单晶碳化硅衬底合成CVD金刚石薄膜的研究

发布时间：2020-08-27 16:20

【摘要】：碳化硅作为新型的第三代半导体材料同时在海洋密封材料方面具有广泛的应用。金刚石则具有一系列优异的物理化学性能。以碳化硅为衬底制备金刚石薄膜便可以对碳化硅衬底的性能有一定的提升。本研究采用直流辉光放电等离子体设备在单晶碳化硅表面沉积金刚石薄膜。通过对比不同的工艺参数:如甲烷浓度、衬底温度和沉积气压,在单晶碳化硅衬底上沉积金刚石薄膜。研究了各个工艺参数对金刚石薄膜生长的影响。利用SEM、Raman、XRD、AFM和TEM等测试手段对沉积结果进行表征。实验结果表明:甲烷浓度的变化会对晶粒尺寸以及晶面产生重要影响。甲烷浓度从1%增加至9%时,金刚石薄膜的晶面从(111)转变为(100),最终再转变为(111),晶粒大小也逐渐增加。对比同一甲烷浓度下的碳/硅终端衬底沉积出来的薄膜,碳终端的薄膜致密性要高得多,但是晶粒形状及大小基本一致。沉积气压并不会对不同终端的衬底沉积结果产生影响,碳终端衬底的沉积结果依然在致密性方面要高于硅终端衬底。在同一个碳/硅终端衬底上沉积的薄膜,气压的改变会使得晶型从(111)转变为(100)最终转变为(110)。随着温度的增加,晶型开始有规则的方形变成无规则形状。晶粒尺寸也随着增加,由1μm大小增加至2~3μm。与前两组一致,碳终端衬底沉积的薄膜致密性依然高于硅终端沉积结果。由于碳硅终端衬底的沉积结果差异,因此我们研究了形核界面的微观情况,分析了形核界面的金刚石与碳化硅相互作用效果。由于碳终端不需要形成非晶层,所以其形核更为直接。因此在相同的时间内,碳终端衬底的形核结果适中要更优于硅终端衬底形核结果。由于硅终端形核效果更差,因此在薄膜沉积过程中会出现致密性较差,膜层不连续的现象。最后结合前面的工艺参数的研究结果以及形核结果的研究,使用最优的沉积参数在碳化硅表面沉积金刚石薄膜。在优化的参数基础上,进行深入研究。沉积出了连续均匀的金刚石薄膜,经过XRD测试,晶粒为(100)取向生长,同时经过AFM测试得薄膜粗糙度达到86.4nm。
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TQ163
【图文】：

原子结构,金刚石

硅、金属钼以及硬质合金这几种。部分研究者利用碳化硅做过渡层些无法或者难以合成金刚石薄膜的衬底材料上制备金刚石薄膜，但在碳化硅材料上沉积的研究并不多。然而，在碳化硅为衬底材料沉刚石薄膜的形核机理研究非常少。.2 金刚石的结构与性能物质的性能与其结构有着紧密的联系。金刚石的特殊结构使其拥优异的物理化学性能。自然界中的碳通常以六方晶系的石墨、非晶以及立方晶系的金刚石三种形式存在。在金刚石中，碳原子以 sp3杂道形成正四面体的化学键，每个碳原子周围均有四个碳原子。由于子外层所有电子均参与成键，在纯的金刚石晶体中并不存在游离态由电子或者空穴，所以纯的金刚石属于绝缘体。由于 c-c 键贯穿整个，使得晶体解理相当困难，因此金刚石是已知天然材料中最硬的物质

人造金刚石,金刚石,II型,I型

示意图,碳化硅,终端,晶体结构

性质材料 Si 3C-SiC 6H-SiC Diamond电子迁移率μe(cm2/Vs) 1400 800 400 2200饱和电子漂移率 Wsat(107cm/S) 1 2.2 2.0 2.7空穴迁移率μp(cm2/Vs) 600 40 3.02 5.45击穿电场 Eb(106V/cm) 0.3 4 4 10介电常数εr11.8 9.72 9.66 5.5热导率λ(W/cmK) 1.5 5 5 20热膨胀系数(10-6K-1) 2.6 4.7 4.7 -熔点(℃) 1414 2830(g) 2830(g) 4000折射率 3.5 2.7 2.7 2.42本论文所使用的是单晶碳化硅，其上表面与下表面的原子终端属于不同的原子。碳化硅的晶体由碳原子与硅原子一层一层排列，上表面为碳原子终端而下表面则为硅原子终端。如图所示。

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