半导体碳化硅SiC的湿法氧化5

2.2分子动力学模拟

分子动力学模拟在 SiC 表面氧化研究中具有较好的研究前景，因为它可以提供高分辨 率的结构和动力学信息，且可以模拟大尺度、长时间尺度的反应过程，从而揭示氧化反应的 机理和动力学行为。基于分子动力学模拟的方法，可以采用反应力场(ReaxFF)分析 SiC 不同 取向晶面早期阶段的氧化行为，从模拟结果中获得氧化物厚度和生长速率。模拟发现在氧 化过程中，从 SiC 表面溢出的 C 物质浓度是 Si 的三倍，C 面具有最高的氧化速率，其次是 m 面、a 面和 Si 面。这一结果与第一性原理计算结果和实验事实相符。在此基础上，Newsome 等使用 ReaxFF 对暴露于 O2和 H2O 分子的 SiC 表面的初始氧化过程进行模拟。结果表明， SiC 逐渐在 O2 和 H2O 的作用下转变为硅的氧化物，同时形成类似石墨的层。在过量 O2 的存 在下，类石墨层被进一步氧化为 CO 和 CO2。研究还分析了两个原子和三个原子簇的轨迹， 发现 Si−O 和 C−C 键的形成是以 O−O 和 Si−C 键消耗为代价的，表明 SiC 氧化同时会形成碳 团簇结构。 

单晶 SiC 由于具有晶面各向异性，其 Si 面和 C 面的物理、化学性质以及氧化和去除机 理都有显著差别，有研究使用基于 ReaxFF 的分子动力学模拟，对 6H-SiC 在 2100K 下的 Si 面和 C 面抛光过程分别进行了模拟。使用金刚石板模型在一定载荷下对处于 H2O 体系中 的 C 面和 Si 面进行接触和摩擦。如图 7 所示，随着摩擦过程中温度逐渐升高，SiC 的表面 会与 H2O 发生反应，C 面反应产物的主要成分是无定形氧化硅（见图 7(a)），而 Si 面反应 产物的主要成分是结晶二氧化硅（见图 7(b)）。6H-SiC 的 C 面材料比 Si 面材料氧化速度快， 导致相同条件下 C 面 MRR 大于 Si 面。