Reporte Fabricación de Silicio Poroso

Transcripción

1 Reporte Fabricación de Silicio Poroso Collepardo Guevara Rosana Domínguez Dueñas Laura 1 de abril de 3

2 Abstract Este documento es un reporte PRELIMINAR donde se explica como se fabrica el material nanoestructurado silicio poroso. Además se muestra como cambian algunas de sus propiedades ópticas. Para saber más sobre nanoestructuras consultar las referencias en arp y para conocer más sobre las propiedaes ópticas del silicio poroso consultar arp/listapublica/listapublica.html.1 Parte Experimental Para realizar nanoestructuras a partir de silicio mediante la formación de silicio poroso, se usa una placa de silicio cristalino impurificado con boro (de resistividad entre 2-5 mω cm). Antes de llevar a cabo el proceso de anodización, la placa de c-si es evaporada con aluminio y después es sinterizada a 55 C. Esta placa tratada se coloca como el ánodo de una celda electroquímica con una mezcla de ácido fluorhídrico 5:3:1 de 48% HF, 98% etanol y glicerina respectivamente y el cátodo es una placa de platino. Se hace pasar una corriente continua de algunos miliamperes a través de esta celda electroquímica durante un tiempo fijo. Finalmente las muestras se enjuagan en etanol se dejan sumergidas en éste durante 5 minutos. Para mejorar la fotoestabiilidad de las muestras, éstas son parcialmente oxidadas con O 2 a 3 C y posteriormente oxidadas a 9 C. Las muestras se caracterizan por medio de microscop } electrónica de barrido y espectrometría UV-visible despues de las oxidaciones. Se estudio el efecto del tiempo de reacción en la formación de las monocapas de silicio poroso. Para determinar este efecto se calcula el grosor de las monocapas de p-si a partir de las fotografías de microscopía electrónica.

3 .1.1 Tiempo de reacción Como se mencionó anteriormente se estudio el efecto de la variación del tiempo de reacción en la formación de las monocapas. El método que utilizamos para fijar los diferentes tiempos de reacción a ensayar se basa en un modelo teórico que propone que la relación tiempo-grosor de las monocapas es la siguiente, t = 1 α ln ( L A + 1 ), donde t es el tiempo, y L es el grosor de la monocapa. Esta ecuación propone que el grosor varía exponencialmente con el tiempo de ataque..1.2 Ataque químico de la placa de c-si Una vez establecido el tiempo de reacción se procede a preparar las muestras de silicio poroso a partir de c-si. Los pasos que hay que seguir para llevar a cabo la reacción son los siquientes: 1. Se prepara la solución de HF EtOH y Glicerol. 2. Se lija la placa de cobre (que va a hacer contacto con la placa de silicio). 3. Se coloca la muestra de c-si dentro de la celda electroquímica. 4. Se conecta una bomba al equipo de trabajo con el proposito de recircular la solución durante toda la reacción, teniendo cuidado de que la sulución no forme burbujas ni quede en contacto con otro tipo de alambres ya que pueden oxidarse y causar depósitos de óxido en la celda de platino. 5. Se deben apretar perfectamente los sostenes del sistema para que no existan fugas de solución. 6. Verificar que la corriente tenga la intensidad adecuada antes de llevar a cabo la reacción, esta corriente se mide con un multímetro. 7. Adecuar el programa para el experimento que vamos a realizar y finalmente iniciar la reacción. 2

4 .1.3 Caracterización de las muestras El primér análisis que se hace a las muestras es una evualuación cualitativa para determinar si estas son buenas o malas. Una muestra buena debe cumplir los siguientes características: 1. Ser homogénea ante la reflección de la luz. 2. No tener depósitos de cobre oxidado. Una vez seleccionadas, las muestras fueron caracterizadas por medio de microscopía electrónica de barrido y espectrometría en UV-visible. En el espectrofotómetro de UV-visible medimos el índice de refracción, este se mide en porcentaje con respecto al indice de refracción de un espejo de aluminio. Para obtener los espectros los pasos a seguir son: 1. Encender el equipo y esperar 3 min por lo menos para que la lampara se caliente. 2. Correr la línea base con los espejos de aluminio. 3. Correr el espectro para la muestra a analizar a longitudes de onda que van de 25 a nm. Este análisis nos sirve para medir las longitudes de onda de los máximos, λ max, y de los mínimos, λ min con el fin de calcular el indice de refracción,n. Este esta definido como sigue, n = 1 2d ( 1 λr 1 ) 1 λr r+1 En la microscopía electrónica de barrido lo que se hace es determinar el espesor real de la monocapa de silicio poroso formada después del ataque. Para esto se obtienen las fotos que se muestran en el ANEXO 1 y se calcula mediante relaciones trigonométricas y relaciones geométricas el espesor de la monocapa del ataque electroquímico. Para realizar la microscopía hay que cortar las muestras por la mitad con un cortador de punta de diamante. Después se evapora una capa de oro para favorecer el paso de los electrones a través de la muestra. 3

5 .2 Resultados Preparamos las muestras a partir de obleas de c-si tipo p + usando la técnica descrita anteriormente. Se realizarón una serie de experimentos que consistieron en estudiar el efecto de el tiempo de reacción para un ataque electroquímico a 5mA y otra serie en la que se estudio el efecto de la variación de la intensidad de corriente electrica. Los resultados se muestran a continuación..2.1 Efecto del tiempo de reacción para I=5mA En esta sección se describen los resultados obtenidos para un ataque electroquímico de c-si a una intensidad de corriente de 5mA y tiempos que varían entre 75seg y 54 seg. Los experimentos se realizarón bajo las condiciones descritas en la parte experimental de este trabajo. Cabe recordar que todas las muestras fueron caracterizadas después del ataque por medio de microscopía electrónica lo que permitió determinar parámetros propios de las nanoestructuras de silicio poroso como el grosor de estas, la velocidad de ataque químico, conocida como etching rate y el indice de refracción. comparación del grosor esperado y el grosor obtenido Para calcular el grosor esperado, consideramos un etching rate teórico de 4nm/seg para I=5mA (Figura 1). En el siguiente cuadro (Cuadro 1) se presentan a manera de resumen los resultados del grosor obtenido experimentalmente mediante el análisis de todas las fotografías de microscopía electrónica (ANEXO 1). En la gráfica 1 se puede observar que el grosor de la capa aumenta al aumentar el tiempo de ataque y que la relación que existe entre estos dos parámetros no es lineal lo que indica que conforme pasa el tiempo la velocidad de ataque cambia, ya que la pendiente de la curva disminuye, entonces podemos decir que, en particular la velocidad disminuye. Esto es un resultado muy interesante ya que nos permite considerar el hecho de modificar otros parámetros que pueden afectar el ataque como la intensidad de corriente, a medida que avanza el tiempo de ataque para lograr 4

6 Figure 1: Grosor vs tiempo para 5mA. La línea punteada corresponde al grosor obtenido, mientras que la línea continua al esperado 5

7 t/seg grosor esperado/ µm grosor obtenido/ µm resolución insuficiente 25 1 resolución insuficiente 3 12 resolución insuficiente resolución insuficiente Table 1: Efecto del tiempo de ataque en el grosor de la monocapa, I=5mA corriente directa, el medio de reacción consistió en solución 1:3:7 (glicerol:hf:etoh). Existen algunos casos en los que la resolución fotográfica no permitió determinar el grosor, esto se indica mediante la frase resolución insuficiente que la velocidad permanezca constante, o incluso aumente, lo que haría que el proceso aumentará su rendimiento. Velocidad de ataque químico (etching rate) La velocidad de ataque químico (etching rate) esta definida como el cociente entre el grosor de la monocapa y el tiempo de ataque. En esta sección se presentan los resultados del cálculo de esta velocidad para las diferentes muestras (Cuadro 2 Figura 2) etching rate = d t Podemos notar que existe un problema en los resultados experimentales, estos no siguen ninguna tendencia que sea clara de describir. Si no consideramos los primeros puntos podemos notar que la velocidad disminuye al aumentar el tiempo de ataque, lo que coincide con la conjetura elavorada al rededor de los resultados de la sección anterios. 6

8 t/seg d/µm etching rate/nm seg Table 2: Efecto del tiempo de ataque en el etching rate para una I=5mA corriente directa, el medio de reacción consistió en solución 1:3:7 (glicerol:hf:etoh) indice de refracción El índice de refracción se calculó a partir de los espectros de UV-visible de cada una de las muestras (ANEXO 2). A continuación se presenta el efecto del tiempo de ataque en el indice de refracción (Cuadro 3 t/seg n Table 3: Efecto del tiempo de ataque en el indice de refracción para una I=5mA corriente directa, el medio de reacción consistió en solución 1:3:7 (glicerol:hf:etoh) Como se puede observar el indice de refracción no sigue una tendencia clara sin embargo su variación no es muy grande, este permanecio casi constante a lo largo de todos los experimentos. 7

9 3 25 th =.377 t mA thikness (micras) 15 1 th =.358 t 5 etching rate 3.58 nm/s etching time (s) Figure 2: Etching rate vs tiempo para 5mA..2.2 Efecto del tiempo de reacción para I=5mA En esta sección se describen los resultados obtenidos para un ataque electroquímico de c-si a una intensidad de corriente de 15,,25,35 y 4 ma a tiempos tales que el grosor esperado es de 2µ m Los experimentos se realizarón bajo las condiciones descritas en la parte experimental de este trabajo. Todas las muestras fueron caracterizadas después del ataque por medio de microscopía electrónica. Grosor de las monocapas En el siguiente cuadro (Cuadro 4) se presentan los resultados del grosor obtenido experimentalmente mediante el análisis de todas las fotografías de microscopía electrónica (ANEXO 1). Velocidad de ataque químico (etching rate) A continuacion se presentan los resultados del etching rate para la serie de la variación de la intensidad de corriente (Cuadro 5 8

10 I/mA t/seg grosor obtenido/ µm Table 4: Efecto de la intensidad de corriente en el grosor de la monocapa, el medio de reacción consistió en solución 1:3:7 (glicerol:hf:etoh). I/mA d/µm etching rate/nm seg Table 5: Efecto de la intensidad de corriente en el etching rate. indice de refracción El índice de refracción se calculó a partir de los espectros de UV-visible de cada una de las muestras (ANEXO 2). A continuación se presenta el efecto del tiempo de ataque en el indice de refracción (Cuadro 6. I/mA n Table 6: Efecto de la intensidad de corriente en el indice de refracción..2.3 Oxidación En esta sección se describen los efectos de las oxidaciones parciales (3 C) y totales (9 C) en los espectros de UV-visible. Para este estudio preparamos series de muestras a diferentes tiempos y diferentes corrientes. 9

11 Efecto de la oxidación como función del tiempo de ataque Estudiamos el efecto de la oxidación en la reflectancia de las muestras preparadas a diferentes tiempos de ataque, esto se presenta en el cuadro 7. t/s λ sin oxidar λ Ox 3 C λox 9 C Diferencia a 3 C Diferencia a 9 C Table 7: Efecto de la oxidacion parcial y total en la longitud de onda en nm de algun pico para una I=5mA corriente directa y diferentes tiempos. Efecto de la oxidación como función de la intensidad de corriente En este caso se obtuvieron los resutados que se muestran en la tabla 8 I/mA λ sin oxidar λ Ox 3 C λox 9 C Diferencia a 3 C Diferencia a 9 C Table 8: Efecto de la oxidacion parcial y total en la longitud de onda en nm de algun pico para diferentes valores de la intensidad de corriente directa. En todos los casos se puede observar que la oxidación parcial recorre los picos de los espectros de reflectancia de los espectros UV-visible en 1nm en promedio, mientras que la oxidación total los recorre en 25nm. 1

12 .3 Conclusiones En este trabajo se encontró que el grosor de las monocapas de silicio poroso formadas a mediante la técnica de anodización eletroquímica aumenta al aumentar el tiempo de ataque. Sin embargo este aumento no es lineal, de hecho la pendiente de la relación grosor-tiempo disminuye al aumentar el tiempo, por lo que se puede concluir que la velocidad de ataque disminuye al aumentar el tiempo de reacción. Se confirmó esto mediante la determinación de la velocidad de ataque químico (etching rate) en cada una de los casos ensayados. Este resultado indica que para llevar a cabo un proceso de ataque químico a velocidad constante se requieren modificar parámetros como la intesidad de corriente durante el experimento. El indice de refracción permanecio prácticamente constante en todos los ensayos. También se estudio el efecto de la oxidación parcial (3 C) y total (9 C) con O 2 para series de muestras a diferentes tiempos de reacción y corrientes electricas, estos resultados indican que independientemente de las condiciones bajo las cuales hayan sido preparadas las muestras, el efecto de la oxidación es el mismo, la parcial recorre los picos en los espectros UV-visible en 1nm en promedio, mientras que la total los recorre en 25nm en promedio. 11

13 Figure 3: Fotografía de SEM para t=75seg.4 Anexo 1: Fotografías de microscopía electrónica 12

14 Figure 4: Fotografía de SEM para t=1seg Figure 5: Fotografía de SEM para t=15seg 13

15 Figure 6: Fotografía de SEM para t=seg Figure 7: Fotografía de SEM para t=25seg 14

16 Figure 8: Fotografía de SEM para t=36seg Figure 9: Fotografía de SEM para t=54seg 15

17 Figure 1: Fotografía de SEM para I=15mA Figure 11: Fotografía de SEM para I=mA 16

18 Figure 12: Fotografía de SEM para I=25mA Figure 13: Fotografía de SEM para I=3mA 17

19 Figure 14: Fotografía de SEM para I=35mA Figure 15: Fotografía de SEM para I=4mA 18

20 Figure 16: Fotografía de SEM para I=45mA.5 Anexo 2: Espectros UV-visible En esta sección se presentan los espectros UV-visible obtenidos, la primera gráfica en la figura corresponde al caso sin oxidación, la segunda al caso después de una oxidación parcial, la tercera al caso de oxidación total y la cuarta muestra todos los casos. 19

21 Figure 17: vs λ en nm. Para t=75seg Figure 18: vs λ en nm. Para t=1seg

22 Figure 19: vs λ en nm. Para t=15seg Figure : vs λ en nm. Para I=mA Figure 21: vs λ en nm. Para t=25seg 21

23 Figure 22: vs λ en nm. Para t=36seg Figure 23: vs λ en nm. Para t=54seg Figure 24: vs λ en nm. Para I=15mA 22

24 Figure 25: vs λ en nm. Para I=mA Figure 26: vs λ en nm. Para I=25mA Figure 27: vs λ en nm. Para I=3mA 23

25 Figure 28: vs λ en nm. Para I=35mA Figure 29: vs λ en nm. Para I=4mA 24

26 Figure 3: vs λ en nm. Para I=45mA 25