碳化硅(SiC)

PECVD又可分为射频、微波以及电子回旋共振 (ECR)PECVD等三类。于威小组采用螺旋波等离子体 化学气相沉积技术在Si(100)衬底上制备了具有纳米 结构的碳化硅薄膜，在室温下观测到了峰值波长可 变的紫外发光。
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。
图3-1 3C-SiC立方闪锌矿结构
图3-2 2H-SiC六方纤锌矿结构
图 3-3 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GaN （氮化镓）、金刚石等)的衬底和X射线的掩膜等。而且，β-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β-SiC薄膜。
20世纪90年代初，Cree Research Inc用改进的Lely法生长6HSiC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-SiC和6H-SiC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，
有利于薄膜单晶质量的提高。分子束外延的优点是： 使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于 精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速 调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶 薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形 成的超薄层量子阱微结构材料。
(2)化学气象沉积法
利用化学气相沉积法制备碳化硅材料具有很多突出的优点， 如可以用高纯度的气体反应得到高纯度的单晶体，并且生长速 度可以通过调节反应温度和气氛成分比例而得到控制。由CVD 法制取SiC薄膜的反应组分可以多种多样，但大致可以分为三类： （1）硅化物（常常是SiH4 (硅烷)和碳氢（或氟）化物，如CH4 (甲烷)、C2H4 (乙烯)、C3H8 （丙烷）、CF4(四氟化碳)等，以及 一些载气（如H2、Ar等）；（2）含碳、硅化合物（如 C)H3SiCl3(一甲基三氯硅烷） 、Si（CH3）4和H2；（3）碳氢化合 物和氢气。根据反应条件不同，CVD可分为PECVD，LPCVD以 及热丝CVD（HFCVD）等。
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
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采用HFCVD技术在Si(111)衬底上生长了SiC薄膜。 通过电子能谱、X射线衍射和时间分辨光谱等分析手 段对样品结构、组分进行了分析。结果表明所制备的 样品为纳米晶态SiC，并通过计算得到验证,对所制备 样品进行光致发光特性测试,观察到其在室温下有较 强的紫外发光。
③等离子增强化学气相沉积(PECVD)
（2）无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不 会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；（3）离子注 入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互 作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥 落问题；（4）离子注入后无需再进行机械加工和热 处理。
③ 分子束外延（MBE）
徐彭寿等人在国内首次利用固源分子束外延技术，在衬底 温度为1100℃时，以Si(111)为衬底成功地外延生长出了3CSiC单晶薄膜。通过x射线衍射、拉曼光谱以及原位反射高 能电子衍射等手段研究了外延薄膜的晶型、结晶质量、外 延膜与衬底的外延取向关系，并考察了薄膜制备过程中衬 底的碳化对薄膜质量的影响。结果表明，外延膜与衬底晶 格取向完全一致；碳化可以减小SiC和衬底Si之间的晶格失 配、释放应力、引入成核中心，
三、SiC的晶体结构、特性
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。其堆积方式分别为ABCB’ABCB和 ABCACB’ABCACB。
目录
一、概论； 二、SiC材料的研究进展； 三、SiC的晶体结构、特性； 四、SiC薄膜的制备方法：
(1)物理气象沉积法； (2)化学气象沉积法.
一、概论
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。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。
由于一般的CVD沉积温度高(多数都在900～1000℃甚至更 高)，因而带来了一系列问题：如易引起基板的变形和组织的 变化，降低基板材料的机械性能，基底材料与膜层材料在高温 下发生相互扩散，两者的结合力削弱。而辉光放电形成的等离 子体在化学气相沉积中能将反应物中的气体分子激活成活性离 子，降低反应温度；并能加速反应物在表面的扩散，提高成膜 速度，对基体及膜层表面具有溅射清洗作用，从而加强了薄膜 与基板间的附着力，由于反应物中的原子、分子、离子和电子 的碰撞、散射作用，使形成的薄膜厚度均匀。根据等离子体形 成条件的不同，
②热灯丝化学气相沉积法(HFCVD)
通常SiC薄膜的沉积是由一含C的先驱体和一含Si的先驱 体通过各种CVD法而得到。然而用HFCVD法、以CH4和H2作 为混合气进行金刚石薄膜的沉积时，有可能在沉积早期阶段 形成一薄层缓冲层(Si基板上)。这缓冲层有可能是SiC、类金 刚石薄膜或者是无定形碳等等，但因薄层太薄无法表征。这 表明在CH4-H2混合物用HFCVD法在Si基板上沉积SiC薄膜也是 可能的。
①溅射法
溅射又可分为二极溅射、射频溅射、磁控溅射等。
➢射频溅射法
采用射频溅射制取SiC薄膜，制样设备为JS-450射频溅 射仪，基片与靶之间距离为25～40mm，溅射气体为高纯Ar （氩 ），基础真空度为1×10-5Torr(托, torr≈133.322 Pa)，溅 射气压2×10-3～1.5×10-2Torr，溅射速率为0.6～0.8μmh，功 率密度为6.0～6.5W/cm2。靶为烧结碳化硅，采用玻璃和石英 玻璃为基片。研究表明，射频溅射膜为非晶态SiC薄膜，退 火可以减少短程序中的缺陷，消除悬挂键，能隙增大。射频 溅射由于采用射频电压，取消了二极溅射靶材必须是导体的 限制，且在射频电压的正负半周均能产生溅射，溅射速率比 二极溅射高。
PECVD又可分为射频、微波以及电子回旋共振(ECR)PECVD等 三类。于威小组采用螺旋波等离子体化学气相沉积技术在 Si(100)衬底上制备了具有纳米结构的碳化硅薄膜，在室温下 观测到了峰值波长可变的紫外发光
从而加强了薄膜与基板间的附着力，由于反应物中的原 子、分子、离子和电子的碰撞、散射作用，使形成的薄膜厚 度均匀。根据等离子体形成条件的不同，
SiC晶体的获得最早是用Acheson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。
②离子注入合成法
由于在电子学技术方面可能广泛应用，在基板表面高剂 量离子注入形成化合物是当今材料科学研究者的一大课题。 严辉等人用高剂量的碳离子注入单晶Si衬底，得到了SiC埋层， 利用X射线光电子能谱，研究了SiC埋层中Si2P的特征能量损失 谱。结果表明，Si2P的特征能量损失谱依赖于SiC埋层中C原子 的浓度分布，并且与SiC埋层的有序度效应。离子注入技术具 有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点：（1） 它是一种纯净的无公害的表面处理技术；
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。
二、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。
①低压化学气相沉积（LPCVD）
CVD反应室通常有热壁型和冷壁型，前者用于放热反应， 后者用于吸热反应。LPCVD相对普通CVD来说，一方面基板 温度较低，避免了杂质的扩散和迁移；另一方面减少了杂质 气体的污染，且无须运载气体，淀积速率增加，膜厚均匀性 大大改善。Hurtó s等人选择Si(CH3)4(TMS)作为先驱体，H2为载 气，在垂直的冷壁反应室里，在石墨基板表面沉积多晶SiC薄 膜。基板温度在1100～1500℃范围，反应室压强在15～ 100Torr，随着TMS分压的增加，沉积速率亦提高。
➢ 磁控溅射法
用射频磁控溅射法在Si(100)和玻璃衬底上制备出衬底温 度分别为300℃，450℃，600℃的碳化硅薄膜,并对薄膜进行 了拉曼光谱和原子力显微镜测试分析。结果表明,用溅射法 在玻璃衬底上生长出微晶SiC薄膜和在Si(100)衬底上生长出 立方碳化硅薄膜，并且薄膜材料的结晶度随着衬底温度的升 高而改善。磁控溅射通过改变电子的运动方向，有效地利用 了电子的能量，使正离子对靶材轰击溅射更有效，所以它具 有低温、高速两大特点。其淀积速率比一般溅射高一个数量 级。但是磁控溅射不能实现磁性材料的低温高速溅射，而且 使用绝缘材料靶会使基板温度上升。
四、SiC薄膜的制备方法
薄膜质量的高低将直接关系到其光电性能，进而影响 其在微电子以及硅基光电器件中的应用，因此，制备高 质量的薄膜尤为重要，同时也是一项非常困难的工作。 目前SiC薄膜的制备方法主要可分为物理气相沉积和化学 气相沉积。
(1)物理气象沉积法
物理气相沉积制备SiC薄膜主要包括溅射法、离子注入合 成法和分子束外延法共三类。