双离子束溅射室温沉积生长 SiC 薄膜

金成刚 吴雪梅 诸葛兰剑

苏州大学物理科学与技术学院

江苏省薄膜材料重点实验室2007 年 8月 成都

¤ 研究背景

¤ 实验方法

¤ 结果与分析

¤ 结 论

主要内容

一、研究背景

： SiC 作为一种优秀的微电子材料，以其禁

带宽、饱和电子漂移速度大、临界雪崩击穿电场高和热导高的特点，在大功率、高频、耐高温、抗辐射器件及光电子集成器件方面具有重要的应用价值而备受重视。工艺上又可以与集成电路兼容，被期待作为新型的光电材料应用于大规模光电集成电路(OEIC) ，因而日益成为关注焦点。

SiC 虽是间接带隙半导体，但目前人们研制的具有纳米结构的 SiC 材料已能有效发射蓝光。目前 SiC 体单晶的生产已日趋完善。但氮化镓材料发光效率极高， SiC

材料发光效率却相对较低。如何提高 SiC 材料的发光效率现成为国际上的一个非常热门的话题的研究领域。

SiC 材料是我们课题组的主要研究内容

☆ 化学气相沉积（ CVD ） ☆ 分子束外延 (MBE)

☆ 磁控溅射

☆ 脉冲激光淀积 (PLD)

☆ 离子注入

目前制备 SiC 薄膜选用的主要方法

：采用双离子束溅射的方法分别采用双离子束溅射的方法分别

制备了无辅源离子轰击制备了无辅源离子轰击 SiCSiC 薄膜、能薄膜、能

量为量为 150eV150eV 的辅源离子轰击的辅源离子轰击 SiCSiC 薄薄

膜，通过膜，通过 SEMSEM 、、 XRDXRD 、、 RamanRaman 、、

透射谱等手段测试分析了薄膜的表面透射谱等手段测试分析了薄膜的表面

形貌、结构、光学性质等。形貌、结构、光学性质等。

二、实验方法

图 1 双离子束溅射沉积（ DISBD ）装置示意图

¤ 采用双离子束溅射装置沉积薄膜¤ 工作气体为 Ar¤ 本底气压为 5×10-4Pa ¤ 沉积气压为 2×10-2Pa¤ 主源离子能量为 800eV 束流为 40mA¤ 辅源离子能量为 150eV 束流为 10mA

三、结果和分析

1. SiC 薄膜表面 SEM 分析（ a）

(b)

图 2 （ a ）无辅源轰击的表面 SEM 图，（ b ）能量为 150eV 辅源轰击的表面 SE

M 图

随着辅源离子的轰击薄膜中团簇的尺寸变大

图 3 （ c ）无辅源轰击的截面 SEM 图，（ d ）能量为 150eV 辅源轰击的截面 SE

M 图

A

B C

(c)

(d)

无辅源轰击的膜比较平滑，而薄膜与 Si 衬底间的接触面比较光滑，没有空洞，但是其中有很多裂纹如图 3（ c ） A 区域。

150eV 离子束轰击之后的膜变得粗糙，致密。如图 3 （ d ） B 区域，薄膜与 Si 衬底有一个比较明显的过渡层，而且有空洞出现如 C 区域，但是并没有发现裂纹。

低能离子束轰击提高吸附原子的迁移率，使得薄膜更加致密，表面粗糙。同时离子束的轰击能够增大团簇的尺寸，提高薄膜与衬底间的附着力，释放薄膜与衬底间的内应力。

2. SiC 薄膜结构的 FTIR 分析 红外光谱是研究红外光通过样品被吸收的情况 , 红外光谱最适宜于研究不同原子的极性键 ( 如 C=O,O-H,C-H,N-H)的振动。

1000 2000 3000 4000

b

a

Tra

nsm

itta

nce

(a.u

.)

Wavenumber(cm-1)

图 4 （ a ）无辅源轰击的红外透射光谱，（ b ）能量为 150eV 辅源轰击的红外透射光谱。

离子束轰击后，位于 800cm-1 的 Si-C键的吸收峰变得尖锐，这说明离子束轰击促进了 Si-C 键的形成。

3. SiC 薄膜结构的 Raman 分析

Raman 光谱是研究在垂直或其他方向上对单色光的散射 , 与红外光谱是互相补充的。 Raman 光谱则适宜于研究同原子的极性键 ( 如 C=C,S=S,N=N) 的振动。本实验就用其来测量我们所得薄膜中的 C=C 和 Si-Si 键。

0 400 1200 1600 2000200

400

600

800 (a)

1414

a-Si

Raman shift (/cm-1)

200

400

600

800(b)

1424a-SiC

Ram

an In

ten

sity

(a.

u.)

图 4 （ a ）无辅源轰击的 Raman 光谱，（ b ）能量为 150eV 辅源轰击的 Raman 光谱。

离子束轰击后，位于 480cm-1

的 Si-C 键和 1300-1600cm-1 光谱区的 C=C 的吸收峰都变小，且 C=C峰向高频方向移动，这表明 sp3/sp2 的比率降低，同时多余的 C 原子或者 sp2 键的团簇的尺寸变小。

4. SiC 光吸收特性

4.1 光吸收测量

200 300 400 500 600 700 800 9000

10

20

30

40

Op

tica

l Tra

nsm

issi

on

(%

)

Wavelength (nm)

a b

图 5 （ a ）无辅源轰击的紫外可见光透射光谱，（ b ）能量为 150eV 辅源轰击的紫外可见光透射光谱。

随着辅源离子的轰击薄膜的吸收边蓝移。

4.2 光吸收边的确定

图 6 无辅源轰击的 SiC 薄膜 （ a ）能量为 150eV 辅源轰击 SiC 薄膜 (b) （ αһν ） 1/2 与 һν 的关系曲线

随着辅源离子的轰击薄膜光学带隙从 1.25eV 增加到 1.5eV 。

四、结 论◇在辅助离子的轰击下，薄膜表面粗糙，更加致密。同时能够增大团簇的尺寸，提高薄膜与衬底间的附着力，释放薄膜与衬底间的内应力。

◇离子束轰击促进了 Si-C 键的形成。同时多余的 C 原子和 Si 原子或者 s

p2 键的团簇的尺寸变小。

◇在辅助离子的轰击下，薄膜的吸收边蓝移，且光学带隙从 1.25eV 增加到 1.5eV 。这可能是由于深埋在异核 Si-C 键网络中的 sp2 键的团簇的尺寸变小导致的。