CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.2. Quy trình thực nghiệm
2.2.1. Ăn mòn ướt dị hướng Si bằng dung dịch KOH
Nguyên lý của phương pháp ăn mòn dị hướng Si là tốc độ ăn mòn khác nhau theo các định hướng tinh thể khác nhau do các liên kết được hình thành ở các nguyên tử silic tại bề mặt. Theo đó, để oxi hóa hay hịa tan một nguyên tử trên bề mặt của một đế Si cần phải phá vỡ các liên kết ngược của các nguyên tử bề mặt với các nguyên tử bên dưới. Tính bền của liên kết ngược (được xác định bởi số lượng các liên kết ngược) càng lớn thì việc loại bỏ nguyên tử bề mặt càng khó. Số lượng các liên kết ngược của một nguyên tử Si trên bề mặt được xác định bởi định hướng tinh thể của bề mặt. Mỗi nguyên tử trên bề mặt của một đế (100) có hai liên kết ngược trong khi một nguyên tử trên bề mặt (110) hoặc (111) lại có ba liên kết ngược, mặt phẳng (111) có mật độ nguyên tử cao nhất và năng lượng bề mặt thấp nhất, lực liên kết mạnh hơn, khiến cho việc giải phóng electron ra khỏi mặt phẳng này trở nên khó khăn hơn. Do sự khác nhau về tính bền của các liên kết ngược, nguyên tử Si trên mặt phẳng (100) là dễ bị loại bỏ nhất, và do đó sự ăn mịn ướt Si sẽ xảy ra ưu tiên dọc theo hướng <100> [5,34].
Các nguyên tử bề mặt đế có định hướng <100> có hai liên kết ngược kết nối với hai nguyên tử silic và hai liên kết tự do có khả năng chịu phản ứng ái nhân với
23 gốc OH- như trong Hình 2.1a. Thơng qua sự kích thích nhiệt và khuếch tán các electron từ liên kết ngược vào vùng dẫn, năng lượng được sử dụng để phá vỡ các liên kết này và hình thành các phức hydroxit silic [34].
Hình 2. 1. Bề mặt và các liên kết tương ứng của ion hydroxide trong quá trình ăn
mịn ướt của silic có định hướng (a) (100), (b) (111) [34].
Đối với mặt phẳng định hướng (111) như được mơ tả trong Hình 2.1b, chỉ có một liên kết tự do tồn tại ở mỗi nguyên tử bề mặt, dẫn đến khó bị ăn mịn hơn so với mặt phẳng định hướng (100), như trong hình 2.6 a [34]. Do đó khi ăn mịn bằng dung dịch kiềm trên mặt phẳng (111) sẽ có tốc độ rất thấp so với các mặt phẳng khác, đặc biệt là mặt phẳng (100) (tỷ lệ của tốc độ ăn mòn giữa mặt phẳng (100) và (111) là 10∼35 lần). Sự phụ thuộc của tốc độ ăn mịn vào hướng tinh thể dẫn đến sự hình thành các cấu trúc hình tháp 4 mặt có mặt phẳng cơ sở (100) và các mặt (111) [8].
Một vấn đề trong quá trình tạo cấu trúc là việc hình thành các bong bóng H2 bám vào bề mặt đế làm tạo ra các hình tháp lớn và cấu trúc bề mặt đồng đều thấp (hình 2.2) [8]. Nhiều nghiên cứu báo cáo rằng thêm isopropyl alcohol (IPA) làm tăng độ ẩm của bề mặt silic và sau đó loại bỏ các bong bóng hydro bám dính trên bề mặt, dẫn đến sự gia tăng tính đồng nhất của các kim tự tháp ngẫu nhiên. Tác dụng khác của việc thêm IPA là nó làm giảm mạnh tốc độ ăn mịn của đế silic. Ngoài ra, một số nghiên cứu tập trung vào số lượng IPA đảm bảo cải thiện hình thái bề mặt trong q trình ăn mịn.
24
Hình 2. 2. Mặt cắt ngang của kết cấu hình tháp ngẫu nhiên [8].
Q trình ăn mịn của KOH thực hiện theo cơ chế, nước H2O trong dung dịch
KOH có hằng số điện mơi cao (khoảng 80) làm phân cực KOH thành các ion OH− và
K+. Sau đó silic bị oxy hóa bằng cách phản ứng với các ion OH− này ngay lập tức. Nếu nồng độ KOH tăng thì ion OH− ức chế và tốc độ phản ứng giảm. Khi nồng độ KOH thấp thì tốc độ phản ứng xảy ra nhanh sẽ làm mất tính ăn mịn dị hướng của silic sẽ tạo ra các hình tháp khơng đỉnh hoặc các hình dạng khác do tốc độ ăn mịn hai hướng là bằng nhau. Vì thế mà IPA được thêm vào làm giảm sự hình thành của các OH− do đó tốc độ ăn mịn chậm, điều này là do hằng số điện môi của IPA thấp (18). Tốc độ ăn mòn tăng lên khi tăng nhiệt độ KOH vì vậy khi chúng ta tăng nhiệt độ của dung dịch ăn mịn thì tốc độ ăn mịn cũng tăng. Q trình ăn mịn được thể hiện thông qua các phản ứng:
Đầu tiên ion OH−oxy hóa silic vào tạo thành silic hydride và 4 electron được đẩy ra từ nguyên tử Si.
Si + 2OH− → Si(H)22++ 4e− (2-1)
Đồng thời, nước bị giảm dẫn đến sự phát triển của H2. Silic tiếp tục phản ứng với các ion hydroxyl để tạo thành phức silic hịa tan đó là SiO2(OH)22−, đây là sản phẩm cuối cùng rất dễ hòa tan trong dung dịch vì vậy mà đế silic được ăn mịn.
Si + 2OH−+ 2H2O → SiO2(OH)22−+ 2H2 (2-2)