SiC薄膜材料退火工艺设计
摘要：采用新型的磁控溅射技术应用于p-Si 基片上能够让我们制备出 SiC薄膜。将该项放在管式退火炉之中通N₂保护,分别在达到400℃，600℃，800℃以及1000℃的时候进行不同程度条件下的退火处理。研究此时退火温度不同情况下对于该项薄膜结构以及相对应的光特性所造成的一系列不同的影响。随着退火温度的不断升高，该项薄膜的结晶程度也慢慢的在向好的方向发展。在800℃的时候开始出现了结晶相的现象。Si-C峰也会向高波数方向靠拢这主要原因是膜中的Si-xCr的化学计量发生变化。PL谱中的三峰:322 nm源自薄膜中的中性氧空缺,370 nm源自SiC发光, 412 nm源自薄膜中的C簇。
关键词：SiC;薄膜结构;磁控溅射;退火温度;光致发光特性
SiC film material annealing process design
Abstract：The use of new magnetron sputtering technology applied to p-Si substrates allows us to prepare SiC thin films. Put this item in the tube annealing furnace to pass N, protect it, and perform the return processing under different conditions when the temperature reaches 400℃, 600℃, 800℃ and 1000℃. Investigate a series of different effects on the structure of the film and the corresponding optical properties under different annealing temperatures at this time. As the annealing temperature continues to increase, the degree of crystallinity of the film is slowly developing in a good direction. The meridian phenomenon began to appear at 800℃. The Si-C peaks also move closer to the high wavenumber direction. This is mainly due to the change in the stoichiometry of Si-xCr in the film. The three peaks in the PL spectrum: 322 nm originated from the neutral oxygen vacancy in the film, 370 nm originated from the SiC luminescence, and 412 nm originated from the C cluster in the film.
Key words： SiC; thin film structure; magnetron sputtering; annealing temperature; photoluminescence properties
目录
一、绪论 5
（一）SiC材料的研究进展 5
（二）SiC的晶体结构、特性及应用前景 6
（三）SiC的掺杂 8
二、SiC薄膜的制备方法及表征方法 10
（一）物理气象沉积法 10
（二）化学气象沉积法 11
（三）SiC薄膜的表征方法 13
三、SiC薄膜的性能分析 15
（一）SiC薄膜力学性能方面 15
（二）SiC薄膜电学性能方面 15
（三）SiC薄膜掺杂及光学性能方面的研究 16
四、SiC薄膜材料退火工艺设计 17
（一）退火工艺分析 17
（二）退火工艺实验 17
（三）结论与探讨 17
五、结论 22
致谢 23
参考文献 24
一、绪论
SiC由Si和C这两项不同的原子原组，其自身的晶体结构是属于均质的流行结构体。在半导体的领域之中，我们经常能够见到的就是具有闪锌矿结构的3C-SiC以及具有一定纤锌矿结构的4H-SiC和6H-SiC。SiC自从21世纪以来的这些年中，以Si作为基础材料的新型微机电系统，正在以迅猛的方向发展着。随着微机电系统的日益应用广泛以及其设计行业的不断增，硅材料的性能局限性也日益的体现了出来。在高温和高频率下使用Si的场合高频和高强度，在极端条件下（例如辐射和化学腐蚀）应用。因此，寻找替代Si的新材料备受关注。在许多半导体材料中，SiC在机械强度，热效率，耐腐蚀和耐磨性方面均具有明显优势，并且与微芯片技术兼容，因此成为一种材料，是极端条件下MEMS应用中Si的首选材料。
SiC材料具有良好的电气和机械性能，是可以适应恶劣环境的相对来讲，比较理想的一种应用于半导体行业的材料。有较大的带宽以及性能极好的优良导热性，抗高温性能以及不怕腐蚀的特性，并且能够在高化学的化学的应之中保持稳定。它具备较高的温度耐热性，耐磨性以及耐压性和抗腐蚀能力，所以把它作为一系列设备的结构材料来应用，其市场以及应用机会都是极广的。同时此项陶瓷具有优异的性能，比如能够抗拒较强的刚度，有较强的抗氧化性和耐磨性能，并且能热稳定性能和耐膨胀系数。他的各项指各项指各项指使其在结构陶瓷之中一路领跑。因此，它是目前最有前途的结构陶瓷之一，并用于许多高科技领域。 （例如航空航天技术，核物理等）和基础工业（例如石化，自行车，车辆，造船等），用于轴承，密封件，流苏储气罐，喷嘴，热交换器和核反应堆材料，例如微型通过机械工艺制造的具有多层聚碳酸酯碳化硅表面的电动机可以在490°C以上的环境中稳定运行。但是，许多SiC的单晶触角在高温下生长，并且掺杂难以控制。晶体缺陷是晶体中的缺陷，尤其是管状缺陷，许多SiC单晶非常昂贵，因此开发SiC薄膜技术以在低温下制备使用SiC的器件非常重要。
（一）SiC材料的研究进展
在国际上，SiC的开发经历了三个研究阶段：第一个阶段是使用升华法制备单晶SiC来开发不同的器件。第三阶段是最接近现场应用所需的当前研发阶段的时期。
首先通过无针升华法将针状的AchesonZ-SiC通过针状AchesonZ-SiC工艺在2600°C的管式炉中混合石英砂和C而获得的SiC晶体为早期SiC的开发奠定了基础，改进了升华工艺以使SiC晶体膨胀为可用的半导体。实际上，SiC开始吸引了少数人的研究兴趣，并且在1990年代初，世界各地的高级研究组织在SiC研究中投入了大量资金。SiC并于1994年商业化，他们制备了4H-SiC晶片。这一突破性的发展导致了SiC晶体和相关技术研究的迅速扩散。目前，仅生产SiC 4H和6H晶片类型。该行业均基于以CreeResearch Inc.为代表的PVD技术并将其应用在附加行业之中。使用这种方法，SiC结晶的质量以及相对直径得到了提高，提升至了7.5厘米。镜片的直径甚至超过了10cm。其最大的可用面积可用面积是40平方毫米SiC芯片的相映增长需求，美国一直处于相对较领先的地位，俄罗斯，日本以及欧盟等许多。科研机构甚至是公司也处于相对的优势区域。作为第三代半导体材料的杰出代表，SiC因其有毒的物理和化学特性而已成为生产高频，高功率和高温设备的理想材料。随着SiC块状材料的发展和上皮技术的完善，不同的SiC器件层出不穷。当前，大多数关于SiC设备的研究都是基于分立器件，并且仍处于开发导向阶段并获得生产支持。
（二）SiC的晶体结构、特性及应用前景
1、SiC的晶体结构
SiC基础结构单元是Si-C四面体，属于封闭结构。显示了通过不同的一维沉积方法形成的不同晶体图案，发现了250多种同质多态性，并显示了三个不同的密封位置。对于A，B和C，根据堆叠顺序，Si-Bond -C表示立方或六方纤锌矿结构。如果级联序列为ABCABC，则立方锌混合物结构记录为3c-SiC或p-SiC（c =立方）。如果堆叠顺序为ABAB，则将纯六角形结构记录为2H-SiC流形。上面两种方法的混合积累。两种最常见的六角晶体样品是4H和6H，嵌套方法分别是ABCB'ABCB和ABCACB'ABCACB。
就半导体性能而言，不同类型的SiC品种表现出自己的特性。利用SiC的这一特性，可以创建不同的混合结构并实现超级凝集，实现了6H-SiC中不同SiC多型之间的完美结合，并具有出色的性能，它具有最稳定的结构，适合于光电子器件的制造： p-SiC具有比6H-SiC更多的用途，具有最高的电子迁移率，最快的饱和电子浮选和最强的衰减电场。适用于生产高温和高能量的基板，高频设备和其他薄膜材料（例如AlN，GaN，金刚石等）和X射线掩模；此外，β-SiC薄膜可以在硅在同一立方体系统中，并且硅衬底因其大面积，高质量和低成本而与平面硅工艺兼容。因此，在接下来的PECVD中对SiC进行调制，大多数薄膜是β-SiC膜。
参考文献
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