半导体碳化硅湿法腐蚀工艺研究

碳化硅(SiC)具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高、热导率高、化学稳定性好等优异特性,是制备高性能功率器件等半导体器件的理想材料。得益于工艺简单、操作便捷、设备要求低等优点,湿法腐蚀已作为晶体缺陷分析、表面改性的常规工艺手段,应用到了SiC晶体生长和加工中的质量检测以及SiC器件制造。根据腐蚀机制不同,湿法腐蚀可以分为电化学腐蚀和化学腐蚀。本文综述了不同湿法腐蚀工艺的腐蚀机理、腐蚀装置和应用领域,并展望了SiC湿法腐蚀工艺的发展前景。     

化学气相沉积法碳化硅外延设备技术进展

碳化硅(SiC)是制作高温、高频、大功率电子器件的理想电子材料,近20年来随着外延设备和工艺技术水平不断提升,外延膜生长速率和品质逐步提高,碳化硅在新能源汽车、光伏产业、高压输配线和智能电站等领域的应用需求越来越大。与硅半导体产业不同,碳化硅器件必须在外延膜上进行加工,因此碳化硅外延设备在整个产业链中占据承上启下的重要位置,而且也是整个产业链中最复杂、最难开发的设备。本文从碳化硅外延生长机理出发,结合反应室设计和材料科学的发展,介绍了化学气相沉积(CVD)法碳化硅外延设备反应室、加热系统和旋转系统等的技术进展,最后分析了CVD法碳化硅外延设备未来的研究重点和发展方向。     

PVT法生长4H-SiC晶体及多型夹杂缺陷研究进展

作为第三代半导体材料的典型代表,碳化硅因具备宽的带隙、高的热导率、高的击穿电场以及大的电子迁移速率等性能优势,被认为是制作高温、高频、高功率以及高压器件的理想材料之一,可有效突破传统硅基功率半导体器件的物理极限,并被誉为带动“新能源革命”的绿色能源器件。作为制造功率器件的核心材料,碳化硅单晶衬底的生长是关键,尤其是单一4H-SiC晶型制备。各晶型体结构之间有着良好的结晶学相容性和接近的形成自由能,导致所生长的碳化硅晶体容易形成多型夹杂缺陷并严重影响器件性能。为此,本文首先概述了物理气相传输(PVT)法制备碳化硅晶体的基本原理、生长过程以及存在的问题,然后针对多型夹杂缺陷的产生给出了可能的诱导因素并对相关机理进行解释,进一步介绍了常见的碳化硅晶型结构鉴别方式,最后对碳化硅晶体研究作出展望。     

碳化硅邻晶面外延生长机制的动力学蒙特卡罗模拟

用动力学蒙特卡罗方法研究了3C-SiC(111)邻晶面的外延生长机制.生长温度、沉积速率和平台宽度对邻晶面外延生长模式有着重要的影响.模拟结果显示:在温度较低的情况下,晶体表面离散的分布着数量众多的晶核,其生长模式为二维岛核生长模式.当生长温度升高时,岛核主要分布于台阶边缘,晶体生长方式则转变为台阶推进与岛核成长共生的生长模式.其次,在沉积速率较低时,晶体主要生长方式为台阶推进模式,随着沉积速率增加,晶体生长模式则转变为二维岛核生长模式.最后,岛核密度随平台宽度的增加而增加,在较低温度下,平台宽度对岛核密度的影响更加明显.     

煤源灰分对煤基SiC纳米结构及堆积缺陷的影响

以电锻太西煤和未电锻太西煤为原料,采用溶胶凝胶法制备纳米级煤质碳化硅材料,并对其结构进行XRD,TEM,XPS表征及计算分析.研究发现,以高灰分的未脱灰电锻太西煤碳源所制备的SiC材料中,其堆积缺陷变化较大,且随着催化剂用量的增加其微观形貌呈现棒状、线状及颗粒状;而当催化剂用量一定时,以低灰分的脱灰电锻太西煤为原料所获得的SiC材料结构中堆积缺陷密度随其原料灰分的升高而下降,当灰分为4.43;时,碳化硅堆积缺陷变化不明显,且其微观形貌保持均一.碳源灰分与催化剂在一定范围内,对于调控纳米碳化硅的形貌、比表面积等具有一定协调催化作用,可以通过催化剂及灰分调控以控制获得不同纳米形态的碳化硅材料.     

SiC晶片不同晶面的CMP抛光效果对比研究

化学机械抛光(CMP)已被认为是目前实现SiC晶片全局平坦化和超光滑无损伤纳米级表面的最有效加工方法之一,然而SiC晶片的化学氧化反应受其表面极性的强烈影响,从而导致其不同晶面表面原子在CMP过程中的可氧化性以及氧化产物去除的难易程度存在差异.采用K2 S2 O8作为氧化剂、Al2 O3纳米颗粒作为磨粒,对比研究了6H-SiC晶片Si面和C面的CMP抛光效果,并分析不同晶面对其CMP抛光效果的影响机理.结果表明,6H-SiC晶片Si面和C面的CMP抛光效果存在显著差异.6H-SiC晶片Si面的材料去除率在pH=6时达到最大值349 nm/h;相比之下,C面的材料去除率在pH=2时达到最大值1184 nm/h,抛光后的Si面和C面均比较光滑.氧化剂进攻C面上C原子的位阻明显小于其进攻Si面上的C原子的位阻,从而导致C面比Si面具有更高的反应活性和氧化速度.此外,C面上的氧化物比Si面上的氧化物更容易被去除,因此C面比Si面易于获得更高的材料去除率.     

非晶碳化硅材料与光学微腔的制备与发光

利用等离子体化学气相沉积技术在100℃的衬底温度下,制备了具有不同组分比的系列非晶碳化硅薄膜。结合傅里叶变换红外光谱与喇曼光谱对所制备的薄膜微结构进行了表征与分析,同时,对具有不同组分比的非晶碳化硅薄膜室温光致发光性质进行了系统的研究。结果表明在Ar⁺离子激光和Xe灯紫外光的激发下,不同组分的样品显示出不同的光致发光特性,并对样品的发光特性与其微结构的联系进行了讨论。在此基础上,用碳化硅薄膜设计和制备了全固体光学微腔,研究了微腔对碳化硅发光行为的调制作用。     

碳化硅增强环氧树脂复合材料的制备及性能研究

为了提高环氧树脂的摩擦磨损性能,利用碳化硅颗粒填充改性制备了碳化硅/环氧树脂复合材料,探讨了碳化硅含量对于复合材料摩擦磨损性能的影响及磨损表面的磨损机理,分析复合材料的弯曲性能和动态力学性能,揭示了碳化硅的增强机理.结果表明高含量的微米碳化硅能够明显降低环氧树脂的摩擦系数,提高其耐磨性能:与纯环氧树脂相比,添加60wt;碳化硅的复合材料摩擦系数降低了21.44;,而添加40wt;碳化硅的复合材料,体积磨损率降低了83.49;.同时高碳化硅含量下复合材料的弯曲性能和动态力学性能有所增加.     

YF3/氧化物烧结助剂对碳化硅陶瓷热导率的影响

利用YF3/氧化物体系作为烧结助剂热压烧结碳化硅陶瓷,研究了此体系中氧化物的种类、含量对样品的致密度、导热性能、物相成分、微观形貌的影响.实验结果表明,在烧结温度1900 ℃、压力50 MPa条件下,YF3/氧化物体系烧结助剂对碳化硅陶瓷热导率有所提升,其中同时添加5wt;YF3+3wt;MgO双相烧结助剂的SiC陶瓷性能最优,其致密度为98.93;,热扩散系数为71.40 mm2/s,热导率为154.29 W/(m· K).     

SiC表面Ni沉积超疏水膜层的形成机理

前期采用环境友好方法制备的改性碳化硅颗粒,经较长时间放置,发现其由亲水性转变为超疏水性,接触角为156°。为解释这一新的现象,采用扫描电子显微镜、能谱、(高分辨)透射电子显微镜、X射线光电子能谱(XPS)对原粉碳化硅、改性后碳化硅及久置碳化硅进行了测试与分析。结果显示：改性后碳化硅经较长时间放置,表面胞状颗粒增大并出现凸起物,粗糙度增加,存在类似于荷叶的微纳米结构。改性后颗粒的主要成分为Ni、Si、O,其中凸起处Ni、O元素的含量明显高于凹陷处。Ni颗粒表面出现清晰的膜层,膜层厚度为2~3 nm,但结晶度偏低。XPS测试结果显示金属镍的特征峰正向移动近4eV,与镍的氧化态特征峰相一致,从而解释了颗粒表面形态发生细小改变,自发形成超疏水膜层的机理。