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硅及其氧化物的电化学——表面反应、结构和微加工 - ［加］章小鸽
出版日期:2004年9月
电化学在硅技术中的重要性在过去的50年里激发了高度活跃的研究，产生了大量有关硅/电解质界面的实验数据和理论信息。此书是对这些数据和信息的全面的整理和归纳。
此书主要的目的是为对硅和硅氧化物的电化学感兴趣的人提供系统和完整的信息。它对研究硅表面现象的科学家和研制开发以硅为基的电子器件的工程师是最有实用意义的。同时，它也可以作为一般性资料，供在半导体电化学和表面科学等领域工作的人员参考。在这些领域中，硅经常作为一种模型材料使用。另外，对研究岩石水相互作用的地质学家和从事玻璃刻蚀和表面处理的技术人员也有一定的参考价值。
我对硅电极行为的兴趣起始于14年前，当时我在麻省理工学院做博士后，研究多孔硅的形成机制。决定写此书是在出版了我的第一本书《锌的腐蚀和电化学》之后。我当时认识到：从材料使用者和研究者的角度看，把所有关于一种元素的理论和实际的与电化学的各个方面有关的信息系统地编集到单一文献里是最有益的。收集、整理和消化来自众多单个研究的结果，使我能以综合的和全面的视野对单个结果进行更合理的评估，对每一个特别的现象作出更完整和更准确的定性和描述。同时，写这样的书本身也是一个研究过程，能够产生单个研究无法得到的新的数据和新的认识。实际上，此过程产生了大约100个新的表格和图示，在书中都是首次发表。
本书在选择和处理信息上注重了两点：首先是强调那些与硅单晶材料有关的信息，而不涉及以硅为基的结构与合金，这对像硅这样被广泛深入研究的材料，是保证重点、限制篇幅所必需的；第二是强调数据本身和信息的细节和特殊性，因为在硅电极上观察到的众多的电化学现象是由特定的条件决定的，现象之间的差异体现在细节中。在实践中，对面临具体问题的科研人员来说，最有用的是现象和条件对应的专门而具体的信息，而不是泛泛的信息。
对每个现象的处理，首先对收到的文献中的实验数据进行系统地表征，在此基础上对内在的机理进行全面地讨论。对文献中提出的理论的合理性的评估完全是根据其是否在整体上与实验数据一致。实验数据的真实性和价值通常不会随时间发生变化，而对同一现象的理论模型却常常因为研究者而异。理论的适用性，除了少数例外，通常随时间变弱，因为数据是对事实的量度，而理论只是对度量的解释。
在进行有关机理的讨论中，我把重点放在物理机制，而不是放在数学描述上，因为硅/电解质界面这个复杂系统中观察到的现象的许多细节仍没有理解，而数学描述在没有理解物理机制的前提下是没有什么意义的。因此，对每一具体现象的机理，我注重对关于物理图形的概念和理论进行对比，如果理论所描述的物理图形与数据一致，则将理论一般化；如果不一致，则根据数据对现象进行系统分析，尝试提出更合理地描述物理图形的假说。一般地，对一复杂系统，集体的看法要比个体的更全面和准确。
从内容上，本书有9章，大致可分为两部分：第1章到第4章为第一部分，描述硅/电解质界面的条件和状态；第5章到第8章为第二部分，讨论不同的电极现象。第1章介绍了半导体电化学的基本概念和理论，作为以后各章中内容结构的组织和讨论的基础。第2章描述了硅的表面条件和硅/电解液界面的特征。关于氧化硅特别是阳极氧化硅的信息在第3章和第4章中讨论。第5章处理硅的阳极行为和反应动力学。第6章总结了文献中关于阴极反应和氧化还原对的信息。第7章讨论硅的刻蚀。第8章是最长的一章，涉及多孔硅的形成与形貌，是根据前面各章中的信息对多孔硅形成这一复杂现象全面分析。最后一章，即第9章，是从六个不同的方面将书中各部分的内容联系起来，同时也是本书的总结和对未来硅电化学研究的发展方向的一点展望。
致谢
本书是多年劳作的结果，在这过程中我得到了许多人以各种不同方式的帮助、鼓励和启示。
首先，我希望表达我对我家人——妻子张丽和儿子Kevin真诚的谢意，感谢他们理解和支持我进行这一耗时费心的事情。我要特别感谢宾夕法尼亚大学的DDMacdonald教授，他审阅了书稿并给此书作了序。我还真诚地感谢帮助审阅不同章节的人士：加拿大国家科学院的JBardwell，美国彼茨堡大学的TDBurleigh，荷兰Utrechf大学的JJKelly 和Trente大学的EJKooij，我也对德国ChristianAlbrechts大学的MChristopherson 和HFll提供多孔硅的照片表示感谢。
我希望对本书的编辑，Kluwer Academic/Plenum Publishers的KHowell先生表示感谢，他对此书保持了始终一致的热情，认真地校阅了全书。我还希望感谢许谷、金京、张孟春和邢安庆，他们在文献收集、复印、打字等这些看不见，但是不可缺少的事情上给了很多的帮助。
我还希望借此机会表示我对UCDavis的SLSmith和麻省理工学院的RMLatanision和SDSenturia的谢意，是他们在许多年前给了我研究硅的电化学的机会，从那里我获得了知识和对硅持续的兴趣。
最后我希望此书是对书中引用文献的作者的献礼，他们的工作创造了大量的信息，使此书的产生成为可能。
章小鸽
于加拿大多伦多硅及其氧化物的电化学——表面反应、结构和微加工目录
符号表1第1章半导体电化学的基础理论5
11引言5
12半导体/电解质界面的能级5
121半导体能级7
122电解质能级8
123电解质中能级的分布9
124半导体/电解质界面的能级9
13空间电荷层的电势和电荷分布11
131空间电荷区的载流子密度11
132耗尽层12
133积累层和反型层12
134Helmholtz双电层13
135表面态14
136费米能级钉固16
137半导体/电解质界面的等效电路和电容17
138平带电势18
14电荷传递的动力学20
141基本理论20
142基础理论的限制23
143极限电流25
144击穿25
145电势分布26
146电流倍增27
15光效应28
151光电流28
152光电位31
153能量转换效率33
154表面复合33
16开路电位34
17实验技术36第2章硅/电解质界面39
21硅的基本性质39
22水溶液中的热力学稳定性41
23表面吸附46
231氢终止47
232氟终止52
233金属和有机杂质的吸附53
24自然氧化物54
241在空气中的氧化物55
242在水和溶液中59
25憎水和亲水表面61
26表面态63
27平带电位66
271pH值的影响68
272表面条件的影响69
273表面态的影响71
274能带图72
28开路电位73
281各种因素的影响76
282腐蚀电流80第3章阳极氧化物82
31前言82
32氧化物的类型82
321热氧化物83
322化学气相沉积84
323液相沉积84
324自然氧化物和阳极氧化物84
325氧化物在器件生产中的使用84
33阳极氧化膜的构成84
331概述84
332溶液组成的影响86
333硅基体的影响90
334极化条件的影响91
335光照的影响92
336电致发光93
34生长机理94
341反应94
342氧化物内的离子传递95
343nSi上的生长的膜97
344电致发光98
345总的生长模型99
346生长动力学100
35特性103
351物理和化学特性105
352电性能109第4章硅氧化物的刻蚀116
41引言116
42概述116
43硅的热氧化物122
44石英和熔合硅石126
45沉积硅氧化物129
46阳极氧化物132
47刻蚀机制134
471刻蚀反应134
472速率方程140
473氧化物结构的作用144第5章阳极性能147
51引言147
52电流电位关系147
521含氟溶液147
522碱性溶液152
53光效应153
54有效的溶解价158
55氢气的产生160
56极限电流161
57界面层的阻抗166
58Tafel 斜率和电位分布168
581Tafel 斜率168
582电位分布170
59钝化171
591出现171
592碱性溶液中的钝化172
593钝化膜176
510电流振荡180
5101振幅和频率180
5102阳极氧化物的厚度和性质的振荡182
5103机理183
511能带的参与和速率的控制过程188
512反应机理191
5121TurnerMemming 模型191
5122后来的修正192
5123碱性溶液中反应机理的模型195
5124综合的反应机制198第6章阴极特性和氧化还原对205
61引言205
62析氢过程205
621动力学过程205
622表面变性209
63金属沉积作用210
631动力学过程210
632表面形貌215
64硅的沉积过程218
65氧化还原对218
651单个氧化还原对221
652与氧化还原反应有关的电致发光233
66开路光电压234
67表面改性236
671金属镀层238
672聚合物涂层240
673无水溶液241第7章硅的刻蚀244
71引言244
72概述244
73氟化物溶液252
731无氧化剂的情况252
732CrO3的影响255
733HNO3 的影响256
734其他氧化剂的影响259
74碱性溶液260
741KOH溶液261
742其他无机物溶液264
743有机溶液266
75重掺杂材料的刻蚀速率271
76各向异性刻蚀274
761刻蚀速率对晶体取向的敏感性274
762机理278
763各向异性刻蚀表面的基本特征285
77表面粗糙度288
771微观粗糙度289
772宏观粗糙度292
773粗糙度的来源299
78应用300
781清洗300
782缺陷刻蚀305
783材料的去除307第8章多孔硅312
81引言312
82多孔硅的形成312
821iV曲线的特征312
822PS形成和电化学抛光的条件315
823有效溶解价和氢的析出316
824多孔硅的生长速率319
825物料传递322
826在PS形成过程中的化学溶解323
83形貌324
831概述324
832孔径和孔间距326
833孔的取向和形状336
834孔的分支340
835PS和硅的界面341
836深度变化341
837密度和比表面积348
838组成351
839晶体结构352
8310小结354
84在OCP下PS的形成357
85在特殊条件下PS的形成358
86形成机理358
861发展历史358
862PS形成机理方面的分析370
863小结383
87性质和应用385第9章总结388
91复杂性388
92表面状态390
93氧化膜391
94对曲率的灵敏性393
95对表面晶格结构的灵敏性394
96相对性395
97未来研究方向396参考文献398 本书适合于硅及其氧化物领域的科研人员和工程师阅读，也可供相关专业学生参考。硅及其氧化物的电化学——表面反应、结构和微加工内容介绍:
本书系统地介绍了关于硅及其氧化物的电化学从理论到实践的全部知识，包括对硅/电解液界面，阳极氧化，刻蚀，光效应，阴极特性及氧化还原对，多孔硅和光电化学的详细阐述。对研究硅表面现象的科研人员和开发以硅为基的电子器件的工程师具有重大的实用意义。硅的电化学在硅技术与工艺和电化学系统中很重要，本书第一次全面介绍了硅在水溶液中的电化学知识。
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