等離子體清洗實驗被安排在小型材料處理實驗室進行。那臺機器原本用於清潔矽片表面的有機沾汙,功率不大,腔體也小,勉強能放進一片四英寸的碳化矽襯底。
林海對陸晨這個“野路子”想法最初持保留態度。“等離子體清洗對去除表面吸附物和弱氧化層有效,但碳化矽襯底在進入生長爐前,已經經過嚴格的高溫氫刻蝕,表面應該是清潔的。而且,等離子體可能會引入新的表面損傷或電荷積累。”
“我們不做任何假設。”陸晨站在機器前,看著操作手冊上的引數範圍,“標準流程走完了,結果卡在瓶頸。我們需要探索‘非標準’的可能性。系統…我們的理論模擬提示,介面缺陷可能不只是來自緩衝層本身,襯底表面極微量的、氫刻蝕也無法完全去除的特定態雜質,或者表面能的不均勻,可能是誘因之一。等離子體,特別是特定氣體配比的等離子體,可能改變最表面幾個原子層的化學狀態和能量分佈。”
他將系統的提示,轉化為基於材料表面科學的合理推測。
“那就試試看。”林海被說服了,技術人員的探索欲被點燃,“我們選氬氫混合氣體,比例可以調,偏壓和功率也作為變數。但怎麼評估效果?直接上生長爐週期太長了。”
“用原子力顯微鏡(AF和X射線光電子能譜(XPS)。”陸晨早有思路,“清洗前後,測表面粗糙度和化學成分變化。更關鍵的是,我們可以嘗試在清洗後的襯底上,先沉積一層極薄的、幾個奈米厚的石墨烯緩衝層,然後用高分辨透射電鏡(HRTE看初始成核介面的情況。如果等離子體處理真的改善了介面,應該在最初的成核階段就能觀察到差異。”
這是一個巧妙的設計,將漫長的晶體生長評估,前置到最初的介面形成時刻來觀察,大幅縮短實驗週期。
實驗立即啟動。他們準備了六片來自同一批次、經過標準氫刻蝕的碳化矽襯底,分為三組:一組作為對照,一組進行常規氬等離子體清洗,一組進行氬氫混合等離子體清洗,並細分為不同引數。
AFXPS的結果首先出來。常規氬等離子體處理後,表面粗糙度略有增加,顯示了一定的物理濺射效應。而特定比例的氬氫混合等離子體處理後,表面氧含量檢測值進一步降低,同時碳化矽表面的碳矽比出現了微妙的、趨向化學計量比的變化。
“氫自由基可能還原了表面極微量的氧化矽,並鈍化了一些懸空鍵。”張明遠在檢視資料後分析,“這個表面狀態,理論上可能更有利於石墨烯的平整外延。”
關鍵的HRTE品製備需要時間。但初步的表面分析結果,已經給了團隊一絲微光——這條路,或許真的值得深挖。
協議轉換閘道器的開發,成了軟體工程師小陳的“高光時刻”。這個入職不到兩年的年輕人,憑著對硬體通訊的痴迷和一股不服輸的勁頭,泡在實驗室裡三天,幾乎沒怎麼閤眼。
林海給他配了兩個助手,主要負責硬體搭建和測試。小陳則埋頭鑽研兩份厚厚的通訊協議文件,一行行程式碼在螢幕上流淌。
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