朱泓達(dá)

(倫敦大學(xué)學(xué)院，倫敦，WC1H 0AQ)

1 碳化硅半導(dǎo)體材料輻照試驗(yàn)裝置

輻照試驗(yàn)裝置主要由以下幾部分組成，即：放電模塊：其包括1臺(tái)射頻離子源，最大功率為800 W，運(yùn)行頻率為13.6 MHz，作為本試驗(yàn)的核心裝置，為防止離子注入過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)人員造成危害，在外側(cè)加裝了鋁制屏蔽罩，使用銅管纏繞石英管的方式改良了射頻源，以提高射頻的抗干擾能力；1臺(tái)匹配器，其作用是保證放電模塊穩(wěn)定、均勻發(fā)射離子源。電流采集模塊：利用一臺(tái)量程范圍0.1 mA～1 A的毫安表，精確采集試驗(yàn)裝置在用電運(yùn)行期間的放電電流，將采集到的信息于電流顯示器上直觀展示。送氣模塊：核心裝置是一臺(tái)D08-4D型質(zhì)量流量顯示儀，可在控制面板上人為設(shè)置氣體流量參數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)氣體流量的效果。計(jì)時(shí)模塊：在預(yù)先設(shè)定好輻照劑量、額定電流的情況下，計(jì)算輻照時(shí)間，精確到毫秒。其他模塊：該試驗(yàn)裝置中還有提供負(fù)偏壓電的裝置、偏壓加速裝置、激光加熱裝置及紅外測(cè)溫裝置等。

2 碳化硅半導(dǎo)體材料輻照試驗(yàn)流程

選取一塊規(guī)格為12 mm×12 mm×0.8 mm的碳化硅半導(dǎo)體材料作為試驗(yàn)樣品。調(diào)整試驗(yàn)裝置參數(shù)：離子注入能量100 KeV；分別設(shè)置4個(gè)梯級(jí)的注入劑量，依次是2.0×1015ion/cm2、6.0×1015ion/cm2、1.0×1016ion/cm2和5.0×1016ion/cm2；樣品表面溫度恒定在(450±20)℃；考慮到溝道效應(yīng)的影響，調(diào)整離子注入方向，在垂直方向上向一側(cè)偏移5°。完成上述參數(shù)設(shè)定和試驗(yàn)準(zhǔn)備后，試驗(yàn)人員檢查石英窗上的密封旋鈕是否擰緊，確保整個(gè)試驗(yàn)環(huán)境完全密封。在密封狀態(tài)下啟動(dòng)抽氣系統(tǒng)，將內(nèi)部空氣抽出，使試驗(yàn)環(huán)境成負(fù)壓狀態(tài)。按下開(kāi)關(guān)后，啟動(dòng)射頻離子源，對(duì)樣品進(jìn)行輻照處理。輻照結(jié)束后，采取蒙塔卡羅算法，得出碳化硅樣品中氦原子的深度分布、原子離位損傷等指標(biāo)的定量結(jié)果。依據(jù)密度泛函理論，在仿真環(huán)境下構(gòu)建單晶碳化硅的立方體原子模型，并模擬碳化硅中氦泡的演變過(guò)程。在原子模型中，用10個(gè)He原子代替4個(gè)C原子和6個(gè)Si原子，填充至飽和。

3 碳化硅半導(dǎo)體材料輻照試驗(yàn)表征分析

3.1 離子注入量與原子平均離位損傷的關(guān)系

通過(guò)射頻離子源，以較高初始速度注入到樣品材料的離子，必然會(huì)對(duì)原子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，在接觸、碰撞過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)移能量，進(jìn)而壓縮間隙，導(dǎo)致原本比較規(guī)則、穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，即為原子平均離位損傷。為了更加直觀地表示樣品微觀層面上的損傷情況，引入了“晶格原子位移率(D)”的概念，可以用公式計(jì)算得出：

式中，F(xiàn)為離子注入劑量，R為產(chǎn)生的移位分布，N為單位體積內(nèi)原子數(shù)量。共設(shè)置了4個(gè)量級(jí)的輻照劑量，按照上式可以得到碳化硅在不同輻照劑量下的原子平均離位損傷，如表1所示。

表1 不同輻照劑量對(duì)應(yīng)的原子離位損傷

從表1數(shù)據(jù)變化規(guī)律可以總結(jié)出，隨著輻照強(qiáng)度的提升，注入離子劑量增多，原子平均離位損傷也隨之增加。

3.2 碳化硅表面形貌變化情況

將經(jīng)過(guò)輻照試驗(yàn)的碳化硅樣品置于原子力顯微鏡下，調(diào)節(jié)為“輕敲模式”，掃描之后得到樣品表面圖像。取一塊未接受輻照的碳化硅晶體，采取相同方式觀察得到圖片，作為對(duì)照。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在離子注入能量為120 KeV，表面溫度為350℃，注入劑量為從0增加至5.0×1016ion/cm2的條件下，碳化硅樣品表面有不同程度的腫脹、局部隆起情況。隨著注入劑量的持續(xù)增多，該表征現(xiàn)象越明顯。由此推斷，在注入劑量達(dá)到一定值后，腫脹部位會(huì)發(fā)生破裂，碳化硅樣品表面出現(xiàn)破損、表皮剝落情況。

3.3 碳化硅力學(xué)性能分析

力學(xué)性能的測(cè)試方法是將經(jīng)過(guò)輻照處理后的碳化硅樣品取出，置于原子力顯微鏡的操作臺(tái)上，設(shè)置為“壓痕模式”后，用金剛石針尖，垂直于樣品表面施加壓力，觀察樣品表面壓痕深度，據(jù)此判斷材料硬度。設(shè)置施加的壓力為30 μN(yùn)，最大壓痕深度不超過(guò)50 nm。依次對(duì)不同注入劑量輻照處理后的4組碳化硅樣品，及未經(jīng)處理的1組碳化硅樣品進(jìn)行施壓處理。結(jié)果表明，未接受輻照處理的碳化硅樣品壓痕最淺，即硬度最大。隨著輻照強(qiáng)度的增加，樣品的壓痕變得更加明顯。由此可得，輻照劑量與碳化硅材料硬度成反比關(guān)系。

3.4 碳化硅橫斷面分析

輻照對(duì)碳化硅材料造成的損傷不僅僅局限于表面。由于輻射能量具有極強(qiáng)的穿透性，因此材料內(nèi)部也不可避免的會(huì)出現(xiàn)損傷。為了驗(yàn)證輻照劑量對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的破壞作用，還需要進(jìn)行橫斷面分析。利用掃描電子顯微鏡可以獲得碳化硅樣品橫斷面的圖像。未經(jīng)過(guò)輻照處理的對(duì)照樣品，其橫斷面均勻、無(wú)損傷；而當(dāng)注入劑量增加至一定值后，在距離輻照面400 nm深度處，最先出現(xiàn)了損傷；隨著注入劑量的持續(xù)提升，損傷層的厚度也相應(yīng)增加。

3.5 碳化硅C-AFM測(cè)試結(jié)果分析

導(dǎo)電式原子力顯微鏡(C-AFM)是利用針尖與樣品在原子之間的作用力，造成針尖激光偏轉(zhuǎn)，通過(guò)收集激光偏移量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后獲取樣品表面形貌、內(nèi)部缺陷的一種方法。在輻照劑量為5.0×1016ion/cm2的條件下，給針尖施加3.0 mV正向電壓，此時(shí)電子發(fā)射圖像比表面形貌圖像更明顯，表明電子發(fā)射對(duì)于損傷層內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)更敏感，從電流圖像中可以看到大量的橢圓缺陷(如圖1)。

圖1 碳化硅樣品在C-AFM下的圖像

4 結(jié)語(yǔ)

抗輻射性能是衡量碳化硅材料應(yīng)用價(jià)值的一項(xiàng)主要指標(biāo)，通過(guò)開(kāi)展輻照試驗(yàn)，對(duì)比不同注入劑量下碳化硅樣品表征變化情況發(fā)現(xiàn)，隨著注入劑量的增加，樣品表面腫脹情況更加明顯，硬度減小，內(nèi)部出現(xiàn)損傷，在明確其損傷機(jī)制的情況下，為碳化硅半導(dǎo)體材料的改良和應(yīng)用提供參考。