Αυτο-οργανούμενα υμένια πορώδους Al₂O₃ σε υπόστρωμα Si και εφαρμογές

Abstract

In the present thesis, the growth of porous anodic alumina films on Si substrate was studied extensively. Potential applications of porous anodic alumina films formed directly on Si, regarding the use of porous membranes as mask or template for various nanostructures growth directly on Si, are discussed. Chapter one deals with the theory and mechanisms governing porous anodic alumina film growth, either on porous anodic films formed by anodization of aluminum foils, or on porous anodic films developed on Si substrates. Additionally, the effect of different factors (pH, temperature, applied voltage) on the final structural characteristics is presented. In chapter two, the preliminary processing steps regarding sample preparation before the anodization procedure are quoted. Moreover, details about the experimental set-up and the electrochemical conditions used during the sample anodization in the current work are given. In chapter three, the influence of three different factors, in the final structural characteristics, is investigated. Primarily, the impact of the initial aluminum thickness deposited on Si substrate, and secondly the confinement of the aluminum film in areas of a few μm², in the pore size and pore density are studied. Finally, the influence of the third factor is associated with a three-step instead of a two-step anodization, in combination with an in-between step of aluminum chemical etching, on the ordering and the uniformity of the pores. The deposition of Ti and Cr nanodots arrays on Si, using the porous alumina membrane as a masking layer, is investigated in chapter four. Furthermore, the Ti nanodots are used for the electrodeposition of Au nanodots and nanowires inside the porous alumina films. Additionally, the Cr dots are used as metallic nanostructured mask for the Si etching by reactive ion etching process that leads to the formation of Si nanopillars on Si substrate. In chapter five the growth of hexagonally ordered SiO₂ dots on Si through porous anodic alumina membranes, in various acidic electrolytes, is studied. Moreover, the electrical characterization of the interface of porous alumina film/Si and porous alumina film with SiO₂ dots in pore bottoms/Si is presented. Finally, in the present thesis the technology of fabrication of Si nanocrystals embedded in SiO₂ dots arrays through porous alumina membranes on Si substrate is developed for the first time. This was achieved by the combination of ion beam synthesis with the already existing technology of porous anodic alumina growth on Si substrates. The nanocrystals are electrically isolated from the substrate. This technique is promising as an application in non-volatile memory devices. The main achievements accomplished through this study are summarized as follows: The optimization of pores ordering by developing the porous alumina membrane in two or three processing steps in combination with the chemical etching of Al film, lying above the porous membrane, following each anodization cycle. The increase of pores density by the confinement of porous alumina film in areas of a few μm² on Si. The development of Ti and Cr nanodots arrays, directly on Si, through porous alumina membranes. The use of Cr nanodots as nanostructured masking layer for the formation of Si nanopillars, formed by etching of Si substrate with RIE, on Si. The density of interface stages results from the electrical characterization of porous alumina with or without SiO₂ dots at each pore bottom, with the Si substrate. The results are encouraging, keeping in mind that the pore membranes and SiO₂ dots were electrochemically grown directly on Si substrate. The development of distinct Si nanocrystals, embedded in SiO₂ dots, combining for the first time two different technologies that is the fabrication of porous anodic alumina films directly on Si substrate, as well as the ion beam synthesis technique. The proposed technique is promising for the fabrication of non-volatile memory devices.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η ανάπτυξη λεπτών υμενίων πορωδών ανοδικών οξειδίων του αλουμινίου (αναφέρονται και ως πορώδης ανοδική αλουμίνα) σε υπόστρωμα πυριτίου. Επιπλέον, εξετάζεται η ανάπτυξη εφαρμογών που αφορούν τη χρήση της πορώδους αλουμίνας ως μάσκα και ως μήτρα για την δημιουργία νανονημάτων ή κβαντικών τελειών (νανονησίδων) στο Si. Το πρώτο κεφάλαιο πραγματεύεται τη θεωρία και τους μηχανισμούς που διέπουν την ανάπτυξη πορωδών υμενίων, που προέρχονται από ανοδική οξείδωση (ανοδίωση) τόσο φύλλων αλουμινίου, όσο και υμενίων αλουμινίου σε υπόστρωμα πυριτίου. Επιπροσθέτως, παρατίθεται ο ρόλος που διαδραματίζουν οι ηλεκτροχημικές συνθήκες ανοδίωσης, όπως το pH, η θερμοκρασία και η εφαρμοζόμενη τάση, στα τελικά δομικά χαρακτηριστικά των πορωδών υμενίων. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα τεχνολογικά βήματα διεργασιών που αφορούν την προετοιμασία των δειγμάτων τα οποία πρόκειται να ανοδιωθούν, και δίνονται λεπτομέρειες για την πειραματική διάταξη η οποία χρησιμοποιείται κατά την ανοδίωση. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετώνται εκτενώς, τρεις παράγοντες που έχουν σημαντική επίδραση στα τελικά δομικά χαρακτηριστικά των πορωδών υμενίων. Κατά τους δύο πρώτους, εξετάζεται η επίδραση του πάχους του προς ανοδίωση υμενίου αλουμινίου πάνω στο Si, καθώς και ο περιορισμός του σε επιφάνειες μερικών τετραγωνικών μικρομέτρων πάνω στο Si, στο μέγεθος και την πυκνότητα των πόρων. Ο τρίτος παράγοντας αφορά το ρόλο της ανοδίωσης του υμενίου του αλουμινίου σε δύο και τρία στάδια σε συνδυασμό με τη χημική εγχάραξή του μετά από κάθε στάδιο ανοδίωσης, στην ανάπτυξη εξαγωνικής συμμετρίας στην κατανομή των πόρων. Το τέταρτο κεφάλαιο, πραγματεύεται την ανάπτυξη εφαρμογών που συνδέονται με τη χρήση της πορώδους αλουμίνας ως μάσκα και ως μήτρα για τη δημιουργία νανοδομών επάνω στο πυρίτιο. Ως εκ τούτου παρουσιάζεται η δημιουργία νανονησίδων Cr, Ti, νανοστηλών Si, και νανονημάτων Au, πάνω στο Si, εφαρμογές στις οποίες τα πορώδη ανοδικά υμένια χρησιμοποιήθηκαν ως ενδιάμεσο στάδιο. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθεται η ανάπτυξη διαμέσου της πορώδους αλουμίνας, εξαγωνικά διατεταγμένων νανονησίδων SiO₂ στο Si. Επίσης, παρουσιάζεται ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός διατάξεων οι οποίες αποτελούνται από την εν λόγω δομή. Σε ένα επιπλέον βήμα, οι νανονησίδες SiO₂ χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη νανοκρυσταλλιτών Si στο εσωτερικό τους μέσω της τεχνικής της ιοντικής σύνθεσης. Τα σημαντικότερα αποτελέσματα και συμπεράσματα που προέκυψαν από την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής συνοψίζονται στα εξής: Βελτίωση της εξαγωνικής συμμετρίας στην κατανομή των πόρων, μέσω ανοδίωσης σε δύο ή τρία στάδια σε συνδυασμό με χημική εγχάραξη του προς ανοδίωση αλουμινίου έπειτα από κάθε στάδιο ανοδίωσης. Αύξηση της πυκνότητας των πόρων των ανοδικών υμενίων κατά μία τάξη μεγέθους, με περιορισμό του προς ανοδίωση αλουμινίου σε προεπιλεγμένες περιοχές στο Si, επιφάνειας μερικών τετραγωνικών μικρομέτρων. Ανάπτυξη διατεταγμένων νανοδομών Ti και Cr σε υπόστρωμα Si χρησιμοποιώντας λεπτά υμένια πορώδους αλουμίνας πάνω σε Si. Ιδιαίτερα οι δομές Cr, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μεταλλική νανοδομημένη μάσκα για την εγχάραξη με ενεργά ιόντα του υποστρώματος Si και τη δημιουργία νανοστηλών Si πάνω σε αυτό. Η δημιουργία νανοστηλών Si, βρίσκει πληθώρα εφαρμογών στη Νανοηλεκτρονική, σε αισθητήρες, Nανοφωτονική, μνήμες κ.τ.λ. Οι πυκνότητες διεπιφανειακών καταστάσεων που προέκυψαν από τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό της διεπιφάνειας υμενίων πορώδους αλουμίνας με το πυρίτιο, και της διεπιφάνειας πορώδους αλουμίνας – νανονησίδων SiO₂ με το πυρίτιο. Οι τιμές που υπολογίστηκαν είναι ενθαρρυντικές, αν ληφθεί υπόψη ο ηλεκτροχημικός τρόπος παρασκευής των εν λόγω σύνθετων υμενίων πάνω στο πυρίτιο. Ανάπτυξη μεμονωμένων νανοκρυσταλλιτών Si ενσωματωμένων σε νανονησίδες SiO₂. Για το σκοπό αυτό συνδυάστηκαν δύο διαφορετικές τεχνολογίες, εκείνη της ιοντικής σύνθεσης και εκείνη της ανάπτυξης νανονησίδων SiO₂ διαμέσου λεπτών υμενίων πορώδους αλουμίνας απευθείας σε υπόστρωμα Si. Τέτοιες δομές νανοκρυσταλλιτών έχουν εφαρμογές σε διατάξεις μη πτητικών μνημών, όπου η κατανεμημένη αποθήκευση φορτίου στους νανοκρυσταλλίτες ευνοεί τη χρήση λεπτότερων οξειδίων πύλης και τη δυνατότητα σμίκρυνσης του πάχους των οξειδίων αυτών χωρίς να μειώνεται ο χρόνος αποθήκευσης φορτίου.