大气等离子体作用下碳化硅的氧化机理及外延石墨烯制备工艺研究
发布时间：2022-12-18 10:12
单晶SiC是一种性能优良的宽禁带半导体材料,其在高温、高频以及高功率电子器件的制造方面正获得越来越广泛的应用。在SiC表面生长绝缘的氧化层是制造SiC基电子器件的关键一步,氧化层的质量直接决定了器件的性能。此外,SiC可通过热分解直接在其表面外延生长石墨烯,这对推动石墨烯与SiC的应用至关重要。然而,传统工艺在提升氧化层的界面特性以及石墨烯的面积、质量与层数均一性等关键特性上仍存在不足。本课题从SiC超高温条件下的氧化动力学研究着手,借助先进的大气ICP等离子体加工技术,对SiC在等离子体作用下的氧化过程、石墨烯的生长过程与相应的机理进行了深入研究。具体研究内容如下。研究了超高温条件下氧气对SiC表面动力学的影响。通过在1500℃不同氧气浓度的体系中对SiC进行氧化后发现,氧气浓度可以调控SiC表面热氧化作用（TO-SiO2）与热化学气相沉积作用（TCVD-SiO2）的相互竞争关系,且低浓度的氧气条件更有利于后者的生长。本研究系统分析了TO-SiO2与TCVD-SiO2在表面形貌、结晶质量、界面结构...
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 SiC热氧化研究现状
1.2.2 石墨烯制备研究现状
1.2.3 等离子体在SiC表面改性领域研究现状
1.3 课题主要研究内容
第2章 超高温条件下SiC的氧化动力学研究
2.1 SiC的传统热氧化与超高温热氧化
2.1.1 实验装置与实验样品
2.1.2 SiC的热氧化实验研究
2.2 氧气浓度与温度对SiC氧化行为的影响
2.2.1 氧气浓度变化与SiC氧化行为的关系
2.2.2 超高温对于氧气调控SiC氧化动力学的必要性
2.2.3 高真空超高温条件下SiC表面外延石墨烯的生长
2.3 TO-SiO_2与TCVD-SiO_2 的性质及形成机理分析
2.3.1 热氧化区与热化学气相沉积区元素分布差异分析
2.3.2 热氧化区与热化学气相沉积区结晶程度差异分析
2.3.3 热氧化区与热化学气相沉积区元素成键差异分析
2.3.4 TO-SiO_2与TCVD-SiO_2 形成机理分析
2.4 基于ReaxFF反应力场的SiC氧化动力学研究
2.4.1 ReaxFF反应分子动力学简介
2.4.2 仿真计算的准确性与可信度分析
2.4.3 SiC氧化行为的分子动力学研究结果
2.5 本章小结
第3章 大气等离子体氧化SiC的机理研究
3.1 大气压等离子体设备搭建
3.1.1 大气等离子体简介
3.1.2 ICP等离子体设备及工作原理
3.2 SiC的等离子体氧化实验
3.2.1 ICP等离子体温度及光谱测试
3.2.2 不同等离子体功率下的氧化实验
3.2.3 不同等离子体照射时间下的氧化实验
3.2.4 不同氧气浓度体系下的氧化实验
3.3 等离子体氧化SiC的机理分析
3.3.1 ICP等离子体作用下的SiC氧化模型
3.3.2 基于氧化模型的SiC抛光工艺猜想
3.4 基于ICP等离子体的SiC非减材抛光工艺
3.4.1 CMP抛光的SiC表面原子级台阶结构的制备
3.4.2 SiC切割片的抛光探索
3.4.3 抛光机理研究
3.5 本章小结
第4章 基于大气等离子体的SiC外延石墨烯生长工艺探索
4.1 石墨烯的SiC外延生长法
4.1.1 SiC外延生长石墨烯的基本原理
4.1.2 大气等离子体作用下SiC外延生长石墨烯的可行性分析
4.2 大气等离子体作用下的SiC外延石墨烯生长探索
4.2.1 SiC表面片层状石墨烯的生长
4.2.2 SiC表面片层状结构的演变规律
4.3 现存问题与改进方案
4.3.1 现存问题分析
4.3.2 大气等离子体装置的改进设计
4.4 本章小结
结论
参考文献
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ReaxFF场的矿物绝缘油热解分子动力学模拟[J]. 杜林,王五静,张彼德,王誉博,相晨萌,王杰. 高电压技术. 2018(02)
[2]缺陷单层和双层石墨烯的拉曼光谱及其激发光能量色散关系[J]. 厉巧巧,韩文鹏,赵伟杰,鲁妍,张昕,谭平恒,冯志红,李佳. 物理学报. 2013(13)
[3]分子动力学仿真技术在超精密加工领域中的应用[J]. 于思远,林滨,韩雪松,林彬. 中国机械工程. 2002(01)
博士论文
[1]电弧等离子体全域数值模拟[D]. 孙强.中国科学技术大学 2019
[2]射频电感耦合等离子体及模式转变的实验研究[D]. 汪建.中国科学技术大学 2014
[3]石墨烯的低温等离子体制备及掺杂研究[D]. 徐轶君.苏州大学 2013
[4]SiC基石墨烯材料制备及表征技术研究[D]. 王党朝.西安电子科技大学 2012
[5]ReaxFF反应力场的开发及其在材料科学中的若干应用[D]. 刘连池.上海交通大学 2012
[6]碳化硅薄膜的外延生长、结构表征及石墨烯的制备[D]. 刘忠良.中国科学技术大学 2009
硕士论文
[1]ReaxFF MD模拟结果的化学反应网络自动构建及可视化[D]. 贺巧鑫.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2019
[2]大气压等离子体微射流及其阵列的放电特性研究[D]. 郭飞.中国科学技术大学 2019
[3]大气压微波等离子体炬工作平台控制系统的设计与实现[D]. 田野松.大连理工大学 2019
本文编号：3721867
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 SiC热氧化研究现状
1.2.2 石墨烯制备研究现状
1.2.3 等离子体在SiC表面改性领域研究现状
1.3 课题主要研究内容
第2章 超高温条件下SiC的氧化动力学研究
2.1 SiC的传统热氧化与超高温热氧化
2.1.1 实验装置与实验样品
2.1.2 SiC的热氧化实验研究
2.2 氧气浓度与温度对SiC氧化行为的影响
2.2.1 氧气浓度变化与SiC氧化行为的关系
2.2.2 超高温对于氧气调控SiC氧化动力学的必要性
2.2.3 高真空超高温条件下SiC表面外延石墨烯的生长
2.3 TO-SiO_2与TCVD-SiO_2 的性质及形成机理分析
2.3.1 热氧化区与热化学气相沉积区元素分布差异分析
2.3.2 热氧化区与热化学气相沉积区结晶程度差异分析
2.3.3 热氧化区与热化学气相沉积区元素成键差异分析
2.3.4 TO-SiO_2与TCVD-SiO_2 形成机理分析
2.4 基于ReaxFF反应力场的SiC氧化动力学研究
2.4.1 ReaxFF反应分子动力学简介
2.4.2 仿真计算的准确性与可信度分析
2.4.3 SiC氧化行为的分子动力学研究结果
2.5 本章小结
第3章 大气等离子体氧化SiC的机理研究
3.1 大气压等离子体设备搭建
3.1.1 大气等离子体简介
3.1.2 ICP等离子体设备及工作原理
3.2 SiC的等离子体氧化实验
3.2.1 ICP等离子体温度及光谱测试
3.2.2 不同等离子体功率下的氧化实验
3.2.3 不同等离子体照射时间下的氧化实验
3.2.4 不同氧气浓度体系下的氧化实验
3.3 等离子体氧化SiC的机理分析
3.3.1 ICP等离子体作用下的SiC氧化模型
3.3.2 基于氧化模型的SiC抛光工艺猜想
3.4 基于ICP等离子体的SiC非减材抛光工艺
3.4.1 CMP抛光的SiC表面原子级台阶结构的制备
3.4.2 SiC切割片的抛光探索
3.4.3 抛光机理研究
3.5 本章小结
第4章 基于大气等离子体的SiC外延石墨烯生长工艺探索
4.1 石墨烯的SiC外延生长法
4.1.1 SiC外延生长石墨烯的基本原理
4.1.2 大气等离子体作用下SiC外延生长石墨烯的可行性分析
4.2 大气等离子体作用下的SiC外延石墨烯生长探索
4.2.1 SiC表面片层状石墨烯的生长
4.2.2 SiC表面片层状结构的演变规律
4.3 现存问题与改进方案
4.3.1 现存问题分析
4.3.2 大气等离子体装置的改进设计
4.4 本章小结
结论
参考文献
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ReaxFF场的矿物绝缘油热解分子动力学模拟[J]. 杜林,王五静,张彼德,王誉博,相晨萌,王杰. 高电压技术. 2018(02)
[2]缺陷单层和双层石墨烯的拉曼光谱及其激发光能量色散关系[J]. 厉巧巧,韩文鹏,赵伟杰,鲁妍,张昕,谭平恒,冯志红,李佳. 物理学报. 2013(13)
[3]分子动力学仿真技术在超精密加工领域中的应用[J]. 于思远,林滨,韩雪松,林彬. 中国机械工程. 2002(01)
博士论文
[1]电弧等离子体全域数值模拟[D]. 孙强.中国科学技术大学 2019
[2]射频电感耦合等离子体及模式转变的实验研究[D]. 汪建.中国科学技术大学 2014
[3]石墨烯的低温等离子体制备及掺杂研究[D]. 徐轶君.苏州大学 2013
[4]SiC基石墨烯材料制备及表征技术研究[D]. 王党朝.西安电子科技大学 2012
[5]ReaxFF反应力场的开发及其在材料科学中的若干应用[D]. 刘连池.上海交通大学 2012
[6]碳化硅薄膜的外延生长、结构表征及石墨烯的制备[D]. 刘忠良.中国科学技术大学 2009
硕士论文
[1]ReaxFF MD模拟结果的化学反应网络自动构建及可视化[D]. 贺巧鑫.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2019
[2]大气压等离子体微射流及其阵列的放电特性研究[D]. 郭飞.中国科学技术大学 2019
[3]大气压微波等离子体炬工作平台控制系统的设计与实现[D]. 田野松.大连理工大学 2019
本文编号：3721867
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