Photoelectrochemical porosification of silicon carbide for MEMS

Abstract

In dieser Arbeit wurden Metall-unterstütztes photochemisches Ätzen (engl. metal assisted photochemical etching – MAPCE) und photoelektrochemisches Ätzen (engl. photoelectrochemical etching – PECE) von Siliciumcarbid (SiC) mit Hinblick auf mögliche Anwendungen in Mikrosystemen (engl. microelectromechanical system - MEMS) untersucht. Es stellte sich heraus, dass MAPCE sich gut eignet, um poröse Dünnfilme mit Schichtdicken bis zu 2 μm herzustellen, während mit PECE bis zu 30 μm dicke poröse Schichten realisiert werden konnten. Weiters war es möglich mit MAPCE poröse Anti-Reflexions-Beschichtungen und homogen poröse Schichten auf 4H-SiC Substraten zu erzeugen, die Reflexionseigenschaften wie Dünnfilme zeigen. Erstere könnten in LEDs oder UV-Sensoren eingesetzt werden, wobei letztere eine mögliche Anwendung in optischen Sensoren haben, die auf einer Änderung der Reflexion beruhen, wenn die Poren mit z.B. gasförmigem oder flüssigem Medium befüllt werden. Ladungs-kontrolliertes PECE erlaubte die Herstellung von gestapelten porösen SiC Schichten mit unterschiedlichem Porositätsgrad. Das erlaubte wiederum die Herstellung von porösen Rugate Spiegeln, die scharfe Peaks im Reflexionsspektrum zeigen. Solche Spiegel haben potentielle Anwendung in optischen Sensoren für aggressive Umgebungen und im Bereich der Bioanalytik. Zusammenfassend wurden MAPCE und PECE für das photoelektrochemische Porösizieren von 4H-SiC sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht. Mit den in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnissen wurden die notwendigen Grundlagen gelegt, um poröse 4H-SiC Schichten reproduzierbar in MEMS Bauelemente zu integrieren.

In this thesis metal assisted photochemical etching (MAPCE) and photoelectrochemical etching (PECE) of single crystalline 4H-silicon carbide (SiC) are investigated with the emphasis of possible application scenarios of those techniques in the field of microelectromechanical systems (MEMS). During this thesis it was found that MAPCE is a reasonable method for producing porous thin films with thicknesses up to 2 μm while 30 μm thick porous layers could be achieved with PECE. Furthermore, MAPCE allowed the fabrication of porous anti-reflection layers as well as highly uniform porous layers on 4H-SiC substrates, showing thin-film like reflection behavior. The former has the potential to be applied in LEDs or UV sensors while the latter can be useful in optical sensors relying on the reflectance shift when the pores are filled a liquid medium. The charge-controlled PECE method allowed the fabrication of stacked porous SiC layers with alternating degree of porosity. This, in turn, allowed the fabrication of porous SiC rugate mirrors exhibiting sharp peaks in the reflection spectrum. Such mirrors can be used in optical sensors for harsh environments or in the field of bio-analytics. Altogether the principle of MAPCE and PECE were investigated thoroughly which allowed in turn to fathom possible MEMS application scenarios for those methods. Hopefully this will stimulate the future development of porous SiC based MEMS devices.