Morfología de la superficie (100) de silicio bajo ataque químico húmedo

Abstract

El silicio es el semiconductor más ampliamente difundido y utilizado industrialmente. Constituye el material sobre el que se basa la industria electrónica. Especialmente, la superficie (100), la utilizada en los circuitos integrados, ha sido la más estudiada. Gracias a nuevas técnicas de observación, se dispone hoy de información sobre los diversos procesos que tienen lugar durante la deposición a nivel atómico y el rol que estos desempeñan en la micro- y nano-tecnología. Se ha prestado mucha menor atención a los procesos a nivel atómico que tienen lugar durante el ataque químico y la remoción de material en general, aunque estos procesos son tecnológicamente de gran relevancia. El ataque químico es básico en la tecnología de microsistemas (MST). En particular, el ataque químico anisótropo húmedo es una de las técnicas más empleadas en la fabricación de sistemas micro- y nano-electro-mecánicos (MEMS y NEMS) [1]. Lo promisorio de la MST radica en que se funda en la tecnología de circuitos integrados, ampliamente desarrollada. El silicio presenta propiedades mecánicas que lo hacen especialmente atractivo para el desarrollo de diversos dispositivos. En particular, la dureza del silicio es comparable a la del acero pero sin deformación plástica y sin histéresis mecánica. Aunque el ataque químico del silicio en soluciones de hidróxido de potasio ha sido exitosamente aplicado por décadas, algunos problemas fundamentales persisten. En particular, la aparición de micro-pirámides es un problema crucial que altera las propiedades de las estructuras resultantes y que ha mantenido a numerosos investigadores en constante controversia. Una pirámide es, en principio, inestable. En efecto, las formas protuberantes deberían ser atacadas más rápidamente y por lo tanto deberían desaparecer. Sin embargo, la formación de pirámides indica la presencia de algún fenómeno retardador del ataque químico en sus puntas. El estudio de la relación entre la morfología y los procesos que tienen lugar a nivel atómico ha sido uno de los objetivos fundamentales en ciencia de superficies. La aparición de estructuras con forma de pirámides, que no es lo esperable, ha llevado a postular varias hipótesis de distinto tenor. Todas ellas involucran el ataque químico anisótropo, con planos (111) muy fuertes. Sin embargo, esto no es suficiente para que aparezcan estructuras piramidales. Se requiere también la presencia de algún mecanismo que reduzca la velocidad del ataque químico en el tope de las pirámides. Se han propuesto diversas explicaciones para este fenómeno tales como el enmascaramiento de los vértices por la presencia de burbujas de hidrógeno o de partículas de algún producto de la reacción. Sin embargo, los mecanismos que dan lugar a estas pirámides continúan hoy, luego de años de estudios, siendo un tema de debate. Por otro lado, no existe consenso en cuanto a la secuencia de reacciones químicas que ocurren durante el ataque. Comprender la física y la química del proceso de remoción permanece como un paso crucial en el desarrollo de una fabricación controlada [2]. Nuestro aporte al tema se ha focalizado en determinar si los mecanismos propuestos podían dar lugar a las superficies observadas. Nos dedicamos tanto a realizar experimentos a fin de observar la dependencia de la morfología resultante ante los posibles parámetros de relevancia (concentración del hidróxido, temperatura, agitación mecánica, gases en disolución) como a proponer un modelo que representara la esencia del problema [3, 4]. En general, se desea evitar la formación de pirámides. Sin embargo, en la fabricación de celdas solares son deseables ya que su presencia mejora el rendimiento energético. En la Fig.1 vemos dos imágenes de 25 m x 16 m obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido de Si(100) luego del ataque con hidróxido de potasio. Las superficies fueron expuestas el tiempo suficiente para llegar a estado estacionario, en el sentido que mayor exposición no altera sus morfologías. En la Fig. 1a claramente se observa la formación de pirámides de muy variados tamaños, las mayores de alrededor de 3 m, distribuidas al azar sobre una superficie relativamente plana. En contraposición, en la Fig. 1b vemos una imagen de igual tamaño que la anterior pero preparada bajo distintas condiciones, en este caso una concentración de reactivo diferente. Se puede observar que la superficie también presenta estructuras piramidales pero no existen prácticamente regiones planas entre ellas. A este tipo de morfología se lo conoce como texturada.