SiC薄膜的制备及性能研究

第 1 页 共 32 页SiC薄膜的制备及性能研究指导老师： 学生姓名： 专业班级： 材料工程 摘 要碳化硅被誉为下一代半导体材料，因为其具有众多优异的物理化学特性，被广泛应用于光电器件、高频大功率、高温电子器件。本文阐述了SiC研究进展及应用前景，从光学性质、电学性质、热稳定性、化学性质、硬度和耐磨性、掺杂物六个方面介绍了SiC的性能。SiC有高的硬度与热稳定性 ,稳定的结构,大的禁带宽度 ,高的热导率,优异的电学性能。同时介绍了SiC的制备方法：物理气相沉积法和化学气相沉积法，以及SiC薄膜 表征手段。包括X射线衍射谱、傅里叶红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱等。最后讲了 SiC的光学性能和电学性能以及参杂SiC薄膜的光学性能研究进展。关键词：SiC，溅射，掺杂，性能研究第 2 页 共 32 页Study On The Synthesis And Properties Of SiC FilmClass : Material Engineering Name : Hengyi Wang Instructor : Yuxiang LiAbstractSilicon carbide is known as next-generation semiconductor materials, because it has many excellent physical and chemical characteristics, widely applied light electric parts, high frequency power, high temperature electronic devices. This paper expounds the research progress and application prospects of foundation, from optical properties, electrical properties, thermal stability, chemical properties, hardness and abrasion resistance, doping thing six aspects introduces the performance of SiC.SiC has high hardness and thermal stability, stable structure, large forbidden band width, high thermal conductivity, excellent electrical properties. Meanwhile introduces the preparation methods of SiC: the physical vapor deposition and chemical vapor deposition, and SiC film characterization methods. Including X-ray diffraction spectrum, Fourier 第 3 页 共 32 页infrared spectra, Raman spectra, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Finally spoke SiC optical performance and electrical properties and joined SiC film optical properties research progress. Keywords: SiC, Spurting, Mingle, Performance study第 4 页 共 32 页目 录1 绪论51.1 引言51.2 SiC材料的研究进展 61.3 SiC的晶体结构、特性及应用前景 71.3.1 SiC的晶体结构 71.3.2 SiC的物理和化学性质 91.3.3 SiC的应用前景111.4 SiC的掺杂122 SiC薄膜的制备方法142.1 物理气象沉积法 142.1.1 溅射 142.1.2 分子束外延 162.1.3 离子注入合成法 172.2 化学气象沉积法 172.2.1 低压化学气相沉积 172.2.2 热灯丝化学气相沉积法 182.2.3 等离子增强化学气相沉积 18第 5 页 共 32 页3 SiC薄膜的表征方法 213.1 X射线衍射谱 213.2 傅里叶红外光谱 223.3 拉曼光谱 223.4 X射线光电子能谱 243.5 原子力显微镜和各种电镜 244 SiC薄膜的性能研究254.1 SiC薄膜的力学性能方面254.3 SiC薄膜电学性能方面254.3 SiC薄膜掺杂及光学性能方面的研究265 小 结 286 参 考 文 献 297 致 谢 32第 6 页 共 32 页1 绪 论1.1 引 言SiC由Si 原子和C 原子组成，其晶体结构具有同质多型体的特点，在半导体领域最常见的是具有立方闪锌矿结构的3C-SiC和六方纤锌矿结构的4H-SiC 和6H-SiC。21世纪以来以Si为基本材料的微电子机械系统(MEMS)已有长足的发展，随着MEMS 应用领域的不断扩展，Si材料本身的性能局限性制约了Si 基MEMS 在高温、高频、强辐射及化学腐蚀等极端条件下的应用。因此寻找Si的新型替代材料正日益受到重视。在众多半导体材料中，SiC的机械强度、热学性能、抗腐蚀性、耐磨性等方面具有明显的优势，且与IC工艺兼容，故而在极端条件的MEMS应用中，成为Si 的首选替代材料。SiC材料具有良好的电学特性和力学特性，是一种非常理想的可适应诸多恶劣环境的半导体材料。它禁带宽度较大，具有热传导率高、耐高温、抗腐蚀、化学稳定性高等特点，以其作为器件结构材料，可以得到耐高温、耐高压和抗腐蚀的SiC-MEMS器件，具有广阔的市场和应用前景。同时SiC陶瓷具有高温强度大、抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。因此，是当前最有前途的结构陶瓷之一，并且已在许多高技术领域(如空间技术、核物理等)及基础产业(如石油化工、机械、车辆、造船等)得到应用，用作精密轴承、第 7 页 共 32 页密封件、气轮机转子、喷嘴、热交换器部件及原子核反应堆材料等。如利用多层多晶碳化硅表面微机械工艺制作的微型电动机，可以在490以上的高温环境下稳定工作。但是SiC体单晶须在高温下生长，掺杂难于控制，晶体中存在缺陷，特别是微管道缺陷无法消除，而且SiC体单晶非常昂贵，因此发展低温制备SiC薄膜技术对于SiC器件的实际应用有重大意义。目前，制备SiC薄膜的方法主要分为两大类：物理气相沉积法和化学气相沉积法。物理气相沉积主要包括溅射法、离子注入法、分子束外延等。化学气相沉积主要有低压化学气相沉积、热灯丝化学气相沉积、等离子体化学气相沉积 1。1.2 SiC材料的研究进展国际上，SiC的发展至今经历了3个研究时期：第一是采用升华法制备SiC 单晶来开发各种器件的时期；第二是SiC的外延生长等基础研究时期；第三是接近于相关领域应用要求的当前研究开发时期。SiC晶体的获得最早是用AchesonZ工艺将石英砂与 C混合放入管式炉中2600 反应生成，这种方法只能得到尺寸很小的多晶SiC 。至1955年，Lely用无籽晶升华法生长出了针状 3C-SiC孪晶，由此奠定了SiC的发展基础。20世纪80 年代初Tairov 等采用改进的升华工艺生长出SiC晶体，SiC作为一种实用半导体开始引起人们的研究兴趣，国际上一些先进国家和研究机构都投入巨资进行SiC研究。20世纪90年第 8 页 共 32 页代初，Cree Research Inc用改进的Lely 法生长6H-SiC晶片并实现商品化，并于1994年制备出4H-SiC晶片。这一突破性进展立即掀起了SiC晶体及相关技术研究的热潮。目前实现商业化的SiC晶片只有4H- 和6H-型，且均采用PVD技术，以美国CreeResearch Inc为代表。采用此法已逐步提高SiC晶体的质量和直径达7.5cm，目前晶圆直径已超过10cm，最大有用面积达到40mm 2，微导管密度已下降到小于0.1/cm2。现今就SiC 单晶生长来讲，美国处于领先地位，俄罗斯、日本和欧盟(以瑞典和德国为首)的一些公司或科研机构也在生产SiC晶片，并且已经实现商品化。SiC作为第三代半导体材料的杰出代表，由于其特有的物理化学特性丽成为制作高频、大功率、高温器件的理想材料。随着SiC体材料的生长和外延技术的成熟，各种SiC器件将会相继出现。目前，SiC器件的研究主要以分立器件为主，仍处于以开发为主、生产为辅的阶段 1。1.3 SiC的晶体结构、特性及应用前景1.3.1 SiC的晶体结构SiC的基本结构单元是Si-C四面体，属于密堆积结构。由单向堆积方式的不同产生各种不同的晶型，已经发现的同质多型体就有250多种。密堆积有3种不同的位置，记为A，B，C。依赖于堆积顺序，Si-C键表现为立方闪锌矿或六方纤锌矿结构。如堆积顺序为ABCABC，则得到立方闪锌矿结构，记作 3c-SiC或p-SiC(c=cubic )。第 9 页 共 32 页若堆积顺序为ABAB，则得到纯六方结构，记为2H-SiC。其它多型体为以上两种堆积方式的混合。两种最常见的六方晶型是4H 和6H 。其堆积方式分别为ABCBABCB 和ABCACB ABCACB，如图1-1所示。图 1-1 不同多型碳化硅在(1120)面上的堆叠序列不同的SiC多型体在半导体特性方面表现出各自的特性。利用SiC的这一特点可以制作SiC不同多型体间晶格完全匹配的异质复合结构和超晶格，从而获得性能极佳的器件其中6H-SiC结构最为稳定，适用于制造光电子器件：p-SiC比6H-SiC 活泼，其电子迁移率最高，饱和电子漂移速度最快，击穿电场最强，较适宜于制造高温、大功率、高频器件，及其它薄膜材料(如A1N、GaN 、金刚石等)的衬底和X射线的掩膜等。而且，-SiC薄膜能在同属立方晶系的Si衬底上生长，而Si 衬底由于其面积大、质量高、价格低，可与Si的平面工艺相兼容，所以后续PECVD制备的SiC 薄膜主要是 -SiC薄膜 2。1.3.2 SiC的物理和化学性质(1)光学性质第 10 页 共 32 页材料带隙即禁带的大小决定了器件的很多性质，包括光谱响应特性、抗辐射特性、工作温度以及击穿电压等许多器件的重要特性。SiC的禁带宽，如4H-SiC 是 3.2eV，6H-SiC 是2.8eV ，所以SiC具有良好的紫外光谱响应特性，对红外辐射不响应，抗辐射特性好，可应用于检测红热背景下的微弱紫外信号。而且其暗电流很低，工作温度高，故也可用于探测高温环境中的紫外信号。SiC在很宽的光谱范围（2.23.2eV）内也有良好的发光特性。不过，SiC 的光学特性与晶体取向及同质多型体的结构有很密切的关系。(2)电学性质SiC的临界击穿电场比常用半导体Si 和GaAs都大很多，这说明SiC材料制作的器件可承受很大的外加电压，具备很好的耐高特性。另外，击穿电场和热导率决定器件