卤化物激光化学气相沉积法快速制备3C-SiC厚膜

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3C-SiC因具有低的密度和热膨胀系数,高的热导率和熔点,耐热冲击、腐蚀和氧化等优异性能而成为一种非常有应用前景的功能材料。化学气相沉积法(CVD)通常被用于制备SiC薄膜材料,但传统CVD如热壁式或冷壁式CVD(HWCVD/CWCVD)、低压CVD(LPCVD)和等离子体CVD(PECVD)较低的沉积速率增加了制备SiC厚膜的成本。红外激光CVD因具有高的沉积速率而被广泛用于快速制备厚膜材料。在CVD沉积3C-SiC所用的多种前驱体中,卤化物前驱体SiCl4由于具有低的成本和高的沉积速率而受到人们青睐。因此本文结合红外激光CVD和卤化物前驱体SiCl4的优势开发出卤化物激光CVD(HLCVD)技术来快速制备3C-SiC厚膜。  相对于晶粒尺寸较大的3C-SiC块体材料,微晶3C-SiC具有更为优异的力学、电学和光学性能。微晶3C-SiC薄膜通常由热丝CVD、PECVD和光解CVD等方法在低温下制备。由于这些方法的沉积速率较低,难以得到3C-SiC厚膜,从而限制了微晶3C-SiC的应用。卤化物红外激光CVD可以快速制备3C-SiC厚膜,但随着3C-SiC膜厚度的增加,平均晶粒尺寸也增长到数十或数百微米。在光解CVD中,紫外脉冲激光通常被用于在低温下沉积3C-SiC薄膜。此外紫外脉冲激光还可用于3C-SiC的表面处理。当用紫外脉冲激光照射3C-SiC基板时,3C-SiC表面会形成细小结构。为了快速制备微晶3C-SiC厚膜,本文将红外连续激光CVD和紫外脉冲激光CVD组合成混合激光CVD。本论文的研究内容和主要结论如下:  在沉积温度为1673K,沉积压力10kPa时,以SiCl4-CH4-H2为前驱体,采用卤化物激光CVD在不同碳硅比下(RC/Si)制备3C-SiC厚膜。在RC/Si≤0.75时得到连续3C-SiC厚膜,RC/Si=1.0时得到岛状的不连续3C-SiC厚膜。在RC/Si≤0.5时,得到单相的3C-SiC厚膜,当RC/Si≥0.75时,得到含游离碳的3C-SiC厚膜,在RC/Si=1.0时,3C-SiC厚膜密度明显下降。采用卤化物激光CVD在不同沉积压力(Ptot)和温度(Tdep)下制备了高择优取向3C-SiC厚膜。沉积压力和温度对3C-SiC厚膜择优取向影响较大。在较高沉积温度(Tdep>1473K)和低沉积压力(Ptot≤4kPa)下得到<110>取向的3C-SiC厚膜,在高沉积压力时(10-40kPa)时得到<111>取向的3C-SiC厚膜,在中等沉积温度和压力条件下得到随机取向的3C-SiC厚膜。<111>和<110>取向3C-SiC厚膜的最大沉积速率分别为3600和1300μm/h。  在沉积温度为1623K时,采用卤化物红外激光CVD在不同沉积压力下快速制备了透明3C-SiC厚膜。随沉积压力的升高,3C-SiC厚膜的透过率先升高后降低。沉积压力为10kPa时,得到高<111>取向和低缺陷密度的3C-SiC厚膜,此时3C-SiC厚膜透过率达到最大,在800-1100nm的波长范围内透过率超过55%。3C-SiC厚膜的透过率主要受弱择优取向和缺陷的影响。沉积压力为4和20kPa时,由于3C-SiC厚膜中含有大量弱择优取向的晶粒和缺陷,所以透过率较低。  在沉积压力为4kPa,沉积温度分别为1523和1623K时将紫外脉冲激光CVD和红外连续激光CVD组成混合激光CVD快速制备了微晶3C-SiC厚膜。红外连续激光CVD沉积的3C-SiC厚膜的晶粒尺寸范围为4-100μm,而混合激光沉积的3C-SiC厚膜的晶粒尺寸范围为0.5-5.5μm。由于混合激光沉积的微晶3C-SiC厚膜晶粒尺寸较小,所以混合激光沉积的微晶3C-SiC厚膜的硬度高于红外激光沉积的3C-SiC厚膜的硬度。
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