激光化学气相沉积法制备<111>-3C-SiC薄膜

摘要

3C-SiC因具有高耐热性（升华温度3000 K）、高硬度（莫氏硬度9.5级，仅次于金刚石）、高电子迁移率（1000 cm-2(V·s)-1）、高饱和电子漂移速率（2.7×107cm· s-1）等优良性能而被广泛应用。<111>-3C-SiC薄膜主要应用于耐高温、耐腐蚀涂层与高温高压高频半导体器件。此外，<111>-3C-SiC薄膜还是如石墨烯、AlN等半导体材料的优良衬底。目前，3C-SiC薄膜制备技术存在以下不足：薄膜生长速度慢、制备环境安全性低、制备成本高。
　　本研究将连续大功率、超高斯分布的大口径激光引入到传统的化学气相沉积技术中，形成激光化学气相沉积技术（LCVD），以安全环保的六甲基二硅烷（HMDS）为前驱体，高速沉积<111>-3C-SiC薄膜。以θ-2θ模式 X-射线衍射（XRD）研究薄膜的物相与面外取向；以极图测试分析薄膜的面内取向以及与基板的匹配关系；以扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜表面和断面形貌并计算生长速度；以透射电子显微镜（TEM）分析薄膜中的晶体缺陷；以背散射电子衍射（EBSD）分析薄膜表面单相畴面积和晶界形态。
　　在沉积温度1330~1420 K，沉积压强200~400 Pa沉积条件下，可沉积单一取向多晶<111>-3C-SiC薄膜。沉积温度为1420 K，沉积压强为200 Pa时，<111>-3C-SiC薄膜的生长速度达到最大值，为200μm/h，是传统化学气相沉积法的10~103倍。当沉积温度由1330 K升至1605 K，沉积压强由200 Pa升至600 Pa时，薄膜由<111>取向转变为随机取向，后转变为<110>取向。
　　EBSD测试结果显示，随沉积压强的升高，多晶<111>-3C-SiC薄膜中晶界多为小角度晶界，且单相畴面积增大。SEM与 TEM分析表明，<111>-3C-SiC薄膜表面呈现两种微观形貌：金字塔形貌和针状形貌。借助晶粒表面形貌理论、晶粒竞争生长理论和面缺陷的“自消亡”理论，分析了两种形貌<111>-3C-SiC薄膜生长机理和表面形貌形成机理。
　　沉积压力200~1000 Pa，沉积温度1273~1573 K时，在Si(111)基板上获得<111>-3C-SiC外延薄膜。沉积温度为1273 K，沉积压强200~600 Pa时，所沉积外延薄膜不含双向畴（DPB）缺陷。借助二维晶核形成理论，分析了外延薄膜中DPB的产生和消除机制。