第三章 實驗架構
3.1 實驗樣品製作
3.1.1 多孔矽基板製作
我們選用 4 吋 p 型矽基板，CZ 方式成長，Si (100) 平面切割，電阻率 (resistivity,ρ)約 0.004Ω-cm。再將 4 吋矽晶圓分割成 1×1 cm2面積,並置入蝕刻模 具組。圖 3.1 為矽基板的蝕刻模具組示意圖。
放入 1×1 cm2矽基板於圖 3.1 左側的模組中，再將圖 3.1 右側的蓋子蓋上並鎖上 螺絲。此種設計方式主要確保矽基板的四周都在大圓形橡膠環及小圓形橡膠環之 間，完全阻隔電解溶液，使得電解溶液不會滲入矽基板與模具的空隙裡而造成漏 電流。我們設定的電流可以完全經由小 o-ring 裡的面積，接觸到矽基板形成多孔 矽，此面積約為 0.2827cm2。圖 3.2 是整個電化學陽極氧化反應製作多孔矽的設 備圖。矽基板與白金片的間距約 5 公分，電解溶液是以 49%的氫氟酸(HF)與純乙 醇(C2H5OH)以 1：1 比例混合而成。我們將矽基板接正極，白金片接負極，在混
大 o-ring 凹槽
小 o-ring
螺絲孔
大 o-ring
Si
圖 3.1 放入矽基板的蝕刻模具組
合的電解溶液中進行電化學陽極氧化反應。在反應過程裡，正極矽基板上會產生 氫氣(H2)，容易阻隔電流及電解液而影響整個蝕刻過程。因此我們利用磁石攪拌 電解溶液，藉著流動的電解溶液帶走矽基板上的氫氣，使電解液能接觸到矽基 板，電流也能夠順利通過矽基板形成多孔矽結構。
在此論文中，孔隙度及蝕刻深度的量測，學長採用了七種不同的電流密度約 10~120mA/cm2不等，每種電流密度蝕刻時間從 30 秒到 300 秒不等，參數詳見表 3.1。另外，用來量測拉曼的多孔矽條件，我們仍採用七種不同的電流密度從 10~120mA/cm2不等，但蝕刻時間皆固定為 300 秒，再經快速熱氧化，氣氛使用 O2 : N2 = 20% : 80%，溫度 1000℃持溫 30 秒及快速熱退火，氣氛使用 N2 : H2 = 95% : 5%(forming gas)，溫度 350℃持溫 60 秒，參數詳見表 3.2。
49%HF ： C2H5OH = 1 ：1 +
+
P-Si Pt Power Supply
圖 3.2 陽極氧化反應製作多孔矽設備圖 Temp. Rpm.
stirrer
樣品編號 電流密度(mA/cm2) 蝕刻時間(sec) P1 10
P2 20 P3 30 P4 40 P5 50 P6 80 P7 120
30、60、90、120、180、240、300 各 7 種不同時間
多孔矽製作 快速熱氧化 快速熱退火 樣品
編號 J(mA/cm2) 時間(sec) 溫度℃ 時間(sec) 溫度℃ 時間(sec) 1 10 300 1000 30 350 60 2 20 300 1000 30 350 60 3 30 300 1000 30 350 60 4 40 300 1000 30 350 60 5 50 300 1000 30 350 60 6 80 300 1000 30 350 60 7 120 300 1000 30 350 60
表 3.2 用來量測拉曼的多孔矽基板製作參數 表 3.1 用來量測孔隙度及蝕刻深度的多孔矽製作參數
3.1.2 摻雜鉺元素
我們利用電鍍的方式摻雜鉺元素，電鍍溶液是使用純度 99.99%的三氯化鉺 (ErCl3)粉末將其浸泡入乙醇(C2H5OH)溶液中形成飽和溶液。電鍍方式和製作多孔 矽的方式相反，此時要將製作好的多孔矽樣品接到負極，白金片接到正極，並保 持多孔矽和白金片的間距約 5 公分，在飽和的三氯化鉺溶液內進行電鍍鉺元素的 步驟。電鍍完的樣品，再以去離子水沖洗(DI water)數秒。電鍍鉺的電流密度皆 固定使用 35mA/cm2，電鍍時間皆為 300 秒。
3.1.3 快速熱氧化及快速熱退火 ( Rapid thermal oxidize, RTO and Rapid thermal annealing, RTA)
快速熱退火目的是使多孔矽內產生奈米矽晶體的析出。多孔矽電鍍完鉺元 素的樣品完成後，接下來要進行快速熱氧化的步驟。將樣品放入腔體內，氣氛使 用 O2 : N2 = 20% : 80% 的比例。升溫溫度約 30℃/sec ，設定 30 秒從室溫升到 1000℃，持溫時間 30 秒。之後緊接著進行快速熱退火步驟。快速熱退火的溫度 皆 350℃，持溫時間皆 60 秒，通入氣體為 H2 : N2 = 5%:95% (forming gas)。
快速熱氧化後必須立刻進行快速熱退火的步驟，此目的在於須把多孔矽內的不飽 和鍵(dangling bonds)利用氫鍵鈍化，使不飽和鍵及缺陷減少，使得電荷被缺陷捕 捉的數量減少，以增強鉺的發光強度。快速熱退火及快速熱氧化設備如圖 3.3，
各樣品參數詳見表 3.3。
多孔矽製作 摻雜鉺 快速熱氧化 快速熱退火 樣品
編號 J(mA/cm2) 時間(sec) J(mA/cm2) 時間(sec) 溫度℃ 時間(sec) 溫度℃ 時間(sec) 1-1 10 300 35 300 1000 30 350 60 2-1 20 300 35 300 1000 30 350 60 3-1 30 300 35 300 1000 30 350 60 4-1 40 300 35 300 1000 30 350 60 5-1 50 300 35 300 1000 30 350 60 6-1 80 300 35 300 1000 30 350 60 7-1 120 300 35 300 1000 30 350 60
Thermal coupler
PC
樣品 石墨載盤O2: N2 = 20%: 80% 或 H2 : N2 = 5%:95%
圖 3.3 快速熱氧化及快速熱退火設備圖
表 3.3 不同多孔矽製作及快速熱氧化參數表