基于磁控溅射的Si衬底上SiC纳米薄膜的制备研究文献综述
2020-04-29 03:04
1．目的及意义
近20年来，薄膜科学发展迅速，在制备技术、分析方法、结构观察和形成机理等方面的研究都取得了很大的进展。薄膜是一种物质形态，其膜材十分广泛，单质元素、化合物或复合物，无机材料或有机材料均可制作薄膜。其中无机薄膜的开发和应用更是日新月异，十分引人注目。在工业上，薄膜有着广泛的应用：电子器件中用的薄膜电阻，特别是平面型晶体管和超大规模集成电路有赖于薄膜技术来制造；硬质保护膜，可使各种经常受磨损的器件表面硬化，大大增强器件表面的耐磨能力；在塑料、陶瓷、石膏和玻璃等非金属表面镀以金属膜具有良好的美化装饰效果，有些合金膜还起着保护层的作用；还有具有记忆功能从而在电子计算机中作存储记录介质的磁性薄膜及光学系统中的各种反射膜、增透膜、滤光片、分束镜、偏振镜等。薄膜在现代电子工业领域中占有极其重要的地位，是世界各国在这一领域竞争的主要内容，也能 从侧面反映一个国家的科技水平。然而薄膜技术目前还是一门发展中的新兴学科，其中不少问题还正在探讨之中。
碳化硅（Silicon Carbide，SiC）是一种宽禁带的半导体材料，具有低密度、高硬度、高热导率、高击穿电场强度、高载流子饱和漂移速度、高抗热震性，优异的抗氧化性、化学性能性好等优良的物理化学性质，以及与硅集成电路工艺兼容等特点，成为制造高温、高频、大功率、抗辐射、不挥发存储器件及光电集成器件的优选材料。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。SiC在耐恶劣环境下的优越性能是Si和GaAs等传统半导体所无法比拟的，可广泛应用于人造卫星、火箭、导弹、雷达、战斗机、通讯、海洋勘探、石油钻井、汽车电子化等军事和民用系统，成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点，一直以来受到很多国家的重视和大力发展。基于SiC的半导体器件是未来高功率、超高工作温度的半导体器件首选材料之一。
本论文将采用射频磁控溅射技术，以SiC靶材为溅射源，在Si（111）晶片上溅射沉积SiC纳米薄膜，研究磁控溅射各参数对薄膜生长的影响，并对SiC薄膜的晶体结构，微观形貌等进行测试研究。{title}
碳化硅（Silicon Carbide,SiC）是一种宽禁带的半导体材料，具有低密度、高硬度、高热导率、高击穿电场强度、高载流子饱和漂移速度、高抗热震性，优异的抗氧化性能等优点。基于SiC的半导体器件是未来高功率，超高工作温度的半导体器件的首选材料之一。本论文将采用磁控溅射（Magnetron Sputtering,MS）制备技术，在Si衬底上沉积SiC纳米薄膜，并对SiC薄膜的结晶性，沉积速率，微观形貌进行研究。
2.2 目标
将SiC薄膜沉积在Si(111)表面，研究磁控溅射各参数对薄膜生长的影响，并对SiC薄膜的晶体结构，微观形貌等进行测试研究。。
2.3 技术方案
此制备实验具体步骤为：
（1）将Si（111）放在石英管纯度为99.999%的氮气保护加热，自然，退火至室温后取出，放在无水丙酮中超声震荡15-30分钟，取出烘干，然后放在去离子水中清洗，放在100-300℃的炉子中烘干，将处理过的Si（111）分散放置真空室的固定架上，将纯度大于95%的SiC靶安装在真空室内的磁控溅射源上，调节靶头与连接轴，使靶头与水平面之间的角度为45°，关闭真空室；
（2）抽真空，使真空室内的真空度为1×10-3Pa-5×10-4Pa，达到高真空状态；
（3）在高真空状态下的真空室内通入纯度为99.999%的Ar，使真空室气压为0.2-10Pa，打开射频电源，溅射0.25-3小时；
（4）溅射完成一面之后，在Si（111）的另一面按照上面同样的方法溅射SiC纳米薄膜，得到表面具有均匀SiC纳米薄膜的Si（111）
总体制备实验流程如上所示，在制备获得镀有SiC纳米薄膜的Si（111）过程中对磁控溅射的各参数调整多次重复进行实验，观察薄膜生长情况，对SiC薄膜的结晶性，沉积速率，微观形貌跟踪分析。
[1] Z.Li,D.Ge,L.Yang,X.Liu,Y.Ding,L.Pan,J.Zhao and Y.Li,Facile synthesis and improved photoluminescence of periodic SiC nanorod arrays by SiO2 templates-assisted magnetron sputtering method[J],Journal of Alloys and Compounds,2012(537):50-53.
[2]Z.Li,L.Yang,D.Ge,Y.Ding,L.Pan,J.Zhao and Y.Li,Magnetron sputtering SiC films on nickel photonic crystals with high emissivity for high temperature applications[J],Applied Surface Science,2012(259):811-815.
[3] N.W.Jepps and T.F.Page,Polytypic transformations in silicon carbide[J],Progress in Crystal Growth and Characterization,1983(7):259-307.
[4] 余东海，王成勇，成晓玲，宋月贤，磁控溅射镀膜技术的发展[J],真空，2009（46）：19-25.
[5] 安霞,庄惠照,杨利,薛成山,李怀祥.在(111)Si衬底上磁控溅射纳米SiC薄膜的退火效应[J].微纳电子技术,2002(05):20-24.
[6] 安霞，庄惠照,李怀祥,杨利,修显武,薛成山.在(111)Si衬底上磁控溅射法制备纳米SiC薄膜[J].山东师大学报(自然科学版),2001(04):382-384.
[7] 周继承,郑旭强,刘福.SiC薄膜材料与器件最新研究进展[J].材料导报,2007(03):112-114 118.
[8] 赵透玲,任丙彦,赵龙,王文静.射频磁控溅射ITO薄膜中沉积温度对膜特性影响[J].光电子·激光,2005(12):1429-1432
[9] 祝元坤,朱嘉琦,韩杰才,梁军,张元纯.磁控溅射制备SiC薄膜的高温热稳定性[J].材料研究学报,2009,23(04):410-414.
[10] 李辉,李合琴,胡仁杰,张元元.磁控溅射制备SiC薄膜及其高温抗氧化性[J].材料热处理学报,2013,34(S1):135-138.
[11] Li M, Cui H N, Wang H, et al. Performance Differences of Ta2O5 Films under Different Magnetron Sputtering Conditions[C], Materials and Computing Technology. 2017.
[12] Kusumoto K. XPS analysis of SiC films prepared by radio frequency plasma sputtering[C], International of Vacuum Congress. 2010:95-102.
[13] 张永宏.现代薄膜材料与技术[M].西北工业大学出版社.2016
[14] 李辉. SiC多层薄膜的制备及其性能研究[D].合肥工业大学,2013.
[15] 程勇,肖剑荣,李明,马家锋. 一种碳纤维表面射频磁控溅射制备SiC涂层的方法[P]. 广西：CN104878357A,2015-09-02.
[16] 艾学正. 石墨衬底上制备SiC薄膜的研究[D].贵州大学,2016.
[17] 杜文汉,杨景景,赵宇,熊超.Effects of Mg doping content and annealing temperature on the structural properties of Zn_(1-x)Mg_xO thin films prepared by radio-frequency magnetron sputtering[J].Optoelectronics Letters,2017,13(01):42-44.
[18] Xu J H. Analysis on the Optical Characteristics of ZnO Thin Film Prepared by Magnetron Sputtering[C]，Materials, Chemistry and Computer Engineering. 2015.
[19] Rusinov P O, Blednova Z M. Technological Features of Obtaining of Nanostructured Coatings on TiNi Base by Magnetron Sputtering[J]. Advanced Materials Research, 2015, 1064:160-164.
近20年来，薄膜科学发展迅速，在制备技术、分析方法、结构观察和形成机理等方面的研究都取得了很大的进展。薄膜是一种物质形态，其膜材十分广泛，单质元素、化合物或复合物，无机材料或有机材料均可制作薄膜。其中无机薄膜的开发和应用更是日新月异，十分引人注目。在工业上，薄膜有着广泛的应用：电子器件中用的薄膜电阻，特别是平面型晶体管和超大规模集成电路有赖于薄膜技术来制造；硬质保护膜，可使各种经常受磨损的器件表面硬化，大大增强器件表面的耐磨能力；在塑料、陶瓷、石膏和玻璃等非金属表面镀以金属膜具有良好的美化装饰效果，有些合金膜还起着保护层的作用；还有具有记忆功能从而在电子计算机中作存储记录介质的磁性薄膜及光学系统中的各种反射膜、增透膜、滤光片、分束镜、偏振镜等。薄膜在现代电子工业领域中占有极其重要的地位，是世界各国在这一领域竞争的主要内容，也能 从侧面反映一个国家的科技水平。然而薄膜技术目前还是一门发展中的新兴学科，其中不少问题还正在探讨之中。
碳化硅（Silicon Carbide，SiC）是一种宽禁带的半导体材料，具有低密度、高硬度、高热导率、高击穿电场强度、高载流子饱和漂移速度、高抗热震性，优异的抗氧化性、化学性能性好等优良的物理化学性质，以及与硅集成电路工艺兼容等特点，成为制造高温、高频、大功率、抗辐射、不挥发存储器件及光电集成器件的优选材料。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。SiC在耐恶劣环境下的优越性能是Si和GaAs等传统半导体所无法比拟的，可广泛应用于人造卫星、火箭、导弹、雷达、战斗机、通讯、海洋勘探、石油钻井、汽车电子化等军事和民用系统，成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点，一直以来受到很多国家的重视和大力发展。基于SiC的半导体器件是未来高功率、超高工作温度的半导体器件首选材料之一。
本论文将采用射频磁控溅射技术，以SiC靶材为溅射源，在Si（111）晶片上溅射沉积SiC纳米薄膜，研究磁控溅射各参数对薄膜生长的影响，并对SiC薄膜的晶体结构，微观形貌等进行测试研究。{title}
2. 研究的基本内容与方案
{title}2.1 基本内容碳化硅（Silicon Carbide,SiC）是一种宽禁带的半导体材料，具有低密度、高硬度、高热导率、高击穿电场强度、高载流子饱和漂移速度、高抗热震性，优异的抗氧化性能等优点。基于SiC的半导体器件是未来高功率，超高工作温度的半导体器件的首选材料之一。本论文将采用磁控溅射（Magnetron Sputtering,MS）制备技术，在Si衬底上沉积SiC纳米薄膜，并对SiC薄膜的结晶性，沉积速率，微观形貌进行研究。
2.2 目标
将SiC薄膜沉积在Si(111)表面，研究磁控溅射各参数对薄膜生长的影响，并对SiC薄膜的晶体结构，微观形貌等进行测试研究。。
2.3 技术方案
此制备实验具体步骤为：
（1）将Si（111）放在石英管纯度为99.999%的氮气保护加热，自然，退火至室温后取出，放在无水丙酮中超声震荡15-30分钟，取出烘干，然后放在去离子水中清洗，放在100-300℃的炉子中烘干，将处理过的Si（111）分散放置真空室的固定架上，将纯度大于95%的SiC靶安装在真空室内的磁控溅射源上，调节靶头与连接轴，使靶头与水平面之间的角度为45°，关闭真空室；
（2）抽真空，使真空室内的真空度为1×10-3Pa-5×10-4Pa，达到高真空状态；
（3）在高真空状态下的真空室内通入纯度为99.999%的Ar，使真空室气压为0.2-10Pa，打开射频电源，溅射0.25-3小时；
（4）溅射完成一面之后，在Si（111）的另一面按照上面同样的方法溅射SiC纳米薄膜，得到表面具有均匀SiC纳米薄膜的Si（111）
总体制备实验流程如上所示，在制备获得镀有SiC纳米薄膜的Si（111）过程中对磁控溅射的各参数调整多次重复进行实验，观察薄膜生长情况，对SiC薄膜的结晶性，沉积速率，微观形貌跟踪分析。
3. 参考文献
[1] Z.Li,D.Ge,L.Yang,X.Liu,Y.Ding,L.Pan,J.Zhao and Y.Li,Facile synthesis and improved photoluminescence of periodic SiC nanorod arrays by SiO2 templates-assisted magnetron sputtering method[J],Journal of Alloys and Compounds,2012(537):50-53.
[2]Z.Li,L.Yang,D.Ge,Y.Ding,L.Pan,J.Zhao and Y.Li,Magnetron sputtering SiC films on nickel photonic crystals with high emissivity for high temperature applications[J],Applied Surface Science,2012(259):811-815.
[3] N.W.Jepps and T.F.Page,Polytypic transformations in silicon carbide[J],Progress in Crystal Growth and Characterization,1983(7):259-307.
[4] 余东海，王成勇，成晓玲，宋月贤，磁控溅射镀膜技术的发展[J],真空，2009（46）：19-25.
[5] 安霞,庄惠照,杨利,薛成山,李怀祥.在(111)Si衬底上磁控溅射纳米SiC薄膜的退火效应[J].微纳电子技术,2002(05):20-24.
[6] 安霞，庄惠照,李怀祥,杨利,修显武,薛成山.在(111)Si衬底上磁控溅射法制备纳米SiC薄膜[J].山东师大学报(自然科学版),2001(04):382-384.
[7] 周继承,郑旭强,刘福.SiC薄膜材料与器件最新研究进展[J].材料导报,2007(03):112-114 118.
[8] 赵透玲,任丙彦,赵龙,王文静.射频磁控溅射ITO薄膜中沉积温度对膜特性影响[J].光电子·激光,2005(12):1429-1432
[9] 祝元坤,朱嘉琦,韩杰才,梁军,张元纯.磁控溅射制备SiC薄膜的高温热稳定性[J].材料研究学报,2009,23(04):410-414.
[10] 李辉,李合琴,胡仁杰,张元元.磁控溅射制备SiC薄膜及其高温抗氧化性[J].材料热处理学报,2013,34(S1):135-138.
[11] Li M, Cui H N, Wang H, et al. Performance Differences of Ta2O5 Films under Different Magnetron Sputtering Conditions[C], Materials and Computing Technology. 2017.
[12] Kusumoto K. XPS analysis of SiC films prepared by radio frequency plasma sputtering[C], International of Vacuum Congress. 2010:95-102.
[13] 张永宏.现代薄膜材料与技术[M].西北工业大学出版社.2016
[14] 李辉. SiC多层薄膜的制备及其性能研究[D].合肥工业大学,2013.
[15] 程勇,肖剑荣,李明,马家锋. 一种碳纤维表面射频磁控溅射制备SiC涂层的方法[P]. 广西：CN104878357A,2015-09-02.
[16] 艾学正. 石墨衬底上制备SiC薄膜的研究[D].贵州大学,2016.
[17] 杜文汉,杨景景,赵宇,熊超.Effects of Mg doping content and annealing temperature on the structural properties of Zn_(1-x)Mg_xO thin films prepared by radio-frequency magnetron sputtering[J].Optoelectronics Letters,2017,13(01):42-44.
[18] Xu J H. Analysis on the Optical Characteristics of ZnO Thin Film Prepared by Magnetron Sputtering[C]，Materials, Chemistry and Computer Engineering. 2015.
[19] Rusinov P O, Blednova Z M. Technological Features of Obtaining of Nanostructured Coatings on TiNi Base by Magnetron Sputtering[J]. Advanced Materials Research, 2015, 1064:160-164.
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