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摘要
? ? ? 氫氟酸中氧化硅的氫終止是由于一個蝕刻過程，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛理解和接受。這個表面已經(jīng)成為表面科學研究的標準，也是微電子、能源和傳感器應(yīng)用的硅器件處理的重要組成部分。目前的工作表明，氧化碳化硅的高頻蝕刻（碳化硅）導致了一個非常不同的表面終止，無論表面是碳終止還是硅終止。具體來說，碳化硅表面具有親水性和羥基終止，這是由于HF無法去除氧化物、二氧化硅界面上的最后一層氧層。最終的表面化學和穩(wěn)定性關(guān)鍵取決于晶體面和表面的化學計量學。這些表面特性影響表面化學功能化的能力，從而影響碳化硅如何用于生物醫(yī)學應(yīng)用。
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介紹
? ? ? 碳化硅開始取代高功率、高溫應(yīng)用的硅，并被考慮用于高中壓MOSFET器件。在電子應(yīng)用中，碳化硅的吸引力源于生長熱二氧化硅鈍化層的能力，這表明已經(jīng)為硅開發(fā)的濕式化學清洗方法（例如，高頻蝕刻）可以用于碳化硅。碳化硅的另一個重要吸引力來自于它的穩(wěn)定性和生物相容性，這對生物醫(yī)學應(yīng)用很重要，如用于植入的材料（骨組織）、血管支架和用于生物傳感器的基質(zhì)。對于這些應(yīng)用，理解和控制其表面的表面終止是至關(guān)重要的。特別是，執(zhí)行高頻蝕刻是這些應(yīng)用程序中常見的一個重要步驟。
? ? ? 碳化硅的表面潤濕性也與硅表面不同。通過浸在各種酸、堿溶液中檢測了潤濕特性，發(fā)現(xiàn)碳化硅表面大多是親水性的。最近，表面有氧氣的證據(jù)被解釋為由于表面形成了一種碳氧化硅(SiOC)合金，與初始熱氧化有關(guān)。
? ? ? 這些結(jié)果表明，碳化硅表面與硅表面有化學性質(zhì)的不同，但這些差異的起源尚不清楚。例如，觀察到表面的氧和羥基可能只是由于不穩(wěn)定的H終止，就像在hf蝕刻的鍺表面中發(fā)現(xiàn)的那樣。鑒于這些觀察結(jié)果，共同努力對于確定蝕刻過程的化學性質(zhì)和理解hf蝕刻碳化硅的化學性質(zhì)是很重要的。
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方法
? ? ? 本節(jié)分別使用18O(p，R)15N和2H(3He，p)4He核反應(yīng)對hf蝕刻的碳化硅表面上的O和D物種進行檢測和定量。采用2MeVVandeGraaff靜電加速器作為核反應(yīng)分析(NRA)和盧瑟福背向散射光譜(RBS)的離子源。蝕刻后，在～10分鐘內(nèi)將樣品轉(zhuǎn)移到分析室(~10-7Torr)。放置在~180°處的環(huán)形固態(tài)探測器分別用于檢測NRA和RBS中發(fā)射的核反應(yīng)產(chǎn)物和后向散射離子。此外，對于NRA，在探測器前面放置了一個～17μm鋁箔，以阻止后向散射的初級離子。采用標準對NRA結(jié)果進行絕對校準。
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結(jié)果
? ? ? - 表面濕潤。關(guān)于Si和碳化硅在高頻蝕刻下的不同行為的一個直接的視覺指示是蝕刻過程完成時殘留液滴的形狀。
? ? ? ?-元素組成：NRA。蝕刻表面的元素組成首先是通過對氧(質(zhì)量為18同位素，18O)和氘(D)的存在敏感的核反應(yīng)分析來建立的元素組成。?
? ? ? -表面化學狀態(tài)：XPS。XPS測量進一步識別和量化了蝕刻后物種表面的化學狀態(tài)。調(diào)查掃描顯示，只有一個與在硅上檢測到的F信號相似的F信號（單層的一小部分）。
? ? ? -表面化學終端：紅外吸收光譜學。紅外吸收光譜非常適合于確定表面的局部化學結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)于H或D與表面的鍵合。
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討論與建模
? ? ??如圖1b所示，這里描述的各種實驗測量提供了一個一致的圖片，表明hf處理的二氧化硅/SiC表面的特征是由原始氧產(chǎn)生的完整單層結(jié)合氧在羥基終止中進一步結(jié)合氫。因此，碳化硅的碳和硅表面的表面終止明顯不同于純氫終止。
? ? ? 硅和碳化硅表面之間的反應(yīng)能量學的差異為理解不同的高頻蝕刻表面產(chǎn)物提供了關(guān)鍵的見解。如圖4所示，在Si面和c面碳化硅表面去除表面OH(由F取代)的活化能明顯高于Si表面(分別為1.25和1.69eV)。雖然OH-Si-(SiC)和OH-Si(Si)的整體氟化反應(yīng)焓相似(0.42eV放熱)，但碳化硅面是熱中性的。因此，對Si表面非常有效的高頻蝕刻反應(yīng)在氧化的碳化硅表面受到動力學阻礙，因此仍然保持羥基終止。在實驗條件下，不能去除最后一層氧化物層的表面氧。
? ? ? 這些發(fā)現(xiàn)表明，氧的存在主要是由于羥基的終止。將氧的存在歸因于表面氧碳化物合金的形成。事實上，我們的DFT計算表明，將氧插入Si-C背鍵形成氧碳化物在能量上是不利的，因為它被～4eV吸熱。
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? ? ? 圖1 (a)Si（111）的H鈍化機制和(b)（0001j）C面的OH終止機制示意圖。碳化硅
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? ? ? 圖4 在密度泛函理論中對HF去除-OH以在硅（111）表面形成SiF的每個臨界點進行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。（下)高頻蝕刻表面反應(yīng)途徑與硅表面和硅表面和(111）面碳化硅表面的反應(yīng)能分布。R、RC、TS、PC和P分別表示反應(yīng)物、反應(yīng)物復合物、過渡態(tài)、產(chǎn)物復合物和產(chǎn)物
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結(jié)論和展望
? ? ?總之，各種分析測量已經(jīng)被應(yīng)用于第一性原理計算，以獲得對二氧化硅、二化硅界面高頻蝕刻效果的一致和詳細的理解。與眾所周知的來自氧化硅表面的疏氫h端表面相比，高頻蝕刻氧化的碳化硅產(chǎn)生親水性，終止羥基的表面。碳化硅c面-OH層的穩(wěn)定性和親水性對后續(xù)的表面反應(yīng)具有重要意義。例如，如支持信息所示，碳化硅表面的羥基終止使得將自組裝的硅烷分子移植到具有高填充密度的hf蝕刻的碳化硅表面成為可能。OH端C-SiC表面的更高穩(wěn)定性為該過程提供了更高的屏障，但典型的C-SiC表面具有足夠高的步長密度和原子粗糙度，以呈現(xiàn)足夠的Si表面原子進行接枝。
? ? ? 這一發(fā)現(xiàn)對碳化硅用于生物醫(yī)學應(yīng)用具有深遠的意義，因為它的終止直接影響這些表面與蛋白質(zhì)的相互作用。例如，已知細胞培養(yǎng)物優(yōu)先粘附在具有高潤濕性的底物上。因此，HF處理的C-SiC表面殘留和穩(wěn)定的羥基終止將對需要生物相容性的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。相比之下，在Si-SiC上移植疏水SAMs的能力為支架提供了另一種功能。Si-SiC和C-SiC各自的反應(yīng)性對于微電子應(yīng)用也很重要，如碳化硅基質(zhì)上高k介質(zhì)的生長。
? ? ? 最后，這些結(jié)果為電力器件中使用的SiC/SIO2界面結(jié)構(gòu)的復雜問題提供了新的見解，即沒有證據(jù)表明界面上有殘留的、不可蝕刻的、非化學計量的氧化物。相反，殘余表面雖然遠非完美，但可以用結(jié)合和反應(yīng)障礙的化學概念來理解。
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