碳化硅（SiC）是一种宽带隙半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电压高、电子迁移率高、热导率高、抗辐射能力强等优良的物理化学特性，以及与硅集成电路工艺兼容等特点，成为制作高温、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，同时又是一种有效的半导体发光材料，成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。本文详细介绍了碳化硅薄膜的制备方法、实验设计和实验测量结果。 本文首先概括介绍了碳化硅薄膜的研究现状。目前，对单晶碳化硅薄膜已做了较广泛、较深入的研究，在制备方法、特性表征等方面的研究已相对成熟，对其结构、形貌、光学、电学及光电特性做了细致的研究。而非晶态碳化硅薄膜的研究相对较少，尤其是采用磁控溅射法制备非晶碳化硅薄膜。因此磁控溅射碳化硅薄膜的研究很有必要，以期发现它在光电器件方面新的应用以促进光电子器件的发展。另外，对碳化硅薄膜的退火处理大多是在真空、空气、氩气或氮气气氛下进行。我们首次尝试了对碳化硅薄膜在氢气气氛下进行退火处理，实验得到了令人满意的结果。 介绍了制备碳化硅薄膜所采用的溅射系统、样品的制备过程及特性测量。采用配有SY型500W射频电源的JCK-500A型磁控溅射仪来制备碳化硅薄膜。实验所用靶材为陶瓷碳化硅靶。样品的退火处理分别在氮气和氢气气氛下进行。用X射线衍射仪（XRD）、透射电镜（TEM）、红外透射谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）及X光电子能谱（XPS）对样品的结构特性、表面形貌及组分进行表征。用960CRT荧光分光光度计室温下测量样品的光致荧光特性。 然后给出了实验结果及其分析情况。首先分析了N₂气氛下退火温 摘 要 度对碳化硅薄膜的影响。退火后碳化硅薄膜的结构特性得到显著改善。 退火后碳化硅簿膜的红外吸收频率（与块体材料相比）出现蓝移，这 是因为在所制备的纳米＊ 薄膜中，SIC颗粒尺寸较小，能隙由于颗粒刃 直径 9＆小而展宽，导致红外吸收频率蓝移。在退火温度小于等于 1000丫 时，薄膜样品的晶态结构未发生显著变化，但己含有一定量的结晶成 分。同时XRD 及TEM 测试表明，更高温度返火后碳化硅薄膜由非晶 转变为多晶。SEM图像表明，在 11 50丫退火后样品表面生成了碳纳米 线。根据AFM观察，随着退火温度的升局，碳化硅颗粒尺寸增大；退 火温度 Ta 31 000丫时碳化硅颗粒形状发生变化，呈现出‘刁状拖尾。然 G什析了H。气氛下碳化硅薄膜的退火效应c退火后薄膜样品的晶化程 度明显提高，在 X射线衍射图谱中出现了明显的对应于 p十C的（111） 衍射峰；退火温度 Ta 31 000”C 时，S i C颗粒尺寸基本上不再随温度变 化，颗粒形状也未发生明显变化。比较了退火气氛对碳化硅薄膜的影导 响。指出同样条件下，氢退火有利于薄膜晶态结构的改善；H 2气氛下 进行退火处理时，在］000丫即开始生长出碳纳米线，而且随温度升高， 碳纳米线增多。所制备出的碳纳米线，其长度可达8～9 微米，甚至于 十几个微米；其直径最粗可达60urn左右，细的则只有20 urn左右。至 于碳纳术线的形成机理，我们认为是溅射过程中一部分 h 被氮离子 碰撞电离生成的过饱和的碳原子与气体分于的碰撞所致。本文首次报 道了碳化硅薄膜的氢退火效应。目前尚未见到采用类似方法制备出碳 纳米线的报道。另外，特别值得提出的是，我们用类似方法在石英衬底 上制备出了碳纳米螺旋线。目前此类报道尚未见到。对石英衬底上溅 射的 150纳米厚的碳化硅薄膜进行氢退火处理（加热温度为 1150C， 加热时间为3小时），在样品表面观察到碳纳米螺旋线。碳纳米螺旋线 的直径为100纳米左右，螺旋管的直径为300纳米左右，螺旋线的长 度可丛7～8微米，甚至于长达17微米人右。而且实验的重复性很好。 这一实验现象非常独特、新颖，对于纳米器件的组装和集成、以及纳 ．且I． 摘 要 米科学和纳米技术的研究具有很重要的科学意义，具有重大研究价值。 光致荧光（PL）特性测试结果表明，所制备的样品在室温条件下 并未观测到光致荧光发射c在文献中，有关碳化硅薄膜的荧光发射现 一 象，均认为是量