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 Film

Class : Material Engineering

Name : Hengyi Wang

Instructor : Yuxiang Li

Abstract

Silicon 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…………………………………………………………………5

1.1 引言……………………………………………………………5

1.2 SiC材料的研究进展 …………………………………………6

1.3 SiC的晶体结构、特性及应用前景 …………………………7

1.3.1 SiC的晶体结构 ………………………………………7

1.3.2 SiC的物理和化学性质 ………………………………9

1.3.3 SiC的应用前景………………………………………11

1.4 SiC的掺杂……………………………………………………12

2 SiC薄膜的制备方法………………………………………………14

2.1 物理气象沉积法 ……………………………………………14

2.1.1 溅射 …………………………………………………14

2.1.2 分子束外延 …………………………………………16

2.1.3 离子注入合成法 ……………………………………17

2.2 化学气象沉积法 ……………………………………………17

2.2.1 低压化学气相沉积 …………………………………17

2.2.2 热灯丝化学气相沉积法 ……………………………18

2.2.3 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………………………………………………21

3.1 X射线衍射谱………………………………………………21

3.2 傅里叶红外光谱 ……………………………………………22

3.3 拉曼光谱 ……………………………………………………22

3.4 X射线光电子能谱…………………………………………24

3.5 原子力显微镜和各种电镜 …………………………………24

4 SiC薄膜的性能研究………………………………………………25

4.1 SiC薄膜的力学性能方面……………………………………25

4.3 SiC薄膜电学性能方面………………………………………25

4.3 SiC薄膜掺杂及光学性能方面的研究………………………26

5 小结 ………………………………………………………………28

6 参考文献 …………………………………………………………29

7 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、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

第 7 页 共 32 页 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

第 8 页 共 32 页 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40mm2，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)。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