Die Siliciumauflösung in Flusssäure-Wasserstoffperoxid- und Flusssäure-Ozon-Lösung ist aufgrund der, aus der Oxidation des Siliciums, formal resultierenden Reaktionsprodukte Wasser und Sauerstoff interessant. Der Auflösungsprozess, speziell die Oxidation des Siliciums / Elektronenlochinjektion ins Siliciumvalenzband, wird – verglichen mit anderen Ätzsystemen für Silicium – massiv kinetisch gehemmt. Ätzprozesse auf Basis dieser Mischungen sind hinsichtlich der geringen bzw. moderaten erzielbaren Siliciumabtragsraten (rSi < 0,02 nm s-1 mit Rissaufweitung in Flusssäure-Wasserstoff-peroxid-Lösungen bzw. rSi < 0,61 nm s-1 mit Oberflächenpolitur in Flusssäure-Ozon-Lösungen) wenig effektiv. Eine Erhöhung der Siliciumabtragsraten gelingt prinzipiell durch die Erhöhung der Konzentrationen siliciumoxidierender Spezies in der Silicium / Elektrolyt-Grenzfläche oder durch Zufügen geeigneter grenzflächenaktiver Elektronenüberträgerspezies. In stark sauren Lösungen wird der Elektronentransfer zusätzlich durch stabilisierende Wasserstoffaustauschprozesse inhibiert. Die Mischungen sind zur Reinigung von Siliciumwaferoberflächen oder feinteiligem Silicium geeignet.

Der Siliciumauflöseprozess in HF-HNO3-H2SO4/H2O-Lösungen unterscheidet sich vom Ätzprozess in HF-HNO3-H2O-Standardmischungen in Bezug auf die Reaktivität gegenüber Silicium, erzielte Oberflächenmorpholgien sowie die beim Ätzen entstehenden gelösten und gasförmigen Produkte. Durch die Behandlung in H2SO4-reichen HF-HNO3-H2SO4/H2O-Lösungen werden auf Siliciumwafern Texturen mit hoher Rauigkeit und geringer Reflexion erzeugt. mc-Si-Solarzellen texturiert durch eine H2SO4-reiche Ätzlösung weisen vergleichend zu Solarzellen mit Standardtexturen höhere Wirkungsgrade auf. In HF-HNO3-H2SO4/H2O-Lösungen mit hohen Schwefelsäurekonzentrationen (c(H2SO4) > c(H2O)) wirkt sowohl das Salpetersäuremolekül HNO3 als auch das Nitrylion NO2+ als Oxidationsmittel. Trifluorsilan HSiF3 und Hexafluordisiloxan F3SiOSiF3 wurden erstmalig als gasförmige Produkte des sauren nasschemischen Ätzens identifiziert. Anhand von Modellreaktionen zur Reaktivität von Nitrylionen wurde deren Reduktionssequenz im Siliciumätzprozess aufgeklärt.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der grundlegenden Untersuchung von Reaktionsmustern kristalliner Si-Oberflächen in HF-basierten Lösungen. Ausgehend von den industriell genutzten HF-HNO3-H2O-Gemischen wurden wisher wenig untersuchte HF/HNO3-Konzentrationsverhältnisse, die durch gelöste Stickoxide bedingten Folgereaktionen sowie der PH-Wert als Steuerparameter zur Aufarbeitung feinkörniger Si-Rohstoffe (Korngröße ≤ 0,5 mm) identifiziert. Die in diesem Kontext zentrale Rolle der NO+-Ionen wurde durch Untersuchung der spezifischen Reaktionsmuster an kristallinen as-cut und hydrophobierten Si-Oberflächen sowie bei Umsetzungen mit Oligosilanen als Modellverbindungen bestätigt. Die aus den umfassenden analytischen Daten (FT-IR-, Raman-, NMR-Spektroskopie, IC, REM-EDX, AFM) gewonnenen Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis nasschemischer Halbleiterätzprozesse und erschließen neue Anwendungsfelder.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der grundlegenden Untersuchung von Reaktionsmustern kristalliner Si-Oberflächen in HF-basierten Lösungen. Ausgehend von den industriell genutzten HF-HNO3-H2O-Gemischen wurden wisher wenig untersuchte HF/HNO3-Konzentrationsverhältnisse, die durch gelöste Stickoxide bedingten Folgereaktionen sowie der PH-Wert als Steuerparameter zur Aufarbeitung feinkörniger Si-Rohstoffe (Korngröße ≤ 0,5 mm) identifiziert. Die in diesem Kontext zentrale Rolle der NO+-Ionen wurde durch Untersuchung der spezifischen Reaktionsmuster an kristallinen as-cut und hydrophobierten Si-Oberflächen sowie bei Umsetzungen mit Oligosilanen als Modellverbindungen bestätigt. Die aus den umfassenden analytischen Daten (FT-IR-, Raman-, NMR-Spektroskopie, IC, REM-EDX, AFM) gewonnenen Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis nasschemischer Halbleiterätzprozesse und erschließen neue Anwendungsfelder.

Der Siliciumauflöseprozess in HF-HNO3-H2SO4/H2O-Lösungen unterscheidet sich vom Ätzprozess in HF-HNO3-H2O-Standardmischungen in Bezug auf die Reaktivität gegenüber Silicium, erzielte Oberflächenmorpholgien sowie die beim Ätzen entstehenden gelösten und gasförmigen Produkte. Durch die Behandlung in H2SO4-reichen HF-HNO3-H2SO4/H2O-Lösungen werden auf Siliciumwafern Texturen mit hoher Rauigkeit und geringer Reflexion erzeugt. mc-Si-Solarzellen texturiert durch eine H2SO4-reiche Ätzlösung weisen vergleichend zu Solarzellen mit Standardtexturen höhere Wirkungsgrade auf. In HF-HNO3-H2SO4/H2O-Lösungen mit hohen Schwefelsäurekonzentrationen (c(H2SO4) > c(H2O)) wirkt sowohl das Salpetersäuremolekül HNO3 als auch das Nitrylion NO2+ als Oxidationsmittel. Trifluorsilan HSiF3 und Hexafluordisiloxan F3SiOSiF3 wurden erstmalig als gasförmige Produkte des sauren nasschemischen Ätzens identifiziert. Anhand von Modellreaktionen zur Reaktivität von Nitrylionen wurde deren Reduktionssequenz im Siliciumätzprozess aufgeklärt.

Die Siliciumauflösung in Flusssäure-Wasserstoffperoxid- und Flusssäure-Ozon-Lösung ist aufgrund der, aus der Oxidation des Siliciums, formal resultierenden Reaktionsprodukte Wasser und Sauerstoff interessant. Der Auflösungsprozess, speziell die Oxidation des Siliciums / Elektronenlochinjektion ins Siliciumvalenzband, wird – verglichen mit anderen Ätzsystemen für Silicium – massiv kinetisch gehemmt. Ätzprozesse auf Basis dieser Mischungen sind hinsichtlich der geringen bzw. moderaten erzielbaren Siliciumabtragsraten (rSi < 0,02 nm s-1 mit Rissaufweitung in Flusssäure-Wasserstoff-peroxid-Lösungen bzw. rSi < 0,61 nm s-1 mit Oberflächenpolitur in Flusssäure-Ozon-Lösungen) wenig effektiv. Eine Erhöhung der Siliciumabtragsraten gelingt prinzipiell durch die Erhöhung der Konzentrationen siliciumoxidierender Spezies in der Silicium / Elektrolyt-Grenzfläche oder durch Zufügen geeigneter grenzflächenaktiver Elektronenüberträgerspezies. In stark sauren Lösungen wird der Elektronentransfer zusätzlich durch stabilisierende Wasserstoffaustauschprozesse inhibiert. Die Mischungen sind zur Reinigung von Siliciumwaferoberflächen oder feinteiligem Silicium geeignet.:1. Motivation und Problemstellung 5 2. Halbleiterrelevante Eigenschaften von Silicium 9 2.1 Siliciumoberflächen 9 2.2 Silicium als Halbleiter 14 2.3 Silicium in Elektrolyt-Lösungen 17 2.3.1 Silicium / Elektrolyt-Kontakt 17 2.3.2 Silicium in Flusssäurelösungen 20 2.4 Oxidation von Siliciumoberflächen in Elektrolytlösungen 23 2.4.1 Elektronentransfer beim Silicium / Elektrolyt-Kontakt 24 2.4.2 Chemische Oxidation von Silicium 27 3. Siliciumätzverfahren 32 4. Nasschemische Siliciumauflösung in wässrigen Flusssäure-haltigen Lösungen 35 4.1 Elektrochemische Siliciumauflösung 37 4.2 Außenstromlose Siliciumauflösung in sauren Lösungen 41 4.2.1 Stromlose elektrochemische Siliciumauflösung 41 4.2.2 Metall-assistierte Siliciumauflösung 44 4.2.3 Chemische Siliciumauflösung 48 4.2.4 Ausgewählte Abtragsraten zur sauren nasschemischen Siliciumbehandlung 49 4.3 Anisotropie-Effekte bei der nasschemischen Siliciumauflösung 51 5. Silicium in Flusssäure-Wasserstoffperoxid-basierten Ätzlösungen 54 5.1 Silicium in wässrigen Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Lösungen 54 5.1.1 Reaktivitäten wässriger Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Lösungen gegenüber Silicium 55 5.1.2 Formalkinetische Untersuchungen des Ätzprozesses 58 5.1.3 Eigenschaften der Siliciumoberflächen: Morphologie und Bindungssituation 64 5.1.4 Poröses Silicium in wässrigen Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Lösungen (außenstromlos) 66 5.2 Stimulierung des Prozesses der Siliciumauflösung in wässrigen Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Lösungen 71 5.2.1 Auswirkungen ausgewählter „Verunreinigungen“ der Ätzlösungen 73 5.2.2 Stimulierung durch zusätzliche Oxidationsmittel 74 5.2.3 Stimulierung durch potenzielle Elektronenüberträger 80 5.3 Silicium in Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Schwefelsäure-Lösungen 90 5.3.1 Eigenschaften von Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Schwefelsäure-Lösungen 90 5.3.2 Reaktivitäten von Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Schwefelsäure-Lösungen 94 5.3.3 Eigenschaften der erzeugten Siliciumoberflächen 101 5.4 Silicium in Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Salzsäure-Lösungen 106 5.5 Oxidation der Siliciumoberfläche in Wasserstoffperoxid-basierten Lösungen 109 5.6 Schlussfolgerungen zur Siliciumauflösung in Flusssäure-Wasserstoffperoxid-basierten Ätzlösungen 113 5.7 Anwendungspotenziale Flusssäure-Wasserstoffperoxid-basierter Ätzlösungen 116 6. Silicium in wässrigen Flusssäure-Ozon-basierten Ätzlösungen 123 6.1 Silicium in Flusssäure-Ozon-Lösungen 129 6.2 Silicium in Flusssäure-Ozon-Schwefelsäure-Lösungen 137 6.3 Silicium in Ozon-durchleiteten Flusssäure-Salzsäure-Lösungen 141 6.4 Oxidation der Siliciumoberfläche in Ozon-haltigen Lösungen 147 6.5 Schlussfolgerungen zur Siliciumauflösung in Flusssäure-Ozon-basierten Ätzlösungen 152 6.6 Anwendungspotenziale Flusssäure-Ozon-basierter Ätzlösungen 158 7. Zusammenfassung 162 8. Experimenteller Teil 166 8.1 Grundlagen 166 8.2 Chemikalien und Siliciumsubstrate 167 8.3 Charakterisierungsmethoden und Geräte 171 8.4 Konzentrationsbestimmungen in wässrigen Lösungen 174 8.5 Ätzlösungen und Abtragsraten 177 8.6 Daten zu den einzelnen Versuchen 180 8.6.1 Flusssäure-Wasserstoffperoxid-haltige Lösungen 180 8.6.2 Flusssäure-Ozon-haltige Lösungen 191 8.6.3 Daten der XPS-Untersuchungen 198 8.6.4 Reinigung von Siliciumsubstraten 208 9. Anhang 211 A Abkürzungsverzeichnis 211 B Literaturverzeichnis 212 C Tabellen / Literaturvergleichswerte 227 E Sonstiges 233 E.1 Eidesstattliche Erklärung 233 E.2 Publikationen 234 E.4 Danksagung 240