Herstellung von makroporösen Epitaxial-Quarz-Films auf Silizium durch Chemical Solution Deposition

Zusammenfassung

Es wird ein Protokoll für die Herstellung von piezoelektrischen makroporösen Epitaxieschichten aus Quarz auf Silizium durch Lösungschemie unter Verwendung von Tauchbeschichtung und thermischen Behandlungen an der Luft vorgestellt.

Zusammenfassung

Diese Arbeit beschreibt das detaillierte Protokoll zur Herstellung von piezoelektrischen makroporösen epitaktischen Quarzschichten auf Silizium(100)-Substraten. Hierbei handelt es sich um einen dreistufigen Prozess, der auf der Herstellung eines Sols in einer Eintopfsynthese basiert, gefolgt von der Abscheidung eines Gelfilms auf Si(100)-Substraten durch Verdampfungsinduzierte Selbstorganisation unter Verwendung der Tauchbeschichtungstechnik und endet mit einer thermischen Behandlung des Materials, um die Gelkristallisation und das Wachstum des Quarzfilms zu induzieren. Die Bildung eines Kieselgels beruht auf der Reaktion eines Tetraethylorthosilikats und Wasser, katalysiert durch HCl, in Ethanol. Die Lösung enthält jedoch zwei zusätzliche Komponenten, die für die Herstellung mesoporöser epitaktischer Quarzfilme aus diesen auf Si tauchbeschichteten Kieselgelen unerlässlich sind. Erdalkaliionen, wie Sr²⁺, wirken als Glasschmelzmittel, die die Kristallisation von Siliziumdioxid erleichtern und in Kombination mit Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) amphiphiler Matrize eine Phasentrennung bilden, die für die Makroporosität der Schichten verantwortlich ist. Die gute Übereinstimmung zwischen den Parametern der Quarz- und Siliziumzelle ist auch wesentlich für die Stabilisierung von Quarz gegenüber anderen SiO2-Polymorphen und ist die Ursache für das epitaktische Wachstum.

Einleitung

Wenn ein piezoelektrisches Material, wie α-Quarz mit einer Vorspannung abgegeben wird es einer mechanischen Verformung. Wenn dieses Material porös ist, können diese Volumenänderungen zu Poren Expansion oder Kontraktion führen, die Schaffung eines ansprechenden Systems ähnlich dem, was in lebenden biologischen Organellen zu beachten. ¹ verformbare poröse α-Quarz wurde unter Verwendung von ^Mikro, 2 produziert, aber diese Techniken noch nicht erzeugen 3D-Porenstrukturen, und der Porendurchmesser in der Größenordnung von mehreren hundert Nanometern. Kristallisation von strukturierten amorphen Kieselsäure durch inhomogene Keimbildung durch eine hohe Oberflächenenergien und architektonischen Verformung aufgrund der Vergröberung und Schmelzen verursacht behindert. Außerdem, da alle Formen von Siliciumdioxid sind auf äußerst stabile _SiO 4 Tetraeder-Netzwerke errichtet, die freie Energie der Bildung von amorphem Siliziumdioxid, α-Quarz und andere _{SiO2-Modifikationen} in einem weiten Bereich von Temperaturen, Makin nahezu gleich sindg es schwierig, α-Quarz als ein einziges Polymorphs aus der Kristallisation eines amorphen Kieselgel herzustellen. ³ ein weiterer Aspekt, schwieriger macht die kontrollierte Kristallisation von strukturierten amorphen Siliciumdioxids ist, dass Quarz stellt eine relativ langsame Keimbildungsgeschwindigkeit jedoch ein extrem schnelles Wachstum, zwischen 10-94 nm berichtet / sec. ^4,5 Langsame Keimbildung in Verbindung mit schnellem Wachstum neigt Kristalle viel größer als die ursprüngliche nanoporöse Struktur, wodurch das ursprüngliche Morphologie verloren zu erzeugen. Alkalimetalle, wie Na ^{+ und Li} +, verwendet worden, um α-Quarz kristallisieren, häufig in Kombination mit hydrothermaler Behandlung. ^5,6 Auch ein ^Ti 4+ / Ca ²⁺ Kombination wurde verwendet, um kugelförmige Teilchen von Siliciumdioxid in kristallisieren Quarz durch einen Weg der sanften Chemie unter Verwendung von Silizium-Alkoxide. ^{7 ist die} gesteuerte Kristallisation eines strukturierten amorpher Kieselsäure Film in Quarz blieb jedoch eine Herausforderung.

jüngster Strontium wurde gefunden, daß die Keimbildung und das Wachstum der kristallinen _SiO 2 bei Umgebungsdruck und relativ niedrigen Temperaturen zu katalysieren. ^8,9 Epitaxy, ergibt sich aus der guten Übereinstimmung zwischen α-Quarz und der <100> Silizium-Substrat, Herstellung von orientierten piezoelektrischen Dünnfilme. Verdampfen induzierten Selbstorganisation mesoporösen Siliciumdioxid Folien herzustellen wird seit 1999 ¹⁰ Diese Technik wurde untersucht und auf eine Vielzahl von Matrixmittel unter verschiedenen Bedingungen angelegt, um Poren von variablen Größen und Mesophasen herzustellen. Es wurde gefunden, daß subnanometric Veränderungen Mesoporengröße kann eine dramatische Auswirkung auf solute Diffusion durch poröse Systeme ¹¹ aufweisen, Validierung dieser große Aufmerksamkeit auf die Struktur Pore. Darüber hinaus kann die Zugänglichkeit zu der internen Kieselsäure Porensystem durch Steuern der mizellaren Phase der Vorlage erhalten werden. ¹²

Hier wird der Syntheseweg tKappe ermöglicht uneingeschränkte Kontrolle über die Dicke und die Porengröße aus amorphem Siliciumdioxid-Schichten unter Verwendung einer neuen Phasentrennung zeigten. ¹³ Diese Filme werden mit Sr (II) salze und kristallisiert, um a-Quarz bei 1000 ° C an der Luft bei Umgebungsdruck infiltriert. Die Porengröße zurückhaltbar mit diesen Kristallisationsprozess wird bestimmt, und die Wirkung der Wandstärke und der Filmdicke untersucht. Schließlich die Piezoelektrizität und die Verformbarkeit des Porensystems untersucht.

Protokoll

1. Herstellung des Sol

1. Es wird eine Lösung von vorhydrolysierter Tetraethylorthosilikat (TEOS) am Tag vor der Herstellung der Gel-Filme in einer Abzugshaube, in dem eine Laborwaage und einem Magnetrührer platziert werden. In diesem Schritt und in der Protokolllaborkittel, Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen.
   1. In einem 50 ml Becherglas mit einem Teflon beschichteten Magnetrührstab wiegt 1,68 g CTAB, fügen 48,13 ml Ethanol und 3,00 ml HCl 35%, decken das Becherglas mit einem Uhrglas und rühren, bis die CTAB vollständig gelöst ist.
   2. In 7,37 ml TEOS zu dem Becherglas tropfenweise (mit einer Geschwindigkeit von ca. 1-2 Tropfen pro Sekunde) unter Rühren, decken Sie den Kolben, der mit einem Uhrglas und lassen Sie es rühren O / N.
2. Am nächsten Tag, bereiten eine 1 M wässrige Lösung von ^Sr 2+. Führen Sie dieses und die folgenden Schritte kurz vor der Herstellung der Gel-Filme, weil eine gealterte Lösung ist anfällig für Re-Fällung des Sr-Salz.
   1. Wiegen 6.6654 g SrCl ₂ · 6H _{2 O} in einen 25 ml-Meßkolben.
   2. In hochreinem Wasser (zB Milli-Q) bis zu 25 ml (Meniskus Tangente an den Kolben Marke) und den Kolben mit einer Kunststoffkappe und der Kolben, um das Strontiumchlorid aufzulösen schütteln.
3. 2 ml der 1 M wässrigen Lösung von ^Sr 2+ zu dem 50 ml Becherglas mit dem Sol, das übrig war Rühren O / N. Rühren Sie die Lösung für 25 min.
4. Entsorgen Sie die Rückstände, die schließlich nach den Sicherheits- und Umweltschutz-Protokolle aus dem Labor erzeugt wurden.

2. Gel-Film Deposition on Si (100) Substrate

1. Herstellung der Substrate
   1. Geschnitten Si Platten von etwa 2 cm bis 5 cm aus einem 2-Zoll-p-leitenden (100) Siliziumwafer mit einer Dicke von 200 um durch Spalten des Wafers in einer Richtung parallel oder senkrecht zu der Scheibenfläche unter Verwendung einer Diamantspitze oder ein scharfkantigen Gegenstand. Führen Sie diesen Schritt in Ad-Vance, zum Beispiel am Tag vor der Aufbringung der Gel-Filme.
   2. Kurz vor der Abscheidung der Gele, reinigen Sie die Substrate mit Ethanol und trocknen lassen oder mit einem Stickstoffstrom oder Druckluft, um das Trocknen zu beschleunigen. Dieser Schritt beim Warten auf den Abschluß des Schritts 1.3.
2. Coat die Filme. Um eine homogene Makroporenstruktur zu erhalten führen Sie diesen Schritt unter den Bedingungen einer relativen Luftfeuchtigkeit zwischen 20% und 55% bei RT.
   1. Stellen Sie eine Tauchbeschichtungsfolge. Wählen der ersten und letzten Positionen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Länge des Si-Platte und die Höhe der Lösung in dem Becher, so daß die Platte wenigstens 2 cm oberhalb der Lösungspegel in der Startposition und 1 cm über dem Boden des Becherglas am Ende des Tauch. Stellen Sie sowohl die Immersion und Abzugsgeschwindigkeiten bis 150 mm / min. Stellen Sie die Tauchzeit (Zeit in der Endposition) auf Null.
   2. Nach Abschluss von Schritt 1.3 wird das Becherglas mit dem sosung in einer gut zentrierten Position unterhalb des Si Bramme aus dem Tauchbeschichtungsvorrichtung Arm hängt.
   3. Fix eine Ende des Si Platte mit dem Tauchbeschichtungsvorrichtung Arm mit der Klammer, wodurch die Platte möglichst senkrecht in Bezug auf die Horizontale.
   4. Führen Sie den Tauchbeschichtungssequenz und ausclipsen Si Bramme aus dem Tauchbeschichtungsvorrichtung Arm. Wiederholen Sie die Schritte 2.2.3 und 2.2.4 mit zusätzlichen Si Platten, mehr Filme zu produzieren, kümmert sich nicht um diese Präparate über 1 Stunde zu verlängern, um sicherzustellen, dass die Stabilität der Lösung nicht beeinträchtigt wird.
3. Entsorgen Sie die Lösungen, die schließlich nach den Sicherheits- und Umweltschutz-Protokolle aus dem Labor erzeugt wurden.

3. Gelfilm Kristallisation durch Wärmebehandlung

1. Thermische Behandlung der Gel-Filme auf Si (100).
   1. Von RT bei 3 ° C / min Erhitzen auf 1.000 ° C, Halten bei 1.000 °: Programm einen Ofen, um die folgende Wärmebehandlung in Luftatmosphäre durchführenC für 5 Stunden und Abkühlen auf RT bei 3 ° C / min.
   2. Platzieren Sie die tauchbeschichtet Si-Substraten in einem Schiffchen aus Aluminiumoxid, führen sie in den Ofen und Ausführen der Wärmebehandlung.
2. Reinigung der kristallisierten Filme.
   1. Tauchen Sie die kristallisierte Filme für 3 Stunden in konzentrierter _HNO 3, um die Ansammlungen von ^Sr 2+, die während der Kristallisation zu der Filmoberfläche ausgestoßen worden sind, zu entfernen, und dann Spülen der Filme zunächst mit entionisiertem Wasser und dann mit Ethanol.

Ergebnisse

Das Fortschreiten der Materialsynthese wurde durch Überwachung verschiedener Aspekte gesteuert. Nach dem Tauchbeschichtungsverfahren kann man den Aspekt der Filme, den eventuellen Auftreten von Beugungsstrukturen in dem reflektierten Fleck eines grünen Lasers und der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) in Rückstreuelektronen-Modus (1A-B) zu beobachten. Nach dem Kristallisationsverfahren ist es wichtig, die Rasterkraftmikroskopie (AFM) topografische Bilder (1C)

Diskussion

Das vorgestellte Verfahren ist ein Bottom-up-Ansatz für makroporöse Quarzfilme auf Si zu erzeugen. Im Vergleich zu dem Standardverfahren der Herstellung von Quarz-Folien, eine Top-Down-Technik auf das Schneiden und Polieren von großen hydrothermisch gezüchtete Kristalle, die in dem Protokoll beschriebene Verfahren erlaubt den Erhalt viel dünnere Folien mit Dicken zwischen 150 und 450 nm, die mit der gesteuert werden kann auf der Basis Entnahmeleistung. Alle experimentellen Einzelheiten in Bezug auf die Kontrolle der Qua...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Tauchbeschichtungsanlage	Nadetech	ND-DC 11/150
Ofen	Nabertherm	R 50/250/12
Rasterkraftmikroskop	Agilent	5500 LS
Silizium Wafer	SHE Europe Ltd.
SrCl2· 6H2O	Aldrich	13909
CTAB	Aldrich	H5582
Ethanol Absolut	Aldrich	161086
HCl 35%ige Lösung	PanReac	721019
TEOS	Aldrich	131903