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EB-PVD制備硅基SiC薄膜及其性能研究
發(fā)布時(shí)間：2023-02-10
SiC材料硬度高、熱膨脹系數(shù)小、具有優(yōu)良的高溫?zé)岱€(wěn)定性和熱導(dǎo)性，能夠很好地抵御高能中子輻射和α粒子的轟擊，因此廣泛應(yīng)用于超高溫陶瓷涂層、抗熱輻射涂層和聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域。EB-PVD是以電子束為熱源的一種蒸發(fā)鍍膜方法，在真空環(huán)境下利用高能量密度的電子束轟擊蒸鍍材料(金屬、陶瓷等)使之熔化、氣化、蒸發(fā)，在基片上沉積形成薄膜。與傳統(tǒng)的薄膜制備技術(shù)相比，EB-PVD技術(shù)具有蒸發(fā)和沉積速率高，基片與薄膜之間有較強(qiáng)的結(jié)合力等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于安全和民用領(lǐng)域。
本文采用EB-PVD技術(shù)，通過改變鍍膜時(shí)間、退火溫度等工藝參數(shù)，在單晶Si(100)基片上制備了SiC薄膜，采用AFM、XRD、臺(tái)階儀和半導(dǎo)體特性測(cè)試儀對(duì)SiC薄膜進(jìn)行表征，研究EB-PVD技術(shù)制備SiC薄膜的工藝參數(shù)與薄膜表面平均粗糙度、電導(dǎo)率、結(jié)晶質(zhì)量等性能的關(guān)系。
1、SiC薄膜的制備與表征
1.1 SiC薄膜的制備
實(shí)驗(yàn)采用中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器公司研制的DZS-500電子束沉積系統(tǒng)。選擇單晶Si(100)作為基片，并將其切割成10mm×5mm的方片。對(duì)基片分別用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗15min。靶材采用純度為98%的SiC壓片。坩堝和基片之間的垂直距離為500mm。在EB-PVD蒸發(fā)沉積過程中，E型槍所產(chǎn)生的高能電子束流將SiC靶材熔化蒸發(fā)，使其沉積到基板的Si片上形成薄膜，如圖1所示。沉積過程中真空度為6.7×10-3Pa，設(shè)定沉積速率為0.6nm/s，薄膜沉積時(shí)間分別為40、60min。電子束流強(qiáng)度30~60mA。沉積結(jié)束后繼續(xù)保持高真空狀態(tài)，待自然冷卻后，打開真空室取出試樣。對(duì)制備態(tài)試樣在2.0×10-2Pa真空中進(jìn)行退火處理，退火溫度分別為600、900℃，退火時(shí)間均為2h，SiC薄膜制備工藝參數(shù)見表1所列。
1.2 SiC薄膜結(jié)構(gòu)分析
用X射線衍射儀(D/MAX2500V)、原子力顯微鏡(CSPM4000)、掃描電子顯微鏡(FEISirion200)、臺(tái)階儀(Xp-100)對(duì)SiC薄膜的結(jié)構(gòu)、組織、形貌進(jìn)行表征和分析，用半導(dǎo)體特性綜合測(cè)試儀(Keithley4200)測(cè)量薄膜的I-V曲線，進(jìn)行電學(xué)性能評(píng)估。
(1)X射線衍射分析。圖2所示為沉積40min，厚度為1.5μm的SiC薄膜樣品B和D分別進(jìn)行600、900℃真空退火后的XRD圖譜。由圖2可知，樣品經(jīng)退火后，在34°均出現(xiàn)SiC(111)衍射峰。在900℃退火后，SiC(111)面的衍射峰強(qiáng)度顯著增加，同時(shí)在61°、65°出現(xiàn)了新的SiC(110)和(116)衍射峰。
XRD結(jié)果表明隨著退火溫度的升高，SiC薄膜的結(jié)晶質(zhì)量變好。
(2)SiC薄膜的AFM形貌分析。圖3所示的SiC薄膜的AFM掃描面積為25μm2，SiC薄膜表面形態(tài)光滑致密無空洞。SiC薄膜樣品A和C的平均粗糙度Sa分別為1.65、1.73nm，樣品B和D的Sa分別為5.39、7.90nm。這表明退火溫度越高，薄膜表面越平滑。因?yàn)殡S著退火溫度提高，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提高，結(jié)構(gòu)致密。在相同退火條件下，沉積時(shí)間越長，薄膜厚度越厚，SiC粒徑大小趨于均勻化，使薄膜表面粗糙度降低。
(3)SiC薄膜的SEM形貌分析。圖4所示為厚度為1.5μm的SiC薄膜樣品B經(jīng)900℃退火2h后的SEM圖像。圖4表明，SiC薄膜晶粒的晶界清晰，結(jié)晶狀態(tài)良好，薄膜表面平整且致密。
(4)SiC薄膜的膜厚測(cè)量。使用臺(tái)階儀(Xp-100)測(cè)量SiC薄膜的厚度。圖5所示分別為樣品A、B的膜厚測(cè)試曲線，由圖5得到樣品A的膜厚約為2.0μm，樣品B的膜厚約為1.5μm。這表明鍍膜時(shí)間越長，沉積膜層越厚。
(5)I-V曲線測(cè)試。SiC薄膜的光電性質(zhì)由I-V曲線表征。圖6a所示為膜厚1.5μm的樣品B在真空條件下900℃退火2h后，分別在紫外光、白光輻照和黑室條件下，在SiC薄膜上距離1mm2點(diǎn)所測(cè)的I-V曲線，圖6b所示為不同膜厚的樣品在真空條件下900℃退火2h后，白光輻照所測(cè)的I-V曲線。
圖6表明，經(jīng)過900℃退火2h膜厚為1.5μm的SiC薄膜在3種不同輻照條件下，總體的趨勢(shì)相同，當(dāng)施加相同電壓時(shí)，紫外光條件下所測(cè)的電流最大，白光次之，黑室電流最小;在相同的退火條件下，不同厚度的SiC薄膜，在白光照射下，施加相同電壓時(shí)，膜越厚，電流越大。這是因?yàn)楫?dāng)光照射半導(dǎo)體時(shí)，若光子的能量等于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子后進(jìn)入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這種類型的載流子亦稱光生載流子。光子的能量與頻率有關(guān)，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。紫外光的頻率最大，產(chǎn)生的光電效應(yīng)最大，而黑室下無入射光，產(chǎn)生的光電效應(yīng)最小。SiC薄膜越厚，其含有的載流子數(shù)量越多，電流也就越大。
2、結(jié)論
采用EB-PVD法成功制備出SiC薄膜，通過實(shí)驗(yàn)和分析得出以下結(jié)論：
①經(jīng)過40min和60min的沉積時(shí)間，可在Si(100)基片上制備出厚度分別為1.5、2.0μm的SiC薄膜;
②在相同膜厚情況下，退火溫度越高，SiC薄膜結(jié)晶質(zhì)量越好，薄膜表面平均粗糙度越低;在相同退火條件下，薄膜越厚，薄膜表面平均粗糙度越低;
③在SiC薄膜上施加相同的電壓時(shí)，紫外光照射下電流最大，白光次之，黑室電流最小，在相同輻照條件下，薄膜越厚，電流越大。
來源：合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版 ）
①經(jīng)過40min和60min的沉積時(shí)間，可在Si(100)基片上制備出厚度分別為1.5、2.0μm的SiC薄膜;
②在相同膜厚情況下，退火溫度越高，SiC薄膜結(jié)晶質(zhì)量越好，薄膜表面平均粗糙度越低;在相同退火條件下，薄膜越厚，薄膜表面平均粗糙度越低;
③在SiC薄膜上施加相同的電壓時(shí)，紫外光照射下電流最大，白光次之，黑室電流最小，在相同輻照條件下，薄膜越厚，電流越大。
來源：合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版 ）
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