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SiC薄膜及其缓冲层的制备与性能研究

作　者: 范文宾
导　师: 李合琴
学　校: 合肥工业大学
专　业: 材料学
关键词: SiC薄膜射频磁控溅射缓冲层退火硬度红移
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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,有热传导率高、耐高温、抗腐蚀、化学稳定性高等特点,用于作为半导体器件和结构材料的表面涂层,具有广阔的市场和应用前景。本文采用射频磁控溅射法,在单晶硅Si(100)和不锈钢衬底上在室温下制备了非晶态SiC薄膜,然后经退火处理得到晶态SiC薄膜。为了提高SiC薄膜的膜基结合力,用磁控溅射法制备了TiN、Al2O3和A1N薄膜缓冲层。分析了衬底、工作气压、气体流量、溅射功率和退火温度对薄膜结构的影响。重点研究和讨论了不锈钢以及单晶硅衬底上生长SiC薄膜的工艺及其对薄膜生长和性能的影响。通过XRD, AFM, PL谱,硬度测试等分析手段,对薄膜结构、形貌及光学性质和力学性能进行了表征。主要内容如下：第一章简述了SiC晶体结构、特性、制备方法以及常见SiC材料的研究现状和应用前景。通过对SiC的晶体结构、特性和制备工艺的分析,达到对SiC材料的进一步了解。第二章介绍了磁控溅射制备薄膜材料的原理,叙述了薄膜的沉积过程,并综述了薄膜的表征技术。第三章研究了在不同衬底上磁控溅射制备薄膜的工艺参数,如溅射气压、Ar流量、溅射偏压和退火温度对射频磁控溅射法沉积的SiC薄膜的影响；利用XRD、AFM和硬度测试表征了沉积SiC薄膜的结构、形貌和性能。第四章探讨了磁控溅射制备TiN、Al2O3和AlN薄膜缓冲层的工艺,分析了衬底、工作气压、气体流量、溅射功率和退火温度对缓冲层生长的影响。第五章对比了SiC单层膜与引入TiN、Al2O3和AlN缓冲层的SiC双层膜的性能,分析了退火对Si(100)衬底上薄膜的光学性能的影响和退火对不锈钢衬底上SiC薄膜硬度的影响。第六章得出结论与展望。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
致谢  8-15
第一章绪论  15-27
  1.1 引言  15-16
  1.2 SiC薄膜概述  16-21
    1.2.1 SiC的晶体结构  16-18
    1.2.2 SiC的性质  18-20
    1.2.3 SiC薄膜的研究进展  20
    1.2.4 SiC薄膜的应用前景  20-21
  1.3 SiC薄膜的制备方法  21-25
    1.3.1 磁控溅射(MS)  22
    1.3.2 热分解技术  22
    1.3.3 脉冲激光沉积(PLD)  22-23
    1.3.4 真空蒸发(VE)  23-24
    1.3.5 离子束溅射沉积(IBD)  24
    1.3.6 激光分子束外延(Laser MBE)  24-25
    1.3.7 化学气相沉积(CVD)  25
    1.3.8 溶胶-凝胶法(Sol-gel)  25
  1.4 本章小结  25-27
第二章磁控溅射原理及薄膜表征  27-42
  2.1 磁控溅射的发展历史及原理  27-34
    2.1.1 磁控溅射的发展历史  27
    2.1.2 溅射的基本原理  27-28
    2.1.3 磁控溅射镀膜机理  28-30
    2.1.4 辉光放电  30-32
    2.1.5 溅射率  32-34
  2.2 薄膜的沉积过程  34-35
  2.3 衬底的清洗方法  35-36
  2.4 薄膜的表征技术  36-41
    2.4.1 X射线衍射技术(XRD)  36-38
    2.4.2 原子力显微镜(AFM)  38
    2.4.3 拉曼光谱技术(RS)和光致发光技术(PL)  38-39
    2.4.4 透射电子显微镜  39
    2.4.5 扫描电子显微镜  39-40
    2.4.6 薄膜电阻的测试  40
    2.4.7 薄膜硬度测试  40-41
  2.5 本章小结  41-42
第三章 SiC薄膜的制备工艺  42-58
  3.1 玻璃衬底上制备SiC薄膜  42-43
  3.2 单晶Si(100)衬底上制备SiC薄膜  43-52
    3.2.1 溅射偏压对SiC薄膜结构的影响  43-45
    3.2.2 溅射气压对SiC薄膜结构的影响  45-47
    3.2.3 氩气流量对SiC薄膜结构的影响  47-49
    3.2.4 退火温度对SiC薄膜结构的影响  49-52
  3.3 A不锈钢衬底上制备SiC薄膜及其性能研究  52-56
    3.3.1 氩气流量对SiC薄膜性能的影响  52-53
    3.3.2 溅射气压对SiC薄膜性能的影响  53-56
  3.4 M不锈钢上SiC薄膜的制备与性能  56-57
  3.5 本章小结  57-58
第四章缓冲层薄膜的制备  58-73
  4.1 TiN薄膜的制备  58-63
    4.1.1 不同衬底材料上TiN薄膜的XRD分析  59-61
    4.1.2 不同沉积气压TiN薄膜的XRD分析  61-62
    4.1.3 不同氩氮流量比条件下TiN薄膜的XRD分析  62-63
    4.1.4 退火对TiN薄膜结构的影响  63
  4.2 Al_2O_3薄膜的制备  63-69
    4.2.1 溅射气压对Al_2O_3薄膜沉积速率的影响  64-66
    4.2.2 氧气流量对Al_2O_3薄膜沉积速率的影响  66-67
    4.2.3 射频功率对Al_2O_3薄膜沉积速率的影响  67-69
  4.3 AlN薄膜的制备  69-71
  4.4 本章小结  71-73
第五章单层薄膜与双层薄膜性能的比较  73-85
  5.1 光学性能的比较  73-78
    5.1.1 退火温度对SiC单层薄膜发光性能的影响  73-75
    5.1.2 退火温度对SiC/AlN/Si(100)双层膜发光性能的影响  75-78
  5.2 硬度的比较  78-83
    5.2.1 SiC/A单层膜与SiC/TiN/A和SiC/Al_2O_3/A双层膜硬度值对比  79-82
    5.2.2 SiC/M单层膜与SiC/TiN/M和SiC/Al_2O_3/M双层膜硬度值对比  82-83
  5.3 本章小结  83-85
第六章结论与展望  85-87
参考文献  87-92
硕士期间发表的论文  92

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