P型多孔硅规则阵列结构生长机理及快速电化学制备研究

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对单晶硅进行微加工得到的多孔硅是一种用途广泛的新型材料,它不仅具有优异的半导体特性,还因其较大的比表面积、优良的生物传感以及较高的深宽比等优异的性能在光电传感器、陀螺仪等硅微结构光电机电系统和生物医疗医学方面等领域占有重要地位。多孔硅规则阵列结构因其优异的各向异性和统一的规律一致性优异于普通随机多孔硅。本文对P型多孔硅规则阵列结构的制备、孔生长模型,快速制备以及各实验参数对P型多孔硅规则阵列结构的影响进行了系统性研究,揭示了腐蚀电流密度、HF浓度、电解质成分对P型多孔硅规则阵列结构孔成长过程的影响,探究了预刻蚀参数对P型多孔硅规则阵列结构的影响以及对其快速制备进行了系统研究。主要研究内容和创新点如下:首先,研究了P型多孔硅规则阵列结构的制备过程,探究了P型规则预刻蚀硅片的制备,选择和确认了预刻蚀硅片的制备过程中的掩膜材料、光刻参数及其预刻蚀初始形状。结果表明:选用电化学腐蚀的方法对P型规则预刻蚀硅片进行电化学腐蚀,成功制备出P型多孔硅规则阵列结构。选用光刻方法对单晶硅进行光刻来制备P型规则预刻蚀硅片,选用氮化硅作为光刻掩膜材料,采用倒金字塔形结构作为预刻蚀凹坑,确认了阵列凹坑初始孔径(1×1μm、1.5×1.5μm、2×2μm)和初始孔间距(2μm、3μm、4μm)。其次,研究了P型多孔硅规则阵列结构的初始成长过程,完善了P型多孔硅规则阵列结构的生长模型,揭示了电化学腐蚀参数对P型多孔硅规则阵列结构初始成长过程中的形貌和生长速率的影响。结果表明:在P型多孔硅规则阵列结构的初始生长过程中,可以分为三个阶段,分别为启动阶段、过渡阶段和成孔阶段。此外,研究了不同预刻蚀凹坑尺寸和初始孔间距对P型多孔硅规则阵列结构的形貌的影响。结果表明:不同预刻蚀参数对孔初始成长三阶段的持续时间影响较大,相同条件下不同预刻蚀硅片进入成孔阶段的时间不同。最后,研究了初始阵列为1.5×1.5μm时的P型多孔硅规则阵列结构的快速电化学腐蚀,系统的研究了腐蚀参数对P型多孔硅规则阵列结构的快速电化学腐蚀的影响和实验规律,并成功以高腐蚀速率制备出高深宽比的多孔硅规则阵列结构。本文对P型多孔硅规则阵列结构的制备方法和规则阵列预刻蚀硅片的制备过程进行了选择和确认,系统地研究了预刻蚀参数、腐蚀电流密度和HF浓度对P型多孔硅规则阵列结构的影响,探究了实验参数对P型多孔硅规则阵列结构的快速电化学腐蚀的作用和实验规律。为P型多孔硅规则阵列结构的研究和制备积累了实验数据和理论依据,补充了P型多孔硅规则阵列结构的系统性研究的空白,为其在传感器、医疗和微电子学领域的进一步应用奠定了基础。
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