提高多孔矽徑向物理微結構均勻性的新方法與流程
2023-09-18 04:29:55
本發明涉及半導體
技術領域：
，具體涉及一種提高多孔矽徑向物理微結構均勻性的新方法。
背景技術：
：1956年，Bell實驗室的A.Uhlir在研究矽(Si)在氫氟酸(HF)溶液中的電化學拋光時意外地發現了多孔矽；1990年，L.T.Canham發現HF作為電解液通過電化學陽極氧化後的矽片表面會形成納米尺寸的矽柱或矽絲，即多孔矽，同時，還觀察到了這種多孔矽材料在室溫下於近紅外和可見光區有著強螢光發射現象，其發光效率比單晶矽發光效率高几萬倍；特別是1996年，Hirschman首次實現矽基光電集成原型器件是多孔矽應用研究的一個裡程碑。多孔矽在光電子學、光學器件、太陽能電池和傳感器技術等方面廣泛的應用，大量的已有研究工作集中在研究陽極腐蝕參數對多孔矽特性的影響，獲得了一些有價值的經驗規律，但是，這些研究工作基本上都局限於多孔矽表面的微結構及光學特性，對多孔矽內部微結構及其特性至今研究還比較少。多孔矽薄膜的內部微結構非常複雜，其縱向和徑向物理結構不均勻，從已有的文獻得出如下結論：在恆電流密度的腐蝕條件下，隨著離腐蝕中心越遠，SEM圖像表明：多孔矽樣品的物理厚度緩慢變小，在腐蝕邊緣，有文獻報導：在徑向58μm距離裡，薄膜的物理厚度從2.48μm減少到1.72μm；此外，徑向折射率增加，即多孔度變小，同時，反射光譜強度顯示出幹涉振蕩減弱，這意味著多孔矽薄膜的均勻性和界面的平整度變壞。光致發光光譜的包絡線顯示藍移的趨勢，顯示納米微粒的尺寸減少，導致多孔矽沿徑向方向物理微結構和光學特性的不均勻性，也導致多孔矽多層膜界面的界面性能和平整性變差。現階段，為了製備得到多孔矽徑向物理微結構均勻性的多孔矽膜，還很少有文獻提及相關方法。技術實現要素：為了克服現有技術在恆電流密度的腐蝕條件下，隨著離腐蝕中心越遠，SEM圖像表明：多孔矽樣品的物理厚度緩慢變小，徑向折射率增加，即多孔度變小的缺陷，本發明的目的是提供一種提高多孔矽徑向物理微結構均勻性的新方法。為實現上述目的，本發明採用的技術方案：一種提高多孔矽徑向物理微結構均勻性的新方法，其特徵在於，該方法是將聚四氟乙烯材質的腐蝕槽外繞線圈，並給線圈通交流電。當線圈通交流電時，線圈內部（腐蝕槽中）將產生變化的磁場，由於在變化的磁場周圍存在著渦旋的感生電場，感生電場是以線圈內部中軸線為圓心的一系列同心圓、且感生電場的方向與徑向方向垂直而其大小與半徑r成正比。腐蝕液中的正負離子在感生電場的作用下，形成渦電流，使正負離子相向運動；且離中心軸向方向越遠，正負離子相向熱運動越快，腐蝕液溫度沿徑向方向逐漸增加，同時，感生電場產生的渦電流促進腐蝕液與反應生成物之間的擴散和交換，提高氫氟酸溶液在徑向方向濃度的一致性。一方面，由於在感生電場的作用下，離矽片腐蝕中心越遠，感生電場越大，導致正負離子熱運動越快，導致沿徑向方向上隨離矽片腐蝕中心越遠而腐蝕越深，同時，感生電場產生的渦電流促進腐蝕液與反應生成物之間的擴散和交換，提高氫氟酸溶液在徑向方向濃度的一致性；另一方面，在正常的恆流腐蝕電流下，以矽片腐蝕中心為圓心，腐蝕液的反應物向外擴散呈現一定梯度，越靠近腐蝕中心反應物越多，相反，越靠近矽片腐蝕中心，氫氟酸濃度越小，造成向下腐蝕能力增強，引起以矽片腐蝕中心為圓心，離腐蝕中心越遠，腐蝕深度越淺，造成多孔矽多孔度徑向的不均勻性，在一定條件下，二者達到動態平衡，從而導致多孔矽薄膜沿徑向方向其物理厚度保持一致。優選地，腐蝕槽放在線圈正中央，矽片的腐蝕中心在線圈內部中軸線上。優選地，腐蝕槽的外徑為60毫米，線圈的直徑為1毫米，相鄰線圈間距為0.1毫米，線圈繞的總圈數為182。優選地，線圈中所加電流I為三角波，幅度為0.1-5A，頻率為5-500KHz。與現有技術相比，本發明具備的有益效果：將聚四氟乙烯材質的腐蝕槽外繞著螺線管狀線圈，螺線管線圈中的電流隨時間做線性變化（=常數）時，其內部的磁感應強度B也隨時間作線性變化，管內的感生電場為(r是離線圈內部中軸線的距離）。當線圈通交流電時，線圈內部（腐蝕槽中）將產生變化的磁場，由於在變化的磁場周圍存在著渦旋的感生電場，感生電場是沿軸向以線圈內部中軸線為圓心的一系列同心圓、且其方向與徑向方向垂直而其大小與半徑r成正比。一方面，腐蝕液中的正負離子在感生電場的作用下，形成渦電流，使正負離子相向運動；離中心軸向方向越遠，正負離子相向熱運動越快，腐蝕液溫度沿徑向方向逐漸增加，導致沿徑向方向縱向腐蝕能力逐漸越強，同時，感生電場產生的渦電流促進腐蝕液與反應生成物之間的擴散和交換，提高氫氟酸溶液在徑向方向濃度的一致性；另一方面，在正常的恆流腐蝕電流下，以矽片腐蝕中心為圓心，腐蝕液的反應物向外擴散呈現一定梯度，越靠近腐蝕中心反應物越多，相反，越靠近矽片中心，氫氟酸濃度越小，造成向下腐蝕能力增強，引起以矽片腐蝕中心為圓心，離腐蝕中心越遠，腐蝕深度越淺。通過調節螺線管線圈中電流的大小和頻率，就可以改變管內的感生電場的大小，從而調節腐蝕液內部沿徑向方向溫度變化量，在一定條件下，二者達到動態平衡，從而導致多孔矽薄膜沿徑向方向其物理厚度保持一致。附圖說明圖1為本發明所述腐蝕槽結構示意圖圖2為本發明所述腐蝕槽剖面示意圖圖3為線圈通電後產生的變化磁場和變化磁場產生的感生電場示意圖圖4為線圈各項參數示意圖其中，1、腐蝕槽，2、矽片，3、薄鉑片，4、線圈，5、腐蝕電源，6、交流電源。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明。以下所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做其他形式的限制，任何本
技術領域：
的技術人員可能利用本發明公開的技術內容加以變更為同等變化的等效實施例。故凡是未脫離本發明方案的內容，依據本發明的技術實質對以下實施例做簡單修改或等同變化，均應落在本發明的保護範圍內。實施例一本發明的這種提高多孔矽徑向物理微結構均勻性的新方法，具體包括如下步驟（如圖1-圖4所示）：1、將聚四氟乙烯材質的腐蝕槽1外繞著線圈4，線圈4連接交流電源6，給線圈4通入交流電。螺線管狀線圈4中的電流隨時間做線性變化（=常數）時，其內部的磁感應強度(近似無限長螺線管)也隨時間作線性變化，管內的感生電場(r是離線圈內部中軸線的距離）是沿軸向以線圈內部中軸線為圓心的一系列同心圓、且感生電場的方向與徑向方向垂直而其大小與半徑r成正比。螺線管線圈4的參數為：腐蝕槽1的外徑D為60毫米，線圈4的直徑W為1毫米，間距s為0.1毫米，圈數n為182，螺旋管狀線圈4的長度H為200.2毫米，所得的電感量L為0.517mH，螺線管狀線圈4中所加電流I為三角波，幅度為1A，頻率為15KHz。2、連接好電路：即在腐蝕槽1內放有腐蝕液，在腐蝕槽1內的一端設有矽片2，在腐蝕槽1內的另一端設有鉑片3，矽片2和鉑片3浸泡在腐蝕液中，在腐蝕槽1外設有腐蝕電源（恆流源）5；腐蝕電源（恆流源）5是通過TekVisaAFG3101任意波形發生器產生的，該腐蝕電源（恆流源）的正極通過導線與矽片2連接，腐蝕電源（恆流源）5的負極通過導線與鉑片3連接，工作時，電流源的正負極通過腐蝕液形成電流迴路。3、選用類型為P100、電阻率為0.01Ω.cm的矽片2作為電化學腐蝕的陽極，圓形薄鉑片3作為電化學腐蝕的陰極；矽片2和圓形薄鉑片3全部浸沒在電解腐蝕液中進行電腐蝕，腐蝕時間為5min，電解腐蝕液是按氫氟酸：無水乙醇和去離子水以體積比為1:1:2配製的。4、為了研究問題的方便，我們選擇了兩組實驗，其實驗參數和對應的數據如下：編號腐蝕電流（mA/cm2）腐蝕時間(Min)多孔度多孔矽厚度(μm)⑴5551%~1.70⑵10553%~3.105、根據相關文獻並結合上述的實驗條件，得到所形成的兩片多孔矽膜的多孔度分別約為51%、53%，厚度大約分別為1.70μm、3.10μm；6、製備完畢後，使用去離子水衝洗，最後在空氣中乾燥；7、多孔矽樣品通過反射譜、光致發光譜和SEM進行分析研究；8、檢驗合格後即為成品。實施例二本發明的這種提高多孔矽徑向物理微結構均勻性的新方法，具體包括如下步驟（如圖1-圖4所示）：1、將聚四氟乙烯材質的腐蝕槽1外繞著線圈4，線圈4連接交流電源6，給線圈4通入交流電。螺線管狀線圈4中的電流隨時間做線性變化（=常數）時，其內部的磁感應強度(近似無限長螺線管)也隨時間作線性變化，管內的感生電場(r是離線圈內部中軸線的距離）是沿軸向以線圈內部中軸線為圓心的一系列同心圓、且其方向與徑向方向垂直而其大小與半徑r成正比。螺線管狀線圈4的參數為：腐蝕槽1的外徑D為60毫米，線圈4的直徑W為1毫米，間距s為0.1毫米，圈數n為182，螺旋管狀線圈4的長度H為200.2毫米，所得的電感量L為0.517mH，螺線管狀線圈4中所加電流I為三角波，幅度為1A，頻率為25KHz。2、連接好電路：即在腐蝕槽1內放有腐蝕液，在腐蝕槽1內的一端設有矽片2，在腐蝕槽1內的另一端設有鉑片3，矽片2和鉑片3浸泡在腐蝕液中，在腐蝕槽1外設有腐蝕電源（恆流源）5；腐蝕電源（恆流源）5是通過TekVisaAFG3101任意波形發生器產生的，該腐蝕電源（恆流源）5的正極通過導線與矽片2連接，腐蝕電源（恆流源）5的負極通過導線與鉑片3連接，工作時，電流源的正負極通過腐蝕液形成電流迴路。3、選用類型為P100、電阻率為0.01Ω.cm的矽片2作為電化學腐蝕的陽極，圓形薄鉑片3作為電化學腐蝕的陰極；矽片2和圓形薄鉑片3全部浸沒在電解腐蝕液中進行電腐蝕，腐蝕時間為3min，電解腐蝕液是按氫氟酸：無水乙醇和去離子水以體積比為1:1:2配製的。4、為了研究問題的方便，我們選擇了兩組實驗，其實驗參數和對應的數據如下：編號腐蝕電流（mA/cm2）腐蝕時間(Min)多孔度多孔矽厚度(μm)⑴15353%~3.10⑵20357%~3.505、根據相關文獻並結合上述實驗條件，得到所形成的兩片多孔矽膜多孔度分別約為53%、57%，厚度大約分別為3.10μm、3.50μm；6、製備完畢後，使用去離子水衝洗，最後在空氣中乾燥；7、多孔矽樣品通過反射譜、光致發光譜和SEM進行分析研究；8、檢驗合格後即為成品。當前第1頁1 2 3