Μακροπορώδες πυρίτιο ως διηλεκτρικό για τοπική ηλεκτρική μόνωση στο πυρίτιο και ως μήτρα για ηλεκτρικές διασυνδέσεις διαμέσου του δισκιδίου

Abstract

This thesis was devoted to the investigation of the electrochemical growth of macroporous Si, the study of its structural and dielectric properties and the investigation of cavity formation underneath macroporous Si, as well as pore and cavity filling with Cu. Two different applications of macroporous membranes were developed, namely heat sink technology using copper-filled macroporous Si and cavity underneath and microplate technology for on-chip RF isolation. The first three chapters contain a literature study of porous Si formation and properties and a universal model that explains pore growth in both mesoporous and macroporous Si is more extensively presented. This dominant model is the Current Burst Model (CBM), the basic premises of which are described in the first chapter of this dissertation. We found that the results presented in this thesis regarding the electrochemical behavior of the Si/electrolyte system are predicted by this specific model. The second chapter of the thesis deals with the literature of the electrochemical deposition of Cu into porous Si, while the thirst chapter describes morphological characteristics of the different porous Si structures. The special structural elements of macroporous Si that distinguish it from any other porous Si material are discussed. These include large pore diameters and pore orientation vertical to the substrate. The state of the art in the electric and dielectric properties of porous Si is also discussed at the end of this chapter. The experimental results of this thesis are presented in chapters 4-7. Chapter four deals with the fabrication of macroporous Si layers in medium and highly doped p-type Si substrates. The fabrication process of macropore arrays with square or circular intersection is described. In the case of p⁺-type Si substrates, the diameter of the pores was in the range of 1-8μm with almost no size dispersion. Optimized electrolyte composition resulted in smooth, vertical walls. In the case of p⁺-type substrates, pore diameter size down to 50nm was achieved. The macropore arrays were also developed on predefined areas using a specific sequence of clean room processes. A novel Si nano-patterning technology through a porous anodic alumina masking layer, self assembled on Si was also developed and used for the fabrication of hexagonally ordered macropores with large surface density. A technology of pattern transfer that uses either dry or wet chemical or electrochemical etching was developed. The combination of the above three techniques constitute a materials platform for the development of a novel non-lithographic technology of Si nano-patterning. Using this technology, hexagonally ordered nanostructures with minimum size dispersion and large surface density were achieved. The nanostructures were in the form of inverted pyramids or semispherical pits on Si and exhibited high order and homogeneity. The structures were also fabricated in predefined areas, using a pre-patterned masking layer that withstands the electrochemical solution. In a next step the obtained structures were used as pore initiation sites for the fabrication of hexagonally ordered macropores with diameter <200nm. The fabricated porous layers replicate the pore pattern of porous anodic alumina used as masking layer. Macroporous layer thickness reached 1.5pm, which was the maximum thickness ever fabricated in literature. Chapter five comprises the experimental results of the electrochemical deposition of Cu into a porous Si template and the description of the fabrication of copper microwires and Si/Cu composite structures. First, the electrochemical process that leads to homogeneous and electrically consistent copper microwires is presented. Next, it is shown that the wires can be separated from the template or used as vias through the wafer. In the second part of this chapter, the electrochemical fabrication of macroporous Si suspended membranes over air cavities is described. In addition to that, a novel method according to which the deposition of copper can be combined with the suspended membranes technology is presented. With this method composite Si/Cu structures were achieved. This way, Cu micro-heat sinks embedded in the Si substrate were constructed for use in IC cooling. The micro-coolers were characterized electrically and simulation was used to calculate the temperature distribution in such a composite material structure after a heat pulse is applied at a certain area of the surface. It was found that the fabricated structure works as an efficient heat sink. The final chapter of this research is devoted to the development of on-chip RF isolation technology using porous Si as a local microplate that reduces RF losses. Porous Si microplates, fabricated with CMOS compatible processing with thickness exceeding 200μm, were studied and their complex permittivity was measured by designing and fabricating Coplanar Waveguides (CPWs) on top of the porous membranes. Thick mesoporous and macroporous Si layers were compared in this respect. The experimental results were compared to theoretical results using electromagnetic simulations of the structures and comparing the measured and simulated S-parameters over a broadband frequency region. The measured results show that, for CPW features consistent with the scale of on-chip RF passive devices, a 50-μm-thick mesoporous and a 25pm macroporous Si layer on the Si substrate reduce the losses to 1/6th-1/4th of the values corresponding to a p-type Si substrate, showing that porous Si is an excellent material for CMOS-compatible on-chip integration of high-Q passive devices. In conclusion, the work performed within this thesis opens important possibilities for using macroporous Si in on-chip RF isolation and IC thermal cooling. It also offers a novel Si nanopatterning technology that gives the possibility of fabricating hexagonally ordered macropores with until now “forbidden” diameters.

Το κύριο αντικείμενο μελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε το μακροπορώδες πυρίτιο, και συγκεκριμένα η διερεύνηση των συνθηκών σχηματισμού του που οδηγούν στα επιθυμητά μορφολογικά χαρακτηριστικά για τις εφαρμογές που σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν στα πλαίσια αυτής της έρευνας. Οι σημαντικότερες εφαρμογές που αναπτύχθηκαν με βάση το μακροπορώδες πυρίτιο είναι η καινοτόμος τεχνολογία απαγωγής θερμότητας σε ολοκληρωμένα κυκλώματα με χρήση θερμικών μικροδεξαμενών χαλκού και η τεχνολογία ανάπτυξης στο Si τοπικού υποστρώματος χαμηλών διηλεκτρικών απωλειών σε ραδιοσυχνότητες. Τα πρώτα κεφάλαια της διατριβής είναι αφιερωμένα στη μελέτη και την παρουσίαση του συνόλου των επιστημονικών δεδομένων που αφορούν στις διεργασίες σχηματισμού και τους μηχανισμούς ανάπτυξης του πορώδους Si, στην ηλεκτροχημική διεργασία εναπόθεσης χαλκού στο εσωτερικό των πόρων και στα μορφολογικά χαρακτηριστικά και τις φυσικοχημικές ιδιότητές του που σχετίζονται με τις εφαρμογές που αναπτύχθηκαν σε αυτήν τη διδακτορική έρευνα, όπως προκύπτουν από τη σύγχρονη βιβλιογραφία. Πρόσφατα διατυπώθηκαν ορισμένα θεωρητικά μοντέλα που περιγράφουν ικανοποιητικά τα φαινόμενα που ενέχονται στο σχηματισμό του πορώδους πυριτίου και ειδικές εφαρμογές αυτών διαφωτίζουν το μηχανισμό ανάπτυξης μακροπόρων. Το επικρατέστερο μοντέλο με καθολική ισχύ θεωρείται το Current Burst Model (CBM), οι βασικές αξιώσεις του οποίου παρουσιάζονται στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής και στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη και την επιβεβαίωση των χαρακτηριστικών του συστήματος Si/ηλεκτρολύτη κατά τη διαδικασία του ηλεκτροχημικού σχηματισμού πορώδους Si. Στο δεύτερο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια επισκόπηση των σημαντικότερων χαρακτηριστικών της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης χαλκού στο εσωτερικό των πόρων μακροπορώδους Si, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, τα οποία αξιοποιήθηκαν για το σχηματισμό μικρονημάτων χαλκού και επιπλέον εμπλουτίστηκαν από τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την πλήρωση σύνθετων δομών πορώδους πυριτίου/διακένων αέρα με χαλκό. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των διαφόρων γνωστών τύπων πορώδους Si. Δίδεται έμφαση στα ιδιαίτερα μορφολογικά χαρακτηριστικά του μακροπορώδους Si που το διακρίνουν από τα υπόλοιπα είδη πορώδους Si, όπως η μεγάλη διάμετρος πόρων και ο κατακόρυφος προσανατολισμός τους ως προς το υπόστρωμα. Η τελευταία ενότητα του κεφαλαίου είναι αφιερωμένη στην εφαρμογή του πορώδους Si ως μονωτικού στρώματος παρεμβαλλόμενου μεταξύ ηλεκτρονικών διατάξεων και υποστρώματος. Το εν λόγω υλικό χρησιμοποιείται τις τελευταίες δεκαετίες ως διηλεκτρικό σε διατάξεις που λειτουργούν σε χαμηλές συχνότητες. Πρόσφατα διαπιστώθηκε η δυνατότητα χρήσης του για την ηλεκτρική μόνωση στοιχείων και κυκλωμάτων ραδιοσυχνοτήτων (RF) και η εφαρμογή αυτή διερευνήθηκε διεξοδικά στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Στα επόμενα κεφάλαια παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων που διεξήχθησαν στα πλαίσια της διατριβής καθώς και οι εφαρμογές και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από αυτά και θα περιγραφούν στις επόμενες παραγράφους. Το τέταρτο κεφάλαιο αφορά στη μελέτη παρασκευής μακροπορώδους Si σε μέτρια και ισχυρά νοθευμένα υποστρώματα. Από όλους τους τύπους πορώδους Si, το μακροπορώδες Si αποτελεί ένα υλικό με ιδιαίτερο τεχνολογικό ενδιαφέρον, καθώς παρουσιάζει δομή κατακόρυφων ως προς το υπόστρωμα και διακριτών μεταξύ τους πόρων, που μπορούν να εμφανίζουν καθορισμένη ή τυχαία διάταξη στο επίπεδο, με διαμέτρους που καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος διαστάσεων, από 50nm έως 10μm. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται η διαδικασία ανάπτυξης διατεταγμένων συστοιχιών μακροπόρων τετραγωνικής ή κυκλικής διατομής με μήκος που καθορίζεται από τις ηλεκτροχημικές συνθήκες. Στην περίπτωση υποστρωμάτων Si p-τύπου, οι μακροπόροι μπορούν να έχουν διαμέτρους από 1-8μm με μηδαμινή διασπορά και με κατάλληλη επιλογή του ηλεκτρολυτικού διαλύματος εμφανίζουν λεία και ομοιόμορφα τοιχώματα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι συνθήκες με τις οποίες οι διάμετροι των πόρων συρρικνώνονται στη διάσταση των 50nm όταν πρόκειται για υποστρώματα p⁺-τύπου. Οι συστοιχίες μακροπόρων μπορούν να παρασκευαστούν σε προκαθορισμένες περιοχές στο υπόστρωμα, με την κατάλληλη ακολουθία διεργασιών. Στη συνέχεια του κεφαλαίου παρουσιάζεται μια διεθνώς νέα τεχνολογία σχηματοποίησης του Si με χρήση μάσκας πορώδους ΑΙ₂Ο₃ με εφαρμογή στην ανάπτυξη εξαγωνικά διατεταγμένων μακροπόρων με μεγάλη επιφανειακή πυκνότητα. Το ανοδικό πορώδες ΑΙ₂Ο₃ αποτελεί ένα υλικό με ενδιαφέρουσες δομικές ιδιότητες για τεχνολογικές εφαρμογές. Περιγράφεται πώς σε περίπτωση που αναπτυχθεί ηλεκτροχημικά σε υπόστρωμα Si μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μάσκα για τη νανοσχηματοποίηση της επιφάνειας του Si. Η μεταφορά του γεωμετρικού σχεδίου του πορώδους ΑΙ₂Ο₃ πραγματοποιείται είτε με υγρή ή ξηρή εγχάραξη, είτε με ηλεκτροχημική εγχάραξη. Μια μέθοδος συνδυασμού όλων των τεχνικών αυτών σε μία ακολουθία διεργασιών αποτέλεσε τη βάση για τη θεμελίωση μίας νέας τεχνολογίας σχηματοποίησης του πυριτίου σε νανο-διαστάσεις χωρίς τη χρήση λιθογραφικών διεργασιών. Από την εν λόγω σχηματοποίηση προκύπτουν εξαγωνικά διατεταγμένες νανοδομές μεγάλης επιφανειακής πυκνότητας με κυκλική ή τετραγωνική διατομή, που παρουσιάζουν μεγάλη ομοιομορφία και συμμετρία. Επιπλέον, η νανο-σχηματοποίηση μπορεί να λάβει χώρα σε προκαθορισμένες περιοχές στο υπόστρωμα Si, με κατάλληλη επιφανειακή προεργασία. Οι νανοδομές προσφέρονται για πολυάριθμες εφαρμογές, μία σημαντική εκ των οποίων αποτελεί η χρήση τους ως σημείων έναρξης της ηλεκτροχημικής διάλυσης για την ανάπτυξη εξαγωνικά διατεταγμένων μακροπόρων στο πυρίτιο με διάμετρο <200nm. Τα προκύπτοντα υμένια παρουσιάζουν παρόμοια μορφολογικά χαρακτηριστικά με τα αρχικά υμένια πορώδους ΑΙ₂Ο₃ και μπορούν να φθάσουν σε πάχος τα 1.5 μm, υποσκελίζοντας μερικώς τους ενδογενείς περιορισμούς μεγέθους και επιφανειακής πυκνότητας που υπεισέρχονται κατά το σχηματισμό μακροπόρων σε υπόστρωμα Si p-τύπου. Το επόμενο κεφάλαιο περιλαμβάνει τα πειραματικά αποτελέσματα ηλεκτροχημικής εναπόθεσης χαλκού στο εσωτερικό των πόρων μακροπορώδους Si, και στη συνακόλουθη παρασκευή μικρονημάτων χαλκού και σύνθετων δομών χαλκού/Si. Αρχικά παρουσιάζεται η διαδικασία με την οποία τα υμένια μακροπορώδους πυριτίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μήτρες για την ανάπτυξη ομοιογενών και ηλεκτρικά συνεκτικών μικρονημάτων χαλκού, τα οποία μπορούν ακολούθως να διαχωριστούν από τη μήτρα ή να χρησιμοποιηθούν ως ηλεκτρικές διασυνδέσεις. Οι διεργασίες παρασκευής μακροπορώδους πυριτίου συνδυάστηκαν με άλλες διεργασίες της τεχνολογίας πορώδους πυριτίου ώστε να προκύψουν σύνθετες δομές, όπως οι αιωρούμενες πορώδεις μεμβράνες άνωθεν διακένων αέρα. Ακολούθως περιγράφεται μία πρωτοποριακή μέθοδος, σύμφωνα με την οποία η ηλεκτροχημική εναπόθεση χαλκού μπορεί να συνδυαστεί με την τεχνολογία κατασκευής αιωρούμενων μεμβρανών άνωθεν διακένων αέρα ώστε να σχηματιστεί μία σύνθετη δομή πυριτίου/κρυσταλλικού χαλκού. Εφαρμογή της εν λόγω τεχνολογίας αποτέλεσε η πρωτοποριακή κατασκευή θερμικών μικροδεξαμενών χαλκού, ενσωματωμένων στο υπόστρωμα κάτωθεν των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ώστε να απάγεται η θερμότητα που προκύπτει από τη λειτουργία τους. Η λειτουργία των συγκεκριμένων ψυκτικών διατάξεων μπορεί να βελτιώσει την απόδοση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, ελαττώνοντας σημαντικά το θερμικό τους φορτίο, όπως προκύπτει από αποτελέσματα προσομοιώσεων που διεξήχθησαν με κατάλληλο εμπορικό λογισμικό. Οι εν λόγω θερμικές μικροδεξαμενές χαρακτηρίστηκαν ηλεκτρικά. Το τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής είναι αφιερωμένο στην ανάπτυξη τεχνολογίας τοπικής ηλεκτρικής μόνωσης στο Si, για διατάξεις ραδιοσυχνοτήτων (RF), με χρήση υμενίων πορώδους Si. Η ολοκλήρωση διατάξεων RF σε υμένια μέσο- και μακρο-πορώδους πυριτίου αποτελεί μία πολλά υποσχόμενη μέθοδο διαχείρισης και ελάττωσης των απωλειών ισχύος που οφείλονται στο υπόστρωμα. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής μελετήθηκε διεξοδικά η εν λόγω εφαρμογή των πορωδών υμενίων. Για το σκοπό αυτό, τα συγκεκριμένα πορώδη υμένια παρασκευάστηκαν με διεργασίες συμβατές με την τεχνολογία C-MOS και με πάχος που μπορεί να ξεπερνάει τα 200μm. Στο κεφάλαιο αυτό δείχνεται ότι χαρακτηρίζονται από τιμές μιγαδικής ηλεκτρικής διαπερατότητας κατάλληλες για την εν λόγω εφαρμογή. Η διαπίστωση αυτή προκύπτει από τη μέτρηση των παραμέτρων σκέδασης των υπό μελέτη υλικών με κατάλληλη μετρητική διάταξη και την παράλληλη διεξαγωγή ηλεκτρομαγνητικών προσομοιώσεων με εμπορικό πακέτο λογισμικού, από την αντιπαράθεση των οποίων εξάγονται το πραγματικό και το φανταστικό μέρος της μιγαδικής ηλεκτρικής διαπερατότητας των διαφόρων τύπων πορώδους πυριτίου. Για τη διεξαγωγή των μετρήσεων ολοκληρώθηκαν συνεπίπεδοι κυματοδηγοί αλουμινίου στην επιφάνεια των πορωδών υμενίων, που λειτούργησαν ως γραμμές μεταφοράς για τη μέτρηση των παραμέτρων σκέδασης των τελευταίων. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των μετρήσεων, η διηλεκτρική μόνωση που παρέχουν τα πορώδη υμένια είναι εντυπωσιακή και αντικατοπτρίζεται από τη σημαντική ελάττωση των απωλειών ισχύος γραμμών μεταφοράς σε συχνότητες 1-20GHz, που μπορεί να συγκριθεί με την αντίστοιχη εξαιρετικών διηλεκτρικών υποστρωμάτων. Οι διηλεκτρικές τους ιδιότητες αποδίδονται στα δομικά χαρακτηριστικά τους και στα πλήρως απογυμνωμένα τοιχώματα του πορώδους σκελετού τους από θετικούς φορείς αγωγιμότητας. Τα υπό μελέτη υποστρώματα προτείνονται για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας ολοκληρωμένων πηνίων. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα διδακτορική μελέτη συνεισέφεραν στην αποσαφήνιση των διηλεκτρικών ιδιοτήτων του πορώδους Si, εμπλούτισαν τη διεθνή βιβλιογραφία με μία νέα τεχνολογία σχηματοποίησης του Si με σκοπό την ανάπτυξη εξαγωνικά διατεταγμένων μακροπόρων με «απαγορευμένες» μέχρι τώρα διαμέτρους και προσέφεραν μία καινοτόμο μέθοδο κατασκευής ολοκληρωμένων μικροδεξαμενών θερμότητας με τεχνολογία πορώδους Si.