RU2690534C1 - Method of producing a silicon porous membrane - Google Patents
Method of producing a silicon porous membrane Download PDFInfo
- Publication number
- RU2690534C1 RU2690534C1 RU2018129368A RU2018129368A RU2690534C1 RU 2690534 C1 RU2690534 C1 RU 2690534C1 RU 2018129368 A RU2018129368 A RU 2018129368A RU 2018129368 A RU2018129368 A RU 2018129368A RU 2690534 C1 RU2690534 C1 RU 2690534C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- porous
- porous layer
- carried out
- membrane
- Prior art date
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 59
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 57
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 57
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 31
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 abstract description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- -1 fluoride ions Chemical class 0.000 description 10
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 10
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000000572 ellipsometry Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
- H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Weting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано в процессе изготовления электронных устройств, в которых необходима пористая интегрированная мембрана: газовые фильтры в составе селективных газовых сенсоров, датчики скорости потока газов, топливные элементы и т.п.The invention relates to semiconductor technology and can be used in the process of manufacturing electronic devices that require a porous integrated membrane: gas filters comprising selective gas sensors, gas flow velocity sensors, fuel cells, etc.
Существуют следующие методы формирования интегрированных мембран на основе пористого кремния.The following methods exist for the formation of integrated membranes based on porous silicon.
В работе [Т. Taliercio, М. Dilhan, Е. Massone, A. Foucaran, A.M. Gue, Т. Bretagnon, В. Fraisse, L. Montes. Porous silicon membranes for gas-sensor applications. Sensors and Actuators A 46-47 (1995). P. 43-46] показан метод формирования мембран на основе мезопористого кремния (диаметр пор 2-15 нм) в электролите HF(40%):C2HsOH(98%). В работе мембраны толщиной порядка 400 мкм имели низкую механическую прочность. Чтобы исключить данный недостаток, использовали следующий процесс: сначала формировали пористые слои толщиной 150-200 мкм, затем данные слои удалялись в растворе NaOH, и окончательно, на оставшейся части кремниевой пластины получали мезопористую мембрану.In [T. Taliercio, M. Dilhan, E. Massone, A. Foucaran, AM Gue, T. Bretagnon, V. Fraisse, L. Montes. Porous silicon membranes for gas-sensor applications. Sensors and Actuators A 46-47 (1995). P. 43-46] shows a method of forming membranes based on mesoporous silicon (pore diameter 2-15 nm) in an electrolyte HF (40%): C 2 HsOH (98%). In operation, membranes with a thickness of about 400 μm had low mechanical strength. To eliminate this drawback, the following process was used: first,
Недостатками данного способа являются малые диаметры пор, что ограничивает применение в газовой фильтрации, а также механические деформации мембран толщиной менее 70 мкм.The disadvantages of this method are small pore diameters, which limits the use in gas filtration, as well as mechanical deformation of membranes with a thickness of less than 70 microns.
В способе [патент RU 2388109, 2009: Вандышева Н.В., Романов С.И. Способ получения кремниевой микроканальной мембраны в монолитном обрамлении] канальный кремний формировали с помощью фотолитографии. На пластине слаболегированного кремния дырочного типа проводимости формировали затравочные пирамидальные ямки размером 12⋅12 мкм2. На тыльной стороне создавали омический контакт отжигом пленки алюминия в атмосфере аргона. Далее в электролите, содержащем ионы фтора, проводили анодное травление. Заданная толщина мембраны достигалась удалением жертвенного пористого слоя с помощью электрополировки и скрайбирования по внешнему контуру мембраны. Вскрытие каналов осуществляли шлифовкой и полировкой тыльной стороны с использованием алмазного порошка, размешанного в растворе глицерина и изопропилового спирта.In the way [patent RU 2388109, 2009: Vandysheva N.V., Romanov S.I. A method of obtaining a silicon microchannel membrane in a monolithic frame] channel silicon was formed using photolithography. On a plate of lightly doped silicon of hole-type conductivity, seed pyramidal pits measuring 12–12 μm 2 were formed . On the back side, an ohmic contact was created by annealing an aluminum film in an argon atmosphere. Next, in the electrolyte containing fluoride ions, anodic etching was performed. The specified membrane thickness was achieved by removing the sacrificial porous layer by electropolishing and scribing along the outer contour of the membrane. The canals were opened by grinding and polishing the back using diamond powder mixed in a solution of glycerin and isopropyl alcohol.
К недостаткам данного способа можно отнести невозможность варьирования размера каналов и плоскопараллельное шлифование, в результате которого пластина кремния утоняется по всей площади и становится механически непрочной.The disadvantages of this method include the impossibility of varying the size of the channels and plane-parallel grinding, as a result of which the silicon wafer is thinned over the entire area and becomes mechanically fragile.
В работе [R. Angelucci, A. Poggi, L. Dori, G.C. Cardinali, A. Parisini, A. Tagliani, M. Mariasaldi, F. Cavani. Permeated porous silicon for hydrocarbon sensor fabrication. Sensors and Actuators A, 1999, 74, P.95-99] в пленке Si3N4 толщиной 200 нм, нанесенной методом LPCVD на пластину кремния, вскрывались окна, через которые проводилось химическое травление в водном растворе KOH при температуре 80°С и формировалась мембрана толщиной 30 мкм. Затем в двухкамерной электрохимической ячейке с жидкостными контактами с обеих сторон кремниевой пластины на данной мембране формировался макропористый кремний (диаметр пор 0.5-0.7 мкм) методом анодного травления, которое также проводилось через вышеупомянутую маску нитрида кремния.In [R. Angelucci, A. Poggi, L. Dori, GC Cardinali, A. Parisini, A. Tagliani, M. Mariasaldi, F. Cavani. Permeated porous silicon for hydrocarbon sensor fabrication. Sensors and Actuators A, 1999, 74, P.95-99] in a Si 3 N 4 film with a thickness of 200 nm applied by the LPCVD method onto a silicon wafer, windows were opened through which chemical etching was carried out in an aqueous KOH solution at a temperature of 80 ° C and Formed membrane thickness of 30 microns. Then, in a two-chamber electrochemical cell with liquid contacts on both sides of the silicon wafer, macroporous silicon (pore diameter 0.5–0.7 μm) was formed on this membrane by anodic etching, which was also carried out through the aforementioned silicon nitride mask.
Недостатком способа является дороговизна оборудования для нанесения пленок нитрида кремния.The disadvantage of this method is the high cost of equipment for the deposition of films of silicon nitride.
В статье [Т. Pichonat, В. Gauthier-Manuel. A new process for the manufacturing of reproducible mesoporous silicon membranes. Journal of Membrane Science, 2006, 280. P. 494-500] с целью селективного травления кремния в KOH использовалась маска из пленки золота толщиной 800 нм с подслоем хрома. Эта же маска используется и для формирования мезопористого кремния методом анодного травления в двухкамерной ячейке (диаметр пор составлял 5-30 нм). Металлическая маска, в отличие от диэлектрической, позволяет избежать паразитного формирования пористого кремния вблизи края маскирующего слоя. На заключительном этапе проводилось реактивное ионное распыление оставшегося тонкого слоя монокристаллического кремния. Толщина получаемых мембран составляла 30-300 мкм.The article [T. Pichonat, V. Gauthier-Manuel. A new process for the manufacturing of reproducible mesoporous silicon membranes. Journal of Membrane Science, 2006, 280. P. 494-500] for the purpose of selective etching of silicon in KOH, a mask of a 800 nm thick gold film with a chromium underlayer was used. The same mask is also used to form mesoporous silicon by the method of anodic etching in a two-chamber cell (the pore diameter was 5–30 nm). The metal mask, in contrast to the dielectric, allows you to avoid parasitic formation of porous silicon near the edge of the masking layer. At the final stage, reactive ion sputtering of the remaining thin layer of single-crystal silicon was carried out. The thickness of the resulting membranes was 30-300 microns.
Недостатками данного способа является дороговизна материала маски, а также малые диаметры пор.The disadvantages of this method is the high cost of the mask material, as well as small pore diameters.
Наиболее близким к предлагаемому способу получения кремниевых пористых мембран является способ, описанный в [Болотов В.В., Ивлев К.Е., Князев Е.В., Пономарева И.В. Формирование и структурные исследования интегрированных мембран на основе канального кремния // Омский научный вестник. 2018. №3 (159). С. 59-63, прототип]. В этой работе пористый кремний формируется анодным травлением на пластинах монокристаллического кремния марки КЭФ 0,01 (100) с использованием электролита на основе плавиковой кислоты и ацетона, что позволяет получить пористые слои толщиной более 100 мкм с порами диаметром от 30 нм у поверхности и до 70 нм в объеме. Пористый слой вскрывается с тыльной стороны механической шлифовкой пластины, в результате которой формируется лунка. Для повышения газовой проницаемости верхний слой с малой пористостью распылялся ионами аргона.The closest to the proposed method of obtaining silicon porous membranes is the method described in [Bolotov, VV, Ivlev, KE, Knyazev, EV, Ponomareva, I.V. Formation and structural studies of integrated membranes based on channel silicon // Omsk Scientific Bulletin. 2018. No. 3 (159). Pp. 59-63, prototype]. In this work, porous silicon is formed by anodic etching on single-crystal silicon wafers of the KEF 0.01 (100) brand using an electrolyte based on hydrofluoric acid and acetone, which allows to obtain porous layers more than 100 microns thick with pores with a diameter of 30 nm near the surface and up to 70 nm in volume. The porous layer is opened from the back side by mechanical grinding of the plate, as a result of which a well is formed. To increase the gas permeability, the upper layer with a low porosity was sprayed with argon ions.
Данный способ отличается от аналогов использованием более простого технологического оборудования при сохранении механической прочности за счет того, что пластина утоняется не по всей площади, а локально.This method differs from analogs in the use of simpler process equipment while maintaining mechanical strength due to the fact that the plate is not thinned over the whole area, but locally.
Технической задачей настоящего изобретения является создание механически прочных кремниевых пористых мембран с варьируемыми размерами как толщины пористой мембраны, так и диаметров пор.The technical task of the present invention is the creation of mechanically strong silicon porous membranes with varying sizes as the thickness of the porous membrane and pore diameters.
Предлагаемый способ получения кремниевой пористой мембраны в монолитном обрамлении включает формирование пористого слоя методом анодного травления пластины кремния, вскрытие пористого слоя с тыльной стороны пластины кремния путем механического утонения, удаление верхнего слоя с низкой пористостью методом ионного распыления ионами Ar+, и отличается тем, что пористый слой пластины кремния формируется методом анодного травления в электролите состава HF:(СН3)2СО в объемном соотношении 1:(2-4), а удаление мелкодисперсного кремния со дна лунки с тыльной стороны проводят методом ионного распыления ионами Ar+. Формирование пористого слоя методом анодного травления пластины кремния проводят в однокамерной ячейке, пластины кремния во время анодного травления освещают сверху лампой накаливания.The proposed method of obtaining a silicon porous membrane in a monolithic frame includes forming a porous layer by anodic etching of a silicon plate, opening the porous layer from the back of the silicon plate by mechanical thinning, removing the upper layer with low porosity by ion sputtering with Ar + ions, and differs in that porous layer silicon plates are formed by anodic etching in the electrolyte of the HF: (CH 3 ) 2 CO composition in a 1: (2-4) volume ratio, and the removal of fine silicon from the bottom of the holes and on the back side is carried out by ion sputtering with Ar + ions. The formation of a porous layer by the method of anodic etching of a silicon wafer is carried out in a single-chamber cell, the wafer of silicon during anodic etching is illuminated from above by a incandescent lamp.
Пористый кремний формируется на пластинах кремния электронного типа проводимости с сопротивлением 0,01-0,03 Ом⋅см. Выбор указанного удельного сопротивления обусловлен следующими соображениями. Благодаря достаточно низкому удельному сопротивлению используемой марки кремния нет необходимости в создании омического контакта на тыльной стороне пластины. На пластинах n-типа проводимости с еще меньшим удельным сопротивлением формируется микропористый кремний.Porous silicon is formed on silicon wafers of electronic conductivity type with a resistance of 0.01–0.03 Ω⋅cm. The choice of the specified resistivity due to the following considerations. Due to the relatively low resistivity of the silicon brand used, it is not necessary to create an ohmic contact on the back side of the plate. On plates of n-type conductivity with even lower resistivity, microporous silicon is formed.
Кристаллографическая ориентация пластин кремния (100) способствует формированию упорядоченного массива пор, ориентированных нормально к поверхности.The crystallographic orientation of silicon (100) wafers contributes to the formation of an ordered array of pores oriented normally to the surface.
Объемное отношение HF(45%) к ацетону в электролите выбирается в пределах от 1:4 до 1:2. При содержании плавиковой кислоты в электролите ниже 20% по объему, пористый слой имеет губчатую морфологию, диаметр пор составляет 20-30 нм, не наблюдается ориентированность пор в одном направлении. При содержании более 33% процесс анодирования становится нестабильным из-за слишком интенсивного газообразования, что может привести к разрушению пористого слоя.The volume ratio of HF (45%) to acetone in the electrolyte is selected in the range from 1: 4 to 1: 2. When the content of hydrofluoric acid in the electrolyte is below 20% by volume, the porous layer has a spongy morphology, the pore diameter is 20-30 nm, and the orientation of the pores in one direction is not observed. When the content of more than 33% of the anodizing process becomes unstable due to too intensive gassing, which can lead to the destruction of the porous layer.
Для увеличения концентрации неосновных носителей заряда - дырок, необходимых для процесса анодного травления кремния, пластины кремния во время анодного травления освещают сверху лампой накаливания мощностью 100 Вт, расстояние от лампы до образца составляет 28-30 см. При большем расстоянии плотность светового потока мала и освещение не оказывает заметного эффекта. При меньшем расстоянии эффект слишком сильный, сопротивление кремния падает настолько, что формируется микропористый кремний. Используемое расстояние приводит к большему диаметру пор у поверхности, чем без освещения, что позволяет увеличить длительность анодного травления.To increase the concentration of minor charge carriers - the holes required for the process of anodic etching of silicon, silicon plates during anodic etching are illuminated from above with a 100 W incandescent lamp, the distance from the lamp to the sample is 28-30 cm. no noticeable effect. With a smaller distance, the effect is too strong, the resistance of silicon drops so much that microporous silicon is formed. The distance used leads to a larger pore diameter at the surface than without illumination, which makes it possible to increase the duration of anodic etching.
Анодное травление проводят в однокамерной ячейке, в гальваностатическом режиме при плотности тока от 60 до 100 мА/см2, катодом служит платиновая сетка, пропускающая свет, анодом служит пластина кремния, прижатая к латунному электроду.Anodic etching is carried out in a single-chamber cell, in galvanostatic mode at a current density of 60 to 100 mA / cm 2 , the cathode is a platinum grid that transmits light, the anode is a silicon plate pressed to a brass electrode.
При плотности тока менее 60 мА/см2 диаметр пор составляет значение менее 70 нм, что может ограничить проницаемость мембраны. При плотности тока более 100 мА/см2 наблюдается интенсивное газообразование на кремниевом электроде, что приводит к разрушению пористого слоя.When the current density is less than 60 mA / cm 2, the pore diameter is less than 70 nm, which may limit the permeability of the membrane. At a current density of more than 100 mA / cm 2 , intense gas formation is observed on the silicon electrode, which leads to the destruction of the porous layer.
После анодного травления образцы промывают ацетоном и сушат в вакууме при остаточном давлении 4-6⋅10-2 мм рт.ст. при температуре 140-160°С в течение не менее 1 часа.After anodic etching, the samples are washed with acetone and dried in vacuum at a residual pressure of 4-6⋅10 -2 mm Hg. at a temperature of 140-160 ° C for at least 1 hour.
Локальное механическое утонение пластины кремния проводят с тыльной стороны с использованием установки Gatan Dimple Grinder 656 и алмазной или другой полировальной пасты с размером зерен 2-4 мкм.Local mechanical thinning of the silicon plate is carried out from the rear using the Gatan Dimple Grinder 656 and diamond or other polishing paste with a grain size of 2-4 microns.
Пористость слоев, полученных в описанных выше условиях, измерялась методом эллипсометрии. Данный метод показал, что слои толщиной от 1,7 до 4 мкм имеют пористость менее 20%. По данным РЭМ диаметр пор с фронтальной стороны пористого слоя не превышает 35 нм. Такие параметры ограничивают область применения мембран, поэтому необходимо удалить верхний слой с низкой пористостью методом ионного распыления. Для этого применяются ионы аргона с энергией 0,5-5 кэВ. Выбор энергии ионов обусловливает скорость ионного травления. При значениях ускоряющего напряжения менее 0,5 кВ не происходит выбивания атомов кремния с поверхности распыляемого образца, а при значениях свыше 5 кВ происходит процесс ионной имплантации, с внесением радиационных дефектов и существенным нагревом образца. Значение ускоряющего напряжения ионов аргона 5 кВ обеспечивает скорость распыления монокристаллического кремния ~ 3 мкм/час при плотности ионного пучка 9,6⋅1016 ион/(с⋅см2), угол падения пучка ионов, отсчитанный от нормали к поверхности образца, составлял 45-65°. Данные параметры ионного пучка при продолжительности распыления до 2 часов обеспечивают удаление низкопористого слоя кремния.The porosity of the layers obtained under the conditions described above was measured by the method of ellipsometry. This method showed that layers with a thickness of 1.7 to 4 microns have a porosity of less than 20%. According to SEM data, the pore diameter from the front side of the porous layer does not exceed 35 nm. Such parameters limit the scope of the membranes, so it is necessary to remove the upper layer with low porosity by ion sputtering. For this purpose, argon ions with energy of 0.5-5 keV are used. The choice of ion energy determines the rate of ion etching. At values of accelerating voltage less than 0.5 kV, silicon atoms are not knocked out from the surface of the sprayed sample, and at values above 5 kV, the process of ion implantation occurs, with the introduction of radiation defects and significant heating of the sample. The accelerating voltage of argon ions of 5 kV provides a sputtering rate of monocrystalline silicon ~ 3 μm / hour with an ion beam density of 9.6⋅10 16 ions / (s · cm 2 ), the angle of incidence of the ion beam, measured from the normal to the sample surface, was 45 -65 °. These parameters of the ion beam with a spraying time of up to 2 hours ensure the removal of a low-porous silicon layer.
На заключительном этапе проводят удаление мелкодисперсного кремния со дна лунки с тыльной стороны методом ионного распыления ионами Ar+. Продолжительность распыления 1,5-2 часа при плотности ионного пучка 9,6⋅1016 ион/(с⋅см2) и энергии ионов 5 кэВ.At the final stage, the removal of fine silicon from the bottom of the well on the back side is carried out by the method of ion sputtering with Ar + ions. The duration of sputtering is 1.5–2 hours with an ion beam density of 9.6⋅10 16 ion / (s · cm 2 ) and an ion energy of 5 keV.
Сущность технического решения поясняется приведенными фигурами и таблицей.The essence of the technical solution is illustrated by the figures and table.
На Фиг. 1 представлена схема получения кремниевой пористой мембраны в монолитном обрамлении:FIG. 1 shows a scheme for obtaining a silicon porous membrane in a monolithic frame:
позиция 1 - получение пористого слоя методом анодного травления пластины кремния (где 1 - слой с низкой пористостью);Position 1 - production of a porous layer by anodic etching of a silicon wafer (where 1 is a layer with low porosity);
позиция 2 - вскрытие пористого слоя с тыльной стороны методом механического утонения (где 2 - слой мелкодисперсного кремния);position 2 - opening of the porous layer from the back by the method of mechanical thinning (where 2 is a layer of fine silicon);
позиция 3 - удаление верхнего слоя с низкой пористостью методом ионного распыления ионами Ar+;position 3 - removal of the upper layer with low porosity by ion sputtering with Ar + ions;
позиция 4 - удаление мелкодисперсного кремния со дна лунки методом ионного распыления ионами Ar+.Position 4 - removal of fine silicon from the bottom of the well by ion sputtering with Ar + ions.
На Фиг. 2 приведено РЭМ изображение мембраны:FIG. 2 shows the SEM image of the membrane:
а) фронтальная сторона (позиция 3 на фиг. 1);a) the front side (position 3 in Fig. 1);
б) тыльная сторона, покрытая мелкодисперсным кремнием после механического утонения (позиция 3 на фиг. 1);b) the back side coated with fine silicon after mechanical thinning (position 3 in Fig. 1);
в) тыльная сторона после ионного распыления (позиция 4 на фиг. 1).c) the back side after ion sputtering (position 4 in Fig. 1).
На Фиг. 3 приведены графики зависимости диаметра пор от глубины пористого слоя (плотность тока 60 мА/см2):FIG. 3 shows the graphs of the pore diameter versus the depth of the porous layer (current density 60 mA / cm 2 ):
1 - HF:(CH3)2CO 1:41 - HF: (CH 3 ) 2 CO 1: 4
2 - HF:(CH3)2CO 1:2.2 - HF: (CH 3 ) 2 CO 1: 2.
В Таблице приведены характеристики кремниевой пористой мембраны в зависимости от параметров получения.The table shows the characteristics of the silicon porous membrane, depending on the parameters of receipt.
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением технического результата, приводятся нижеследующие примеры:As information confirming the possibility of implementing the method with the achievement of the technical result, the following examples are given:
Пример 1.Example 1
1) Анодное травление проводят в электролите состава HF(45%):(CH3)2CO 1:3 при постоянном токе плотностью 100 мА/см2 в течение 40 минут.1) Anodic etching is carried out in the electrolyte composition of HF (45%): (CH 3 ) 2 CO 1: 3 with a constant current density of 100 mA / cm 2 for 40 minutes.
2) Механическое утонение проводят в течение 10 часов.2) Mechanical thinning is carried out for 10 hours.
3) Ионное распыление фронтальной поверхности мембраны проводят ионами аргона в течение 1 часа.3) Ion sputtering of the front surface of the membrane is carried out with argon ions for 1 hour.
4) Ионное распыление дна лунки с тыльной стороны проводят ионами аргона в течение 2 часов.4) Ion sputtering of the bottom of the well from the back side is carried out with argon ions for 2 hours.
Пример 2.Example 2
1) Анодное травление проводят в электролите состава HF(45%):(CH3)2CO 1:4 при постоянном токе плотностью 60 мА/см2 в течение 100 минут.1) Anodic etching is carried out in the electrolyte composition of HF (45%): (CH 3 ) 2 CO 1: 4 at a constant current density of 60 mA / cm 2 for 100 minutes.
2) Механическое утонение проводят в течение 6 часов.2) Mechanical thinning is carried out for 6 hours.
3) Ионное распыление фронтальной поверхности мембраны проводят ионами аргона в течение 1,5 часа.3) Ion sputtering of the front surface of the membrane is carried out with argon ions for 1.5 hours.
4) Ионное распыление дна лунки с тыльной стороны проводят ионами аргона в течение 2 часов4) Ion sputtering of the bottom of the well from the back side is carried out with argon ions for 2 hours
Пример 3.Example 3
1) Анодное травление проводят в электролите состава HF(45%):(CH3)2CO 1:2 при постоянном токе плотностью 60 мА/см2 в течении 120 минут.1) Anodic etching is carried out in the electrolyte composition of HF (45%): (CH 3 ) 2 CO 1: 2 at a constant current density of 60 mA / cm 2 for 120 minutes.
2) Механическое утонение проводят в течение 3 часов.2) Mechanical thinning is carried out for 3 hours.
3) Ионное распыление фронтальной поверхности мембраны проводят ионами аргона в течение 1,5 часа.3) Ion sputtering of the front surface of the membrane is carried out with argon ions for 1.5 hours.
4) Ионное распыление дна лунки с тыльной стороны проводят ионами аргона в течение 1,5 часов4) Ion sputtering of the bottom of the well from the back side is carried out with argon ions for 1.5 hours
Таким образом, как следует из примеров и таблицы, использование предлагаемого нового способа обеспечивает создание механически прочных кремниевых пористых мембран в монолитном обрамлении с варьируемыми размерами толщины мембраны и диаметров пор.Thus, as follows from the examples and the table, the use of the proposed new method provides for the creation of mechanically strong silicon porous membranes in a monolithic frame with varying sizes of membrane thickness and pore diameters.
Мембрана, изготовленная представленным способом, имеет следующие типичные характеристики:The membrane made by the presented method has the following typical characteristics:
1. Толщина от 20 до 360 мкм.1. Thickness is from 20 to 360 microns.
2. Поры ориентированы вдоль кристаллографического направления [100].2. The pores are oriented along the crystallographic direction [100].
3. Диаметр пор с фронтальной стороны от 35 нм, с тыльной стороны до 90 нм.3. The diameter of the pores from the front side from 35 nm, from the back side to 90 nm.
4. Плотность пор 1,0-1,5⋅1010 см-2.4. The density of pores is 1.0-1.5⋅10 10 cm -2 .
5. Диаметр окна пористого кремния 0,3-0,4 мм.5. The diameter of the window of porous silicon 0.3-0.4 mm.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018129368A RU2690534C1 (en) | 2018-08-10 | 2018-08-10 | Method of producing a silicon porous membrane |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018129368A RU2690534C1 (en) | 2018-08-10 | 2018-08-10 | Method of producing a silicon porous membrane |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2690534C1 true RU2690534C1 (en) | 2019-06-04 |
Family
ID=67037379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018129368A RU2690534C1 (en) | 2018-08-10 | 2018-08-10 | Method of producing a silicon porous membrane |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2690534C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2099813C1 (en) * | 1995-12-05 | 1997-12-20 | Научно-исследовательский институт измерительных систем | Process forming membranes in monocrystalline silicon substrate |
| RU2194805C2 (en) * | 2000-08-28 | 2002-12-20 | Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В.Лукина | Electrolyte for producing porous silicon |
| RU2388109C1 (en) * | 2009-03-24 | 2010-04-27 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ОФП СО РАН) | Method for production of silicon microchannel membrane in monolithic framing |
| RU2568954C1 (en) * | 2014-06-03 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Production of porous silicon with stable photo luminescence |
-
2018
- 2018-08-10 RU RU2018129368A patent/RU2690534C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2099813C1 (en) * | 1995-12-05 | 1997-12-20 | Научно-исследовательский институт измерительных систем | Process forming membranes in monocrystalline silicon substrate |
| RU2194805C2 (en) * | 2000-08-28 | 2002-12-20 | Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В.Лукина | Electrolyte for producing porous silicon |
| RU2388109C1 (en) * | 2009-03-24 | 2010-04-27 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ОФП СО РАН) | Method for production of silicon microchannel membrane in monolithic framing |
| RU2568954C1 (en) * | 2014-06-03 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Production of porous silicon with stable photo luminescence |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Болотов В.В. и др. Формирование и структурные исследования интегрированных мембран на основе канального кремния. Омский научный вестник. 2018, 3(159), стр. 59-63. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6806171B1 (en) | Method of producing a thin layer of crystalline material | |
| US6653209B1 (en) | Method of producing silicon thin film, method of constructing SOI substrate and semiconductor device | |
| JP3675326B2 (en) | Multi-channel plate manufacturing method | |
| US20080210662A1 (en) | Thick porous anodic alumina films and nanowire arrays grown on a solid substrate | |
| Astrova et al. | Porous silicon based negative electrodes for lithium ion batteries | |
| US20160159064A1 (en) | Electrochemical Method for Transferring Graphene | |
| Booker et al. | Electron micrographs from thick oxide layers on aluminium | |
| Rojas et al. | Porous germanium layers by electrochemical etching for layer transfer processes of high-efficiency multi-junction solar cells | |
| JP5327676B2 (en) | Method for producing porous silicon | |
| RU2690534C1 (en) | Method of producing a silicon porous membrane | |
| CN105977122B (en) | The preparation of porous silicon nitride support membrane pane | |
| JP3768197B2 (en) | Preparation method of transmission electron microscope specimen | |
| Choudhary et al. | Two-step cycle for producing multiple anodic aluminum oxide (AAO) films with increasing long-range order | |
| CN114516615A (en) | Preparation method of high-stability graphene nanopore | |
| Burham et al. | Self-adjusting electrochemical etching technique for producing nanoporous silicon membrane | |
| US20060234079A1 (en) | Smart-cut of a thin foil of poruous Ni from a Si wafer | |
| RU2388109C1 (en) | Method for production of silicon microchannel membrane in monolithic framing | |
| Solanki et al. | New approach for the formation and separation of a thin porous silicon layer | |
| Grigoras et al. | Plasma etched initial pits for electrochemically etched macroporous silicon structures | |
| JPH10281951A (en) | Preparation of membrane sample for electron microscope observation | |
| EP0312466A1 (en) | Process of manufacturing a silicon structure on isolator | |
| Law | Surface-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry on nanostructured silicon substrates prepared by iodine-assisted etching | |
| SU679001A1 (en) | Method of manufacturing metalloporous thermocathode | |
| US6217647B1 (en) | Method for producing a monocrystalline layer of a conducting or semiconducting material | |
| Patil et al. | Activated reactive evaporation deposited silicon nitride as a masking material for MEMS fabrication |