氟負(fù)離子儲(chǔ)存-發(fā)射功能材料及其在Si和SiO-,2-蝕刻中應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、薄膜材料的制備及其性能研究是材料化學(xué)和材料物理領(lǐng)域的重要研究課題之一。氟負(fù)離子在半導(dǎo)體蝕刻、薄膜材料的制備及其改性、大氣化學(xué)、生物化學(xué)和負(fù)離子質(zhì)譜技術(shù)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用背景。本論文合成了氟負(fù)離子存儲(chǔ)－發(fā)射功能材料[Ca24Al28O64]4+(F)3136(O2-)0.32(縮寫成Cl2A7-F)；首次研究了該材料的結(jié)構(gòu)特征、負(fù)離子存儲(chǔ)特性、負(fù)離子發(fā)射特性、高純氟負(fù)離子源的建立技術(shù)；深入研究了Cl2A7-F-材料的負(fù)離子存儲(chǔ)-發(fā)射機(jī)理

2、；利用該功能材料和建立的高純氟負(fù)離子源，進(jìn)行了F-離子對(duì)硅和二氧化硅蝕刻應(yīng)用研究。主要的研究結(jié)果如下： (1)Cl2A7-F-的制備和結(jié)構(gòu)特征。1350℃時(shí)，在氬氣氣氛下高溫焙燒CaCO3、γ-Al2O3和CaF2，然后在780℃和氟氣氣氛下退火處理來(lái)制得Cl2A7-F-材料。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、BET-孔徑分析和X射線衍射(XRD)測(cè)試表明Cl2A7-F-材料的屬于I43d空間群，晶格常數(shù)為1.1969±0.0

3、002nm。比表面和平均孔徑分別為1.073m2/g和42.6A。另外經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)射后結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生明顯變化。 (2)F-離子發(fā)射特性。利用時(shí)間飛行質(zhì)譜測(cè)量了Cl2A7-F-材料的發(fā)射特性，包括溫度效應(yīng)，引出場(chǎng)效應(yīng)，發(fā)射分支比，表觀活化能的計(jì)算和發(fā)射穩(wěn)定性等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)-離子為最主要的發(fā)射離子，其強(qiáng)度隨著溫度和引出場(chǎng)的增加而增加。得到的各離子的表觀活化能隨著電場(chǎng)的增加而下降，并基本符合肖特基公式。 (3)F-離子

4、存儲(chǔ)特性。采用電子順磁共振(EPR)、離子色譜(IC)和喇曼譜(RS)等方法表征Cl2A7-F-材料的存儲(chǔ)特性，表明該材料中的負(fù)離子物種主要是F-負(fù)離子((1.96±0.25)×1021cm-3)，伴隨少量的O2-和極少量的O-和O2-，這也與TOF檢測(cè)的Cl2A7-F-材料表面負(fù)離子發(fā)射情況基本吻合。 (4)F-離子形成和發(fā)射機(jī)理。Cl2A7-F-材料中的F-離子是在焙燒過(guò)程中初步生成，然后在退火處理中經(jīng)電荷交換反應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)

5、。在發(fā)射過(guò)程中，內(nèi)部的F-離子通過(guò)電場(chǎng)增強(qiáng)的熱擴(kuò)散過(guò)程遷移到樣品表面，然后再脫附到氣相中。實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的少量的O-離子和電子發(fā)射主要來(lái)源于O2-離子的解離。 (5)F-離子束。測(cè)量了Cl2A7-F-材料的絕對(duì)發(fā)射電流密度。利用TOF質(zhì)譜實(shí)時(shí)校正得到的發(fā)射分支比和總電流，計(jì)算各種離子的絕對(duì)電流。其中，F(xiàn)-離子的絕對(duì)發(fā)射電流密度可以達(dá)到μA/cm2量級(jí)。在樣品背面注入氟氣的情況下，Cl2A7-F-材料可以持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)射μA/cm2量

6、級(jí)的F-離子流。 (6)F-離子束對(duì)硅和二氧化硅的蝕刻。利用該功能材料和建立的高純氟負(fù)離子源，進(jìn)行了F-離子對(duì)硅和二氧化硅蝕刻應(yīng)用研究。同時(shí)利用FESEM和X射線光電子能譜(XPS)等表征方法對(duì)蝕刻前后樣品表面形貌和組分變化進(jìn)行了測(cè)試。表明F-離子束對(duì)硅片和二氧化硅具良好的蝕刻效果。 研究表明，該負(fù)離子存儲(chǔ)-發(fā)射功能材料Cl2A7-F-具有高選擇性存儲(chǔ)氟負(fù)離子，高純度發(fā)射氟負(fù)離子的能力；在電催化注入時(shí)所發(fā)射的高純和高穩(wěn)定