Silikon Üzerinde Yarı Silindirik Boşluklu Germanyum Epitaksiyel Tabakalarında Çıkığın Azaltılması için Teorik Hesaplama ve Deneysel Doğrulama

Düşük iş parçacıklı çıkık germanyum, yüksek performanslı silikon fotonik çipleri gerçekleştirmek için çok önemlidir. Germanyum-silikon arayüzündeki boşluklar, diş açma çıkık yoğunluğunu azaltmak için çıkık lavaboları olarak çalışır. Prosedürü göstermek, laboratuvarımdan bir yüksek lisans öğrencisi olan Muhammed Faiz olacak.

Başlamak için, ticari yazılım kullanarak çizgi ve boşluk desenleri ve kare şekilli silikon pencere alanları içeren bir tasarım dosyası hazırlayarak germanyum büyüme alanlarını tanımlayın. Ardından, pencere genişliğini ve maske genişliğini belirleyerek seçici bir epitaksiyel büyüme maskesi hazırlayın, dosyayı aç'a tıklayarak dikdörtgenler çizerken, ardından yapı, ve yazılımı kullanarak dikdörtgen veya çoklu çizgi seçeneği. Bir ila 100 ohm santimetre dirençli bor katkılı p-silikon substratları hazırlamak için, tüp fırının kapağını açın ve silikon substratları bir cam çubuk kullanarak fırına yükleyin.

Gaz vanasını açarak fırına kuru nitrojen gazı üflemeye başlayın. Ardından vanayı kontrol ederek gaz akış hızını dakikada 0,5 litreye ayarlayın. Programı değiştirerek tavlama sıcaklığını ayarlayın.

Sıcaklık 900 santigrat dereceye ulaştığında kuru nitrojen valfini kapatın. Kuru oksijen valfini açın ve iki saat boyunca tutun. Oksitlenmiş silikon alt tabakaları bir spin kaplayıcı kullanarak bir yüzey aktif madde ile kaplayın ve ardından sıcak bir plaka üzerinde 90 saniye boyunca 110 santigrat derecede pişirin.

Yüzey aktif madde kaplamasından sonra, silikon alt tabakaları daha önce gösterildiği gibi bir spin kaplayıcı kullanarak bir fotorezist ile kaplayın. Ve sonra sıcak bir tabakta beş dakika boyunca 180 santigrat derecede pişirin. Bir fotorezist geliştirici hazırladıktan ve geliştirici için bir taslak odasında duruladıktan sonra, açıkta kalan silikon alt tabakaları oda sıcaklığında 60 saniye boyunca geliştiriciye batırın.

Daha sonra geliştirilen silikon alt tabakaları 110 derecede 90 saniye pişirmek için sıcak bir tabağa koyun. Daha sonra, elektron ışınına maruz kalma ve gelişmenin bir sonucu olarak havaya maruz kalan silikon dioksit tabakalarının bir kısmını çıkarmak için silikon substratları bir dakika boyunca tamponlu bir hidroflorik aside batırın. Fotorezisti silikon alt tabakalardan çıkarmak için, 15 dakika boyunca organik bir fotorezist çıkarıcıya ve ardından pencere bölgelerindeki ince doğal oksidi çıkarmak, ancak silikon dioksit maskelerini korumak için dört dakika boyunca %0,5 seyreltilmiş hidroflorik aside daldırın.

Epitaksiyel germanyum büyümesi için, silikonu seçici epitaksiyel büyüme maskeleri ile bir yük kilitleme odasına yükleyin. İşlem bilgisayarında gösterilen Reçete sekmesinde tampon ana büyüme sıcaklığını ayarlayın. Seçici epitaksiyel büyüme germanyum katmanlarının bitişik olanlarla birleşmesi için germanyumun ana büyüme sürelerini belirledikten sonra, ana pencerede Başlat'a tıklayın ve silikon substrat otomatik olarak büyüme odasına aktarılır.

Silikon alt tabaka, büyüme odasından yük kilitleme odasına otomatik olarak aktarıldığından, yük kilit odasını boşaltın ve silikon alt tabakayı manuel olarak boşaltın. Aşındırma çukuru yoğunluğu ölçümleri için, ultrasonik bir temizleme makinesi kullanarak 32 miligram iyotu 67 mililitre asetik asit içinde çözün. İyotla çözünmüş asetik asidi 20 mililitre nitrik asit ve 10 mililitre hidroflorik asit ile karıştırın.

Germanyumda yetiştirilen silikon substratları, kazınmış çukurlar oluşturmak için beş ila yedi saniye boyunca asit kokteyli çözeltisine batırın. Kazınmış çukurların başarılı bir şekilde oluştuğundan emin olmak için kazınmış germanyum yüzeylerini optik mikroskopla gözlemleyin. Kazınmış çukurları saymak için, kazınmış germanyum örneğini bir AFM aşamasına koyun ve ardından otomatik yaklaştırmaya tıklayarak proba yaklaşın.

AFM ile entegre edilmiş bir optik mikroskop kullanarak gözlem alanına karar verin ve beş farklı 10'a 10 mikrometre alanı tarayın. 113 yönlü ve yuvarlak şekilli seçici epitaksiyel büyüme germanyumundan kaynaklanan birleşik germanyumda diş açma çıkık yoğunlukları hesaplanmış, bu da diş açma çıkık oluşumunun sadece arayüzlerde meydana geldiğini ve çıkık yoğunluğunun açıklık oranı ile azaltılması gerektiğini göstermiştir. Birleşmiş veya birleşmeyen germanyum katmanlarının SEM görüntüleri ve dağılım haritaları elde edilmiştir, bu da pencere genişliğinin bir mikrometreden küçük olduğu zaman birleşmenin gerçekleştiğini göstermektedir.

Birleştirilmiş ve örtü germanyumu için iplik açma çıkık yoğunluğu AFM tarafından incelenmiştir, bu da germanyum katmanlarının kalınlığının 700 santigrat derecede yetiştirilenler için azaldığını göstermektedir. Diş açma çıkığının yüzeyle etkileşimi, birleşmiş germanyum katmanlarının STEM ve TEM görüntüleri ile izlendi, bu da büyüme sırasında veya sonrasında enerjisini en aza indirmek için gerinim birikiminin yarı silindirik boşlukların tepesinde meydana geldiğini ve boşlukların yüzey altı katmanında gerinim gevşemesinin meydana geldiğini gösterdi. Birleşmiş ve örtülü bir germanyum tabakasının TEM görüntüleri, birleşmiş germanyumdaki kusur çizgilerinin uzunluğunun bir örtüdekilerden daha uzun olduğunu göstermektedir.

Eğim çıkıkları için yüksek diş açma çıkık yoğunluğuna sahip küçük bir alanın TEM görüntüleri elde edildi, bu da kırınım vektörü G değiştirildiğinde vida çıkığının kaybolduğunu gösteriyor. Karışık çıkık kaybolmazken, hangi kırınım vektörü G seçildiyse o oldu. Bu prosedürdeki en önemli protokol, litografi ile substrat desenlemesi ve ardından germanyum epitaksiyel büyümesidir.

Ve ne yazık ki, makine farkından dolayı, protokolü doğrudan gösteremiyoruz. Elektron ışını yazıcısı kullanmak yerine, i-line adımı da desenleme yapabilen ve farklı tipteki ikinci substrat üzerinde germanyum epitaksiyel üzerine uygulanabilen makinelerden biridir.