陽極蝕刻之多孔性矽基材

入之電流轉換為電洞並傳至基材表面時可能分佈不均勻。另一方面，根據 Meek 對多孔性 矽的研究，將 HF 濃度減低可以提高孔隙密度，相對的孔隙尺寸也變小，本計畫中多孔性 矽的研究也朝向往低濃度 HF 的方向調整。圖 5.18(a)為於 24%HF 溶液中陽極蝕刻之 p-type Si 的表面型態，此處已可見到許多上下貫穿的孔洞，孔洞尺寸為 20 nm 至 150 nm，此試片 之孔洞比例比以 48%HF 溶液反應得到的高。Meek 對多孔性矽的研究中也指出以 n-type Si 為基材所做出的多孔性矽的孔隙度將會比 p-type Si 基材的高，因此我們於相同條件以 n-type Si 為基材進行陽極蝕刻，所得表面型態如讀 5.18(b)，表面有許多 10 nm 至 20 nm 大 小的孔洞，但由於孔洞尺寸小，因此整體孔隙度仍低。

圖 5.18. 於 24%HF 中陽極蝕刻(a)p-type Si 及(b)n-type Si 所形成之多孔矽之表面型態

於多孔性矽的技術中可以把孔隙密度與孔隙大小分為兩個步驟控制，以前述之電流密 度與與 HF 濃度搭配來控制孔隙度，再以 KOH 化學蝕刻擴大孔隙尺寸。圖 5.19 為以 24%HF 中陽極蝕刻 10 分鐘後，再取出試片改以 KOH 溶液浸泡後的 n-type Si 之表面型態，(a)圖中 可以見到除了隕石坑結構之外，試片實為佈滿約 20 nm 的小洞。而圖(b)為相同試片上另一 個區域的型態，表面除了小孔洞之外，還有密佈的奈米線狀物，其成因仍待探討，可能因 為反應系統中局部區域濃度差異，造成被 KOH 蝕刻的矽原子於另一個區域析出所致。

圖 5.19. 先於 24%HF 陽極蝕刻再以 KOH 溶液擴孔後之 n-type Si 於 2 個區域之表面型態

為了良好控制多孔性矽的孔隙度，計畫後期乃採用 n-type Si 為基材，於陽極處理中輔 以照射紫外線以控制 n-type Si 基材內產生之電洞濃度，使與 HF 均勻反應。圖 5.20 為以 16%HF，電流蜜度 130 mA/cm²以及紫外光照度 2.5 mW/cm²條件下陽極蝕刻 n-type Si 之表 面型態與截面型態，由表面觀察到的小孔隙約為 30 至 40 nm，但也有因為矽材料剝落而產 大於 500 nm 的大孔洞；由截面觀察可見到約 47 μm深度的均勻多孔矽層，其放大影像可 見到孔洞為垂直向下，並有局部分支往側面延伸。垂直於基材之孔洞肇因於蝕刻時的電場 方向造成電洞聚集與被導引效應，分支現象為過大電壓造成崩潰(breakdown)所致。

圖 5.20. 於 16%HF，130 mA/cm²，2.5 mW/cm²條件陽極蝕刻 n-type Si 之(a)(b)表面型態與 (c)(d)截面型態

圖 5.21. 於 12%HF，30 mA/cm²，2.5 mW/cm²條件陽極蝕刻 n-type Si 之(a)表面型態與(b) 截面型態

採用紫外光源輔助以得到均勻的蝕刻之後，進一步調降 HF 濃度以及電流密度，以避 免過度劇列反應，結果都能得到更小尺寸微結構。例如於圖 5.21 為使用 12%HF，30 mA/cm² 電流密度，2.5 mW/cm²紫外光照度條件之陽極蝕刻，n-type Si 基材表面形成的孔隙與矽之 微結構尺寸降低至約 15 nm，且為均勻分佈，其截面也可見均勻之微結構組成。