeprägt bei Anlegung einer verhältnismäßig ge ringen Gleichspannung von etwa 50 bis 80 Volt an zwei von einander beabstandete Punkte eines mit einer mikroporösen Schicht versehenen Silizium-Wafers beobachtet. Bei Anlegen einer Spannung an einen mikroporösen Körper, wie beispiels weise an einen mikroporösen Siliziumkörper, strahlt dieser aufgrund der in seinem Inneren erzeugten Plasmen ultravio lettes Licht ab.

In jüngerer Zeit wurden zwar schon verschiedene Untersuchun gen an mikroporösen Materialien, wie beispielsweise mikro porösem Silizium durchgeführt, die erwiesen haben, daß bei solchen Materialien bislang nicht für möglich gehaltene photolumineszente Wirkungen auftreten. Nur beispielsweise wird verwiesen auf L.T. Canham, Appl. Phys. Lett. 57 (10), 3. September 1990, Seiten 1046 bis 1048. In dieser Fachver öffentlichung wird berichtet, daß bei mikroporösen Sili ziumschichten mit Porenweiten von weniger als 20 A eine Be schränkung der Elektronenbeweglichkeit auf eine Dimension stattfindet, so daß man bei derartigen Materialien von der Ausbildung von sog. "Quantendrähten" spricht. Diese Quanten leiter oder Quantendrähte bewirken durch die Einschränkung der Bewegungsmöglichkeit der Elektronen einen direkten Über gang der Elektronen zwischen dem Leitungsband und dem Va lenzband, obwohl es sich bei Silizium an sich um ein Halb leitermaterial mit indirektem Bandübergang handelt. Die mikroporöse Struktur der hier untersuchten Siliziumelemente wird typischerweise dadurch erreicht, daß ein Silizium-Wafer in einer wäßrigen Flußsäure anodisiert wird. In diesem Zu sammenhang wird hingewiesen auf die Veröffentlichung "Sili con Lights Up", Scientific American, Juli 1991, Seiten 86 und 87.

Es sei jedoch betont, daß bislang bei derartigen mikroporö sen Strukturen lediglich eine zeitlich nicht stabile Photo lumineszenz erzielt wurde.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs gemäßen Anordnung zur Plasma-Erzeugung sowie des erfindungs gemäßen Verfahrens zur Plasma-Erzeugung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines mikroporösen Körpers zur Verwendung in einer bevorzugten Aus führungsform der Anordnung zur Plasma-Erzeugung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Plasma-Erzeugung; und

Fig. 3 das von der Anordnung zur Plasma-Erzeugung abge gebene Spektrum.

Erfindungsgemäß wird ein Plasma dadurch erzeugt, daß ein mikroporöser Körper geschaffen wird, woraufhin an den mikro porösen Körper an zwei voneinander beabstandeten Punkten des Körpers eine Spannung angelegt wird. Eine besonders einfache Plasmaanregung wird erreicht, wenn der mikroporöse Körper vernetzte Poren hat, deren Porendurchmesser zwischen 1 Nanometer und 50 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 10 Nano meter und 10 Mikrometer beträgt. Eine besonders einfache An regung der Plasma-Erzeugung wird bei solchen mikroporösen Körpern beobachtet, die sowohl große als auch kleine Poren aufweisen, deren Durchmesser sich um mehr als den Faktor 2 voneinander unterscheidet.

Ein besonders bevorzugter Werkstoff zum Erzeugen eines sol chen mikroporösen Körpers ist jegliches Halbleitermaterial.

Wie nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert werden wird, kann ein mikroporöses Halbleitermaterial in besonders einfacher Weise dadurch geschaffen werden, daß ein Silizium wafer 1 in ein Säurebad 2 eingebracht und dort anodisiert wird.

Eine Herstellungsvorrichtung 3 für einen mikroporösen Si liziumkörper umfaßt ein Säurebecken 4, in dem das Säurebad 2 enthalten ist, welches 2 bis 50 Gewichtsprozent Flußsäure und im übrigen Äthanol und Wasser enthält. In dem Säurebad 2 sind in sich gegenüberliegender, voneinander beabstandeter Anordnung eine Anode 5 und eine Kathode 6 eingetaucht, wel che mit einem Anodisierungsstrom beaufschlagt werden können.

Eine Haltevorrichtung 7 ist an ihrer Peripherie derart aus gestaltet, daß sie dichtend an den Wandungen des Säure beckens 4 anliegt, wenn sie von oben in das Säurebecken 4 eingeschoben ist. Die Haltevorrichtung 7 weist eine mittige Ausnehmung 8 auf, an deren Ort der Silizium-Wafer 1 in einer an seinen Randbereichen dichtend umschlossenen Art gehalten ist.

Die Anordnung der Haltevorrichtung 7 ist dergestalt, daß ein Stromfluß zwischen der Anode 5 und der Kathode 6 den Sili zium-Wafer 1 vertikal zu dessen Hauptflächen durchlaufen muß.

Eine Beleuchtungsvorrichtung 9 in Form einer Quecksilber lampe oder Halogenlampe ist derart oberhalb des Säurebades 2 oder bei säurefester Ausführung der Beleuchtungsvorrichtung 9 innerhalb des Säurebades 2 angeordnet, daß der Silizium- Wafer 1 von seiner anodischen Seite her beleuchtet wird. Bei Anordnung der Beleuchtungsvorrichtung 9 außerhalb des Säure beckens 4 ist es bevorzugt, in diesem ein (nicht gezeigtes) Fenster für den Lichtdurchtritt vorzusehen. Auch kann bei Anordnung der Beleuchtungsvorrichtung 9 oberhalb des Säure beckens 4 in dem Säurebad 2 ein Spiegel zur Umlenkung der Strahlen zu dem Wafer 1 hin vorgesehen sein. Die Beleuch tungsvorrichtung 9 kann auch ein Laser sein. In diesem Fall wird man bevorzugt einen Argon-Ionen-Laser mit einer Wellen länge von 488 Nanometer bei einer Flächenleistungsdichte von 5 W/cm² einsetzen.

Nach Einbringen des Silizium-Wafers 1 in die Haltevorrich tung 7 wird diese von oben in das Säurebecken 4 eingescho ben. Nun wird der Silizium-Wafer 1 durch Anlegen eines ent sprechenden Gleichstromes an Anode 5 und Kathode 6 mit einer Stromdichte von 2 bis 500 mA/cm² anodisiert, wobei der Silizium-Wafer 1 an einer seiner Hauptflächen eine Umwand lung des einkristallinen Siliziums in eine mikroporöse Si liziumschicht 10 erfährt. Typische Anodisierungs- und Be leuchtungszeiten liegen zwischen 10 Sekunden und 20 Minuten.

Nach dem Spülen des Silizium-Wafers 1 in Reinstwasser wird dieser mit einem rückseitigen ohmschen Kontakt 11 sowie mit einer vorderseitigen transparenten Elektrode 12 versehen. Die vorderseitige Elektrode 12 wird vorzugsweise durch Auf bringen eines Goldkontaktes mit 120 Nanometer Dicke oder durch Aufbringen einer Indium-Zinn-Oxid-Schicht mit 200 Na nometer Dicke realisiert werden.

Obwohl dies, wie noch erläutert werden wird, für die Er reichung der erfindungsgemäßen Effekte nicht zwingend ist, wird man in der Praxis in der Regel einen kleinen n-dotier ten Silizium-Wafer verwenden, dessen spezifischer Widerstand zwischen 1 und 10 Ohm cm beträgt.

Der Silizium-Wafer 1 kann, wenn dies erwünscht ist, durch entsprechendes Zerteilen in einzelne Elemente unterteilt werden, die abgesehen von ihrer Gehäusung nunmehr fertig gestellt sind.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird das so gebildete Silizium element 1 mit dem ohmschen Kontakt 11 auf eine leitende Fläche 13 aufgelegt, die beispielsweise eine Metallplatte sein kann. Diese leitende Fläche bildet eine erste Elektro de. Eine zweite Elektrode 14, die beispielsweise eine stift förmige Elektrode sein kann, wird von oben gegen die trans parente Elektrode 12 zur Anlage gebracht, woraufhin eine Gleichspannung oder Wechselspannung in der Größenordnung zwischen 50 und 100 V an das Siliziumelement angelegt wird.

Wesentlich ist es für die Erfindung, daß bei Verwendung eines porösen Siliziums die angelegt Spannung größer als diejenige Spannung ist, bei der Elektrolumineszenz auftritt.

Typisch sind Spannungen oberhalb 50 V.

Das sich nun ergebende Spektrum ist in Fig. 3 wiedergegeben, wobei anstelle der üblichen Angabe der abgegebenen Wellen länge hier die Energie in eV dargestellt ist. Die abgegebene Intensität, die in y-Richtung aufgetragen ist, ist nicht normiert.

Man erkennt Spitzenwerte der Kurve im ultravioletten Be reich, die die interne Erzeugung von Plasmen innerhalb der mikroporösen Schicht 10 des Siliziumelementes 1 belegen.

Das in Fig. 2 gezeigte Siliziumelement 1 stellt lediglich eine der möglichen Grundstrukturen eines für eine Plasma- Erzeugung denkbaren Körpers dar. Bereits in dieser Grund struktur kann das in Fig. 2 gezeigte Siliziumelement als UV-Lichtquelle verwendet werden.

In Abweichung von der in Fig. 2 gezeigten Struktur des Siliziumelementes kann eine phosphorisierende Schicht ober halb des mikroporösen Siliziums 10 aufgebracht bzw. abge schieden werden, so daß das so gebildete Element in der Lage ist, als Lichtquelle für sichtbares Licht zu arbeiten.

In unveränderter Form kann das gezeigte Element als Eich lampe für UV-Linien verwendet werden.

Es ist möglich, Metall-Ionen in die mikroporöse Schicht 10 einzubringen, die innerhalb des erzeugten Plasmas leuchten. Nur beispielsweise seien hier Br und Na erwähnt.

Ein möglicher Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Anordnung zur Plasma-Erzeugung betrifft Laserpumpen.

Die beschriebene Ausführungsform der Anordnung zur Plasma- Erzeugung kann auch als Mikroquelle für Ozon eingesetzt werden, wobei man in diesem Fall den mikroporösen Bereich mit Luft oder Sauerstoff beströmen wird.

Ebenfalls kann die erfindungsgemäße Plasma-Erzeugungsanord nung aufgrund ihrer Mikrominiaturisierbarkeit als Mikro reaktionszelle eingesetzt werden, in welche in einem Mikro system eine chemische Reaktion im Plasma stattfindet.

Auf der Grundlage des so gebildeten Plasma-Erzeugungsele mentes können Sensoren aufgebaut werden, da die Wellenlänge der UV-Strahlung abhängig von der Gaszusammensetzung ist, so daß Gassensoren gebildet werden können, abhängig vom Druck ist, so daß Drucksensoren gebildet werden können, abhängig von der Temperatur ist, so daß Temperatursensoren gebildet werden können, sowie abhängig von magnetischem und elektri schem Feld ist, so daß entsprechende Feldsensoren gebildet werden können.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird mikroporöses Silizium dadurch gebildet, daß dies in einem Flußsäurebad anodisiert und gleichzeitig beleuchtet wird. Eine mikro poröse Schicht kann bei verlängerten Reaktionszeiten auch ohne Beleuchtung durch Anodisieren im Flußsäurebad erzeugt werden.

Der mikroporöse Körper muß nicht nötigerweise aus Silizium bestehen. Neben anderen porösen Halbleitermaterialien kommen jegliche porösen Stoffe in Betracht, wenn diese nicht gerade sehr gute Leiter oder sehr gute Isolatoren sind, da es in dem erstgenannten Fall nicht möglich ist, innerhalb der Mikroporen die nötigen Feldstärken aufzubauen, und da es im zweitgenannten Fall nicht möglich ist, die zum Erhalt der Plasmen nötigen Ströme fließen zu lassen. Es wird als bevorzugt angesehen, daß der mikroporöse Körper einen spezifischen Widerstand größer als 2·10^-7 Ohm·m hat.

Besonders gute Ergebnisse erreicht man dann, wenn der mikro poröse Körper vernetzte Poren hat. Als bevorzugt werden hier Strukturen mit Poren unterschiedlichen Durchmessers zwischen 1 Nanometer und 50 Mikrometer, vorzugsweise 10 Nanometer und 10 Mikrometer angesehen.

Auch wenn man, wie dies bei dem bevorzugten Ausführungsbei spiel der Fall ist, ein mikroporöses Halbleitermaterial als mikroporösen Körper einsetzt, ist es nicht zwingend erfor derlich, dieses durch Anodisieren eines Wafers in Flußsäure zu erzeugen. Gleichfalls kann man einen Halbleiterwafer in einem Bad aus Flußsäure und einem Oxidationsmittel, das bei spielsweise HNO₂ sein kann, zumindest im Bereich seiner Oberfläche in eine mikroporöse Form bringen.

Abschließend sei angemerkt, daß im Sinne der vorliegenden Anmeldung Porenstrukturen unterhalb von 40 Mikrometer als mikroporös zu verstehen sind.

Claims

1. Verfahren zur Plasma-Erzeugung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Bereitstellen eines mikroporösen Körpers, und
- Anlegen einer Spannung an voneinander beabstandeten Punkten des mikroporösen Körpers.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mikroporöse Körper vernetzte Poren hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der mikroporöse Körper einen spezifischen Widerstand größer als 2·10^-7 Ohm·m hat.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der mikroporöse Körper Poren aufweist, die einen Porendurchmesser zwischen 1 Nanometer und 50 Mikrometer haben.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mikroporöse Körper Poren aufweist, die einen Porendurchmesser zwischen 10 Nanometer und 10 Mikrometer haben.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der mikroporöse Körper sowohl große als auch kleine Poren aufweist, deren Durchmesser sich um mehr als den Faktor 2 voneinander unterscheiden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der mikroporöse Körper aus einem porösen Halbleiter material besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mikroporöse Körper aus mikroporösem Silizium besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Bereitstellens des mikro porösen Siliziums folgende Teilschritte umfaßt:

- Einbringen eines Silizium-Wafers in ein Säurebad, und
- Anodisieren des Silizium-Wafers in dem Säurebad.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch folgen den zusätzlichen Teilschritt zur Bereitstellung des mikroporösen Siliziums:

- Beleuchten des Silizium-Wafers auf dessen anodischer Seite zumindest über einen Teil der Zeit, während der der Silizium-Wafer in das Säurebad eingebracht ist und anodisiert wird, wodurch das einkristalline Silizium des Silizium-Wafers zumindest bereichsweise in eine mikroporöse Siliziumschicht umgewandelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch folgenden zusätzlichen Teilschritt zur Bereitstellung des mikroporösen Siliziums:

- Erzeugen zweier Kontakte, mit denen an die mikroporöse Siliziumschicht eine Spannung anlegbar ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodisieren mit einer Stromdichte von 2 bis 500 mA/cm² erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß das Säurebad 2 bis 50 Gewichtsprozent Flußsäure ent hält und im übrigen aus Äthanol und Wasser besteht.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Silizium-Wafer n-dotiert ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung des Silizium-Wafers derart gewählt ist, daß dessen spezifischer Widerstand zwischen 1 und 10 Ohm cm beträgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung mit einer Quecksilberlampe oder einer Halogenlampe oder einem Laser erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Erzeugens des zweiten Kontaktes das Erzeugen eines ohmschen Kontaktes auf der Rückseite des Silizium-Wafers umfaßt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Erzeugens des ersten Kon taktes das Aufbringen eines Goldkontaktes umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Goldkontaktes etwa 120 Nanometer be trägt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Erzeugens des ersten Kon taktes das Aufbringen einer Indium-Zinn-Oxid-Schicht um faßt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Indium-Zinn-Oxid-Schicht etwa 200 Na nometer beträgt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Kontakterzeugens folgende Schritte umfaßt:

- Aufbringen eines zumindest teilweisen durchlässigen ersten Kontaktes auf die mikroporöse Siliziumschicht, und
- Erzeugen eines zweiten Kontaktes zur Kontaktierung eines Bereiches des Silizium-Wafers unterhalb der mikroporösen Siliziumschicht.

23. Anordnung zur Plasma-Erzeugung, gekennzeichnet durch

- einen mikroporösen Körper (1, 10) und
- eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung an voneinander beabstandeten Punkten des mikroporösen Körpers (1, 10).

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der mikroporöse Körper (1, 10) vernetzte Poren hat.

25. Anordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekenn zeichnet, daß der mikroporöse Körper (1, 10) einen spezifischen Widerstand größer als 2·10^-7 Ohm·m hat.

26. Anordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der mikroporöse Körper (1, 10) Poren aufweist, die einen Porendurchmesser zwischen 1 Nanometer und 50 Nano meter haben.

27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der mikroporöse Körper (1, 10) Poren aufweist, die einen Porendurchmesser zwischen 10 Nanometer und 10 Mikrometer haben.

28. Anordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der mikroporöse Körper (1, 10) sowohl große als auch kleine Poren aufweist, deren Durchmesser sich um mehr als den Faktor 2 voneinander unterscheiden.

29. Anordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der mikroporöse Körper (1, 10) aus einem Halbleiter material besteht.

30. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der mikroporöse Körper (1, 10) aus mikroporösem Sili zium besteht.