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摘要

      氢氟酸中氧化硅的氢终止是由于一个蚀刻过程，现在已经被广泛理解和接受。这个表面已经成为表面科学研究的标准，也是微电子、能源和传感器应用的硅器件处理的重要组成部分。目前的工作表明，氧化碳化硅的高频蚀刻（碳化硅）导致了一个非常不同的表面终止，无论表面是碳终止还是硅终止。具体来说，碳化硅表面具有亲水性和羟基终止，这是由于HF无法去除氧化物、二氧化硅界面上的最后一层氧层。最终的表面化学和稳定性关键取决于晶体面和表面的化学计量学。这些表面特性影响表面化学功能化的能力，从而影响碳化硅如何用于生物医学应用。

介绍

      碳化硅开始取代高功率、高温应用的硅，并被考虑用于高中压MOSFET器件。在电子应用中，碳化硅的吸引力源于生长热二氧化硅钝化层的能力，这表明已经为硅开发的湿式化学清洗方法（例如，高频蚀刻）可以用于碳化硅。碳化硅的另一个重要吸引力来自于它的稳定性和生物相容性，这对生物医学应用很重要，如用于植入的材料（骨组织）、血管支架和用于生物传感器的基质。对于这些应用，理解和控制其表面的表面终止是至关重要的。特别是，执行高频蚀刻是这些应用程序中常见的一个重要步骤。

      碳化硅的表面润湿性也与硅表面不同。通过浸在各种酸、碱溶液中检测了润湿特性，发现碳化硅表面大多是亲水性的。最近，表面有氧气的证据被解释为由于表面形成了一种碳氧化硅(SiOC)合金，与初始热氧化有关。

      这些结果表明，碳化硅表面与硅表面有化学性质的不同，但这些差异的起源尚不清楚。例如，观察到表面的氧和羟基可能只是由于不稳定的H终止，就像在hf蚀刻的锗表面中发现的那样。鉴于这些观察结果，共同努力对于确定蚀刻过程的化学性质和理解hf蚀刻碳化硅的化学性质是很重要的。

方法

      本节分别使用18O(p，R)15N和2H(3He，p)4He核反应对hf蚀刻的碳化硅表面上的O和D物种进行检测和定量。采用2MeVVandeGraaff静电加速器作为核反应分析(NRA)和卢瑟福背向散射光谱(RBS)的离子源。蚀刻后，在∼10分钟内将样品转移到分析室(~10-7Torr)。放置在~180°处的环形固态探测器分别用于检测NRA和RBS中发射的核反应产物和后向散射离子。此外，对于NRA，在探测器前面放置了一个∼17µm铝箔，以阻止后向散射的初级离子。采用标准对NRA结果进行绝对校准。

结果

      - 表面湿润。关于Si和碳化硅在高频蚀刻下的不同行为的一个直接的视觉指示是蚀刻过程完成时残留液滴的形状。

       -元素组成：NRA。蚀刻表面的元素组成首先是通过对氧(质量为18同位素，18O)和氘(D)的存在敏感的核反应分析来建立的元素组成。 

      -表面化学状态：XPS。XPS测量进一步识别和量化了蚀刻后物种表面的化学状态。调查扫描显示，只有一个与在硅上检测到的F信号相似的F信号（单层的一小部分）。

      -表面化学终端：红外吸收光谱学。红外吸收光谱非常适合于确定表面的局部化学结构，特别是关于H或D与表面的键合。

讨论与建模

      如图1b所示，这里描述的各种实验测量提供了一个一致的图片，表明hf处理的二氧化硅/SiC表面的特征是由原始氧产生的完整单层结合氧在羟基终止中进一步结合氢。因此，碳化硅的碳和硅表面的表面终止明显不同于纯氢终止。

      硅和碳化硅表面之间的反应能量学的差异为理解不同的高频蚀刻表面产物提供了关键的见解。如图4所示，在Si面和c面碳化硅表面去除表面OH(由F取代)的活化能明显高于Si表面(分别为1.25和1.69eV)。虽然OH-Si-(SiC)和OH-Si(Si)的整体氟化反应焓相似(0.42eV放热)，但碳化硅面是热中性的。因此，对Si表面非常有效的高频蚀刻反应在氧化的碳化硅表面受到动力学阻碍，因此仍然保持羟基终止。在实验条件下，不能去除最后一层氧化物层的表面氧。

      这些发现表明，氧的存在主要是由于羟基的终止。将氧的存在归因于表面氧碳化物合金的形成。事实上，我们的DFT计算表明，将氧插入Si-C背键形成氧碳化物在能量上是不利的，因为它被∼4eV吸热。

      图1 (a)Si（111）的H钝化机制和(b)（0001j）C面的OH终止机制示意图。碳化硅

      图4 在密度泛函理论中对HF去除-OH以在硅（111）表面形成SiF的每个临界点进行优化的结构。（下)高频蚀刻表面反应途径与硅表面和硅表面和(111）面碳化硅表面的反应能分布。R、RC、TS、PC和P分别表示反应物、反应物复合物、过渡态、产物复合物和产物

结论和展望

     总之，各种分析测量已经被应用于第一性原理计算，以获得对二氧化硅、二化硅界面高频蚀刻效果的一致和详细的理解。与众所周知的来自氧化硅表面的疏氢h端表面相比，高频蚀刻氧化的碳化硅产生亲水性，终止羟基的表面。碳化硅c面-OH层的稳定性和亲水性对后续的表面反应具有重要意义。例如，如支持信息所示，碳化硅表面的羟基终止使得将自组装的硅烷分子移植到具有高填充密度的hf蚀刻的碳化硅表面成为可能。OH端C-SiC表面的更高稳定性为该过程提供了更高的屏障，但典型的C-SiC表面具有足够高的步长密度和原子粗糙度，以呈现足够的Si表面原子进行接枝。

      这一发现对碳化硅用于生物医学应用具有深远的意义，因为它的终止直接影响这些表面与蛋白质的相互作用。例如，已知细胞培养物优先粘附在具有高润湿性的底物上。因此，HF处理的C-SiC表面残留和稳定的羟基终止将对需要生物相容性的应用产生重要影响。相比之下，在Si-SiC上移植疏水SAMs的能力为支架提供了另一种功能。Si-SiC和C-SiC各自的反应性对于微电子应用也很重要，如碳化硅基质上高k介质的生长。

      最后，这些结果为电力器件中使用的SiC/SIO2界面结构的复杂问题提供了新的见解，即没有证据表明界面上有残留的、不可蚀刻的、非化学计量的氧化物。相反，残余表面虽然远非完美，但可以用结合和反应障碍的化学概念来理解。

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