hfcvd法制備納米碳化硅薄膜

hfcvd法制備納米碳化硅薄膜

0碳化硅材料作為一種帶寬度的半材料，sic以其廣泛的應(yīng)用價(jià)值為：帶寬、高飽和電子偏移速度快、高破裂場(chǎng)和高熱導(dǎo)性能很好地應(yīng)用于大、高、耐、耐、抗輻射。另一方面，納米技術(shù)和納米技術(shù)的創(chuàng)新成就及其對(duì)不同領(lǐng)域的影響一直令人擔(dān)憂。隨著多孔碳硅研究的深入和納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，sic-納米半材料的發(fā)展越來(lái)越受到關(guān)注。目前，新的低維材料已經(jīng)出現(xiàn)。例如，使用各種膜技術(shù)在硅座底部制備的納米碳硅膜，以及各種媒體條件下插入納米碳硅，例如sip2和zsm-5中的納米晶硅。它是低維材料物理研究的主題。這些材料的主要結(jié)構(gòu)特征是，膜層中含有大量的微sic顆粒和界面，這些無(wú)序的sic顆粒和界面控制著材料的特征。近年來(lái)，科學(xué)研究納米碳硅材料，即納米碳硅材料，成為碳硅研究領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)。例如，對(duì)于sicnicnam管的研究，考慮到是否可以在工藝上控制納米碳硅膜的體積，以及需要制作的尺寸所需的材料。因此，在這項(xiàng)工作中，使用了一種方法來(lái)制備納米碳硅膜，這種方法可以通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)中的氫流來(lái)控制納米碳硅膜。1實(shí)驗(yàn)1.1熱絲溫度和襯底溫度控制沉積設(shè)備分為三個(gè)部分:配氣系統(tǒng)、反應(yīng)室系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng).如圖1,反應(yīng)氣體由D07-7A/2M型質(zhì)量流量計(jì)控制;熱絲溫度通過(guò)WGJ-01型精密光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量(測(cè)量范圍900～3200℃);襯底溫度采用DWT-702精密溫度控制器測(cè)控;反應(yīng)室壓強(qiáng)采用FZH-2B型復(fù)合真空計(jì)(20～10-5Pa)和SVG-5FM型熱電離復(fù)合真空計(jì)(1.0×105～1.0×10-6Pa)進(jìn)行測(cè)量.1.2sih4硅源實(shí)驗(yàn)中采用純度為99.99%的CH4作為碳源;采用低含雜,H2稀釋到5%的高純SiH4作為硅源;采用99.99%的高純H2作為稀釋、保護(hù)和刻蝕氣體.襯底材料使用電阻率為6～9Ω·cm、晶向?yàn)?111)的P型單晶硅片.1.3sic薄膜的生長(zhǎng)對(duì)襯底進(jìn)行常規(guī)清洗后,放入5%HF溶液中浸泡10s;在真空室中對(duì)襯底進(jìn)行H2刻蝕約15min;再對(duì)襯底表面作碳化處理后在生長(zhǎng)溫度下進(jìn)行SiC薄膜的生長(zhǎng).在典型工藝條件下沿襯底硅(111)晶向生長(zhǎng)SiC薄膜.工藝條件為:熱絲到襯底的距離10mm,襯底溫度為860℃,氣體分壓比CH4∶SiH4=1(流量分別為2SCCM:2SCCM).分別在不同的H2流量下進(jìn)行薄膜生長(zhǎng),H2流量分別為10SCCM、50SCCM、100SCCM、200SCCM、300SCCM,反應(yīng)室內(nèi)總的壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)為1.0×102Pa、6.5×102Pa、2.0×103Pa、7.5×1037500Pa、3.0×104Pa,生長(zhǎng)時(shí)間2h.1.4ax-rb型衍射檢測(cè)X射線測(cè)量是在日本理學(xué)電機(jī)RigakuD/max-rB型衍射儀上進(jìn)行,采用Cu靶Kα線(40kV100mA)測(cè)試;SEM分析采用日本電子公司的JEM-2000EX型掃描電子顯微鏡.2h流量對(duì)薄膜形貌的影響沉積中必須保證H2有足夠的流量,因?yàn)樵诜磻?yīng)過(guò)程中,被激活的原子氫(或高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的原子氫)不斷的刻蝕襯底上沉積的石墨、無(wú)定型碳、非晶硅和不穩(wěn)定的硅碳化合物,從而保證SiC薄膜的質(zhì)量.同時(shí)通過(guò)H2流量可調(diào)節(jié)反應(yīng)室的壓強(qiáng).圖2為不同H2流量下得到的SiC薄膜的X射線衍射譜,圖中1#、2#、3#、4#和5#樣品的流量分別為10SCCM、50SCCM、100SCCM、200SCCM、300SCCM.可看出H2氫流量越大,H2刻蝕SiC膜的效率越高,從而使膜生長(zhǎng)減慢,如圖2中5#樣品的X射線衍射譜.在2θ為35.62°和75.74°處各出現(xiàn)一明顯的衍射峰,該峰為β-SiC(111)和β-SiC(222)衍射峰.而且再無(wú)其它雜峰,表明該樣品晶體的取向性很好.但由于刻蝕作用很強(qiáng),使得薄膜的晶粒很小,生長(zhǎng)速度極低.另一方面,當(dāng)H2氣流量過(guò)小時(shí),則對(duì)膜的刻蝕不充分,使一些與膜結(jié)合不緊密的東西(如多晶硅、無(wú)定型碳等)保留下來(lái),從而影響SiC膜的質(zhì)量,如圖2中1#樣品的X射線衍射譜.除在2θ為35.62°和75.74°處出現(xiàn)β-SiC(111)和β-SiC(222)衍射峰外,還在2θ為46.82°、57.74°和60.21°處有衍射峰,該峰分別為Si(220)、Si(311)和β-SiC(220)衍射峰.在3#和4#樣品中發(fā)現(xiàn),2θ為35.62°、60.21°和75.74°處出現(xiàn)β-SiC(111)、β-SiC(220)和β-SiC(222)衍射峰,且只有SiC的特征峰.而在2#樣品中除發(fā)現(xiàn)β-SiC(111)、β-SiC(220)和β-SiC(222)衍射峰外,還有很弱的Si(220).樣品晶粒的平均尺寸可以根據(jù)謝樂(lè)(Debye-Scherrer)公式來(lái)估算,考慮到X射線衍射分析中存在衍射線寬化效應(yīng)而引起的誤差,雙線的分離和扣除儀器寬度.采用修正后的公式D=Kλ/[(B-0.2)cosθ]式中D為薄膜晶粒的平均尺寸,K為常量,取0.89,λCu=0.154178nm,B為衍射峰的半高寬(弧度),θ為布拉格角.進(jìn)行估算時(shí),2θ為35.62°,根據(jù)XRD測(cè)量得到的半高寬值,估算得出薄膜的平均晶粒尺寸1#、2#、3#、4#和5#分別約為389.2nm、221.6nm、97.8nm、75.6nm和45.6nm.圖3給出不同H2流量下得到的SiC薄膜的SEM圖.圖中1#、2#、3#、4#和5#樣品的流量分別為10SCCM、50SCCM、100SCCM、200SCCM、300SCCM.可以看出,H2流量越大,H+對(duì)薄膜的刻蝕就越厲害,所得薄膜的結(jié)構(gòu)越致密,而且薄膜的晶體結(jié)構(gòu)就越好.但由于刻蝕作用很強(qiáng),使得薄膜的晶粒很小,生長(zhǎng)速度極低,如5#樣品,其結(jié)構(gòu)致密.而H2氣流量過(guò)小時(shí),H+離子密度較小,則對(duì)生成膜的刻蝕不充分,致使一些結(jié)構(gòu)松疏的異相物質(zhì)(如多晶硅、非晶硅等)保留下來(lái),從而影響SiC薄膜的質(zhì)量和成核,如1#樣品,其表面為不規(guī)則的球狀物,且顆粒較大,結(jié)構(gòu)疏松.2#、3#和4#結(jié)構(gòu)介于1#、5#之間.另通過(guò)圖中標(biāo)尺可求得薄膜的平均晶粒尺寸1#、2#、3#、4#和5#分別大約為400nm、200nm、100nm、70nm和40nm,該結(jié)果與XRD估算結(jié)果大體一致.圖4為薄膜晶粒尺寸隨氫氣流量變化圖.可以看出,在本文所進(jìn)行的范圍內(nèi)H2流量對(duì)所制備的SiC薄膜質(zhì)量和晶粒尺寸有著重要的影響.氫氣流量較大時(shí),薄膜結(jié)構(gòu)致密、晶粒尺寸小、生長(zhǎng)速度低;氫氣流量較小時(shí),薄膜結(jié)構(gòu)疏松、晶粒尺寸大、生長(zhǎng)速度快;選擇合適的H2流量,不僅可保證薄膜質(zhì)量,亦可同時(shí)控制薄膜晶粒尺寸.3氫氣流量對(duì)sic薄膜材料尺寸的影響采