Nanostrukturierung von Silizium durch metallinduziertes Nassätzen

Abstract

Metallinduziertes chemisches Nassätzen ist ein neues Top-down-Verfahren, das eine kontrollierte und präzise Herstellung solcher Si-basierten Nanodrahtstrukturen ermöglicht. In einer typischen metallinduzierten Ätzprozedur wird ein Si-Substrat mit einer lithographisch erzeugten Metall-Lochmaske maskiert und anschließend in einem fluoridhaltigen Ätzbad (Flusssäure (HF) und einem Oxidationsmittel) nasschemisch geätzt. Dabei werden die Bereiche des Si-Substrates unterhalb des Metallfilms geätzt; Metall unbedeckte Bereiche hingegen bleiben stehen, so dass sich ein Array aus Nanodrähten bildet. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verfahren des metallinduzierten Ätzens zur Herstellung von Si-Nanodrähten zu entwickeln und zu optimieren, so dass großflächig, homogene Nanodrahtarrays mit zuverlässig kontrollierbarer Morphologie und physikalischen Eigenschaften wie Kristallorientierung, Gitterspannung und Größe erzeugt werden können. Im Rahmen dieser Arbeit werden dazu verschiedene Methoden zur Herstellung von geordneten, möglichst dünnen Nanodrähten mit Durchmessern unter 50 nm entwickelt, die alternative Lithographiemethoden (z.B. kolloidale Lithographie oder Verwendung von Aluminiumoxidtemplaten) und metallinduziertes Ätzen kombinieren. Neben der Herstellung von kontrollierbaren Nanodrahtarrays liegt ein besonderes Augenmerk dieser Arbeit darin, den zugrundeliegenden Ätzmechanismus, der bislang noch unverstanden ist, zu klären. Bisher anerkannt ist, dass die Ätzung auf einer Redoxreaktion, in der das Metall die Reduktion des Oxidationsmittels (typischerweise H2O2) katalysiert, in der die für die Oxidation und anschließende Auflösung des Siliziums durch HF notwendigen Löcher bereit gestellt werden, beruht. Der Ablauf des dazu erforderlichen Ladungs- und Massentransportes unterhalb des lateral ausgedehnten Metallkatalysatorfilmes ist dabei eine der offenen Fragen, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit geklärt werden. Deshalb wurden im Rahmen Experimente zur Aufklärung des Ätzmechanismus bei bestimmten Strukturgeometrien und Ätzregimen sowie eine Vielzahl von analytischen Untersuchungsmethoden (z.B. Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionsmikroskopie, Röntgenbeugung, Photolumineszenzmessungen, Positronenannihilationsmessungen) durchgeführt. Die Experimente und ergänzenden Untersuchungen konnten zu einem qualitativen Modell zusammengefasst werden.