DE10011253A1

DE10011253A1 - Kontrollierte Porenätzung in Halbleitern

Info

Publication number: DE10011253A1
Application number: DE10011253A
Authority: DE
Inventors: Juergen Carstensen; Helmut Foell; Marc Christophersen; Gunther Hasse
Original assignee: Individual
Current assignee: CHRISTIAN-ALBRECHTS-UNIVERSITAET ZU KIEL, 24118 KIE
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2001-09-13

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Optimierung und insbesondere Steuerung von elektrochemischen Systemen die zur Ätzung von Poren in Halbleitern, insbesondere Silizium, verwendet werden. Die beschriebene Vorrichtung erlaubt die gewünschten Geometrien und Morphologien von Poren gezielt einzustellen und im Verlauf der Ätzung zu steuern. Die Vor richtung ist gekennzeichnet durch

- Einstellung der primären Ätzparameter nach der Lehre der Erfindung.
- Überlagerung eines Steuersignals mit einer Form und Frequenz nach der Lehre der Erfin dung.
- In-situ Messung von geeigneten Größen und Verwendung der in-situ Messungen zur Mo difikation der primären Ätzparameter und des Steuersignals.

Stand der Technik

1990 wurde erstmals eine Methode beschrieben, um sogenannt Makroporen, d. h. Poren mit Durchmessern in µm Bereich und Tiefen von mehreren 100 µm in n-Typ Silizium zu ätzen [1]. Im Laufe der nächsten Jahre wurde diese Technik erweitert auf die Ätzung von Poren mit Durchmessern, die von 1 nm bis zu einigen 10 µm reichen; wobei sowohl n-Typ als auch p- Typ Silizium zum Einsatz kam. Bedingt durch die hohe potentielle technologische Bedeutung sind einige 1000 Veröffentlichungen dazu erschienen; Zusammenfassungen finden sich in [2- 5].

Weiterhin existieren einige Patentanmeldungen, die sich mit der Ätzung von Poren in Si beschäftigen, z. B. a)-d).

In den letzten Jahren konnte weiterhin gezeigt werden, daß in vielen andern Halbleitern, insbesondere den technisch wichtigen III-V Verbindungshalbleitern wie GaAs, GaP, InP, InSb, aber auch in SiC, Poren mit elektrochemischen Verfahren geätzt werden können.

In allen Fällen hat sich aber gezeigt, daß die Geometrie und Morphologie der machbaren Poren oft nicht den technischen Anforderungen entspricht. So ist es z. B. bisher nicht möglich, Makroporen mit Durchmessern deutlich kleiner als 1 µm zu erreichen, oder, im Falle von Pro ben mit durch Masken (z. B. Si₃N₄) geschützten Oberflächenbereichen, Poren in freiliegenden Bereichen ohne Unterätzung der Maske zu erreichen. Weiterhin hat es sich als sehr schwierig bis unmöglich erwiesen, den Durchmesser der Poren als Funktion der Tiefe in gezielter Weise zu variieren [6]. Obwohl inzwischen eine große Zahl an Elektrolytsystemen auf anorganischer und organischer Basis erprobt wurde, ist der Stand der Technik durchgehend wenig befriedi gend. Die Gründe dafür liegen im wesentlichen im Fehlen einer brauchbaren Theorie der Po renätzung und der dadurch bedingten rein empirischen Vorgehensweise.

Bild 1 illustriert einige der bisherigen Probleme.

Aufgabe der Erfindung

In der technischen Praxis ist meist vorgegeben, welche Porengeometrien bei welcher Morphologie gewünscht werden. Beispiele sind:

- Poren mit konstantem Durchmesser im µm- und subµm Bereich und hohen Aspektver hältnissen in vorgegebener geometrischer Anordnung zur Erzeugung von photonischen Kristallen; vorzugsweise in III-V Halbleitern.
- Poren mit Durchmessern, die als Funktion der Tiefe nach einer vorgegebenen Funktion (z. B. Sinus oder Sägezahn) variieren.
- Poren mit sehr kleinen Durchmessern (um 100 nm) in p-Si Substraten mit nicht zu hoher Dotierung und mit vorgegebener Geometrie.
- Poren, die von einem gegeben Punkt der Oberfläche in mehrere, kristallographisch vor gegebene Richtungen laufen mit möglichst konstanten Durchmessern und sehr homoge nem Wachstum in die Tiefe.

Sehr viel mehr Beispiele könnten angeführt werden, keines dieser technisch bedeutsamen Probleme wurde bisher gelöst.

Lösung der Aufgabe der Erfindung

Die Erfindung löst viele der bekannten Probleme; sie beruht auf einer neuen Sichtweise (Theorie) der elektrochemischen Ätzung von Halbleitern. Sie kombiniert drei Komponenten zur Optimierung elektrochemischer Systeme zur Porenätzung. Diese Komponenten sind

- Optimierung des Elektrolyten nach einfachen Regeln.
- Steuerung des Ätzvorgangs durch ein den Parametern des Systems überlagertes Steuersi gnal.
- In-situ Erfassung von Parametern des Systems, die zur Steuerung des Ablaufes der Ät zung verwendet werden können.

Diese drei Komponenten können einzeln oder in Kombination Anwendung finden; sie werden im folgenden beschrieben

Grundlagen der Erfindung

Die Erfindung beruht auf der Nutzbarmachung einer völlig neuartigen Sichtweise des strom durchflossenen Halbleiter-Elektrolyt Kontaktes, aufbauend auf einer Theorie der Stromos zillationen der Si-Elektrode [7, 8]. Im Gegensatz zur vorherrschenden Meinung, die den Stromfluß durch die Elektrolytgrenzfläche als zeitlich und räumlich stationär betrachtet, po stuliert die neue Theorie Stromfluß durch kurze Strompulse, die grundsätzlich stochastischer Natur sind. Das Ergebnis einer elektrochemischen Ätzung ist dann eine unmittelbare Folge von nur zwei prinzipiell unabhängigen Vorgängen:

1. Abläufe in einem Strompuls.
2. Zeit und Ort der Nukleation eines Strompulses.

Das Ergebnis eines Ätzprozesses ist durch die Mittelwertbildung über die insgesamt stattge fundenen Strompulse eindeutig bestimmt. Die wesentlichen für die Erfindung wichtigen Ei genschaften eines Stromimpulses sind:

1. Ladungstransfer vom Si in den Elektrolyten verbunden mit einer direkten Auflösung des Siliziums [9]. Dieser Vorgang ist stark anisotrop, mit einer durch die Kristallographie des Materials vorgegebenen Richtung; in Si ist dies beispielsweise die <100< Richtung. Ent scheidend sind die Bindungsverhältnisse an der Grenzfläche; schwache oder geschwächte Bindungen werden leicht angegriffen. Damit reagiert dieser Teil auch empfindlich auf mechanische Verspannungen des Kristallgitters. Falls dieser Prozeß stark dominiert, wer den fraktal verzweigte Poren generiert (die gelegentlich auch als "dendritische Poren" [10], "Durchschlagsporen" [11] oder Mesoporen [3] bezeichnet) werden).
2. Ladungstransfer vom Si in den Elektrolyten verbunden mit einer Oxidation des Si. Dieser Prozeß ist eher isotrop; er würde für sich genommen keine Poren erzeugen. Als Folgepro zeß nach der direkten Auflösung überführt er die fraktale Struktur des Vorprozesse in ei ne glatte Struktur.
3. Rein chemische Auflösung des Oxids. Dieser Prozeß dauert sehr viel länger als die Pro zesse 1., 2. und 4. Er bestimmt eine für jedes System charakteristische Zeitkonstante τ, da ein neuer Strompuls nicht vor (oder allenfalls kurz vor) dem Ende der Oxidauflösung ge zündet werden kann. Dies ist von großer Wichtigkeit für die Lehre der Erfindung.
4. Bedeckung der freien Si Oberfläche mit Wasserstoff; damit verbunden eine Passivierung der Oberfläche. Die Geschwindigkeit dieses Prozesses hängt von der Kristallographie ab; bei Si läuft er auf {111} Oberflächen z. B. viel schneller ab als auf {100} Oberflächen.
5. Nukleation eines neuen Strompulses.

Die einzige in diesem Zusammenhang wichtige Eigenschaft der Nukleation ist:

1. Die Wahrscheinlichkeit zur Nukleation eines neuen Strompulses wird wesentlich durch den Grad der Wasserstoffpassivierung an der betrachteten Stelle bestimmt; die Wahr scheinlichkeit nimmt mit zunehmender Passivierung ab. Sie ist damit anisotrop (z. B. in Si auf {100} Oberflächen sehr viel wahrscheinlicher als auf {111} Oberflächen).

Porenbildung kann damit grundsätzlich als eine Korrelation der Nukleationswahrscheinlich keiten von Strompulsen im Raum verstanden werden die durch eine Wechselwirkung von Stromimpulsen in der Zeit entsteht. Die Größe und Morphologie der Poren wird durch zwei wesentliche Faktoren bestimmt:

1. Die Größe der im System vorliegenden Längenskalen. Die wichtigste und neue Län genskala wird nach der Lehre der Erfindung durch die oben genannte charakteristische Zeitkonstante des Systems bestimmt; sie ist gegeben durch die für das System typische Ätztiefe die in der Zeit τ erreicht werden kann und die zumindest in ausreichender Nähe rung durch bekannte Beziehungen der Elektrochemie errechnet werden kann. Andere, be reits bekannte Längenskalen sind beispielsweise:
- - Die Ausdehnung der Raumladungszone in dem entsprechenden Halbleiter [1].
- - Die Ausdehnung der Helmholtzschicht auf der Elektrolytseite.
- - Diffusionslängen [2] und typische Größen von Konzentrationsgradienten der Löcher und Elektronen in den Halbleitern
- - Quantendrahteffekte [12]
  Glatte unverzweigte Poren werden z. B. erhalten, wenn die für das System wesentlichen Längenskalen die selbe Größenordnung im Bereich der gewünschten Porendurchmesser haben.
2. Das Verhältnis der beiden ladungstransferierenden Prozesse. Bei Dominanz der direkten Auflösung besteht eine Tendenz zu anisotropen, stark verzweigten Poren, bei Dominanz der Oxidation entstehen glatte Poren mit wenig ausgeprägter Vorzugsrichtung.

Die Erfindung lehrt, daß diese Größen durch geeignete Wahl der Parameter in gewissen Grenzen einstellbar sind.

Erste Komponente der Erfindung: Optimierung des Grundsystems

Aus dem bisher gesagten wird deutlich, daß das System, bestehend aus Halbleiter und Elektrolyt sowie den extern wählbaren und variablen Größen Spannung, Strom, Beleuchtung und Temperatur, für die jeweilige Aufgabenstellung optimiert werden kann. Dabei sind aber nicht immer alle Parameter frei wählbar; der Typus des zu verwendenden Halbleiters und sei ne Dotierung sind beispielsweise häufig festgelegt. Aus den bisherigen Ausführung folgen einfache Grundregeln zur Auswahl von Systemkomponenten die im folgenden aufgelistet werden

1. Optimierung der Längenskalen

Zu beachten ist die intrinsische Zeitkonstante τ und die damit verbundene intrinsische Länge l₀. Sie kann nach den bekannten Regeln der Kinetik der Oxidauflösung leicht abgeschätzt werden. Für Makroporen ist die Größe der Raumla dungszone besonders wichtig, sie ergibt sich aus den bekannten Beziehungen der Halb leiterphysik. Im Regelfall ist es günstig, die Größe der Helmholtzschicht sehr viel kleiner zu wählen; dabei ist in erster Linie die Leitfähigkeit des Elektrolyten nach bekannten Formeln der Elektrochemie zu beachten. Die verfügbaren Variablen sind die Dotierung des Halbleiters, die aktive Konzentration an fluorhaltigen Verbindungen (in der Regel Flußsäure, HF), die Temperatur und die Elektrolytleitfähigkeit, die z. B. durch bekannte Leitsalzsysteme stark manipuliert werden kann. Bei der Vielzahl der möglichen Kombi nationen ist es nicht sinnvoll konkrete Beispiele zu geben. Die Systematik des Vorgehens nach der Lehre der Erfindung wird jedoch jedem mit Halbleiterelektrochemie vertrauten Experten sofort verständlich sein.

2. Optimierung des Verhältnisses von direkter Auflösung zu Oxidation

Für ein gegebenes System läßt sich nach dem bisher ausgeführten durch Analyse der erhaltenen Porenmor phologie sofort schließen, welche Komponente überwiegt. Das System wird optimiert, in dem man die schwächere Komponente stärkt oder die dominierende Komponente schwächt oder beides durchführt. Die Erfindung lehrt dazu folgendes:

Stärkung der Oxidation

- Zugabe von bekannten Oxidationsmitteln, z. B. H₂O₂, CrO₃, Essigsäure, KOH- Lösungen, NaOH-Lösungen, Chromsäure, Salpetersäure, K₂Cr₂O₇, Cu(No₃)₂, TMAH (Teramethylammonium hydroxide)
- Erhöhung der Konzentration der Löcher an der Grenzfläche (bei konst. Grenzflächen potential), z. B. durch geänderte Dotierung oder Beleuchtung von der Vorderseite.
- Erniedrigung des Grenzflächenpotentials.
- Verwendung wäßriger (statt organischer) Elektrolyte

Stärkung der direkten Auflösung

- Änderung der Passivierungskinetik durch Zugabe bekannter protonierender Chemika lien wie z. B. Säuren, Alkoholen, protisch wirkenden organischen Molekülen (z. B.: Diethyleneglycol), gasförmiger Wasserstoff, nasc. Wasserstoff, TMAH (Teramethy lammonium hydroxide), KOH-Lösungen, NaOH-Lösungen
- Reduzierung der Löcherkonzentration; insbesondere durch Dotierung und Beleuch tung von der Rückseite.
- Erhöhung des Grenzflächenpotentials.

3. Optimierung der Porennukleation

Da die Porenätzung im weitesten Sinne ein kinetischer Prozeß ist und sich damit weit weg vom jeweils optimalen lokalen Gleichgewicht bewe gen kann, kommt der Nukleation der Poren oft entscheidende Bedeutung zu. Beim der zeitigen Stand der Technik wird Porennukleation entweder durch Störungen der Oberflä che erzwungen (z. B. durch mit bekannten lithographischen Verfahren strukturierte Ätz grübchen [6]) oder durch empirisch ermittelte Rezepturen beeinflußt. Nach den obigen Ausführungen ist die Nukleation von Strompulsen die entscheidende Größe des Systems; die erstmalige Nukleation beim Einschalten des Systems unterscheidet sich nicht grund sätzlich von der fortlaufenden Nukleation während des Ätzvorgang selbst. Die Lehre der Erfindung läßt sich damit auch auf die Erstnukleation anwenden; sie geht über den Stand der Technik hinaus. Folgende Regeln werden gegeben

- Erhöhung des Ätzstroms und Ätzspannung (elektrische Feldstärke) zu Beginn der Ät zung.
- Erzeugung lokaler mechanische Spannungen, z. B. durch "verspannende Schichten" wie z. B. Nitridschichten, durch (lokale) Implantation geeigneter Elemente (z. B. Ge) oder durch andere in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik bekannte Verfah ren.

Diese Regeln sollen an Beispielen illustriert werden. Es ist allgemein bekannt, daß in hochdo tiertem n-Si (sog. n⁺-Si) in allen bisher untersuchten Systemen ausschließlich sog. Mesoporen [3] entstehen. Nach der Lehre der Erfindung dominiert damit die direkte Auflösung; um Ma kroporen zu erhalten muß die oxidative Komponente erhöht werden. Nach den aufgezeigten Regeln ist dies erreichbar, Bild 2 zeigt Beispiele. Die Wirkungsweise optimierter Nukleation wird in Bild 3 gezeigt.

Zweite Komponente der Erfindung: Steuerung des Grundsystems

Nach der Lehre der Erfindung kann die stochastische Natur der Grundprozesse zu einer Art Rauschen oder zum Chaos des Gesamtsystems führen, die sich in irregulären Porenmor phologien auswirkt. Dabei wird sich die im System dominierende Längenskala durchsetzen. Aus der Theorie und Praxis der kritischen Systeme ist allgemein bekannt, daß "chaotische" Systeme sich durch äußere Anregungen mit der für das System charakteristischen Frequenz in nicht-chaotisches Verhalten steuern lassen. Für das Halbleiter-Elektrolytsystem bedeutet das nach der Lehre der Erfindung, daß irreguläre Porenmorphologien sich stark verbessern lassen, wenn dem System ein geeignete Anregung überlagert wird; dies wird als Synchronisation bezeichnet. Als Frequenz ist dabei eine Frequenz in der Nähe der Eigenfrequenz f = 1/τ zu wählen. Dies ermöglicht einen steuernden Eingriff mit dem sich die oben angesprochenen Probleme weitgehend lösen lassen. Ein Beispiel zeigt Bild 4. Dabei wurde zu Demonstrati onszwecken ein System gewählt, das zu extrem irregulären Poren neigt (Makroporen auf n- Silizium, die mit flußsäurehaltigem DMF unter Rückseitenbeleuchtung geätzt worden sind). Periodisch (mit einem Sinus Signal) variiert wurde in diesem Beispiel der Strom.

Es ist offenkundig, daß durch geeignete Steuerimpulse eine Synchronisation des Systems erreicht werden kann. Physikalisch gesprochen, wird durch die Steuerimpulse das "Zünden", d. h. die Nukleation der Stromimpulse, synchronisiert, so daß das System weitaus weniger Möglichkeiten hat, durch Zufallsprozesse Seitenporen zu bilden oder Richtungen zu ändern.

Es liegt in der Natur der Erfindung, daß die Systemsteuerung durch ein ganzes Spektrum an Maßnahmen durchgeführt werden kann. Neben der oben gezeigten periodischen Änderung des Stromes kann auch die Spannung oder die Beleuchtungsintensität periodisch variiert wer den; im Prinzip auch die Elektrolytzusammensetzung oder die Temperatur.

Ein impliziter Anspruch dieses Teils der Erfindung ist es auch, daß aus der aufgezeigten Frequenzabhängigkeit des Systems folgt, wie Porendurchmesser im Verlauf einer Ätzung beeinflußt werden können.

Dritte Komponente der Erfindung: In-situ Beobachtung des Systems

Ein intrinsischer Teil jeder Porenätzung ist die fortlaufende Änderung der Halbleiter- Elektrolyt Grenzfläche und damit der lokalen Parameter. Bei fest eingestellten äußeren Para metern folgt daraus, daß sich an der Grenzfläche selbst die Parameter kontinuierlich ändern; dies äußert sich in Änderungen der Porenmorphologie mit fortschreitender Tiefe. Ein erster Ansatz ist es, einen Parameter konstant zu regeln; z. B. den Strom durch kontinuierliche An passung der Spannung oder der Beleuchtungsintensität. Weitergehende Ansätze eliminieren Diffusionanteile der Kinetik [13], doch lassen sich auch damit keine konstanten oder gar op timierten Bedingungen an der Grenzfläche erreichen. Nach der Lehre der Erfindung wird in- situ eine die Grenzfläche charakterisierende Größe gemessen, als brauchbar hat sich der durch Impedanzmessungen erfaßbare Transferwiderstand der Grenzfläche erwiesen. Dazu wird der angelegten Spannung ein kleines Signal variabler Frequenz (oder ein Frequenzgemisch) überlagert; aus bekannten Methoden der Impedanzmeßtechnik und der Systemtheorie läßt sich der Transferwiderstand der Grenzfläche ermitteln.

Das System wird optimiert, indem zu jedem Zeitpunkt der Transferwiderstand R_t mini miert wird. Hierbei muß berücksichtigt werden, daß nach bekannten Formeln der Transferwi derstand von der Geometrie der Poren nach der Formel

verknüpft ist. Mit wachsender Zeit erhöht sich die Porentiefe l_Pore. Für optimales Poren wachstum liefert Bild 5 ein Beispiel: Nach Aufbrechen der H-Passivierung (Bereich I) be ginnt die Umorganisiation zum stabilen Porenwachstum (Bereich II); der anschließende linea re Bereich zeigt das Anwachsen der Porenlänge. Durch die Regelung soll nun nicht der Po rendurchmesser A_Pore verändert werden Diesem Sachverhalt wird Rechnung getragen, indem für potentiostatische Ätzungen die zu jedem Zeitpunkt der Porenätzung meß- bzw. berechen bare Funktion

mit Standardmethoden der Regelungstechnik minimal gehalten wird (I ist der aktuelle Strom). Der Wert von α kann für unterschiedliche Ätzparameter mit Standardmethoden der System analyse angepaßt werden. Für galvanostatische Experimente lautet die Kontroll-Funktion (U: aktuelle Spannung)

Statt des Potenzansatzes können auch andere monotone Funktionen wie exp(αI) in den Nenner der Kontroll-Funktion geschrieben werden, um z. B. ein sehr starkes Auftreten von Seitenporen zu unterdrücken.

Statt des Transferwiderstandes kann über die in-situ Impedanzanalyse auch der imaginäre Anteil der Kleinsignalantwort zur Kontrolle der Porenätzung genutzt werden. Diese liefert Informationen über die Kapazität der Elektrolytgrenzschickt und somit nach der bekannten Formel

Informationen über die effektive Oberfläche (Porösität). Diese wächst bei stabilem Porenwachstum linear mit der Porenlänge an. Bei Abweichung von diesem linearen Verhalten kann dies in Kombination mit der Transferwiderstandsmessung oder unabhängig nach bekannten Verfahren der Regelungstechnik zur Steuerung des Porenwachstums genutzt werden.

Bild 1

a) Stark verzweigte Poren mit nicht kontrollierbarer Morphologie.
b) Starke Unterätzung der maskierenden Nitridschicht (links oben).
c) Verzweigte Poren für photonische Kristalle mit zu unregelmäßiger Morphologie

Bild 2

a) Übliche Mesoporen
b) Makroporen erhalten mit einem HF/TMAH (Teramethylammonium hydroxide) Gemisch
c) Makroporen erhalten mit Gemisch aus wäßrigen Chromoxid-Salz (CrO₃) und HF

Bild 3

a) Erhöhte Nukleation im Spannungsfeld einer Nitridkante
b) Stark erhöhte Porenbildung bei Ausnutzung mechanischer Spannung (hier durch eine Nitrid Schicht erreicht) und optimierter Ätzung

Bild 4

a) f = 0 Hz (statisch), keine Synchronisation
b) f = 33 MHz, Synchronisation
c) Großdarstellung: Poren bei 0 Hz ohne Synchronisation
d) f = 16 MHz, keine Synchronisation
e) f = 8 MHz, keine Synchronisation
f) Großdarstellung: Poren bei mit Synchronisation durch Steuersignal mit f = 33 mHz und Amplitude = 40% des Grundstroms.

Bild 5

In-situ Messung des Realteils der Impedanz. Es sind die drei Bereiche des Aufbrechens der Wasserstoffterminierung, der Nukleation und des stabilen Porenwachstums (linearer Anstieg) klar voneinander trennbar. In dem zweiten Bereich optimiert das System seinen Transferwiderstand.

Literatur

[1] V. Lehmann und H. Föll: Formation Mechanism and Properties of Electrochemically Etched Trenches in n-Type Silicon. J. Electrochem. Soc., 137 (1990) p. 653
[2] R. L. Smith, S. F. Chung, S. D. Collins, J. Electron. Mater., 17, 533 (1988)
[3] V. Lehmann, R. Stengl, A. Luigart, Mat. Sci. Eng., B 69-70, 11 (2000)
[4] V. P. Parkhutik, in Porous Silicon, 1^st

. ed., Z. C. Feng und R. Tsu, Editors, p.301, World Scientitic, Singapore (1994)
[5] J.-N. Chazalviel, R. Wehrspohn, F. Ozanam, Mat. Sci. Eng., B 69-70, 1 (2000)
[6] V. Lehmann, U. Grüning, Thin Solid Films, 297, 13-17 (1997)
[7] J. Carstensen, R. Prange, G. S. Popkirov and H. Föll: A Model for current oscillations at the Si-HF-system based on a quantitative analysis of current transients. Appl. Phys. A 67-4 (1998) S. 459-467.
[8] J. Carstensen, R. Prange and H. Föll: A Model for Current-Voltage Oscillations at the Sili con Electrode and Comparison with Experimental Results. J. Electrochem. Soc., 146 (3), 1134-1140 (1999).
[9] S. Rönnebeck, S. Ottow, J. Carstensen, H. Föll, J. Electrochem. Soc. Lett., 2,126 (1999)
[10] T. Osaka, K. Ogasawara, S. Nakahara, J. Electrochem. Soc., 144, 3226 (1997)
[11] M. Hejjo Al Rifai, M. Christophersen, S. Ottow, J. Carstensen and H. Föll, J. Electro chem. Soc., 147, 627 (2000)
[12] V. Lehmann, U. Gösele, Adv. Mat., 4, 114 (1992)
[13] V. Lehmann, J. Electrochem. Soc., 140, 2836 (1993)

Patentanmeldungen

a) H. Föll, J. Grabmaier, V. Lehmann 83 E 1409 DE/83 P 1463/Juli 1983 Patentschrift DE 33 24 232 C2 Verfahren zum Herstellen von αus kristallinem Silizium bestehenden Körpern mit einer die Oberfläche vergrößernden Struktur, sowie deren Anwendung als Substrate für Solar zellen und Katalysatoren.
b) H. Föll, V. Lehmann 87 P 8040/Juni 1987 EP 0 296 348 B1 Ätzverfahren zum Erzeugen von Lochöffnungen oder Gräben in aus n-dotiertem Silizium bestehenden Schichten oder Substraten.
c) H. Föll, V. Lehmann 87 P 8067/Juli 1987 EP 0 301 290 B1 Schwarzer Strahler zum Einsatz als Emitter in eichbare Gassensoren und Verfahren zu seiner Herstellung.
d) H. Föll, V. Lehmann 89 P 1462/Februar 1989 EP 0 400 387 B1 Verfahren zum großflächigen elektrischen Kontaktieren eines Halbleiterkristallkörpers mit Hilfe von Elektrolyten.
e) U. Grüning, V. Lehmann Offenlegungschrift vom 23.1.97 DE 195 26 734 A1

Claims

1. Vorrichtung zum elektrochemischen Atzen von Poren aller Arten in Halbleitern, dadurch gekennzeichnet, daß

a) Die internen Längenskalen des Gesamtsystems in die für die anstehende Aufgabe geeigneten Größenordnungen gebracht werden,
b) Die Balance zwischen dem direkt auflösenden und dem oxidierenden Teil des Stroms optimiert wird
c) Die Nukleation der Poren optimiert wird
d) Das System durch ein geeignet gewähltes Steuersignal im Frequenzbereich der internen Systemfrequenzen synchronisiert und stabilisiert wird, und
e) In-situ Messungen des Transferwiderstands zur kontinuierlichen Feinsteuerung verwendet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß nur einer, oder beliebige Kombinationen der genannten Punkt a)-e) verwendet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß es für die Porenätzung in Silizium verwendet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß es mit den chemisch bedingten und bekannten Modifikationen für andere Halbleiter, insbesondere GaAs, GaAlAs, GaP, GaN, InP, InSb, SiC verwendet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1a dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Oxidauflösungskinetik durch Änderungen der HF-Konzentration, durch Änderung der Viskosität des Elektrolyten, durch Einstellung des pH-Wertes oder der Temperatur vorgenommen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1a dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung der Längenskala durch Änderungen der Raumladungszonentiefe oder der Ausdehnung der Helmholtzschicht vorgenommen wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1b dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung des Elektrolyten durch Zugabe von oxidierenden oder protonierenden Zusätzen durchgeführt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1a dadurch gekennzeichnet, daß die Nukleation durch mechanische Spannungen begünstigt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß mechanische Spannungen durch lokales Aufbringen geeigneter Schichten (z. B. Si₃N₄), durch (lokale) Implantation geeigneter Elemente (z. B. Ge) oder durch andere in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik bekannte Verfahren erzeugt werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1d dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Steuersignals durch die Kinetik der Oxidauflösung bestimmt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1d dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Steuersignals durch die Kinetik der Wasserstoffpassivierung oder durch die Überlagerung anderer interner Kinetiken bestimmt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1d dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal allen externen Größen überlagert sein kann, insbesondere der Spannung, dem Strom und der Beleuchtungsintensität.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere externe Größen gleichzeitig moduliert werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation in jeder geeigneten Form vorgenommen werden kann, z. B. sinusförmig, rechteck- oder sägezahnförmig sowie durch kurze Impulse und Impulsfolgen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 10-12 dadurch gekennzeichnet, daß Poren in einem durch Steuersignale stabilisierten System durch zusätzliche Strommodulationen in ihren Durchmessern gesteuert werden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1e dadurch gekennzeichnet, daß in-situ Messungen des Transferwiderstands durch impedanzspektroskopische Verfahren durchgeführt werden und diese Messung benutzt werden um den Transferwiderstand zu minimieren.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verfahren insbesondere in der Nukleationsphase der Poren Verwendung findet.