硅的表面刻蝕、光學(xué)性能以及硅鈷材料制備的激光拉曼光譜研究.pdf

1、_____一一一魚一一一一一一一一一一一一一一一一一硅的表面刻蝕、光學(xué)性能以及硅鉆材料制備的激光拉曼光譜研究中文摘要是地球上豐量最大的元素之一，硅材料具有強(qiáng)度大、沒有機(jī)械滯后現(xiàn)象、良好的導(dǎo)熱性能、小的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良性能以及日臻成熟的加工工藝，故成為迄今研究最為系統(tǒng)、深入和應(yīng)用最為重要、廣泛的半導(dǎo)體材料，從而勿容置疑地長期穩(wěn)坐信息材料領(lǐng)域中的頭把交椅。然而，人們對(duì)先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和器件的需求是永無止境的—更快的速度、更強(qiáng)的功能、更高的性價(jià)

2、比。綜觀信息和材料領(lǐng)域在新世紀(jì)的迅猛發(fā)展局面，微型化和智能化體現(xiàn)了硅基器件的主流方向，人們對(duì)硅基材料和器件的研究熱點(diǎn)可歸納于以下三方面:第一，硅材料的表面處理和加工。電子器件的進(jìn)一步微型化使該研究成為半導(dǎo)體工業(yè)中的最重要課題之一，它主要包括硅表面的清洗、刻蝕和鈍化等半導(dǎo)體工藝過程。硅片清洗對(duì)器件的成品率、壽命和可靠性有至關(guān)重要的影響:硅表面的刻蝕研究(特別是各向異性腐蝕技術(shù))可決定硅平面加工技術(shù)和復(fù)雜的微電機(jī)械系統(tǒng)制備技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程硅表

3、面的鈍化對(duì)于提高器件的可靠性、穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)有選擇性的硅加工是必不可少的措施。第二，硅基器件性能的改進(jìn)和發(fā)掘。性能改進(jìn)主要表現(xiàn)在硅基器件的智能化，如用功能性有機(jī)材料修飾硅的表面，它不僅在制備具有生物活性的生物芯片、分子電子器件、傳感器等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，而且還可以對(duì)硅表面進(jìn)行選擇性保護(hù)，從而為隨后的表面加工、器件制作開辟新途徑:新性能的發(fā)掘則主要是基于硅材料在納米尺度下所體現(xiàn)的特殊性質(zhì)的探索，例如發(fā)光多孔硅極大地推動(dòng)硅墓發(fā)光材料的研

4、究進(jìn)展，因?yàn)樗型诓环艞壢照槌墒斓墓韫に嚿习l(fā)展光集成技術(shù)或光電子集成。隨著納米科技的飛速進(jìn)展，有序納米硅基材料的研制和開發(fā)將可能將信息技術(shù)推向一個(gè)全新的階段。第三，硅元件的連接材料(interconnectionandcontactmaterial)和硅器件的封裝材料的研究。隨著超大規(guī)模集成電路三維尺寸的不斷降低，現(xiàn)有的連接材料成為了制約器件運(yùn)行速度、器件穩(wěn)定性的瓶頸之一。例如電路尺寸不斷縮小而產(chǎn)生的柵電阻增大、多層金屬布線帶來的歐姆

5、接觸和電遷移等問題。那些能在硅片上外沿生長的自對(duì)準(zhǔn)硅化物，由于具有較高的熱穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)電能力，已受到人們的極大關(guān)注并已成為制備CMOs器件的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著硅器件的小型化，研究和發(fā)現(xiàn)具有較低電阻率、較高熱穩(wěn)定性、較低位錯(cuò)、并有可能成為下一代電子器件的理想連接材料日顯迫切.還應(yīng)當(dāng)指出，上述硅研究的I摘要譜儀的實(shí)驗(yàn)條件外，還需通過增大表面粗糙度(即實(shí)際表面積)，以提高所檢測的表面信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)中采用了幾種方法來粗糙硅表面，并通過添加適

6、量乙醇的方法以便減弱甚至消除光致發(fā)光對(duì)拉曼測試的影響。第三，優(yōu)化測試裝置。設(shè)計(jì)和加工密閉、易通氣、易換液(流動(dòng))的光譜電解池以實(shí)現(xiàn)在不同氣氛和不同溶液中的實(shí)時(shí)測試需要，并且使反應(yīng)中產(chǎn)生的氣泡和SiF獷“.Si03Z等物質(zhì)及時(shí)脫離電極表面。選擇透光性好的耐HF腐蝕的高分子薄膜，將可能被腐蝕的地方包封起來并盡量使光譜池在密封狀態(tài)下操作以避免HF對(duì)儀器和人體的危害。由此，我們成功地實(shí)現(xiàn)了可安全、便捷并適于各種硅反應(yīng)環(huán)境下的現(xiàn)場(或準(zhǔn)現(xiàn)場)拉曼

7、光譜研究，為順利開展以下工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未二.硅刻蝕過程及硅氫表面脫氫氧化過程的現(xiàn)場拉曼光譜研究，本部分工作較系統(tǒng)地研究了不同電化學(xué)刻蝕反應(yīng)時(shí)間對(duì)硅電極表面鍵合物的影響，希望以此深入了解硅在HF溶液中的刻蝕過程通過對(duì)硅氫電極在不同電解質(zhì)溶液隨pH值變化的拉曼光譜現(xiàn)場檢測，考察了硅氫電極表面的初始氧化脫氫過程并推測了其反應(yīng)的模型。(tPC結(jié)果”下’在含F(xiàn)的酸性溶液中，硅表面鍵合物由Si一占據(jù)主導(dǎo)地位而SiF物種可以忽略不計(jì)，表明硅表

8、面的刻蝕過程是受動(dòng)力學(xué)控制的。另外，在高濃度的HF溶液畦體系中觀察到拉曼譜峰1286cm，以及1239cm，表明了OH一離子或者場。參與了硅表面的刻蝕過程，即硅表面的刻蝕路徑是SiHiSiOHSiH而不是SiHSiFSiHo我們還利用拉曼光譜具有的檢測低頻區(qū)間的優(yōu)勢(shì)，仔細(xì)地研究了導(dǎo)致粗糙硅表面上出現(xiàn)629cm“譜峰及其發(fā)生變化的條件，并通過理論上的推測和實(shí)驗(yàn)上的比較，認(rèn)為它是由尖銳的硅氫峰和半峰寬較大的多聲子結(jié)構(gòu)峰兩種成分構(gòu)成的。這些結(jié)

9、果進(jìn)一步支持了其它譜學(xué)研究中的某些結(jié)論，也為一些長期爭論的反應(yīng)機(jī)制提供了新的證據(jù)。我們考察了硅氫電極表面在不同電解質(zhì)溶液中隨pH值變化的脫氫氧化的機(jī)制，在硅氫表面的脫氫氧化過程中，存在兩種不同的反應(yīng)過程:在pH值較低的溶液中，溶液中的H2O直接取代表面的H位，隨著溶液pH值的升高，溶液中的OH一逐漸在反應(yīng)中扮演重要的角色，它通過插入SiH背鍵生成、03SiH中間物種而實(shí)現(xiàn)表面的脫氫氧化。更為重要的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示OH一離子在F一離子的協(xié)