氟負離子儲存-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。本論文合成了氟負離子存儲－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、負離子存儲特性、負離子發(fā)射特性、高純氟負離子源的建立技術(shù)；深入研究了Cl2A7-F-材料的負離子存儲-發(fā)射機理

2、；利用該功能材料和建立的高純氟負離子源，進行了F-離子對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，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制得Cl2A7-F-材料。場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、BET-孔徑分析和X射線衍射(XRD)測試表明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)長時間發(fā)射后結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生明顯變化。 (2)F-離子發(fā)射特性。利用時間飛行質(zhì)譜測量了Cl2A7-F-材料的發(fā)射特性，包括溫度效應(yīng)，引出場效應(yīng)，發(fā)射分支比，表觀活化能的計算和發(fā)射穩(wěn)定性等內(nèi)容。實驗結(jié)果顯示，F(xiàn)-離子為最主要的發(fā)射離子，其強度隨著溫度和引出場的增加而增加。得到的各離子的表觀活化能隨著電場的增加而下降，并基本符合肖特基公式。 (3)F-離子

4、存儲特性。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-材料的存儲特性，表明該材料中的負離子物種主要是F-負離子((1.96±0.25)×1021cm-3)，伴隨少量的O2-和極少量的O-和O2-，這也與TOF檢測的Cl2A7-F-材料表面負離子發(fā)射情況基本吻合。 (4)F-離子形成和發(fā)射機理。Cl2A7-F-材料中的F-離子是在焙燒過程中初步生成，然后在退火處理中經(jīng)電荷交換反應(yīng)進一步增強

5、。在發(fā)射過程中，內(nèi)部的F-離子通過電場增強的熱擴散過程遷移到樣品表面，然后再脫附到氣相中。實驗中觀測到的少量的O-離子和電子發(fā)射主要來源于O2-離子的解離。 (5)F-離子束。測量了Cl2A7-F-材料的絕對發(fā)射電流密度。利用TOF質(zhì)譜實時校正得到的發(fā)射分支比和總電流，計算各種離子的絕對電流。其中，F(xiàn)-離子的絕對發(fā)射電流密度可以達到μA/cm2量級。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、級的F-離子流。 (6)F-離子束對硅和二氧化硅的蝕刻。利用該功能材料和建立的高純氟負離子源，進行了F-離子對硅和二氧化硅蝕刻應(yīng)用研究。同時利用FESEM和X射線光電子能譜(XPS)等表征方法對蝕刻前后樣品表面形貌和組分變化進行了測試。表明F-離子束對硅片和二氧化硅具良好的蝕刻效果。 研究表明，該負離子存儲-發(fā)射功能材料Cl2A7-F-具有高選擇性存儲氟負離子，高純度發(fā)射氟負離子的能力；在電催化注入時所發(fā)射的高純和高穩(wěn)定